Определение оптимальной дозы заправки тепловых труб с продольными канавками

Контурные ТТ. С 1985 г. НПО имени С. А. Лавочкина разрабатывает контурные тепловые трубы (КнТТ). Как и НПО ПМ, начавшее работы в этом направлении на год раньше, НПО имени С. А. Лавочкина начинало свою деятельность в этом направлении в сотрудничестве с ИТФ УрО РАН. Первый летный эксперимент с КнТТ был осуществлен 1 декабря 1989 г., на месяц позже эксперимента НПО ПМ. Но в отличие от последнего, эксперимент «Алена» на борту КА «Гранат» был успешным (рис. 7). Более 10,5 лет КнТТ длиной 4 м с каналами диаметром 3 мм успешно работала и передавала тепло с горячего радиатора на холодный.

Огромный вклад в развитие этой технологии и популяризации применения КнТТ внесло НПП «ТАИС». К настоящему времени практически все космические предприятия мира имеют демонстрационные образцы КнТТ, сделанные в ТАИС, и могут сами убедиться в надежности и прекрасных характеристиках этих изделий.

Создана программа для расчета этих устройств. На базе КнТТ созданы раскрывающиеся радиаторы, миниатюрные ТТ и ТТ большой мощности, криогенные и высокотемпературные КнТТ, диодные, реверсивные и разветвленные конструкции с одним и несколькими испарителями и конденсаторами. Созданы регулируемые КнТТ с пассивным и активным регулированием. Успешно завершена летная квалификация этих уст-

ройств на борту российских, американских и китайских KA (табл. 2).

Отраслевой центр тепловых труб. В 2003 г. на базе отделения тепловых труб НПО имени С. A. Лавочкина при поддержке предприятий космической отрасли России, в том числе НПО ПM, приказом по Роскосмосу был создан Центр тепловых труб Роскосмоса. Идея создания отраслевого центра позволила сконцентрировать финансовые усилия всех предприятий отрасли на развитии этой сложной и интересной технологии. ^оме того, статус отраслевого центра позволяет поставлять тепловые трубы для всех предприятий космической отрасли России, даже в том случае, если предприятия являются конкурентами для НПО имени С. A. Лавочкина на уровне KA и космических систем.

Сегодня Ц^ Роскосмоса обеспечивает все потребности в тепловых трубах НПО имени С. A. Лавочкина, а также совместно с TAK! поставляет тепловые трубы всех типов и сотопанели для следующих предприятий:

- ГKНПЦ им. Хруничева - Alcatel-Alenia;

- ЦССТ «Прогресс» - ОНВ;

- Р^ «Энергия» - TESAT;

- НИИЭM - CASA;

- НПО MAШ - CNES;

- KE «Aрсенал» - Bradford;

- KE «Полет» - SISE;

- ЦНИИ помета» - CAST.

K. A. Goncharov, V. V. Dvirnyi

EXPERIENCE OF DEVELOPMENT AND APPLICATION OF HEAT PIPES FOR SPACE VEHICLES AT S. A. LAVOCHKIN’S SCIENTIFIC-INDUSTRIAL ENTERPRISE

Experience ofdevelopment of heat pipes ofall types at S. A. Lavochkin s Scientific-Industrial Enterprise is summarized. Successful technical decisions of development of the loop heat pipes, found wide application in space branch are described.

УЦК 548: 537.611.46

Е. В. Кривов, А. А. Кульков, Ю. М. Голованов, А. Е. Цюдин, О. В. Шилкин, О. В. Загар

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ДОЗЫ ЗАПРАВКИ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ С ПРОДОЛЬНЫМИ КАНАВКАМИ

Представлено уточнение метода определения оптимальной дозы заправки тепловых труб с продольными канавками, с точки зрения теории о заглублении радиуса мениска и самого мениска. В предложенной расчетной модели учитывается перепад температур на тепловых трубах (ТТ) с учетом блокирования жидкостью части конденсаторной зоны за счет технологии изготовления и эксплуатационных условий (температурный диапазон работоспособности ТТ). Проведен анализ трех видов профилей тепловых труб с продольными канавками.

Одной из важных конструктивных характеристик ТТ, предназначенных для работы в условиях отсутствия гравитации, является степень заполнения фитильной структуры жидким теплоносителем. Обычно ТТ заправляют с небольшим избытком теплоносителя относительно количества, необходимого для насыщения фитиля.

