Эффективность охлаждения и теплопередача в тепловой завесе, создаваемой пористым вдувом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

IIIIIIIIIIIIIIIIIIII

003 16S413

ЗУБАРЕВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ТЕПЛОВОЙ ЗАВЕСЕ, СОЗДАВАЕМОЙ ПОРИСТЫМ ВДУВОМ

Специальности 01 04 14 - Теплофизика и теоретическая

теплотехника 05 07 05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2008

О 0 ¿1P 2008

Работа выполнена на кафедре "Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели" (ГПТУиД) Казанского государственного технического университета им А Н Туполева

Научный руководитель

доктор технических наук Хабибуллин Мидхат Губайдуллович

Научный консультант

кандидат технических наук, доцент Каримова Ала Григорьевна

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Фафурин Андрей Викторович

кандидат технических наук, доцент Хасаншин Ильшат Ядыкарович

Ведущая организация

ОАО КПП «Авиамотор», г Казань

Защита состоится "23" амреил 2оо8г в (О часов на заседании диссертационного совета Д 212 079 02 при Казанском государственном техническом университете им А Н Туполева, по адресу 420111, РТ, г Казань, ул К Маркса, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им А Н Туполева

Автореферат разослан МА^М^ 2008г

Ученый секретарь диссертационного Совета

кандидат технических наук, доцент * ^ <5 А Г Каримова

* "" С

)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Использование современных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) в наземных условиях в качестве газогенераторов для привода насосов на станциях перекачки энергоносителей, на электростанциях, как резервных источников энергии для привода электрогенераторов в аварийных ситуациях, а также на мини-электростанциях в труднодоступных районах в настоящее время нашло широкое применение

Особенностями эксплуатации современных высокотемпературных ГТД наземного применения являются непрерывность работы в течение длительного времени на теплонапряженном стационарном режиме, отсутствие естественного обдува мотогондолы и корпуса двигателя потоком холодного воздуха, что имеет место в условиях полета

Перечисленные особенности приводят к тому, что поверхность наружного корпуса двигателя нагревается до высоких температур Это затрудняет обслуживание двигателя персоналом станции - осложняет проведение осмотров и текущих регламентных работ, приводит к перегреву наружных коммуникаций двигателя - трубопроводов, шлангов, вспомогательных агрегатов, снижая ресурс работы

Актуальным становится вопрос организации тепловой защиты окружающего пространства отсека от нагретого корпуса двигателя Применяемые в настоящее время меры по охлаждению оболочки корпуса двигателя и по вентилированию помещения отсека требуют дополнительных затрат энергии и не в полной мере приводят к желаемым результатам, создают проблемы неравномерности охлаждения, что приводит к неравномерности температурных полей и нестабильности радиального зазора

Проведенный расчетный анализ известных и наиболее широко применяемых способов охлаждения, использующих вынужденную конвекцию, в том числе с различными интенсификаторами (ребрами, штырьками, лунками и т п ) показал их неэффективность В технической литературе констатируется, что наиболее экономичным и эффективным способом воздушного охлаждения является проникающее пористое, при котором создающаяся тепловая завеса оттесняет тепловой поток от поверхности вдува Все известные исследования теплоотдачи и эффективности охлаждения пористым вдувом относятся к соплам ракетных двигателей и лопаткам высокотемпературных ГТД, где имеется высокоскоростной сносящий горячий поток рабочего тела

Тепловую завесу в предлагаемом способе предполагается создавать, подавая охлаждающий воздух через пористую оболочку, окружающую наиболее нагретые участки корпуса двигателя (в районе ка-

меры сгорания, турбины, выходного сопла), при отсутствии сносящего потока

Конструктивное оформление данного варианта тепловой защиты представляется привлекательным, т к интенсивный теплосъем обеспечивается даже при отсутствии типичных каналов охлаждения Пограничный слой на поверхности теплообмена в данном случае характеризуется режимом сверхкритического вдува, при котором имеет место оттеснение горячей среды от проницаемой поверхности Кроме того, значительное количество теплоты снимается внутри пористого материала при протекании охладителя по поровым каналам Со стороны подвода охладителя теплообмен с пористой стенкой интенсифицируется отсосом пограничного слоя Термодинамические зависимости, описывающие процессы теплоотдачи в соплах и лопатках тепловых двигателей, неприменимы к данному случаю

Поэтому для подтверждения правомерности и обоснованности сделанного выбора способа тепловой защиты необходимо провести экспериментальное исследование с целью разработки расчетных рекомендаций по оценке и прогнозированию температурного состояния оболочки корпуса на базе полученных в опытах зависимостей по теплоотдаче и эффективности охлаждения пористой стенки

Целью работы является разработка рекомендаций по организации тепловой защиты отсека от горячих элементов корпуса ГТД наземного применения путем создания тепловой завесы вдувом воздуха через пористую оболочку на основе изучения эффективности охлаждения и процессов теплопередачи в системе

Задачи исследования:

1 Проведение экспериментальных исследований на созданных модельных установках по изучению температурного состояния, эффективности охлаждения и процессов теплопередачи в предлагаемой системе

2 Разработка методики расчета основных величин (коэффициентов теплоотдачи, эффективности охлаждения) на базе составления уравнений теплового баланса

3 Обработка и обобщение результатов опытного исследования в соответствии с п 2 Получение эмпирических зависимостей, устанавливающих связь теплоотдачи к пористой стенке и эффективности ее охлаждения с расходными и температурными характеристиками Определение степени влияния определяющих параметров (геометрических, режимных) на процессы теплопередачи и эффективность охлаждения

4 Расчет температуры пористой стенки по установленным зависимостям Разработка рекомендаций по использованию тепловой завесы

Научная новизна:

1 Впервые исследованы возможности и преимущества организации тепловой завесы пористым вдувом для защиты наружной оболочки от горячих элементов корпуса ГТД наземного применения при отсутствии сносящего потока

2 Разработана методика расчета коэффициентов теплоотдачи на базе составления уравнений баланса тепловых потоков рассматриваемой системы

3 Получены новые эмпирические зависимости по коэффициентам теплоотдачи и эффективности охлаждения с учетом влияния режимных и геометрических параметров, позволяющие прогнозировать температурное состояние пористой стенки предлагаемой системы тепловой завесы

4 На базе полученной обобщающей зависимости по эффективности охлаждения проведен расчет температуры пористой стенки для предлагаемой системы тепловой защиты с параметрами натурного двигателя

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается и обеспечивается использованием общепринятых апробированных методов и методик проведения теплофизического эксперимента, аттестованной измерительной аппаратуры, отвечающей современным требованиям точности замеров, расчетом погрешностей, удовлетворительной сходимостью результатов термометрирования и расчетных данных, многократной повторяемостью замеров в ходе экспериментов Практическая ценность работы. Результаты проведенного исследования позволяют

- производить расчет температуры пористой стенки и прогнозировать получение приемлемой температуры наружной оболочки корпуса двигателя при использовании предлагаемой тепловой завесы при минимальных расходах охлаждающего воздуха и энергозатратах,

- создать благоприятные температурные условия при обслуживании двигателя,

- улучшить экономичность двигателя за счет снижения расхода воздуха, отбираемого от компрессора на охлаждение

Автор защищает: 1 Обобщенные результаты опытного исследования эффективности охлаждения (тепловой завесы) и процессов теплоотдачи в кольцевых (щелевых) каналах между внутренней - нагретой, средней - пористой охлаждаемой и наружной непроницаемой ресиверной стенками при вдуве воздуха через пористую стенку из ресивера в направлении нагретой стенки при отсутствии сносящего потока и противодавления

2 Рекомендации по расчету температуры пористой стенки, возможность прогнозирования температурного состояния пористой стенки и оболочки в случае применения данного способа охлаждения на двигателях наземного применения при использовании обобщенных зависимостей, полученных экспериментальным путем

Реализация работы на производстве. Результаты работы переданы в конструкторский отдел ОАО КМГГО для их использования в конструкторских разработках систем тепловой защиты применительно к натурным условиям

