Журналы
НЕФТЕГАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Серия: Морская техника и технология Серия: РЫБНОЕ ХОЗЯЙСТВО Серия: УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА Серия: ЭКОНОМИКА

Вестник АГТУ (АРХИВНЫЙ)
История Ссылки Новости Контакты
Отправить рукопись
Главная / Журналы / Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология / Номер 4 / ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ЖАРОВОЙ ТРУБЕ СУДОВОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ПУСКОВОМ РЕЖИМЕ
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ЖАРОВОЙ ТРУБЕ СУДОВОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ПУСКОВОМ РЕЖИМЕ
Отправить рукопись
Цитировать
Цитирований:

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ЖАРОВОЙ ТРУБЕ СУДОВОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ПУСКОВОМ РЕЖИМЕ
Володин Юрий Гурьянович 1
Матвеев Юрий Иванович 2
Храмов Михаил Юрьевич 3
Авторы:
1.  Казанский архитектурно-строительный университет

2.  Каспийский институт морского и речного транспорта, филиал Волжской академии водного транспорта

3.  Волжский государственный университет водного транспорта (кандидат технических наук, доцент; доцент кафедры эксплуатации судовых энергетических установок)

Тип:
Статья
DOI:
https://doi.org/10.24143/2073-1574-2018-4-66-74
Страницы:
с 66 по 74
Статус:
Опубликован
Получено:
20.11.2018
Одобрено:
25.11.2018
Опубликовано:
25.11.2018
Классификаторы:
УДК 532.526
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
жаровая труба газотурбинного двигателя, ламинаризация, температурный напор, коэффициент теплоотдачи, коэффициент трения, газовый поток
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Приведены результаты экспериментальных исследований теплообмена в цилиндрической трубе, которая представляет собой имитационную модель жаровой трубы. Эксперименты выполнены на газодинамической трубе разомкнутого типа. Пусковой режим при эксплуатации газотурбинного двигателя (ГТД) является одним из основных режимов, в котором порой возникают отказы. Причиной возникновения отказа может быть внештатный режим теплообмена, когда тепловые параметры газового потока превышают значения расчётных, происходит интенсивный локальный нагрев обтекаемой поверхности конструктивного элемента (-ов) двигателя. Экспериментальные исследования проводились при различных значениях интенсивности возрастания температуры рабочего тела, что позволило зафиксировать явление ламинаризации теплового турбулентного пограничного слоя (ТПС) при тепловом потоке, направленном со стороны газового потока к стенке канала. При возникновении явления ламинаризации значения локальных коэффициентов теплоотдачи уменьшаются в 2,5-3 раза. Со времени открытия этого явления оно также наблюдалось в различных ситуациях при ускорении газового потока и даже при высоких степенях нагрева стенки цилиндрической трубы при стационарных режимах течения. В нестационарном режиме и указанном направлении теплового потока это явление обнаружено впервые. В качестве параметра ламинаризации ТПС предложен температурный напор или температурный фактор, а границей области ламинаризации ТПС является величина Δ T ≥ 700 К.

