Охлаждение сопловых аппаратов энергоустановок капиллярно-пористыми покрытиями 

Исследованы сетчатые и хрупкие пористые покрытия для системы охлаждения сопловых аппаратов энергоустановок. В качестве интенсификатора теплообмена явилась пористая канавка дугообразной формы. Показана физическая картина и распределение температурного поля в ячейке пористой структуры для разных условий теплообмена. 

Важной теплотехнической задачей является разработка различных интенцификаторов теплообмена [1-4] для охлаждения камер сгорания и сопел энергоустановок, особенно оснащённых горелками ракетного типа. Высокоэффективной является пористая система охлаждения, когда в наиболее высокотеплонапряжённой зоне сверхзвуковых сопел устанавливается пористая канавка дугообразной формы.

Основным недостатком горелок является невысокий ресурс работы вследствие низкой надёжности системы охлаждения, особенно в высокотеплонапряжённой зоне критического сечения и диффузорной части сопла Лаваля.

В узких каналах охладителя, образованных кожухом и камерой сгорания с соплом, возникают паровые пузыри в момент локального закипания охладителя, которые закупоривают каналы, нарушаются теплогидравлические характеристики системы охлаждения, что приводит к возникновению кризиса теплопередачи и пережогу стенки камеры сгорания и сопла Лаваля. Но даже если избежать локального закипания жидкости за счёт подачи весьма её большого количества, что и происходит на практике, то вследствие неравномерного процесса охлаждения, особенно, начиная с зоны критического сечения по ходу движения продуктов сгорания, возникают циклические резкопеременные тепловые напряжения в стенке, приводящие к малоцикловой термической усталости материалов и небольшому сроку службы. При этом требуется подавать весьма большие количество охладителя, равное 0,1 кг/с и более, под давлением 0,5 МПа, что приводит к большому перерасходу воды, электроэнергии и требует повышенного внимания за эксплуатацией насоса.

Горелка (рисунок 1) содержит установленные в кожухе 8 камеру сгорания 1, сопло Лаваля 2 с конфузорной 3 и диффузорной 4 частями и критическим сечением 5 между ними, завихритель 6, распылитель 7 и распределительную головку 11 с патрубками 12, 13, 14 подвода окислителя 19 и горючего 20 в камеру сгорания 1 и охладителя   18  в  охлаждающую  полость  10,  образованную   между   кожухом  8   и внешними стенками камеры сгорания 1 и сопла Лаваля 2. В кожухе 8 выполнены отверстия 9, 21 для отвода охладителя 18. Диффузорная часть 4 сопла Лаваля 2 снабжена вставкой 15, имеющей со стороны, обращенной к охлаждающей полости 10, капиллярно – пористое покрытие 16.

Капиллярно – пористое покрытие 16 выполнено из многослойной сетки, размер ячеек в каждом из слоев которой возрастает по направлению к внешней поверхности покрытия и составляет 0,08; 0,14 и 1,0 мм.

Вставка 15 имеет примыкающую к критическому сечению сопла Лаваля дугообразную в продольном сечении горелки канавку 17, вогнутая сторона которой обращена к конфузорной части 3 сопла.

Радиус кривизны канавки 17 в 2,5 – 5 раз больше ее глубины. Продукты сгорания 22 отводятся из диффузорной части 4 сопла 2.

Охладитель 18 подают в патрубок 14, выходя из которого охладитель перемещается в охлаждающей полости 10, образованной между кожухом 8 и внешними стенками камеры сгорания 1 и сопла  Лаваля 2, состоящего из конфузорной

3 и диффузорной 4 частей, разделенных критическим сечением 5. Охладитель омывает стенки камеры сгорания 1 и сопла 2, отбирая теплоту и охлаждая последние, после чего выбрасывается наружу через отверстия 9 и 21. Теплота в камере сгорания 1 выделяется за счет сжигания горючего 20, подаваемого в патрубок 13, которое идет в распылитель 7, закручивается в завихрителе 6 и направляется в камеру сгорания 1. Одновременно подают окислитель 19 через патрубок 12, расположенный, как и патрубки 13 и 14, в распределительной головке 11. Окислитель 19 смешивается с горючим 20, поджигается источникам воспламенения, и полученная смесь сжигается.