Апробация работы. Работа обсуждалась по частям и полностью на 22 научно-технических конференциях и семинарах российского и международного уровня

Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях

- "Внутрикамерные процессы в энергетических установках Акустика, диагностика, экология" г Казань, КВАКУ им Маршала М Н Чистякова 2000, 2001, 2002,2003, 2004,2005, 2006, 2007г г

- 3-ей и 4-ой Российских национальных конференциях по теплообмену РНКТ - 3 - 2002г, РНКТ - 4 - 2006г, Москва -

- XIV, XV, XVI школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика А И Леонтьева "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" г Рыбинск-2003г, Калуга-2005г, С-Петербург 2007г

- Международной НТК "Проблемы и перспективы развития двигателе-строения" г Самара, 26-27 июня 2003г

- 3-ей международной конференции "Проблемы промышленной теплотехники" г Киев, 29 сентября - 4 октября 2003 г

- V-м Минском международном форуме ММФ - 5 - 2004 по тепломассообмену, г Минск

- 2-ой научной школе-конференции "Актуальные вопросы теплофизики физической гидрогазодинамики", 20-26 сентября 2004г, i Алушта, ИТТФ HAH Украины

- IV школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук академика РАН В Е Алемасова, 28-29 сентября 2004г "Проблемы тепломассообмена к гидродинамики в энергомашиностроении" г Казань

- XXVII Сибирском теплофизическом семинаре, посвященном 90-летию акад РАН С С Кутателадзе Москва-Новосибирск, 1-5 октября 2004г , ИТФ СО РАН, г Новосибирск, 2004

- Международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей», посвященная 1000-летию Казани, 23-27 мая 2005г, КГТУ им А Н Туполева, ИАНТЭ, г Казань, 2005

- Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века», 6-9 декабря 2005г, г Москва, 75 лет ЦИАМ

- Национальной конференции по теплоэнергетике НКТЭ-2006 Казань, Россия

Доклады и тезисы докладов опубликованы Работа в целом заслушана на расширенном заседании кафедры ГПТУиД Во всех случаях работа получила одобрение и поддержку

Личный вклад автора в работу: автором сформулированы основные цели и задачи исследования, при его участии разработан и создан экспериментальный стенд и две модельные установки для изучения выбранного способа тепловой защиты, разработаны методики проведения экспериментов, обработки первичной информации, проведены программная серия опытов, обобщение результатов, расчеты температурного состояния пористой оболочки

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 23 печатных работы, в том числе две статьи в рекомендованных ВАК журналах

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из наименований Диссертация изложена на страницах текста, содержит 2А рисунков и 1 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении на основе анализа проблем, возникающих в процессе эксплуатации авиационных ГТД в наземных условиях, дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, описана физическая модель процессов, имеющих место при пористом вдуве, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные научные положения, выносимые на защиту

В первой главе, посвященной обзору литературы, обсуждаются результаты экспериментальных и расчетно-теоретических работ, в которых исследованы процессы гидродинамики, внутреннего и внешнего теплообмена при проникающем охлаждении горячих деталей двигателей

Проблемам пористого вдува посвящено большое количество работ, большинство из которых носят экспериментальный характер Среди них - отечественные и зарубежные авторы Многочисленные проведенные исследования показывают, что потребный расход охладителя при пористом охлаждении уменьшается по сравнению с другими способами охлаждения

Для достижения эффективности охлаждения в = -—■- =

(Тг - Тв вх )

= 0,8 пористое охлаждение требует в ~ 2,5 раза меньший расход воздуха, чем пленочное при прочих равных условиях

Внутренний теплообмен в пористых материалах является наиболее обширной зоной экспериментальных исследований, связанных с пористым вдувом Однако использование данных, полученных другими авторами, требует учета характеристик исследованных пористых материалов

Теплоотдача от пористой стенки к охладителю со стороны его входа освещена в технической литературе недостаточно Очевидно, способ подвода охладителя к пористой оболочке турбинной лопатки, предполагающий наличие развитой сети каналов охлаждения, создает условия теплообмена, существенно отличающиеся от тех случаев, когда охладитель подводится к ресиверу и натекает на пористую стенку при отсутствии вектора продольной скорости Использование зависимостей, полученных при исследовании теплоотдачи в каналах турбинной лопатки, неправомочно

В случае применения пористого вдува в системах охлаждения высокотемпературных энергоустановок воздух подается в пограничный слой горячего рабочего тела (газа), движущегося с высокой скоростью вдоль охлаждаемой пористой стенки и образует на поверхности защитный слой, в котором горячий поток частично (докритические вду-вы) или полностью (сверхкритические вдувы) оттесняется от защищаемой поверхности (см рис 1)

В данной работе предлагается смоделировать случай создания тепловой завесы между корпусом и наружной оболочкой стационарно работающего двигателя по схеме (см рис 2)

Воздух из ресивера, образуемого наружной оболочкой и пористой стенкой, вдувается в полость между горячей и пористой стенками, сообщающуюся с атмосферой

В предлагаемой схеме тепловой поток генерируется нагретым корпусом, а сносящий ("центральный") поток газа отсутствует

Незначительное движение вдоль поверхности пористой стенки создается лишь самим вдуваемым охладителем, покидающим зону тепловой "завесы Скорость такого движения незначительна и зависит от интенсивности вдува, расположения рассматриваемого сечения по продольной координате стенки и величины зазора между источником теплоты и пористой стенкой

Поверхность пористой стенки, обращенная к источнику теплоты, (см схему на рис 2) защищена охладителем, выходящим из поровых

охладитмь

3

ошдит&л»

с}

YJ///////J/V//2UMI7,

ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОИ

горячий поток

1 t

Х4

/-■kvi^iti-f.'tt

Ч V

SSSSSSSSSSSSSS3

'источниктешюты \тешвд>йпоток

Рис. 1. Схема пористого Рис. 2. Схема тепловой завесы

охлаждения с основным (основной сносящий поток

сносящим потоком отсутствует)

каналов и образующим завесу, воспринимающую значительную долю теплового потока, генерируемого источником. Интенсивность теплоотдачи к пористой стенке определяется той частью теплового потока, которая достигает стенки. Для определения величины теплового потока, достигающего стенки, необходимо тщательно измерять температурное поле охладителя по всей высоте зазора между пористой стенкой и нагревателем.

Экспериментальные исследования подобных схем создания тепловой завесы описаны в работах С.Э. Тарасевича, A.A. Гулицкой и О.Б. Карповой (КГТУ им. А.Н. Туполева). Однако существенные отличия режимных и геометрических параметров опытных установок не позволяют использовать полученные результаты для другого спектра решаемых задач.

Задача определения температурного состояния охлаждаемой пористой стенки решается в ряде работ [П. Грутенхьюз, В.К. Щукин, В.М. Епифанов и др.]. Линейное дифференциальное уравнение 3-го порядка, описывающее распределение температуры пористой матрицы по ее толщине, содержит постоянные интегрирования, которые могут быть определены с использованием граничных условий теплообмена на поверхностях стенки и внутри поровых каналов. Таких данных по теплообмену на поверхностях пористой стенки в обобщенном виде в технической литературе для задач подобного рода найти не представляется возможным.

В заключении первой главы на основании анализа комплекса проблем сформулированы основные задачи настоящего исследования.

Во второй главе представлено описание стенда, включающего в себя две экспериментальные установки, спроектированные и изготовленные в соответствии с поставленными задачами. Перечислены все замеряемые в опытах параметры, дана программа и методика проведе-

ния опытов и оценка точности производимых замеров.

Экспериментальный стенд (рис. 3) состоял из компрессора, ротаметра для измерения расхода воздуха, соединительных трубопроводов, фильтра очистки воздуха, вентилей регулирования расхода, автотрансформатора для регулирования напряжения, приборов измерения температуры и давления воздуха, вольтметра и амперметра для измерения напряжения и силы тока на нагревателе.