Ключевые слова:
жаровая труба газотурбинного двигателя, ламинаризация, температурный напор, коэффициент теплоотдачи, коэффициент трения, газовый поток
Текст
Введение При эксплуатации газотурбинного двигателя (ГТД) обычно определяют четыре основных этапа, среди которых выделяется пусковой режим - один из важных и ответственных режимов. Пуск является самой ответственной операцией, т. к. в результате возгорания топлива за короткий промежуток времени очень быстро увеличивается температура рабочего тела, приводящая к существенному изменению величин всех параметров двигателя, а главным образом - увеличению температуры конструктивных элементов двигателя. И всё же в пусковом режиме двигателя возникают ситуации, когда происходит преждевременный отказ его работы с последующим разрушением конструктивных элементов. Причиной такого разрушения двигателя является локальный нагрев отдельных элементов, т. е. процесс теплоотдачи, происходящий за пределами камеры сгорания в осесимметричных жаровых трубах, где формируется нагретый газовый поток на входе в турбину, её вращающий. При пуске энергетической установки во время розжига резко увеличивается температура рабочего тела и изменяются его теплофизические свойства. Процесс этот сопровождается нестационарными эффектами [1, 2]. Когда температура рабочего тела достигает постоянной величины, формируются условия для ламинаризации турбулентного пограничного слоя (ТПС). Со времени открытия явления ламинаризации, вызванного ускорением потока за счёт изменения геометрии обтекаемого тела [4-8], оно также зафиксировано при отсосе газа из пограничного слоя [9], охлаждении обтекаемой поверхности [10], совместном воздействии охлаждения стенки и ускорения потока газа [6, 11-13], нагреве обтекаемой поверхности [14-16]. Количественная оценка выполнялась «универсально» по параметру ускорения независимо от условий, сформировавших это явление (v - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; w0 - скорость вне пограничного слоя, м/с; - дифференциал; - продольная координата, м). Кроме того, не делалось уточнения, речь идёт о воздействии на какой пограничный слой - динамический или тепловой. Экспериментальные исследования Экспериментальные исследования проведены на газодинамическом стенде разомкнутого типа с электродуговым подогревом рабочего тела. Принципиальная схема приведена на рис. 1. Рис. 1. Принципиальная схема газодинамического стенда: 1 - плазмотрон; 2 - форкамера; 3 - выравнивающие решётки; 4 - опытный канал; 5 - термопары хромель-алюмелевые; 6 - термопары хромель-копелевые; 7 - подводящие проводники; 8 - расходомер; 9 - образцовые манометры; 10 - регулировочный кран; 11 - запорный кран; 12 - фильтр грубой очистки; 13 - фильтр тонкой очистки; 14 - запорный клапан Плазмотрон 1 выполнен по однокамерной схеме с вихревой стабилизирующей круткой дуги и состоит из анода и катода, установленных в обойму из органического стекла. Сжатый воздух подаётся в рабочую камеру плазмотрона через тангенциальное отверстие в обойме. К выходному фланцу плазмотрона пристыкована форкамера 2 с выравнивающими решётками 3 [17], которые совместно с профилированным по кривой Витошинского соплом обеспечивают равномерное распределение скоростей и температур на входе в опытный канал 4. Коэффициенты искажения wlср/wlmax и Tlср/Tlmax составили не менее 0,97. В качестве имитационной модели жаровой трубы был выбран осесимметричный цилиндрический канал. Опытный канал 4 представляет собой цилиндрическую трубу диаметром D = 45 мм, выполненную из нержавеющей стали и составленную из отдельных секций длиной D, с толщиной стенок 0,08 мм. Индуктивными датчиками давления ДМИ и термопарами хромель-алюмелевыми 5 и хромель-копелевыми 6 диаметром 40∙10-6 м измерялись полное давление р0* и температура на входе в опытный канал Т0, распределения по длине канала температуры стенок Тw, динамического напора на оси канала, статического давления Δрст и пристенных касательных напряжений трения τw [18-19]. Информация от первичных преобразователей температуры и давления через 8-канальные модули аналогового ввода ADAM 4019 и RS - 232/485 поступала в компьютер. Заданные температурные режимы обеспечивались перераспределением подачи холодного воздуха в форкамеру. Для уменьшения эрозии катода в зону дуги плазмотрона подавался аргон, доля которого составляла 1,5-2,0 % от расхода воздуха. Расходы аргона и воздуха регистрировались расходомерами 7. Метрологические исследования [20-21] характеристик измерительных систем показали, что