Образующаяся в камере сгорания 1 газовая струя с температурой свыше (2000- 2500)0С разгоняется до необходимых скоростей (1600-2000) м/с в сопле Лаваля 2 и выбрасывается на объект обработки или реза в виде продуктов сгорания 22.

Горелка работает в режиме детанационного горения, причем продукты сгорания 22 пульсируют благодаря укороченной диффузорной части 4 сопла Лаваля 2.

Система охлаждения горелки для высокофорсированного режима детонационного горения    

Рисунок 1 - Система охлаждения горелки для высокофорсированного режима детонационного горения 

Камера сгорания 1 и сопло Лаваля 2, особенно зона его критического сечения 5 и диффузор 4, работают в форсированном и высокотеплонагруженном состоянии, поэтому процесс интенсификации теплопередачи реализуется за счет вставки 15 и выполненной  в  ней  канавки  17,  которые  содержат  на  внешней поверхности капиллярно – пористое покрытие 16, выполненное из многослойной сетки, размер ячеек в каждом из слоев которой последовательно возрастает по направлению к внешней поверхности. Поскольку вставку 15 выполняют из массивного высокотеплопроводного тела (меди), это значительно повышает теплоаккумулирующую способность сопла 2, интенсифицирует теплообмен и за счет управления распространением тепловых волн предотвращает разрушение сопла в напряженных режимах работы.

Выполнение радиуса кривизны дугообразной пористой канавки 17 в 2,5 – 5 раз большей ее глубины способствует снятию концентрации термических напряжений и компенсации термических удлинений в тепловой канавке. Наличие капиллярно – пористого покрытия 16 обеспечивает создание равномерной и устойчивой пульсирующей пленки охладителя 18 на вставке 15 с наружной и торцевой сторон при совместном действии инерционных сил (давления) и капиллярных сил. За счет выполнения капиллярно – пористого покрытия 16 анизотропным, т.е. имеющим последовательный рост размера ячеек по направлению к внешней поверхности, создается высокий капиллярный напор, и активно удаляются возможные паровые пузыри.

На рисунке 2 представлена физическая картина системы охлаждения поверхности в виде ячейки пористого покрытия, которое, кроме сетчатой анизотронной структуры, выполнялось из хрупких материалов. Такие материалы позволяют моделировать весьма сложные процессы охлаждения, имитируя реальные условия высоких удельных тепловых нагрузок. Представляет интерес начальная старая кипения с образованием одиночных паровых пузырьков, которые могут явиться активными центрами генерации пара, а могут быть источником аварии, закупоривая узкие каналы системы охлаждения.

q - удельный тепловой поток; mж mп  - расходы жидкости и пара;

Tст, Tн - температуры стенки и насыщения; δ -толщина плёнки жидкости; bг, δж, d - ширина, толщина структуры и диаметр пор.

Физическая картина тепломассопереноса в ячейке пористой структуры для начала закипания и начальной области кипения жидкости

Рисунок 2 - Физическая картина тепломассопереноса в ячейке пористой структуры для начала закипания и начальной области кипения жидкости

На рисунке 3 представлено распределение температурного поля для различных условий теплообмена.

Взаимосвязь напряжений сжатия и растяжения показана на  рисунке 4, который представляет собой эпюры напряжений внутри капиллярно - пористой пластины для различных интервалов времени от начала рассматриваемого процесса.

При  малых величинах t = (0,05 ¸ 0,1) с возникают только напряжения   сжатия.

Начиная с t  = 0,05 с, в некоторой области напряжения сжатия переходят в напряжения растяжения, причём для различных интервалов времени они находятся на различной глубине от поверхности пластины 

Разрушение покрытия (предельное состояние) под действием сил сжатия наступает во времени значительно раньше, чем сил растяжения.

На рисунке 5 показана оценка теплового потока, необходимого для разрушения единицы объема гранитного покрытия. Кривые на рисунках 4 и 5 получены на основе решения уравнения теплопроводности [5]. В зависимости от толщины отрываемых частиц δ определена удельная энергия разрушения Q. Кривые имеют явно выраженные минимумы. Эксперимент подтвердил хорошее совпадение размера оторвавшихся частиц от пористого покрытия с расчётами, показанными на рисунках 4 и 5.