Рис. 3. Схема экспериментального стенда 1-компрессор; 2-вентили; 3-ротаметр; 4-термометр;

5-фильтр; 6-манометры; 7-установка №1; 8-установка №2 Установка 1 (см. схему на рис. 4) представляла собой систему из трех коаксиальных цилиндров 1, 2, 3, Внутренний цилиндр 3 являлся источником теплоты и имитировал нагретый газотурбинный двигатель. Средний цилиндр 2 - пористый проницаемый - служил для создания на его внутренней поверхности завесы охлаждающего воздуха. Наружный цилиндр 1 служил для организации подвода охладителя к пористому цилиндру и вместе с торцевыми стенками 4 и 5 образовывал ресивер, к которому подводился воздух от компрессора.

Термометрирование установки осуществлялось хромелькопеле-выми термопарами диаметром 0,2 мм в лаковой изоляции и предусматривало замеры температуры в следующих местах: 1) наружная и внутренняя поверхности цилиндра 1; 2) наружная и внутренняя поверхности пористого цилиндра 2; 3) наружная поверхность нагревателя (цилиндр 3); 4) температура воздуха: на входе в ресивер и в самом ресивере; на выходе из пористого цилиндра - в четырех сечениях по толщине воздушной прослойки с горячей стороны зазора; на выходе из кольцевого канала с горячей стороны. Места замеров термопар обведены кружками.

л

Установка 2 (см. схему на рис. 5) состояла из текстолитового корпуса 1 со сплошным 2 и пористым 3 дисками, образующими ресивер подвода воздуха. Источником теплоты являлся нагреваемый нихромо-вой спиралью диск 4, положение которого могло изменять расстояние между ним и пористым диском.

Система замеров, по аналогии с установкой 1, предусматривала измерение температуры всех поверхностей дисков 2, 3 и 4, температуры воздуха на всех этапах его прохождения через установку. На выходе из пористого диска температура воздуха измерялась подвижной щуп-термопарой для снятия поля температуры по высоте зазора с шагом Змм. Кроме того, измерялись расход и давление воздуха. На обеих установках в опытах с помощью автотрансформатора регулировались и измерялись напряжения и сила тока в нагревателе.

А

Рис. 4. Схема экспериментальной Рис. 5. Схема эксперименталь-установки№1: 1-наружный корпус; ной установки №2: 1-тексто-2-пористый цилиндр; 3-нагреватель; литовый корпус; 2-сплошной 4,5-торцовые стенки диск; 3-пористый диск;

4-нагреватель

Программа проведения экспериментов предусматривала снятие показаний всех параметров, перечисленных выше, после выхода установки на стационарный режим (1...1,5 часа после включения). Опыты проводились при варьировании величинами расхода воздуха GB, напряжения на нагревательном элементе ¿/-температурного фактора (на обеих установках), величины зазора между нагревателем и поверхностью вдува (на установке 2). Таким образом, схема программы экспериментов была следующей:

1 -я серия: GK = const; U = var,

2-я серия: Gr = var; U = const;

3-я серия: G„= const; U- const;

8 = const — установка 1; 5 = const — установка 1; var - установка 2.

5

Результаты опытов обрабатывались в соответствии с законами термогазодинамики и теплообмена, рассчитывались погрешности измерения

В третьей главе представлены анализ процессов теплопередачи в рассматриваемых установках и методика обработки результатов опытов

Механизм теплопередачи в системе трех коаксиально расположенных цилиндров (3-х параллельных стенок), описанных выше в установках 1 и 2, складывается из нескольких тепловых процессов, которые должны быть отражены при составлении уравнения теплового баланса системы

Тепловой поток, генерируемый нагревателем, может быть подсчитан через параметры электрического тока <2 -12 Я Этот суммарный тепловой поток разделяется на следующие отдельные составляющие

Тепловые потоки, обозначенные в правой части этого уравнения теплового баланса, обеспечивают нагревание

¡2/ } - воздуха, вошедшего через пористую стенку в горячий зазор,

<2П - пористой стенки с внутренней стороны,

<2В - воздуха с наружной стороны пористой стенки,

0,к НАУ - наружного корпуса с внутренней стороны,

<2В НАР - воздуха с наружной стороны корпуса,

<2^1 - потери на утечки через торцевые стенки

Выделяя тепловой поток, пошедший на нагревание воздуха от входа в установку до выхода из нее, можем записать

й - £?/ ЗАЗ +6/7 + <2вЗАЗ+ву7 + QкHAP+QвHAP

(1)

ЗАЗ + Ов ЗАЗ + (2п

(2)

С другой стороны, по уравнению энтальпии

й - СР (Тн вых ~ТВВХ)

(3)

Из уравнения (2)

£?л = 61_ б/ заз ~ вв ЗАЗ

(4)

Из уравнений энтальпий

заз = С в С 1> (Та вых в п вых) О в заз = & в Ср (Т в п вх ~ТВВХ)

(5)

(6)

Плотность теплового потока, воспринятого пористой стенкой Яп =2п/Рпвн

С другой стороны, плотность теплового потока рассчитывалась как среднеинтегральная величина с учетом распределения температуры в прослойке д между нагретым и пористым цилиндрами (Ошибка при этом не превышала 2 %)

= = -W (8)

to S S

Коэффициент теплоотдачи от нагретого в прослойке воздуха к пористой стенке вычисляется

«л = Яп/(Тг -Тпвн) (9>

Эффективность охлаждения определялась по известным литературным данным

0 = <Г!-тпвн)/<тг-тввх) (Ю)

Температурный фактор рассчитывался

T = Tf/TBBX (11)

Все приведенные параметры рассчитывались по замеряемым в опытах значениям расхода воздуха GB, давления Р, температуры Т, силы тока I, сопротивления R Входящие в уравнение (1) величины QV1 , Qk нар > Qn нар суммарно не превышали 2 % от Q

Кроме того, рассчитывались основные величины, необходимые для обобщения результатов

В четвертой главе представлены результаты опытов, методика их обработки и обобщений Результаты термометрирования всех поверхностей и воздушных прослоек установок 1 и 2 представлены на рис 6 и 7, соответственно

Рис 6 а,б,в,г демонстрирует эпюры изменения температуры воздуха и всех поверхностей (установка 1) по радиусу (ширине прослоек) при постоянных значениях расхода для каждой серии замеров и варьировании напряжения нагрева (температурный фактор) Значения параметров каждого режима указаны в подрисуночных надписях

По мере увеличения нагрева эпюра распределения температур в зазоре между нагретым и пористым цилиндрами смещается в область более высоких температур, но это мало сказывается на увеличении температуры пористой и наружной стенки ресивера и воздуха в зазоре на входе в пористую Даже при больших нагревах и малом расходе охлаждающего воздуха эффект оттеснения теплового потока от пористой проницаемой стенки достаточно высок

Рис 6 д,е,ж,з демонстрирует распределение температуры на той же установке 1 при постоянных значениях нагрева (£/ = const) для каждой серии замеров и варьируемых значениях расхода воздуха Gb

а). Од=1,35 г/с. I/: У-50 В, 0-75 В, А - 100 В, о-135В

б). Ов=2,85 г/с. и: У-50 В, 0 - 75 В, Д- 100 В, о-135В

у;;, >///7> -' У7

-о.

в). Ов=4,9 г/с. £/: У-50 В О - £/=75В;Д-£/=100В;о-135В

г). Сй=8,0 г/с. ¿7: V- 50 В, О - 75 В, Д- ¡00 В, о-135В

т.к

-

д). £7=50 В;СЛ=8; 4,9;2,85;1,25 г/с

е). и= 75 В; Сй=8; 4,9; 2,85; 1,25 г/с

ж).£/=100 В; Ов=8;4,9;2,85;1,25 г/с з). £/=135 В; в,г8; 4,9; 2,85 г/с

Рис.6

По мере увеличения расхода охлаждающего воздуха оттеснение теплового потока от пористой стенки проникает глубже по зазору и в большей степени начинает снижать не только температуру воздуха в прослойке, но и температуру нагретой (горячей) стенки. При достижении определенных значений дальнейшее увеличение расхода нецелесообразно, так как температура пористой оболочки становится близкой к температуре воздуха на входе (в ресиверной прослойке). Увеличение расхода до некоторых оптимальных значений улучшает эффективность охлаждения, приближая ее к 1, особенно в легкопроницаемых пористых материалах.