Однако избыток жидкости при работе ТТ может накапливаться в зоне конденсации, где возникает существенный градиент температур, как в случае наличия некон-денсирующихся газов. В результате чего либо уменьшается эффективная длина зоны конденсации за счет накопления избытка жидкости в конце конденсационной зоны,

либо избыток жидкости формирует толстый слой вдоль всей этой зоны. В обоих случаях это приводит к увеличению перепада температуры между зонами испарения и конденсации.

При заправке ТТ меньшей дозой теплоносителя уменьшается передаваемая мощность (вплоть до полной потери работоспособности - осушение испарительной зоны) из-за углубления жидкости в канавки. Это особенно актуально при работе ТТ на нижней границе рабочего диапазона.

Таким образом, требуется заправка оптимальным количеством рабочей жидкости для получения требуемых характеристик при работе.

Теоретическая оптимальная доза рабочей жидкости. Обычно количество рабочей жидкости определяется с учетом геометрических параметров [1]:

т — Ап рп + АЖЬТ £рж,

где т - масса рабочей жидкости; Ап - площадь поперечного сечения парового канала; Аж - площадь поперечного сечения жидкостного канала; е - пористость фитиля; ЬТ - длина ТТ; рп - плотность пара; рж -плотность жидкости.

Это уравнение не учитывает изменение радиуса мениска. Однако предложена модель, учитывающая заглубление радиуса мениска в испарительной и транспортной зонах [2].

Радиус кривизны изменяется и распределяется под осевым давлением. Таким образом, в соответствии с изменением капиллярного давления вдоль оси изменяется и радиус кривизны мениска, который может быть вычислен по уравнению Лапласа-Юнга. Угол смачивания определяется следующим образом (рис. 1):

0(х) = cos 1

4P(x) л 2о

+ а.

= J

V =

загХубХения

I R

пока не достигнет значения в0 в испарителе, радиус мениска при этом равен половине ширины канавки. Затем мениск опускается с углом в0, стремящимся к Pmin до тех пор, пока не достигнет самого дна канавки. При этом мениск в канавке и его радиус уменьшаются, что увеличивает капиллярное давление жидкости. В прямоугольных канавках (рис. 2, б) радиус мениска, достигнув своего минимального значения (половины ширины канавки) на вершине канавки остается равным rmin при опускании мениска от самой вершины до дна канавки, при этом P = const. В трапецеидальных канавках (рис. 2, в) при опускании мениска к низу канавки происходит увеличение радиуса мениска и соответственно угла в0, что приводит к снижению капиллярного давления и отказу работы ТТ.

Производительность одной канавки перемещения жидкости под капиллярным давлением определяется площадью треугольника канавки с вычетом площади сектора поперечного сечения. Количество рабочей жидкости под капиллярным давлением вдоль длины ТТ вычисляется по формуле

Шх,

тзагХубХения ^загХубХения

Таким образом, оптимальная доза рабочей жидкости определяется равенством

т — ттеор — тзагХубХения .

Изменение положения мениска в ТТ с продольными канавками различного профиля (рис. 2). В перевернутых трапецеидальных канавках (рис. 2, а) радиус мениска при отсутствии подаваемой мощности равен радиусу парового канала (при g = 0) и стремится к бесконечности (в гравитационном поле). При увеличении подводимой мощности этот радиус изменяется вдоль канавки от конденсатора к испарителю, создавая капиллярное давление. При подводе теплоты мениск в испарителе остается на вершине канавки под углом Р(, изменяясь до тех пор,

Сравнив различные формы канавок, можно сделать вывод, что в ТТ с прямоугольными канавками можно заправлять меньшую дозу рабочей жидкости, так как допускается опускание мениска ко дну канавки без ухудшения работы ТТ.

А уменьшение дозы заправки приводит к снижению общей массы ТТ и уменьшению зоны, блокированной жидкостью, и, как следствие, улучшению работоспособности ТТ.

С учетом положения мениска в ТТ с различными формами канавок предлагается следующая расчетная модель заправки рабочей жидкостью: в ТТ заправляется столько рабочей жидкости, что в зоне конденсации канавки целиком заполнены, а торцы ребер покрыты тонкой пленкой жидкости, в начале зоны испарения мениск может менять радиус в зависимости от подаваемой мощности. Вдоль ТТ радиус мениска может меняется от половины ширины канала до радиуса парового канала (рис. 3).