системы не имеют искажений амплитуды и фазы во всём диапазоне измерений. Диапазон изменения числа Рейнольдса Re1, построенного по среднерасходной скорости, составил Re1 = 30 000-60 000, температуры рабочего тела - Т = 293-1 500 К с градиентом температуры до 12 000 К/с. Среднеквадратичные погрешности измерения температуры и коэффициентов трения и теплоотдачи в опытах не превысили 1,6, 9,2 и 9,5 % соответственно. Результаты исследований При увеличении температуры газового потока уменьшается плотность и увеличивается вязкость рабочего тела, в результате увеличивается скорость потока, т. к. массовый расход его остаётся постоянным. Увеличение скорости во времени достигает м/с с градиентом изменения температуры на входе в опытный канал до 12 000 К/с (t = 0,04 с). Температурный фактор jh = Tw/T0 уменьшается по величине от 1 до 0,25. С увеличением температуры T0 газового потока формируется нестационарный процесс теплоотдачи продолжительностью около 0,1 с. В этом интервале времени формируются величины температурного напора T0-Tw, скорости потока w0, чисел Re, параметра ускорения K и коэффициента теплоотдачи St, которые в рассматриваемом временном интервале t > 0,1, с, не изменяются по величине. Две кривые построены на рис. 2. Рис. 2. Изменение величины коэффициента теплоотдачи в функции времени Кривая 1 - это зависимость St = f(t) [22] для турбулентных (1) а кривая 2 для ламинарных режимов течения (2) В рассматриваемом временном интервале около кривой 2 сгруппировались опытные точки. При этом среднерасходное число Рейнольдса равно величине Re = 18 800 и определяет режим движения рабочей среды турбулентным. Величина коэффициента теплоотдачи St определялась по выражению (3) По условиям эксперимента массовая скорость ρ0w0 есть величина постоянная. Плотность теплового потока qw определялась по выражению (4) В выражении (4) Δqw - это потери тепла, вызванные свободной конвекцией и за счёт лучеиспускательной способности поверхности опытного канала. Потери Δqw определялись согласно рекомендациям, приведённым в [23], и получились менее 10 % от величины qw. В выражении (4) первое слагаемое представляет собой произведение удельной теплоёмкости, плотности материала стенки канала, толщины стенки канала и временного градиента температуры стенки. Иллюстрация изменения величин Tw и ∂Tw/∂t приведена на рис. 3. Рис. 3. Изменения во времени величин Тw (1), ∂Tw/∂t (2) На графиках видно, что темп нарастания температуры Tw стенки является неизменной величиной. Отсюда следует, что плотность теплового потока qw есть величина неизменная. В свою очередь, qw входит в выражение (3), по которому определяется коэффициент теплоотдачи St. Из анализа выражения (3) следует, что единственной переменной величиной здесь является разность энтальпий. Изменение этой величины при выполнении экспериментальных исследований доказало, что превышение температурным напором значения граничной величины ΔT ≥ 700 К способствует тому, что опытные точки на рис. 4 группируются около кривой 2 вне зависимости от места расположения измерительного сечения по длине опытного канала и величины числа Re. Рис. 4. Зависимость величины коэффициента теплоотдачи St от числа Рейнольдса : 1 - выражение (1); 2 - выражение (2); 3 - аппроксимационная зависимость Увеличение в эксперименте времени работы плазмотрона показало, что с прогревом стенок канала и, как следствие, уменьшением величины температурного напора происходит обратное монотонное перемещение опытных точек от кривой 2 от ламинарного к турбулентному режиму течения. Период времени, в течение которого опытные точки присутствуют в окрестности кривой 2, определяется величиной температурного напора. При большей величине температурного напора потребуется большее количество времени для прогрева стенок канала и достижения граничной величины ΔT ≈ 700 К, ниже которой теплоотдача вновь начнёт увеличиваться. В рассматриваемом временном интервале величина коэффициента трения не изменяется. Учёт фактора неизотермичности позволил сгруппировать опытные точки в пределах точности эксперимента в окрестностях зависимости [22] (5) Проводя анализ экспериментальных работ, в которых исследовалось явление ламинаризации, Ю. Л. Нэш-Уэббер и Г. К. Оутс [24] сделали вывод о том, что параметр ускорения K является функцией характерного числа Re**. В поисках выражения для «границы» перехода от турбулентного режима течения к ламинаризованному авторы получили аппроксимационное выражение (6) которое определяет величину критического значения