Температура пористой стенки и наружной непроницаемой оболочки даже при малых расходах Св стабильно удерживается вблизи приемлемых значений, близких температуре воздуха на входе в ресивер.

Это подтверждает существующее представление о характере пограничного слоя при пористом вдуве, когда охладитель оттесняет горячий тепловой поток от стенки вплоть до полной ее изоляции (критический вдув). В данной установке 1 пористый цилиндр изготовлен из порошкового мелкопористого материала (П ~ 0,25).

Эпюры распределения температур на всех элементах установки 2 представлены на рис. 7.

.^лЛ^&ЛЛЛ/-1

у-—-л_, 0=48

лАДЛ/Л^'

300 320 540 360 380 400 420 440 460

Рис. 7. Изменение температурных полей в зависимости от зазора 8 Здесь показано, что при постоянных значениях расхода Сн, мощности нагревателя (температурного фактора) и переменных значениях зазора 8 (толщины прослойки между нагретой и пористой пластинами), его величина практически не сказывается на температуре пористой охлаждаемой стенки и наружной оболочки. На данной установке 2 использовался легко-проницаемый сетчатый пористый материал (П ~ 0,45).

Результаты опытов по эффективности охлаждения в пористой стенки представлены в виде зависимости в = /(Ке,■) на рис.8.

1.0 0.9 0.8 0.7 0,6 0.5

7% «7

Л? Л С > * .V' С

— - д д^

3 4 5 6 7X9 И)" 2 3 4 5-НГ /?£?г

Рис. 8. V - и= 50В; 0 - £/=75В; Д- СМ00В; о-(У=135В

Здесь число Рейнольдса Rer = (GB • 2S)¡{Fnm ■ fiCP) Различными значками обозначены точки, соответствующие различным значениям напряжения тока U, то есть температурного фактора (Тг/Тввх). Увеличение температурного фактора (напора) ведет к уменьшению эффективности 0, а увеличение расхода (числа Рейнольдса) до некоторых оптимальных значений несколько увеличивает её.

Дальнейшее увеличение расхода (число Rer> 5102) нецелесообразно, т.к. эффективность 0 приближается к 1, когда Тп ~ТВВХ . В результате математической обработки получена зависимость, обобщающая результаты опытов в диапазоне чисел Re, = 3.5'10...5'102 (массового расхода воздуха pw—19...200 г/м2-с) и температурного фактора

Тг/Тв.вх =1,2...2,8,

e = OJRe0r\Tr/TBBXT(12) которая подтверждает высокую эффективность пористого охлаждения

при отсутствии сносящего потока и противодавления на выходе из пористой стенки.

Результаты опытов в обобщенном виде представлены на рис. 9. в координатах &/(Т,/Тв вх)~0'5 = f(Rer) . Они с достаточно высокой степенью точности располагаются вблизи зависимости (12)- сплошная линия.

01(ТГ1ТВЖУ°-5

I

!

i Л с Л и—

Я} LS Í4 L. -Л rifo / V L

1 1—1 1 I

30 40 50 60 70 809010: 2 3 4 5 102Ке

г

Рис. 9. V - (/=50В; 0 - Ц= 75В; А- {/=100В; о-£/=135В Рис.10, демонстрирует результаты опытного изучения коэффициентов теплоотдачи ап к пористой стенке от нагретого в зазоре воздуха в зависимости от массового расхода охлаждающего воздуха при различных значениях температурного фактора - напряжения (7 (различные значки). Увеличение температурного фактора ведет к росту ап , увеличение массового расхода (/ж');7 через пористую стенку несколько снижает ая,что видно из разброса точек.

Вч_

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0

д Л -4-

1 я г? в

4 с г,

Т У

20

30 40 50 60 70809010=

2-10=

(рН,

г

м "с

Рис. 10Л7- ¿У=50В; 0 - {/=75В; Д- £/=100В; о-{/=135В Результаты опытов по теплоотдаче в обобщенном виде даны на

рис.11.

Мип/(ТГ!ТВ

г* - Г\ -4-

V н ее >- * г Г) V -а ИР

Г

2-101

5 6 7 8 9)0*

4-Ю1

Яс

ср

Рис. 11. V - £/=50В; 0 - £/=75В; Д- (У=100В; о-£/=135В В результате обобщения данной серии опытов получена зависимость, справедливая в диапазоне чисел Яе = 20...200 и температурного фактора Тг/Тввх = 1,2...2,8 , (рм!)п = 19...200 г/м"с

Мип=4,2-ЯеЗ\Тг/Т„ж)°-5 (13)

Здесь Ыип = (ап ■ 26)/ЯСР ; ЯеСР = • 23)/(2Ркольц ■ мСР); С,(/2 - средний по длине участка расход; ^¡{ольц" площадь кольцевого зазора с горячей стороны.

Зависимость (13) с удовлетворительной степенью точности обобщает результаты данной серии опытов, это видно из рис. 11, на котором представлены обобщенные результаты - сплошная линия в координатах Миг,/(Тг/Твш )0-5 =/(#<?(•;>).

Анализ результатов показывает, что при отсутствии противодавления и основного сносящего потока эффективность пористого охлаждения высока, а коэффициенты теплоотдачи низкие, особенно при использовании легкопроницаемых пористых материалов, что делает привлекательным их применение при тепловой защите окружающего пространства отсека от горячих элементов энергоустановок. Кроме того, улучшается экономичность двигателей за счет снижения потребного расхода охлаждающего воздуха и энергозатрат на его прокачку.

Обзор имеющихся в литературе данных по теплоотдаче со стороны охлаждающего воздуха, входящего в пористую оболочку, показывает на их ограниченность и разноречивость. Коэффициенты при числе Рейнольдса отличаются почти на порядок. Воспользоваться ими в качестве граничных условий некорректно. Экспериментальное изучение данного вопроса пополняет банк данных. Результаты опытов по изучению процесса теплоотдачи от нагретой пористой стенки к входящему в нее воздуху из ресивера показаны на рис. 12 и обобщены зависимостью (14).

160

100 80

60 50

40 30

20

200 300 400 500 700 1000 2000 3000 г>„

в.заз

Рис. 12

Нивзлз=0,04 11евзлз (14)

Экспериментальные точки с высокой степенью точности располагаются вблизи зависимости (14) - сплошная линия.

Здесь ЯеВЗАЗ = (Ов ■ 25)/^в кольц ЗАЗ • /ис - число Рейнольдса

по средним параметрам в кольцевом канале (ресивере).

Глава пятая посвящена расчету температурного состояния охлаждаемой пористой стенки:

- по известной методике с использованием полученных в работе эмпирических зависимостей по граничным условиям теплообмена;

- по обобщающей эмпирической зависимости (12) по эффективности охлаждения.

Температурное состояние охлаждаемой пористой стенки можно рассчитать путем решения линейного дифференциального уравнения

"Я /

- / У 7 -

1 71/

/ — -

£ _.

