Введение к работе
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:
Проведение экспериментальных исследований на созданных модельных установках по изучению температурного состояния, эффективности охлаждения и процессов теплопередачи в предлагаемой системе
Разработка методики расчета основных величин (коэффициентов теплоотдачи, эффективности охлаждения) на базе составления уравнений теплового баланса
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
Расчет температуры пористой стенки по установленным зависимостям Разработка рекомендаций по использованию тепловой завесы
Научная новизна:
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
Разработана методика расчета коэффициентов теплоотдачи на базе составления уравнений баланса тепловых потоков рассматриваемой системы
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
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 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 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, і 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 процес
сы 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 А& наименований Диссертация изложена на $3 страницах текста, содержит 2rl рисунков и 1 таблиц