параметра ускорения Kгр. В рассматриваемой термогазодинамической ситуации присутствуют две причины ускорения потока: первая - ускорение за счёт производной скорости потока по продольной координате, т. е. продольный градиент давления, и вторая - ускорение за счёт производной скорости потока по времени, т. е. нестационарность. В нашей ситуации параметр ускорения состоит из двух слагаемых и , где - производная по продольной координате; - производная скорости по времени. Проведённое сравнение экспериментальных данных по величинам параметра K и его слагаемым и кривой, определяющей «границу» области ламинаризации, построенной по уравнению (6), показало, что во временном интервале ~ 0,02-0,05, с, величина параметра K достигает «границы» или переходит её в область ламинаризации. Здесь более 70 % величины параметра K приходится на долю слагаемого Kt. В функции продольной координаты параметр K увеличивается по направлению течения. Сравнение с результатами исследований других авторов, опубликованными в литературных источниках, показало, что наблюдается корреляция по характеру, величинам и направлению изменения чисел Рейнольдса Re01, Re**, Reh**, локальных коэффициентов трения и теплоотдачи, диапазону изменения характерного числа Re** ~ от 1 000 до 400, величине положительного градиента скорости м/с2. С учётом воздействия фактора нестационарности параметр ускорения можно определить по выражению (7) Однако обобщающий параметр трения позволяет произвести учёт воздействия разного набора дестабилизирующих факторов на динамический пограничный слой и его параметры при помощи формулы [25] (8) где z - параметр динамической нестационарности; λ - параметр продольного градиента давления. Обращает на себя внимание похожесть правых частей в выражениях (7) и (8). То есть можно записать тождество или (9) где . Отсюда следует, что параметр ускорения K является функцией обобщающего параметра трения , числа Reδ и коэффициента трения Cf , т. е. является характеристикой динамического пограничного слоя. Воздействие различных дестабилизирующих факторов, таких как, например, нестационарность, продольный градиент давления, вдув или отсос, двухфазность и др., как показано в [25], учитывается обобщающим параметром трения. Кроме того, влияние обобщающего параметра трения на величины коэффициентов переноса и другие характеристики динамического и теплового пограничных слоёв широко представлены в литературе [2-5, 8, 15, 22, 23]. Если перейти от параметра ускорения K к обобщающему параметру то получим (10) Путём подстановки критической величины параметра ускорения K в выражение (9) получим границу ламинаризации ТПС на поверхности [24] где Cf0 определяется по выражению (5). Согласно [25] для теплового ТПС есть свой обобщающий параметр теплоотдачи где - параметр тепловой нестационарности, - параметр продольного градиента энтальпии. В рассмотренной авторами ситуации условия теплообмена определяет температурный напор и, следовательно, целесообразным является утверждение признать его в качестве параметра ламинаризации теплового ТПС, а границы ламинаризации ТПС определять величиной температурного напора или температурного фактора. Выводы 1. Эффект ламинаризации теплового ТПС получен при резком увеличении температуры рабочего тела. Причиной ламинаризации ТПС в рассматриваемой ситуации является температурный напор, который определяет границы переходной зоны и границу области ламинаризации ТПС (ΔT ≥ 700 К). 2. При констатации явления ламинаризации ТПС в сложных термогазодинамических условиях необходимо делать разграничение, на какой именно динамический или тепловой пограничный слой произошло воздействие. При этом для каждого из ТПС должен быть свой параметр ускорения (Kдин или Kтепл) и границы. Авторы придерживаются мнения, что для оценки явления ламинаризации ТПС необходима классификация условий, послуживших источником формирования этого явления с соответствующим параметром, который характеризует эти условия и даёт количественную оценку. 3. Экспериментальные исследования подтвердили, что в пусковом режиме ГТД при соответствующих условиях может возникнуть явление ламинаризации ТПС, в результате проявления которого значения локальных коэффициентов теплоотдачи уменьшаются в 2,5-3 раза. В результате возможен локальный интенсивный нагрев обтекаемой поверхности, например одного из конструктивных элементов двигателя, который может быть причиной нарушения штатного процесса теплообмена, приводящей к отказу и разрушению двигателя.
Список литературы