/ / -

теплопроводности III порядка, описывающего распределение температуры по толщине пористой стенки, с использованием граничных условий III рода (коэффициентов теплоотдачи с горячей аг и холодной ав сторон и внутреннего объемного коэффициента теплоотдачи av) Решение этого уравнения в безразмерном виде дано, например, в работе С Г Дезидерьева

Коэффициенты теплоотдачи а/ и ав можно рассчитать по результатам обобщения (13) (14) настоящей работы

Коэффициент внутренней объемной теплоотдачи av можно определить, руководствуясь данными многочисленных исследований внутреннего теплообмена

Расчеты, проведенные по данной методике, показали, что надежные результаты по температуре стенки могут быть получены только при использовании схемы пористого охлаждения стенки (см рис 1) с высокотемпературным сносящим потоком, создающим гидродинамический и тепловой пограничный слой вблизи пористой стенки и, соответственно, достаточно высокий градиент температуры в самой стенке и имеющим известную определяющую температуру потока Т*г вне пограничного слоя Для рассматриваемого случая создания тепловой завесы (при отсутствии сносящего потока - случай сверхкритического вдува), где температура воздуха с горячей стороны меняется по всей ширине канала (прослойки) метод нецелесообразно использовать т к невысокие градиенты температуры в стенке не обеспечивают достаточной точности расчетов, что ограничивает возможности его использования в инженерной практике Поэтому для случая пористого вдува без сносящего потока и без противодавления надежнее воспользоваться способом определения температуры пористой стенки по полученной в работе эмпирической зависимости по эффективности охлаждения (12) Она позволяет рассчитать температуру поверхности пористой стенки при известном расходе охлаждающего воздуха GB, известных температуре стенки корпуса двигателя ( Т, ) и воздуха на входе в пористую стенку (Тв вх )

Т„вн =Tj -0,7 Re°J] (Г,-/Тн вх 5 (Т, -Тввх) (15)

Таким образом, при проектировочных расчетах с удовлетворительной степенью точности можно прогнозировать температуру пористой стенки, определяющую температурное состояние всей системы тепловой защиты

Для примера был проведен расчет температуры пористой стенки с горячей стороны для случая применения подобной схемы охлаждения для натурного двигателя с параметрами, близкими к реальным условиям его работы

Результаты данного расчета показали, что при использовании предлагаемой схемы тепловой защиты тепловой поток, передаваемый от горячего корпуса двигателя, полностью оттесняется от пористой стенки выходящим из нее охлаждающим воздухом Таким образом, пористая стенка принимает температуру, близкую к температуре входящего в нее охлаждающего воздуха, эффективность охлаждения максимальная, близкая к 1

Основные выводы.

1 Из анализа известных способов воздушного охлаждения горячих элементов ГТД и энергоустановок выбран наиболее эффективный -тепловая завеса пористым вдувом Предложена принципиальная схема тепловой защиты оболочки корпуса двигателя и отсека Созданы модельные установки для изучения эффективности охлаждения и процессов теплопередачи в предложенных схемах

2 Составлены уравнения баланса тепловых потоков, отражающие механизм теплопередачи в рассматриваемой системе охлаждения

3 Проведены экспериментальные исследования температурного состояния всех элементов предлагаемой системы тепловой завесы Изучены температурные поля в широком диапазоне изменения расхода охлаждающего воздуха и температурного фактора

4 Установлено влияние расхода охлаждающего воздуха и температурного фактора на эффективность охлаждения пористой стенки и на коэффициенты теплоотдачи с холодной и горячей сторон пористой стенки

5 Получены обобщающие зависимости по эффективности охлаждения и теплоотдаче к пористой стенке с горячей и холодной сторон, позволяющие производить расчет температуры пористой стенки Установлено, что увеличение массового расхода охлаждающего воздуха р\\> от 20 до 200 г/м2 с снижает температуру пористой стенки Увеличение массового расхода выше оптимальных значений не приводит к дальнейшему снижению температуры стенки, т к температура стенки становиться практически равной температуре входящего воздуха При этом влияние температурного фактора становиться незначительным

6 Расчет температуры пористой стенки с параметрами натурного двигателя подтвердил эффективность предложенной схемы тепловой завесы

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Работы, опубликованные в рекомендуемых ВАК журналах

1 Зубарев В М Методы определения граничных условий теплообмена для случая тепловой завесы / А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, А В Ильинков, М Г Хабибуллин // Вестник КГТУ - КАИ им АН Туполева, №1, 2005, Изд КГТУ им А.Н Туполева, г Казань, с 12-16

2 Зубарев В М Результаты экспериментального исследования процессов теплообмена и эффективности тепловой завесы при пористом вдуве /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, М Г Хабибуллин // И-ВУЗ «Авиационная техника» №1, 2006 г, с 37 39

Работы, опубликованные в материалах конференции различного уровня

3 Зубарев В М Экспериментальное изучение эффективности заградительного охлаждения для защиты наружных коммуникаций ГТД наземного применения /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Тезисы докладов XIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Внутрикамер-ные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология», 15-17 мая 2001 г, ч 1, КФ ВАУ, г Казань - 2001, - с 75

4 Зубарев В М Экспериментальное исследование заградительного охлаждения для тепловой защиты наружных коммуникаций ГТД наземного применения /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Тезисы докладов XIV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Внутрикамер-ные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология», 14-16 мая 2002 г, ч 1, КФ ВАУ, г Казань, 2002, с 76

5 Зубарев В М Анализ возможности применения заградительного охлаждения для защиты наружной оболочки ГТД наземного применения /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену, том 2, г Москва, МЭИ, 2002, с 124-128

6 Зубарев В М Экспериментальная установка для исследования тепловой защиты наружной оболочки ГТД наземного применения /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Сборник материалов XV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции, ч 2, КФ Михайловского ВАУ, 20-22 мая 2003 г, г Казань, 2003, с 85-86

7 Зубарев В М Выбор способа охлаждения наружной оболочки ГТД наземного применения /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин// Материалы докладов XIV школы-семинара

молодых ученых и специалистов под рук академика РАН А И Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» 26-30 мая 2003 г , г Рыбинск, Россия, Изд МЭИ, г Москва, том 2, 2003, с 86-89

8 Зубарев В М Исследование эффективности применения охлаждения для тепловой защиты наружной оболочки ГТД наземного применения /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двига-телестроения», 26-27 июня 2003г, 4 1, г Самара, 2003,Россия,с 140-141

9 Зубарев В М Экспериментальное исследование тепловой защиты наружной оболочки корпуса ГТД наземного применения при проникающем охлаждении /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Материалы 3 Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники», 29 09-04 10 2003 г, Промышленная теплотехника, том 25, приложение к журналу 4, Изд «Логос», г Киев, Украина, 2003, с 46-47

10 Зубарев В М Экспериментальное исследование процессов теплообмена в кольцевом канале от внутреннего нагретого цилиндра к наружному охлаждаемому пористому /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Сборник материалов XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции, «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем », КФ Михайловского ВАУ, 18-20 мая 2004 г, ч 2, г Казань, 2004, с 36-37

11 Зубарев В М Исследование влияния различных факторов на эффективность пористого охлаждения наружной оболочки корпуса газотурбинного двигателя наземного применения /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Доклады V Минского международного форума по тепло- и массообмену ММФ - 2004, 24-28 мая 2004г, г Минск, 2004,с 83-86

12 Зубарев В М Теплообмен в кольцевом канале между внутренним нагретым и наружным охлаждаемым пористым цилиндрами /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // 2-я научная школа-конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидро- газодинамики» 20-26 сентября 2004г, г Алушта, ИТТФ HAH Украины, 2004, с 37-39

13 Зубарев В М Использование пористого охлаждения для организации тепловой защиты окружающего пространства от ГТД наземного применения /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Доклады IV школы-семинара молодых уче-

ных и специалистов под рук академика РАН В Е Алемасова, «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», 28-29 сентября 2004 г, г Казань, 2004, с 55-59

14 Зубарев В М Результаты экспериментального исследования теплообмена и температурного состояния в кольцевом канале между внутренним нагретым и наружным охлаждаемым пористым цилиндрами /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Тезисы докладов XXVII Сибирского теплофизиче-ского семинара, посвященного 90-летию академика РАН С С Кутате-ладзе, Москва - Новосибирск, 1-5 октября 2004 г, ИТФСО-РАН, г. Новосибирск, 2004, с 174-175

15 Зубарев В М Результаты опытного исследования эффективности тепловой защиты /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Сборник материалов XVII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, », ч 1, 17-19 мая 2005 г, КВАКУ (Военный институт) им Маршала артиллерии М Н Чистякова, г Казань, 2005, с 298-300

