Введение к работе
Актуальность работы. В высокотемпературных элементах энергетических установок нового поколения, к которым относятся камеры сгорания и теплонапряженные элементы МГД - генераторов, камеры сгорания и высокотемпературные тракты энергетических газотурбинных установок (ГТУ) высоких параметров и форсированных авиационных и воздушно-реактивных двигателей, одним из наиболее актуальных вопросов является обеспечение должного теплового режима огневых стенок, в значительной мере определяющего эффективность работы всего аппарата и его ресурс.
В диссертации рассматриваются комбинированные огневые стенки [1], представляющие собой регулярную структуру из высокотемпературных керамических элементов, расположенных в интенсивно охлаждаемом высокотеплопроводном металлическом каркасе и стенки с теплозащитной газовой завесой.
Преимуществами комбинированных огневых стенок являются: 1) отвод тепла от керамических элементов к металлу каркаса по всем граням элементов (кроме огневой поверхности), что определяет их повышенную технологичность и больший ресурс работы, чем при одномерном отводе тепла; 2) на порядок более высокая термостойкость керамических элементов в силу их малых поперечных (к направлению теплового потока) размеров; 3) хорошие механические, тепловые и электрические контакты между керамическими элементами и металлическим каркасом благодаря возникающим термомеханических напряжениям сжатия на границах; 4) высокая стабильность температуры поверхности комбинированных элементов и тепловых потоков вне зависимости от степени эрозии этих элементов, по крайней мере, до 50 % их начальной толщины.
Тепловой режим работы комбинированных огневых стенок имеет ряд особенностей:
Первая – существенная неравномерность температуры поверхности высокотемпературных элементов комбинированных стенок, что требует рассмотрения конвективного теплообмена в рамках сопряженных двумерных задач [2].
Второй особенностью работы комбинированных огневых стенок при высоких параметрах рабочего тела (T>2700K) является заметная доля излучения в общем тепловом потоке из газового или плазменного объема. Кроме того, существенным фактором при температурах жаростойких элементов выше 2000К может оказаться переизлучение различных участков поверхности друг на друга. При указанном уровне температур большую роль может играть и радиационная составляющая теплопереноса в объеме высокотемпературных элементов. Эти элементы выполняются, как правило, из тугоплавких оксидов с малыми коэффициентами поглощения, т.е. полупрозрачных, но с сильным рассеянием в диапазоне длин волн излучения рабочего газового или плазменного потоков.
Третьей особенностью является то, что в электродных стенках каналов МГД-генераторов имеет место джоулев разогрев, как в объеме комбинированного электрода, так и при перетекании электрического тока по огневой поверхности стенок канала.
Последнее обстоятельство актуально при высоких холловских полях и наличии проводящих пленок над межэлектродным изолятором, например при применении «репленишмента»1. Это приводит к перераспределению тепловых потоков и изменению температурных полей на огневых стенках. Схожая ситуация возникает при разработке огневых стенок алюмоводородных МГД - генераторов2 [3]. В этом случае на поверхности огневой стенки в результате осаждения К-фазы (дисперсная фаза в плазменном потоке в виде расплавленных капель Al2O3) образуются жидкотекущие пленки расплава. Они существенно изменяют тепловой режим огневых стенок, особенно с учетом джоулева тепловыделения при протекании холловских токов по такой пленке, отличающейся весьма высокой электрической проводимостью.
Специфическая ситуация возникает при работе высокотемпературных огневых стенок в случае использования теплозащитной газовой завесы. В условиях высокой температуры поверхности стенок (особенно при значительном превышении температурой поверхности её адиабатического значения) при вдуве охлаждающего газа наблюдается заметное отклонение от подобия полей скорости и температуры в зоне вдува (т.е. от аналогии Рейнольдса). Такая ситуация возникает, в частности, при работе огневых стенок камер сгорания (КС) форсированных ГТУ с температурами перед газовой турбиной 1700К и выше из-за значительной лучистой составляющей тепловых потоков к стенкам из объема камеры сгорания.