Необходимо отметить, что в начале зоны испарения мениск имеет радиус, равный половине ширины канавки, только при максимальной передаваемой мощности ТТ. При меньшей передаваемой мощности радиус мениска больше и в пределе при Q = 0 Вт равен радиусу парового канала.

Для определения значения радиуса мениска предлагается использовать упрощенную формулу:

(2г - с )0.

^ п кан'-«^/

2Q

л-'ГП

Расчет оптимальной дозы заправки теплоносителя ТТ должен производится с учетом качества (технологии) изготовления ТТ и эксплуатационных условий (рабочий температурный диапазон ТТ).

Расчеты проводились для случая отклонения геометрических размеров канавок в большую (max) и меньшую (min) сторону допуска.

Объем блокирующей жидкости за счет технологии изготовления в зоне испарения и транспортирования определяется по формуле

к.

: AS (L + L ) n

ср,и 4 И Т' к

где Д£ и - разность средних значений площади жидкости в испарительной и транспортной зонах за счет технологи-

ческих разбросов канавок профиля; Lи - длина испарительной зоны; L - длина транспортной зоны; п - количество канавок;

Д£Ср.и — ¿Г - ¿7-

Объем блокирующей жидкости за счет технологии изготовления в зоне конденсации рассчитывается следующим образом:

V = L п ,

бл.к ср.к к кан 4 '

где ASср к - разность средних значений площади жидкости в зоне конденсации за счет технологических разбросов канавок профиля; Lк - длина конденсаторной зоны;

А£ — £шах - £шт •

ср.к кон.к кон.к 4 '

Рис. 2. Модель заглубления мениска в продольных канавках разных профилей ТТ

Объем блокирующей жидкости за счет технологии изготовления выражает формула

V™ =

Полный объем заправляемой жидкости (по условиям модели границы пар-жидкость вдоль ТТ) находят по выражению

V = (S + S .) (L + L ) n /2 +

зап 4 ср.тах ср.тт' 4 и т кан

+ (S

+ S

канк.тах канк.тт' к кан

) L n /2,

n' к кан

rrmrn _______

ср =

С

S,

min

кан.к

+ S. 2

min

ж.и

нии температуры ТТ объем заправленной жидкости увеличивается. Сначала происходит заполнение канавок, затем избыток жидкости накапливается в зоне конденсации.

Полный объем заправляемой жидкости (по условиям модели границы жидкость-пар вдоль ТТ) при номинальных размерах геометрии канавки (без отклонения на допуск) будет

V_ =

/ rrmax . rtmir (Scp + Scp

где S и S . - средняя площадь сечения жидкости в

ср.тах ср.тт А

испарительной и транспортной зонах:

ггшах . ггшах ггшах _ ^ кан.к ж.и

ср = 2 ’

(S,

+ S min кан.к_______кан.к

2

L n .

к кан

S и S - площадь сечения канавки, заполнен-

кан.к.тах кан.к.тт 7

ной жидкостью в начале зоны конденсации (или площадь одной канавки):

omax ,,max i max

кан.к ср ;

min min min

S кан.к = Сср Ъ •

Объем блокирующей жидкости за счет эксплуатационных условий (температурный диапазон работоспособности ТТ) равен

V = V [1 - р / р . ].

блэксп зап L 1 t тах  t тт-1 v '

Длина блокированной зоны составляет

L =

бл 4 бл тех бл эксп7 п 4 '

Суммарный объем блокирующей жидкости за счет технологии изготовления профиля определяется следующим образом:

V т« = V+ Vк

Длина активной части конденсаторной зоны дудет

L = L - L,.

акт,к к бл 4 '

Заправка ТТ рабочей жидкостью производится исходя из моделей положения границы пар-жидкость при нижней температуре ее работоспособности. При повыше-

Формула определения оптимальной дозы заправки ТТ с продольными канавками имеет вид

Vy — V + V + V •

зап зап тех экс V '

В ходе проведения данной работы были изучены и уточнены известные методы определения оптимальной дозы заправки ТТ с продольными канавками рабочей жидкостью. Была рассмотрена модель заглубления радиуса мениска и самого мениска в зависимости от подаваемой мощности в ТТ с продольными канавками с различными профилями. В ТТ с прямоугольными и перевернутыми трапецеидальными канавками можно заправлять меньшую дозу рабочей жидкости, так как допускается опускание мениска к низу канавки без ухудшения работы ТТ. Однако перевернутые трапецеидальные канавки сложнее испытывать в наземных условиях: из-за формы их профиля возможно вытекание жидкости из канавок под действием силы тяжести.