16 Зубарев В М Исследование эффективности тепловой завесы /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, А В Ильинков, М Г Хабибуллин // Доклады XV школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук академика РАН А И Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 23-27 мая 2005 г , г Калуга, Россия, том 2, МЭИ, г Москва, 2005, с 50-53

17 Зубарев В М Применение пористого охлаждения для теплоизоляции корпуса ГТД наземного применения. /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, И X Саттаров, М Г Хабибуллин // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Рабочие процессы и технология двигателей», посвященной 1000-летию Казани, Казань 23-27 мая 2005 г, КГТУ им А Н Туполева, ИАНТЭ, г Казань, 2005, с 114 116

18 Зубарев В М Исследование тепловой завесы для охлаждения корпуса ГТД /А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, М Г Хабибуллин // Тезисы докладов на международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века», 75 лет ЦИАМ, 6-9 декабря 2005 г, г Москва, т 1 с 83 84

19 Зубарев В М Теплообмен и эффективность охлаждения при пористом вдуве, создающем тепловую завесу / Каримова А Г, Дезидерьев С Г , Зубарев В М , Хабибуллин М Г // Сборник материалов XVIII

Всероссийской межвузовской НТК "Электромеханические и внутри-камерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" ГОУВПО МО РФ, КВАКУ (Военный институт), г Казань, 16-18 мая 2006, с 322-324

20 Зубарев В М Эффективность тепловой завесы и процессы тепло-переноса при пористом вдуве / А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, М Г Хабибуллин И Материалы докладов Национальной конференции по теплоэнергетике НКТЭ-2006, 5-8 сентября 2006г, Казань, Россия, с 353-356

21 Зубарев В М Эффективность охлаждения и теплообмен при пористом вдуве воздуха для создания тепловой защиты от горячих энергоустановок / А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, М Г Хабибуллин // Труды 4-й Российской национальной конференции по теплообмену РНТК-4, том 2, Вынужденная конвекция, Москва, 2006г, 2327 октября, изд МЭИ, с 137-140

22 Зубарев В М Тепловая защита корпуса ГТД наземного применения / А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, М Г Хабибуллин // Сборник материалов XIX Всероссийской межвузовской НТК "Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий" г Казань, КВАКУ (Военный институт), 2007, с 187

23 Зубарев В М Теплопередача в тепловой завесе, образуемой пористым вдувом для защиты отсека от горячего двигателя / А Г Каримова, С Г Дезидерьев, В М Зубарев, М М Рахимьянов, М Г Хабибуллин // Доклады XVI школы-семинара молодых ученых и специалистов под рук академика РАН А И Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 21-25 мая 2007 г, г С-Петербург, Россия, том 1, МЭИ, г Москва, 2007, с 163-166

Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Печ л 1,5 Уел печ л 1,16 Уел кр -отт 1,16 Уч -изд.л 1,0 _Тираж 100 Заказ _

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111 Казань, К Маркса, 10

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач ис I ' . ; следования.

1.1. Общие соображения.

1.2. Характеристики пористых проницаемых материалов

1.3. Внутренний теплообмен в пористых материалах.

1.4. Теплообмен на поверхностях охлаждаемой пористой стенки.

1.4.1. Теплоотдача от пористой стенки к охлаждающему воздуху со стороны его входа.

1.4.2. Теплоотдача к поверхности пористой стенки, обращенной к источнику теплоты.

1.4.3. Расчетный метод определения температурного состояния охлаждаемой пористой стенки.

1.5. Эффективность охлаждения пористой стенки.

1.6. Цели и задачи настоящего исследования

ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование эффективности тепловой завесы и теплоотдачи при пористом вдуве.

2.1. Описание экспериментальных установок.

2.2. Программа и методика проведения опытов. Замеряемые величины.

2.3. Оценка точности полученных результатов.

ГЛАВА 3. Процессы теплопередачи в рассматриваемой системе.

3.1. Анализ термодинамических процессов в рассматриваемой системе и составление уравнения теплового баланса.

3.2. Методика расчета основных параметров для обобщения результатов.

ГЛАВА 4. Результаты опытов и их обобщение.

4.1. Представление результатов термометрирования'.

4.2. Обобщение результатов опытов по эффективности охлаждения.

4.3. Обобщение результатов опытов по теплоотдаче к пористой стенке.

4.4. Результаты опытов по теплоотдаче от пористой стенки к входящему в нее воздуху.

ГЛАВА 5. Расчет температуры пористой стенки.

5.1. Температурное состояние пористой стенки.

5.2. Расчет температуры пористой стенки по обобщенной зависимости эффективности охлаждения.

Совершенствование современных газотурбинных двигателей (ГТД) идет по пути дальнейшего повышения начальных параметров цикла - температуры газа перед турбиной Тг и степени повышения давления воздуха в * компрессоре жк. При этом можно улучшать основные показатели двигателя: удельный расход топлива, удельную мощность, коэффициент полезного действия. Существующие ограничения по термостойкости и термопрочности материалов, из которых изготавливаются детали, подвергающиеся воздействию больших тепловых потоков, заставляют разрабатывать весьма сложные системы интенсивного их охлаждения. Затраты энергии на реализацию охлаждения при высоких значениях Тг могут стать настолько существенными, что поглотят значительную долю тех преимуществ, которые были получены за . * счет увеличения Т г. Поэтому выбор оптимального способа тепловой "защиты i следует считать актуальной задачей.

Исследованию систем охлаждения сопловых и рабочих лопаток турбин, дисков, камер сгорания, опорных узлов, элементов корпуса двигателя посвящено большое количество работ. Достаточно подробно исследованы процессы теплоотдачи и теплопередачи для широкого круга геометрических и режимных параметров, имеющих место в реальных условиях работы транспортных авиационных двигателей.

Однако появившееся сравнительно недавно новое направление в применении авиационных ГТД поставило некоторые проблемы, которые недостаточно изучены в настоящее время и поэтому требуют своего решения. Это направление - наземное применение авиационных высокотемпературных двигателей в стационарных условиях в качестве газогенераторов привода насосов и компрессоров на станциях перекачки энергоносителей и электрогенераторов на миниэлектростанциях.

Особенностями эксплуатации таких двигателей являются: непрерывность работы в течение длительного времени на стационарном теплонапряженном режиме; отсутствие естественного обдува мотогондолы и корпуса двигателя высокоскоростным потоком холодного (- 40.- 50°С) воздуха, что имеет место в условиях полета на крейсерском режиме.

Указанные особенности приводят к тому, что поверхность корпуса двигателя нагревается до высоких температур (особенно в условиях летней эксплуатации) и становится источником тепловых потоков в окружающее пространство отсека, в результате чего температура воздуха внутри отсека превышает экологически допустимые нормы (может превышать 100°С). Это ухудшает условия работы двигателя, ведет к перегреву наружных коммуникаций: оплавлению кабельной обвязки, отказу элементов освещения и управления в отсеке, выходу из строя и ложному срабатыванию датчиков пожарной сигнализации, снижает ресурс работы трубопроводов и их соединений, вспомогательных агрегатов. Все это затрудняет техническое обслуживание двигателя, его внешний осмотр и диагностику персоналом станции.

Применяемые на существующих станциях перекачки энергоносителей системы вентиляции отсеков, где находятся газотурбинные установки, частично решают эти проблемы. Однако оптимальность конструкции этих систем должна обеспечивать выполнение ряда очень важных требований. Например, плохая система вентиляции может привести к неоднородному по окружности распределению температуры корпуса, что может значительно сказаться на радиальных зазорах рабочих лопаток турбин и негативно повлиять на эксплуатационные и экономические характеристики двигателя [1]. Кроме того, применение вентиляции требует дополнительных энергетических затрат. Температуру1 наружных каналов и корпусов газотурбинного двигателя можно понизить при помощи метода тепловой изоляции, который заключается в использовании материалов с малой теплопроводностью [2] и изготовлении корпусов из листового материала, причем некоторые из них должны быть съемными, чтобы можно было осуществлять контроль и операции по обслуживанию. В случае размещения стационарных установок в двигательных боксах или отделениях часто можно обойтись без этих довольно сложных и дорогих методов защиты от теплового излучения за счет использования самого двигателя для вентиляции того помещения, в котором он работает. Это осуществляется путем отвода теплоты активной вентиляцией помещения. Выхлопная труба двигателя (рис. В. 1а) окружается кожухом, простирающимся выше выхлопной трубы двигателя. Воздух засасывается^ из помещения за счет эжекции выхлопных газов, движущихся по выхлопной трубе с высокой скоростью. По данным [2] такой способ вентиляции обеспечивает расход эжектируемого воздуха 210 м3/мин. Однако информация о количественной оценке эффекта снижения температуры отсека и корпуса двигателя отсутствует.