Указанные выше особенности работы высокотемпературных огневых стенок в большой степени определяют их эффективность в части уровня тепловых потерь, обеспечения токосъема из рабочего плазменного потока (для МГДГ), рабочего ресурса стенок, а, следовательно, и ресурса всего энергетического аппарата, как МГДГ, так и ГТУ. Этим определяется актуальность задачи исследования особенностей теплообмена и тепловых характеристик таких стенок.
Цель работы: расчетно-экспериментальное исследование теплового режима перспективных огневых стенок, работающих при высоких параметрах рабочего тела в новых энергетических аппаратах (МГДУ и ГТУ нового поколения) при температурах 1500 3500К и плотностях тепловых потоков до нескольких МВт/м2; изучение основных, характерных для этих условий, особенностей работы таких стенок и теплообмена на их огневой поверхности и теплопереноса в высокотемпературных элементах:
– исследование особенностей тепловых режимов комбинированных огневых стенок канала МГД-генератора с учетом конвективного теплообмена на сильно неизотерми-
1«Репленишмент» – периодическое восстановление огневой поверхности стенки МГДГ осаждением мелкодисперсного диоксида циркония.
2Алюмоводородныые МГД – генераторы предназначены для решения специальных задач (в частности при ликвидации аварийных ситуаций в энергосетях). Работают на продуктах сгорания мелкодисперсных порошков Al в парах воды достаточно высоких параметров (2900К; 1-2 МПа)
ческих стенках, переизлучения элементов таких стенок друг на друга и кондуктивно – радиационного теплопереноса в объеме высокотемпературных элементов с характерными для керамических материалов оптическими свойствами;
– исследование особенностей конвективного теплообмена при тепловой защите высокотемпературных огневых стенок тангенциальным вдувом холодного газа при Tw>Tad, в отсутствие аналогии Рейнольдса и при различной степени турбулентности внешнего потока, применительно к изоляционным стенкам МГД - генераторов и к стенкам камер сгорания форсированных ГТУ;
– исследование тепловых потоков и температурных полей в высокотемпературных элементах комбинированных электродов (со специальными керамическими токовыводами) каналов МГД – генераторов с учетом джоулевой диссипации при значительных плотностях электрического тока на их поверхности и в объеме;
– исследование сопряженных теплофизических и электрофизических характеристик огневых стенок при поверхностных токах утечки по утепляющему (и восстанавливаемому) слою материала «репленишмента» или по проводящим пленкам расплава осаждающейся К-фазы.
Научная новизна работы:
1. Разработана расчетная модель конвективного теплообмена на сильно неизотермической поверхности комбинированной стенки канала МГДГ. В созданной на ее основе программе использована низкорейнольдсовая модель развития турбулентности без пристеночных функций [4]. При изменении граничных условий модель адаптируется к анализу эффективности тепловой защиты тангенциальным вдувом на высокотемпературных огневых стенках (для условий работы форсированных камер сгорания ГТУ). Проведен анализ эффективности теплозащитной газовой завесы при Tw>Tad в отсутствие аналогии Рейнольдса. Оценено влияние ряда определяющих факторов на эффективность тепловой защиты: степени турбулентности внешнего газового потока, переменной плотности и вязкости газа. Выявлен новый эффект – увеличенной турбулентности потока на начальном участке в зоне вдува, заметно ухудшающий эффективность газовой завесы в указанных условиях.
2. Проведено обобщение теплообмена при тангенциальном вдуве в турбулентный поток с зависящими от температуры свойствами методом характеристических масштабов [5] . Впервые показано наличие подобия полей скорости для различных охлаждающих теплоносителей при отсутствии аналогии Рейнольдса в случае тангенциального вдува в турбулентный поток. При этом поля температуры также подобны между собой (но не подобны полям скорости). Кроме того, имеет место подобие полей безразмерной турбулентной вязкости, что не выявляется в рамках классической теории подобия.
3. Получено аналитическое решение (в обобщенных переменных), описывающее кондукционно - радиационный перенос тепла в объеме высокотемпературных элементов
огневой стенки из высокотемпературных оксидов с сильным рассеянием и слабым поглощением в энергетически значимом диапазоне длин волн внешнего излучения. Исследовано влияние оптических свойств высокотемпературных элементов и степени черноты металлической матрицы на тепловой режим огневой стенки. Определены пределы применимости приближения лучистой теплопроводности (ПЛТ) в рассматриваемых условиях.