1. Володин Ю. Г., Федоров К. С., Яковлев М. В. Нестационарные эффекты и трение при запуске энергетических установок // Изв. вузов. Авиационная техника. 2006. № 1. С. 34.

2. Володин Ю. Г., Федоров К. С., Яковлев М. В. Нестационарные эффекты и теплообмен в пусковом режиме энергетических установок // Изв. вузов. Авиационная техника. 2006. № 4. С. 41.

3. Володин Ю. Г., Федоров К. С., Яковлев М. В. Теплообмен при пуске энергоустановок // Двигателестроение. 2006. № 2. С. 11.

4. Дейч М. Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1971. 596 с.

5. Дейч М. Е., Лазарев Л. Я. Исследование перехода турбулентного пограничного слоя в ламинарный // Инженерно-физический журнал. 1964. Т. 7. № 4. С. 18.

6. Бэк Л. Х., Мэссье П. Ф., Каффел Р. Ф. Ламинаризация турбулентного пограничного слоя при течении в сопле // Ракетная техника и космонавтика. 1969. Т. 7. № 4. С. 194.

7. Леонтьев А. И., Шишов Е. В., Афанасьев В. Н., Заболоцкий В. П. Исследование пульсационной структуры теплового турбулентного пограничного слоя в условиях ламинаризации потока // Тепломассообмен - VI: материалы 6-й Всесоюз. конф. по тепломассообмену (Минск, сентябрь, 1980). Минск: Изд-во ИТМО им. А. В. Лыкова, 1980. Т. 1. Ч. 2. С. 136.

8. Щукин В. К., Ковальногов Н. Н., Воронин В. Н. Турбулентная структура, теплоотдача и трение внутренних осесимметричных потоков с большими отрицательными продольными градиентами давления // Тепломассообмен - VII: материалы 7-й Всесоюз. конф. по тепломассообмену (Минск, май, 1984). Минск: Изд-во ИТМО им. А. В. Лыкова, 1984. Т. 1. Ч. 1. С. 176.

9. Datton R. A. Effects of Distributed Suction on the Development in Turbulent Boundary Layer // Report and Memoranda. Cambridge: Engineering Laboratory, 1958. N. 3155. 16 p.

10. Wisniewski R. I., Jack J. R. Resent Studies on the Effect of Cooling on Boundary Layer Transition at Mach 4 // J. of the Aerospace Sci. 1961. March. P. 250.

11. Бэк Л. Х., Мэссье П. Ф., Каффел Р. Ф. Исследование течения и конвективного теплообмена в коническом сверхзвуковом сопле // Ракетная техника и космонавтика. 1967. Т. 4. № 10. С. 191.

12. Back L. H., Massier P. F., Gier H. L. Convective Heat Transfer in a Convergent-Divergent Nozzle // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1964. V. 7. P. 549.

13. Бэк Л. Х., Каффел Р. Ф., Мэссье П. Ф. Ламинаризация турбулентного пограничного слоя при течении в сопле - измерения профилей пограничного слоя и характеристик теплообмена на охлаждаемой стенке // Теплопередача. Сер.: С. 1970. Т. 92. № 3. С. 29.

14. Кун К. В., Перкинс Х. К. Переход от турбулентного режима к ламинарному для течения в трубе со значительным изменением физических свойств // Теплопередача. Сер.: С. 1970. Т. 92. № 3. С. 198.

15. Бэнкстон К. А. Переход от турбулентного течения газа к ламинарному в нагреваемой трубе // Теплопередача. Сер.: С. 1970. Т. 92. № 4. С. 1.

16. Perkins H. D., Worsoe-Schmidt P. M. Turbulent Heat and Momentum Transfer for Gases in a Circular Tube at Wall-to-Bulk Temperature Ratios of Seven // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1965. V. 8. P. 1011.

17. Повх И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1974. 479 с.

18. Репик Е. У., Кузенков Б. К. Исследование нового метода опытного определения поверхностного трения в турбулентном пограничном слое // Инженерно-физический журнал. 1980. Т. 38. № 2. С. 197.

19. Володин Ю. Г., Марфина О. П., Богданов А. Н., Цветкович М. С., Кузнецов А. Б. Измерение касательных напряжений трения в нестационарном газовом потоке // Датчики и системы. 2009. № 2. С. 34.

20. Никифоров А. Н., Фафурин А. В., Фесенко С. С., Хуснутдинов Ш. Н. Исследование динамических характеристик пневмометрических приемников // Тр. метролог. ин-тов СССР. Казань: Изд-во стандартов, 1977. Вып. 182 (242). С. 84.

21. Володин Ю. Г., Гильфанов К. Х., Марфина О. П., Закиров И. Ф., Казаков А. А., Кузнецов А. Б., Рыжакова Ж. С. Экспериментальное исследование тепловой инерционности микротермопар // Приборы. 2008. № 4. С. 41.

22. Кутателадзе С. С., Леонтьев А. И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат, 1985. 320 с.

23. Михеев М. А. Основы теплопередачи. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1956. 392 с.

24. Нэш-Уэббер Ю. Л., Оутс Г. К. Инженерный метод расчёта ламинаризации течения в сопле // Теоретические основы инженерных расчётов. Сер.: Д. 1972. Т. 94. № 4. С. 205.

25. Володин Ю. Г., Марфина О. П. Границы применения математической модели нестационарного течения несжимаемого газа в осесимметричных каналах // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2016. Т. 19. № 6. С. 130.

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 Unported

© "Редакция научных журналов"
Поддержка Powered by Editorum,  Инструкции
Войти или Создать
* Забыли пароль?