Кроме того, вентиляция требует открытости отсека для продувки, что неблагоприятно с точки зрения пожароопасности.

Нами также были рассмотрены и проанализированы описания изобретений к патентам Российской Федерации, достаточно близкие к рассматриваемой теме тепловой защиты стационарного приводного газотурбинного двигателя. Так, в патенте RU 2161715 С2 (рис. В.16) для подачи охлаждающего воздуха через сопловые щели на горячий корпус двигателя используется блок вентиляторов. А в патенте RU 2166656 С2 применена еще более сложная система тепловой защиты с использованием центробежного вытяжного вентилятора, обеспечивающего охлаждение корпуса двигателя и вентиляцию контейнера. И в том, и в другом случаях имеют место существенные затраты энергии.

Рис. В.la. Использование выхлопных газов газотурбинного двигателя для вентиляции помещения; 1 - двигатель; 2 - выхлопная труба; 3 - капот; 4 - крыша бокса; 5 - воздух вентиляции. блок вентиляторов

Вид А

Рис. В. 16

Схема струйного охлаждения корпуса двигателя и вентиляции помещения отсека ( патент RU 2161715 С2)

В патенте RU 2246017 С2 ( рис В. 1в ) кроме центробежного вентилятора, обеспечивающего вытяжную вентиляцию отсека, от компрессора отбирается активный воздух, создающий эжектирующий эффект, способствующий удалению горячего воздуха из зоны под внешней оболочкой двигателя. К сожалению, нет информации об оценке энергетических затрат на реализацию столь сложной системы тепловой защиты.

В описании к патенту RU 2252326 С1 (рис. В. 1г) делается отбор воздуха из разных зон компрессора, который далее делится на индивидуальные потоки, охлаждается в теплообменниках и дозированно подается к объектам охлаждения в соответствии с требуемыми параметрами. Проблема вентиляции отсека данными мероприятиями не решается.

Актуальным является вопрос организации эффективной тепловой защиты отсека от горячего двигателя, а также обеспечение допустимой и равномерной по окружности температуры корпуса турбины и других горячих частей.

Предварительное рассмотрение и проведенный расчетный анализ известных и наиболее широко применяемых способов охлаждения, использующих вынужденную конвекцию, в том числе с различными интенсифика-торами (ребра, штырьки, лунки и т. п.) исключают возможность их использования в данном случае, т. к. сложная конфигурация поверхности корпуса и наличие обвязки при заданных расходах охлаждающего воздуха не позволяют организовать каналы для обеспечения скоростного потока, способного снять необходимое количество теплоты.

Обзор работ по исследованиям различных способов охлаждения горячих деталей позволяет утверждать, что наиболее экономичным и эффективным способом воздушного охлаждения является проникающее пористое.

Рис. В. 1 в

Схема вытяжной вентиляции отсека и эжектирования горячего воздуха из под оболочки корпуса двигателя (патент RU 2166656 С2) разных ступеней компрессора с промежуточным его охлаждением ( патент RU 2252326 С1)

Это утверждение иллюстрируется рисунком В.2, [3] а также подтверждается работами [3.8]. Все известные исследования теплоотдачи и эффективности охлаждения пористым вдувом относятся к соплам ракетных двигателей и лопаткам высокотемпературных ГТД, где имеется высокоскоростной сносящий горячий поток рабочего тела.

Тепловую завесу в предлагаемом способе предполагается создавать, подавая охлаждающий воздух через пористую оболочку, окружающую наиболее нагретые участки корпуса двигателя (в районе камеры сгорания, турбины, выходного сопла). Использование пористого вдува для организации тепловой завесы в горячей зоне вблизи корпуса двигателя представляется привлекательным, т. к. интенсивное "гашение" теплового потока обеспечивается уже на некотором удалении от проницаемой охлаждаемой стенки охладителем, вышедшим из пор, вектор скорости которого направлен навстречу вектору теплового потока. При этом нет необходимости конструировать специальные каналы охлаждения, что было бы затруднительно ввиду специфики конструкции корпуса ГТД.

Характерной особенностью такой организации охлаждения является отсутствие динамического пограничного слоя (сносящего потока), противодавления. Пограничный слой на поверхности теплообмена в данном случае характеризуется режимом сверхкритического вдува, при котором имеет место оттеснение горячей среды от проницаемой поверхности. Кроме того, значительное количество теплоты снимается внутри пористого материала при протекании охладителя по поровым каналам. Со стороны подвода охладителя теплообмен с пористой стенкой интенсифицируется отсосом пограничного слоя. Термодинамические зависимости, описывающие процессы теплоотдачи в соплах и лопатках тепловых двигателей, неприменимы к данному случаю.

Рис. В.2. Эффективность различных способов охлаждения лопаток турбин [3]:

1,2,3 - различные варианты 4 - комбинированная 5 - пленочное охлаждение; конвективного охлаждения; система охлаждения; 6 - пористое охлаждение.

Поэтому для подтверждения правомерности и обоснованности сделанного выбора способа тепловой защиты необходимо провести экспериментальное исследование с целью разработки расчетных рекомендаций, позволяющих оценить и прогнозировать температурное состояние оболочки корпуса на базе полученных в опытах зависимостей по теплоотдаче и эффективности охлаждения пористой стенки при заданном расходе воздуха и температурном факторе.

Автор защищает:

1. Обобщенные результаты опытного исследования эффективности охлаждения (тепловой завесы) и процессов теплоотдачи в кольцевых (щелевых) каналах между внутренней - нагретой, средней — пористой охлаждаемой и наружной непроницаемой ресиверной стенками при вдуве воздуха через пористую стенку из ресивера в направлении нагретой стенки при отсутствии сносящего потока и противодавления.

2. Рекомендации по расчету температуры пористой стенки, возможность прогнозирования температурного состояния пористой стенки и оболочки в случае применения данного способа охлаждения на двигателях наземного применения при использовании обобщенных зависимостей, полученных экспериментальным путем.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Из анализа известных способов воздушного охлаждения горячих элементов ГТД и энергоустановок выбран наиболее эффективный - тепловая завеса пористым вдувом. Предложена принципиальная схема тепловой защиты оболочки корпуса двигателя и отсека. Созданы модельные установки для изучения эффективности охлаждения и процессов теплопередачи в предложенных схемах.

2. Составлены уравнения баланса тепловых потоков, отражающие механизм теплопередачи в рассматриваемой системе охлаждения.

3. Проведены экспериментальные исследования температурного состояния всех элементов предлагаемой системы тепловой завесы. Изучены температурные поля в широком диапазоне изменения расхода охлаждающего воздуха и температурного фактора.

4. Установлено влияние расхода охлаждающего воздуха и температурного фактора на эффективность охлаждения пористой стенки и на коэффициенты теплоотдачи с холодной и горячей сторон пористой стенки.

5. Получены обобщающие зависимости по эффективности охлаждения и теплоотдаче к пористой стенке с горячей и холодной сторон, позволяющие производить расчет температуры пористой стенки. Установлено, что увеличение массового расхода охлаждающего воздуха pw от 20 до 200 г/м2- снижает температуру пористой стенки. Увеличение массового расхода выше оптимальных значений не приводит к дальнейшему снижению температуры стенки, т.к. температура стенки становиться практически равной температуре входящего воздуха. При этом влияние температурного фактора становиться незначительным.