Уменьшение дозы заправки приводит к улучшению работоспособности ТТ, поскольку снижается общая масса ТТ и уменьшается зона, блокированная жидкостью.

В трапецеидальных канавках не допускается опускание мениска на дно, поэтому происходит заправка меньшей дозы рабочей жидкости. Однако ТТ с такой формой профиля способны передавать большую мощность.

Уточнение модели заглубления радиуса мениска было произведено с учетом изменения заглубления по длине ТТ от конденсатора к испарителю. В предложен-

rn > r > съ/2

а) r = rn (Q = 0);

б) rn > r > съ/2 (Q = Qn

Рис. 3. Модель положения границы раздела пар-жидкость в канавках

Библиографический список

1. Чи, С. Тепловые трубы: Теория и практика / С. Чи. М. : Машиностроение, 1981. С. 207.

2. Suh, J.-S. Определение оптимальной дозы заправки рабочей жидкости в тепловых трубах : материалы 7-й меж-дунар. конф. / Jeong-Se Suh, Gie Sung Byun, Chang Ho Kang. Корея, 2003.

E. V. Krivov, A. A. Kulkov, Y. М. Golovanov, A. E. Dyudin, О. V. Shilkin, О. V. Zagar

ANALYSIS OF THE OPTICAL MASS OF WORKING FLUID FOR HEAT PIPE WITH AXIALLY GROOVED WICKS

It is presented revision of determination method of optimum dose for the heat pipes (HP) with axially grooved wicks priming from standpoints of theory on meniscus radius embedding. In the mathematical model swing of temperatures into HP account with blocking a part of condenser by the liquid. It is conducted the analysis of three types ofprofiles of heat pipes with axially grooved wicks.

УЦК 533.697.242

А. А. Алексеев, А. И. Исаев, А. С. Матвиенко, А. Н. Черкасов, А. В. Ярош

УПРАВЛЕНИЕ ТЕЧЕНИЕМ В РАДИАЛЬНОМ ЗАЗОРЕ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Отражены исследования особенностей течения в области радиальных зазоров рабочих колес осевых компрессоров. Результаты исследований позволили провести разработку способа управления течением рабочего тела в этой области.

Эффективность авиационных силовых установок с газотурбинными двигателями во многом зависит от совершенства аэродинамики осевых компрессоров. Разработчиками авиационных двигателей как у нас в стране, так и за рубежом особое внимание уделяется управлению течением в периферийной части рабочих колес (РК).

Это обусловлено тем, что значения запаса устойчивости, степени повышения давления воздуха и коэффициента полезного действия компрессора в значительной мере уменьшаются из-за перетекания рабочего тела (воздуха) через радиальные зазоры рабочих колес. Например,

Н. Кампсти [1] описывает способы управления течением при помощи надроторных устройств, применение которых приводит к увеличению степени повышения давления и в то же время к уменьшению значений коэффициента полезного действия компрессора. Отмечено, что добиться увеличения коэффициента полезного действия можно путем применения надроторных устройств, разработанных с учетом особенностей течения рабочего тела у корпуса рабочего колеса. Причем необходимо иметь представление о картине течения в области радиального зазора не только в относительном, но и абсолютном движении.

Цля выявления картины течения в абсолютном движении были проведены экспериментальные исследования течения в межлопаточном канале рабочего колеса на экспериментальной установке [2]. В состав экспери-

ментальной установки (рис. 1) входят: гидробассейн 1, рабочее колесо 2, прозрачный корпус рабочего колеса (гидроканал) 3, вал вращения 4, электродвигатель постоянного тока, система визуализации течения 5, пульт управления частотой вращения рабочего колеса 6, цифровая видеокамера.

Рис. 1

ной расчетной модели учитывается перепад температур на ТТ с учетом блокирования жидкостью части конденсаторной зоны за счет технологии изготовления и эксплуатационных условий (температурный диапазон работоспособности ТТ).