Эффективность охлаждения и теплопередача в тепловой завесе, создаваемой пористым вдувом

Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой

степени кандидата технических наук

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

Зубарев Владимир Михайлович

Казань - 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'' апреля 2008г. в 10 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 ''17'' марта 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова



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 миниэлектростанциях 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 камеры 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 мо-дельных 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 режим-ных 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 - по-ристой 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 КМПО 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 двигателестроения”. г. Самара, 26-27 июня 2003г.

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

- 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., г. Алушта, ИТТФ НАН 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 за-слушана 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 ____ рисунков и ____ 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

= 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 вдувы) 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 тепло-ты, (см. схему на рис. 2) защищена охладителем, выходящим из поровых 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.

Рис. 1. Схема пористого охлаждения с основным сносящим потоком

Рис. 2. Схема тепловой завесы (основной сносящий поток отсутствует)



Экспериментальные исследования подобных схем создания тепловой завесы описаны в работах С.Э. Тарасевича, А.А. 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 проведения 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

энергоноситель газотурбинный двигатель охлаждение

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 ре-сивер, к которому подводился воздух от компрессора.

Термометрирование установки осуществлялось хромелькопелевыми 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.

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 нихромовой 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 3мм. Кроме того, измерялись расход и давление воздуха. На обеих установках в опытах с помощью автотрансформатора регулировались и измерялись напряжения и сила тока в нагревателе.

Рис. 4. Схема экспериментальной

установки №1: 1-наружный корпус; 2-пористый цилиндр; 3-нагреватель; 4,5-торцовые стенки



Рис. 5. Схема экспериментальной установки №2: 1-тексто-литовый корпус; 2-сплошной 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 G_В, напряжения на нагревательном элементе U - 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: GВ = const; U = var; д = const - установка 1;

2-я серия:GВ = var; U = const; д = const - установка 1;

3-я серия: GВ = const; U = const; д = var - установка 2.

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 под-считан через параметры электрического тока: . Этот суммарный тепловой поток разделяется на следующие отдельные составляющие:

(1)

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

- воздуха, вошедшего через пористую стенку в горячий зазор;

- пористой стенки с внутренней стороны;

- воздуха с наружной стороны пористой стенки;

- наружного корпуса с внутренней стороны;

- воздуха с наружной стороны корпуса;

- потери на утечки через торцевые стенки.

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

(2)

С другой стороны, по уравнению энтальпии

(3)

Из уравнения (2):

(4)



Из уравнений энтальпий:

(5)

(6)

Плотность теплового потока, воспринятого пористой стенкой

(7)

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

(8)

Коэффициент теплоотдачи от нагретого в прослойке воздуха к пористой стенке вычисляется

(9)

Эффективность охлаждения определялась по известным литера-турным данным

(10)



Температурный фактор рассчитывался:

(11)

Все приведенные параметры рассчитывались по замеряемым в опытах значениям расхода воздуха GВ, давления Р, температуры Т, силы тока I, сопротивления R. Входящие в уравнение (1) величины QУТ, QК. НАР, QВ. 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 (U = const) для каждой серии замеров и варьируемых значениях расхода воз-духа GВ .



Рис.6

По мере увеличения расхода охлаждающего воздуха G_В 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 G_В 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.

Размещено на http://allbest.ru

Рис. 7. Изменение температурных полей в зависимости от зазора

Здесь показано, что при постоянных значениях расхода GВ, мощности нагревателя (температурного фактора) и переменных значениях зазора ? (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 и пористой стенки представлены в виде зависимости на рис.8.

Рис. 8. Размещено на http://allbest.ru

- U=50В; ? - U=75В; ?- U=100В; _-U=135В

Здесь число Рейнольдса . Различными значками обозначены точки, соответствующие различным значениям напряжения тока U, то есть температурного фактора. Увеличение температурного фактора (напора) ведет к уменьшению эффективности , а увеличение расхода (числа Рейнольдса) до некоторых оптимальных значений несколько увеличивает её.

Дальнейшее увеличение расхода (число Re_Г > 5?102) нецелесообразно, т.к. эффективность приближается к 1, когда . В результате математической обработки получена зависимость, обобщающая результаты опытов в диапазоне чисел Re_Г = 3.5?10…5?102 (массового расхода воздуха г/м2*с) и температурного фактора ,

(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 . Они с достаточно высокой степенью точности располагаются вблизи зависимости (12) - сплошная линия.

г

Рис. 9. Размещено на http://allbest.ru

- U=50В; ? - U=75В; ?- U=100В; _-U=135В

Рис.10. демонстрирует результаты опытного изучения коэффициентов теплоотдачи бП к пористой стенке от нагретого в зазоре воздуха в зависимости от массового расхода охлаждающего воздуха при различных значениях температурного фактора - напряжения U (различные значки). Увеличение температурного фактора ведет к росту б_П , увеличение массового расхода (сw)_П через пористую стенку несколько снижает б_П, что видно из разброса точек.

Рис. 10. - U=50В; ? - U=75В; ?- U=100В; _-U=135В



Результаты опытов по теплоотдаче в обобщенном виде даны на рис.11.

Рис. 11. - U=50В; ? - U=75В; ?- U=100В; _-U=135В

В результате обобщения данной серии опытов получена зависимость, справедливая в диапазоне чисел Re = 20…200 и температурного фактора , (сw)_П = 19…200 г/м2с

(13)

Здесь ; ; - средний по длине участка расход; - 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 .

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).

Рис. 12

(14)

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

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

Коэффициенты теплоотдачи и можно рассчитать по результатам обобщения (13) (14) настоящей работы.

Коэффициент внутренней объемной теплоотдачи 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 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 , известных температуре стенки корпуса двигателя ( ) и воздуха на входе в пористую стенку ( )

(15)

Таким образом, при проектировочных расчетах с удовлетвори-тельной 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 горя-чих 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.

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 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.Х. Саттаров, А.В. Ильинков, М.Г. Хабибуллин // Вестник КГТУ - КАИ им. А.Н. 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.Х. Саттаров, М.Г. Хабибуллин // Тезисы докладов XIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Внутрикамерные 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.Х. Саттаров, М.Г. Хабибуллин // Тезисы докладов XIV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Внутрикамерные 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.Х. 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.Х. Саттаров, М.Г. Хабибуллин // Сборник материалов XV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции, ч.2, КФ Михайлов-ского 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.Х. 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.Х. Саттаров, М.Г. Хабибуллин // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», 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.Х. 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.Х. 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 газо-турбинного двигателя наземного применения. /А.Г.Каримова, С.Г. Дезидерьев, В.М. Зубарев, И.Х. 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 внутрен-ним нагретым и наружным охлаждаемым пористым цилиндрами. /А.Г. Каримова, С.Г. Дезидерьев, В.М. Зубарев, И.Х. Саттаров, М.Г. Хабибуллин // 2-я научная школа-конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидро- газодинамики» 20-26 сентября 2004г., г. Алушта, ИТТФ НАН 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.Х. Саттаров, М.Г. Хабибуллин // Доклады IV школы-семинара молодых ученых 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.Х. Саттаров, М.Г. Хабибуллин // Тезисы докладов XXVII Сибирского теплофизического семинара, посвященного 90-летию академика РАН С.С. Кутателадзе, 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.Х. 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.Х. 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.Х. 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 ЦИ-АМ, 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 внутрикамерные 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 теплопереноса при пористом вдуве / А.Г. Каримова, С.Г. Дезидерьев, В.М. Зубарев, М.Г. Хабибуллин // 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., 23-27 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, c. 163-166.

Размещено на Allbest.ru