6. Расчет температуры пористой стенки с параметрами натурного двигателя подтвердил эффективность предложенной схемы тепловой завесы.

7. Полученные зависимости позволяют прогнозировать температуру пористой стенки и наружной оболочки двигателя при использовании подобной системы тепловой завесы, на раннем этапе проектирования.

1. Газотурбинные технологии. Специализированный информационно-аналитический журнал. Апрель, 2006, №2.

2. А. Джадж. Газотурбинные двигатели малой мощности. ИИЛ., Москва, 1963.

3. Манушин Э.А., Барышникова Э.С., Системы охлаждения турбин высокотемпературных ГТД / Итоги науки и техники. Серия «Турбостроение». 1980, т.2, 280с.

4. Майоров В.А. Течение и теплообмен однофазного охладителя в пористых металлокерамических материалах. Теплоэнергетика, 1978, №1, с. 64-70.

5. Епифанов В.М., Манушин Э.А. Некоторые результаты исследования пористого охлаждения лопаток газовых турбин / ИФЖ, 1975, т. XXVIII, №3, с. 533-544.

6. Полежаев Ю.В., Селиверстов Е.М. Универсальная модель теплообмена в системах с проникающим охлаждением ТВТ, 2002, т. 40, №6, с. 922-930.

7. Научные основы технологий XXI века / Леонтьев А.И., Пилюгин Н.Н., Полежаев Ю.В., Поляев В.М. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000, 136с.

8. Локай В.И., Дезидерьев С.Г. К расчету температуры турбинных лопаток при эффузионном охлаждении / Труды КАИ, 1968, вып. 101, с. 15-20

9. Авдуевский B.C. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М., «Машиностроение», 1975, 623с.

10. Гулицкая А.А., Карпова О.Б., Тарасевич С.Э. Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче при вдуве газа в зазор с односторонним выходом. Тезисы докладов НТК по итогам работы за 1992-1993г.г., Казань, КГТУ, 1994г., с. 64.

11. Карпова О.Б., Тарасевич С.Э., Щукин В.К. Гидравлическое сопротивление в глухом плоском канале с односторонним закритическим вдувом. Рабочие процессы в охлаждаемых турбомашинах и энергетических установках. Казань, КГТУ, 1995г., с. 50-57.

12. Карпова О.Б., Тарасевич С.Э., Щукин В.К. Теплообмен в глухом плоском канале с односторонним вдувом. Изв. Вузов Авиационная техника, 1994г., №1, с. 76-79

13. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М., «Высшая школа», 1975, 495с.

14. Щукин В.К. и др. Исследование течения и внутреннего теплооьмена в пористых волокнистых материалах. Теплофизика высоких температур, 1976, т. 14, вып. 2, с. 412-415.

15. Халатов А.А. и др. Гидравлические характеристики пористых, металлических материалов. Труды КАИ, 1974, №178, с. 53-58.

16. Дружинин С.А. О расчете внутреннего теплообмена при пористом охлаждении. Теплоэнергетика, 1961, №9, с. 73-77.

17. Исследование гидравлических и теплофизических характеристик пористых материалов. ИТТФ АН УССР. Киев, 1970г. (отчет), 56с.

18. Белов С.В. и др. Критериальная зависимость для коэффициента гидравлического сопротивления пористых металлов. ИВУЗ «Машиностроение», 1976, №8, с. 77-80.

19. Масалов Я.Ф. Метод построения номограмм для вычисления массовых расходов жидкостей и газов, протекающих через пористые стенки. В сб. «Теплофизические свойства и газодинамика высокотемпературных сред», 1972, с. 114-122.

20. Полежаев Ю.П., Протасов М.В., Селиверстов Е.М. Обобщенный закон гидравлического сопротивления проницаемого слоя. Теплофизика высоких температур, 2003г., т. 41, №6, с. 970-972.

21. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. М., «Машиностроение», 1981,248 с.

22. Максимов Е.А., Страдомский М.В. Исследование темплообмена в пористом материале. «Теплофизика и теплотехника», 1972. вып. 22, с. 3032.

23. Белов С.В. Коэффициенты теплоотдачи в пористых металлах. Теплоэнергетика, 1976, №3, с. 74.77.

24. Ерошенко В.М., Яскин JI.A. Теплообмен при вынужденной конвекции жидкости внутри пористых спеченных материалов. ИФЖ, т. XXX, №1, 1976, с. 5.13.

25. Белов С.В. и др. Коэффициенты потерь давления в пористой среде при ламинарном течении жидкости в порах. ИВУЗ "Машиностроение", 1971, №4, с. 79-84.

26. Майоров В.А. Течение и теплообмен однофазного охладителя в пористых металлокерамических материалах. Теплоэнергетика, 1978, №1, с. 64.70.

27. Поляев В.М., Сухов А.В. Исследование теплообмена при течении газа через пористую стенку с внутренним источником тепла. ИВУЗ, "Машиностроение", 1969, №8, с. 77.82.

28. Дезидерьев С.Г., Каримова А.Г., Локай В.И. Результаты экспериментального исследования внутреннего теплообмена в пористых образцах с малыми размерами пор. ИВУЗ, "Авиационная техника", 1975, №3, с. 36.39.

29. Grootenhuis P / Mechanism and application of effusion cooling. Journal of the RAS, v. 63, №578, 1959, p.p. 73-89.

30. Bernicker R.P. An investigation of porous wall cooling. ASME Paper, NO 60-A-223. Aug., 1960.

31. Селиверстов E.M. Исследование и разработка методов расчета систем проникающего охлаждения для лопаток высокотемпературных газовых турбин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2004, 16 с.

32. Bayley F.J., Turner А.В / The heat-transfer performance of porous gas turbine blades. The aeronautical journal of the RAS, v.72, №696, december, 1968, p.p. 1087-1094.

33. Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Идиатуллин H.C., и др. Теория и техника тепло физического эксперимента. Учеб. пособие для вузов под ред. В.К. Щукина. М. Энергоатомиздат, 1985, 360 с.

34. Щукин В.К. Градиентный метод исследования теплоотдачи около проницаемой поверхности. Теплофизика высоких температур, т.7, 1969, №3, с. 459.463.

35. Локай В.И., Дезидерьев С.Г. К расчету температуры турбинных лопаток при эффузионном охлаждении. Труды КАИ, вып. 101, 1968г., с. 25.28.

36. Епифанов В.М. Метод расчетного определения температурного состояния плоской пористой стенки. ИВУЗ «Машиностроение», 1976, №3, с. 79.83.

37. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. М., «Машиностроение», 1979, 447 с.

38. Каримова А.Г., Дезидерьев С.Г., Зубарев В.М., Саттаров И.Х., Хабибул-лин М.Г. Анализ возможности применения заградительного охлаждения для защиты наружной оболочки ГТД наземного применения. Труды

39. Третьей Российской национальной конференции по теплообмену, том 2, г. Москва, МЭИ, 2002, с. 124. 128.

40. Зайдель А.Н. Ошибки измерения физических величин. М.:Наука, 1980. - 180с.

41. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник / Под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. -519с.

42. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. 3 изд. -М.: Энергия, 1978. - 704с.

43. Теория и техника теплофизического эксперимента. Учеб. Пособие для ВУЗов / Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин и др.; Под ред. В.К. Щукина. -М.: Энергоиздат, 1985. 360с.

44. Зубарев В.М. Методы определения граничных условий теплообмена для случая тепловой завесы / А.Г. Каримова, С.Г. Дезидерьев, В.М. Зубарев, М.Г. Хабибуллин// Вестник КГТУ-КАИ им. А,Н. Туполева, №1, 2005, Изд. КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, с. 12-16.

45. Зубарев В.М. Результаты экспериментального исследования процессов теплообмена и эффективности тепловой завесы при пористом вдуве/ А.Г. Каримова, С.Г. Дезидерьев, В.М. Зубарев, М.Г. Хабибуллин // ИВУЗ «Авиационная техника» №1, 2006г., с. 37.39.\