1,2,3 – поверхностное кипение в пористой структуре для построенной моделей на рис.2 при различных типов покрытиях (qmax=105 Вт/м2, ΔT=2…10К); 4- свободная конвекция с пузырьковым кипением (qmax=(2…50)·105 Вт/м2, ΔT=10…30 К); 5- вынужденное движение с пузырьковым кипением и без него (qmax=(5…1000)·105 Вт/м2, ΔT=10…500 К), 6- наличие слоя пара у стенки (qmax=(0,1…1)·105 Вт/м2, ΔT=20…1000 К); 7- свободная конвекция без испарения (qmax=(0,1…1)·105 Вт/м2, ΔT=20…50 К), qmax - критический тепловой поток; ΔT - температурный напор, ΔT=Tст-T; Tст, Тн, Т – температура стенки, насыщения и жидкости.

Распределение температурного поля

Рисунок 3 - Распределение температурного поля

Таким образом, у горелки увеличивается срок службы за счет интенсификации теплопередачи, увеличения отводимых тепловых нагрузок, выравнивания температурного поля в охлаждаемых стенках, повышения теплоаккумулирующей способности сопла и способности капиллярно – пористого покрытия выравнивать тепловые нагрузки, что особенно важно в момент возможных аварийных ситуаций Кроме того, компенсируются термические удлинения, снимаются концентрации термических напряжений, что исключает возникновение резкопеременных разрушающих нагрузок. При этом экономится охладитель и электроэнергия, сокращаются эксплуатационные расходы.

 

прочности на растяжение: z -координата; α, Е, ν - коэффициенты линейного расширения, упругости и поперечного сжатия.

Эпюры напряжений σ по толщине h пористой кварцевой пластины при различных тепловых потоках q и времени τ их действия

Рисунок 4 - Эпюры напряжений σ по толщине h пористой кварцевой пластины при различных тепловых потоках q и времени τ их действия

 Изменение удельной энергии разрушения гранитного покрытия в зависимости от t для различных δ

Рисунок 5 - Изменение удельной энергии разрушения гранитного покрытия в зависимости от t для различных δ 

Срок службы горелки повышается в 1,5 раза за счет интенсификации теплопередачи путём создания равномерной устойчивой пульсирующей плёнки на наружной поверхности сопла, а также путём увеличения отводимых тепловых нагрузок с помощью высокой теплоаккумулирующей способности вставки с выполненной в ней канавкой и капиллярно – пористым покрытием, имеющим анизотропную структуру, при этом выравнивается температурное поле в теплонапряженных элементах горелки и исключается возникновение резкопеременных разрушающих нагрузок. Перечисленные преимущества реализуется как при номинальной нагрузке, так и при переменных и аварийных режимах работы (исключается закупорка охлаждающей полости паровыми пузырями). Резко сокращается расход охладителя (в 4 раза), что экономит воду.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

  1. Polyaev V., Genbach A., Genbach A.A. An experimental study of thermal stress in porous material by methods of holography and photoclasticity// Experimental thermal and fluid science, avenue of the -New York, volum 5. number 6, November.- 1992.-P.697-702.
  2. Поляев В.М., Генбач А.А. Пористое охлаждение камер сгорания и сверхзвуковых сопел// Тяжёлое машиностроение, №7.-1991.-С.8-10.
  3. Поляев В.М., Генбач А.А. Пористая система в огнеструйных горелках// Известия вузов. Авиационная техника.-1991.№4-С.39-43.
  4. Генбач А.А., Генбач Н.А. Применение капиллярно-пористых систем в тепловых энергетических установках электростанций// Вестник АУЭС.-№3(14), Алматы.-C.4-11.
  5. Поляев В.М., Генбач Н.А., Генбач А.А. Предельное состояние поверхности при термическом воздействии// Теплофизика высоких температур.-1991. Т.29, №5.- С.923-934.
Фамилия автора: А.А. Генбач, Н.А. Генбач, В.О. Байбекова
Год: 2015
Город: Алматы