Эффективность охлаждения и теплопередача в тепловой завесе, создаваемой пористым вдувом

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 режимеотсутствие 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 2 161 715 С2 (рис. В.16) для подачи охлаждающего воздуха через сопловые щели на горячий корпус двигателя используется блок вентиляторов. А в патенте RU 2 166 656 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 2 161 715 С2).

В патенте RU 2 246 017 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 2 252 326 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 2 166 656 С2) разных ступеней компрессора с промежуточным его охлаждением (патент RU 2 252 326 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 охлаждениеконвективного охлаждениясистема 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.