4. Выполнено комплексное расчетно-теоретическое исследование и обобщение сопряженных тепловых и электрофизических параметров электродного элемента комбинированной стенки канала МГДГ; для случая наличия керамического токовывода – впервые. Результаты, включающие распределения температур, плотностей тепловых потоков, плотностей тока и потенциалов в объеме стенки сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на нескольких МГД - установках. Исследование проведено с учетом джоулева тепловыделения в различных точках керамического заполнения комбинированного элемента и приэлектродного тепловыделения.
5. Впервые для тонких электропроводящих пленок К-фазы для алюмоводородного МГДГ на поверхности огневых стенок МГДГ получено обобщенное аналитическое решение уравнений движения и энергии с учетом сильной зависимости электропроводности и вязкости материала пленок от температуры. Проведен анализ сопряженных гидродинамических, электрофизических и теплофизических характеристик таких пленок. Получена оценка влияния токовых утечек по пленкам на локальные характеристики канала МГДГ, в частности, рассмотрен также случай утечек тока по пленкам «репленишмента».
Практическая ценность. Разработаны расчетно-теоретические программы для оценки теплового режима огневых стенок новых энергетических аппаратов при высоких тепловых потоках (конвективных и радиационных) и предельно высоких рабочих температурах поверхности. Это позволяет оптимизировать конструкции огневых стенок для достижения максимальной эффективности охлаждения и необходимого ресурса. Выявлены новые важные факторы, влияющие на работу высокотемпературных стенок, в частности:
– эффект увеличения турбулентности потока при вдуве холодного газа на «горячих» огневых стенках, который необходимо учитывать при разработках и анализе теплового режима работы стенок жаровых труб ГТУ.
– показана целесообразность асимметричного расположения керамических токовыводов комбинированного электрода для предотвращения концентрации токов в «холодных» областях и снижения вероятности контрагирования разряда.
– проведена оценка влияния пленок К-фазы или пленок, образующихся при восстановлении поверхности, на работу форсированных алюмоводородных МГД-генераторов.
Достоверность результатов подтверждается применением в расчетных исследованиях фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, сравнением с данными основных работ по данной тематике, а также сопоставлением результатов расчета с экспериментом по основным разделам работы.
Положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Расчетная методика, с использованием модели турбулентности без пристеночных функций (при переменных свойствах газа), учитывающая основные определяющие параметры и позволяющая проводить оптимизацию конструкции комбинированной стенки.
2. Результаты расчетно-теоретического исследования лучистого теплопереноса в объеме керамического элемента комбинированной огневой стенки (аналитическое решение уравнения диффузии излучения). Определение областей применимости диффузионного приближения и приближения лучистой теплопроводности (ПЛТ) в рассматриваемых условиях.
3. Результаты анализа теплового режима комбинированной (со специальными керамическими токовыводами) огневой стенки МГДГ с учетом приэлектродных падений напряжения и джоулевого тепловыделения в объеме керамических элементов таких электродных систем.
4. Результаты расчетов и обобщения закономерностей конвективного теплообмена от газовых турбулентных потоков с переменными свойствами при тангенциальном вдуве в поток с использованием метода характеристических масштабов; впервые установленное наличие подобия (в рамках модели турбулентности) полей скорости при тангенциальном вдуве в турбулентный поток в отсутствие аналогии Рейнольдса и подобие полей температуры между собой при отсутствии их подобия с полями скорости.
5. Выявление и расчетно - теоретическое исследование нового эффекта увеличения турбулентной вязкости в зоне вдува на «горячих» огневых стенках при Tw >Tad.
6. Результаты расчетно-аналитического исследования токов утечки в холловском поле в тонких проводящих пленках или расплаве К-фазы на поверхности огневых стенок каналов МГД - генераторов и оценка их влияния на локальные характеристики МГДГ.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на ряде международных конференций и семинаров по МГД – преобразованию энергии, а также на конференции «Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение»// Москва. ОИВТРАН; 2008г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 статей и докладов на Всесоюзных, Российских и международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и два приложения. Работа включает 165 страниц, из них 151 страниц печатного текста, 49 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 102 наименований.
