СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СТЕНКИ ЖАРОВОЙ ТРУБЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области моделирования условий работы разных видов и конфигураций элементов стенки жаровой трубы камер сгорания ГТД, характеризующихся длительностью работы (~20000 часов), воздействием высокотемпературного потока (до 1800 К), высокой скорости газового обтекания 20-90 м/с, давлением (до 4 МПа).
С развитием вычислительной техники в последние десятилетия растет роль численного моделирования при разработке узлов ГТД, в частности, камер сгорания. Процессы, протекающие в камерах сгорания, представляют одну из сложных задач при численном моделировании. Наряду со сложным характером течения (турбулентные закрученные потоки) в камере сгорания проходят химические реакции (горение) и теплообмен (за счет конвекции и излучения).
Для первичной оценки, выбора системы охлаждения и верификации результатов проведено детальное сравнение экспериментальных и численных данных для модельной конфигурации элемента стенки жаровой трубы с втеканием струй охлаждающего воздуха в основной поток.
Известна модельная установка для испытания материалов тепловой защиты (Шишков А.А. и др. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива. Справочник. М. Машиностроение, 1989, с. 240, рис. 5.4.2). Установка содержит корпус с размещенным в нем твердотопливным зарядом торцевого горения - источником высокотемпературного газа. Корпус имеет газоход с сужающимся переходным участком, переходящим в мерный участок цилиндрической формы с размещенным в нем исследуемым материалом, в котором встроены термопары для измерения температуры в материале. Мерный участок переходит в сопло с центральным отверстием для выпуска газа.
Недостаток данной модельной установки состоит в том, что в ней нет возможности управления тепловым режимом исследуемого объекта.
Известен стенд для моделирования газотермодинамического воздействия высокотемпературного газа на элементы тепловой защиты конструкции (патент РФ №2399783, G01M 15/00, 09.07.2009). Стенд содержит газогенератор с соплом, форкамеру, перфорированную диафрагму, переходный участок, мерный участок с исследуемыми элементами и датчиком замера давления, сопловой блок с выпускными окнами, датчиком замера температуры потока (термопарой) и трубкой Пито с датчиком давления для замера полного давления газового потока. Стенд позволяет получить при испытаниях результаты об уносе теплозащитных материалов. Однако это техническое решение не обеспечивает возможности управления тепловым режимом исследуемого объекта и не позволяет обеспечить длительную работу стенда для выбора оптимального варианта элемента тепловой защиты конструкции.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является стенд для моделирования систем охлаждения элемента стенки жаровой трубы камеры сгорания ГТД (патент РФ на полезную модель №109859).
Стенд содержит источник газа с соплом на выходе, расположенный за соплом газовый тракт, в котором размещено моделирующее устройство с установленной в нем моделью исследуемого элемента стенки жаровой трубы и датчики температуры и давления газового потока. Газовый тракт выполнен открытым. Моделирующее устройство снабжено узлом подвода и распределения охлаждающего воздуха, узлом подвода, распределения и отвода охлаждающей жидкости и узлом определения теплового состояния модели исследуемого элемента.
При работе стенда газ (воздух) направляют вдоль открытого газового тракта. В моделирующее устройство подают воздух и жидкость, охлаждающие элемент стенки жаровой трубы. При стационарном течении газа модель элемента стенки нагревается излучателем. Определяются температурные распределения по поверхности элемента модели в процессе ее остывания. Обработкой температурных полей выбирают оптимальную систему охлаждения элементов стенок жаровой трубы камеры сгорания. Недостаток данного стенда состоит в том, что для выравнивания потока охлаждающего воздуха в моделирующем устройстве при определении характеристик системы охлаждения используется перфорированная диафрагма и струйки воздуха, вытекающие из отверстий диафрагмы охлаждают непосредственно стенку исследуемого элемента жаровой трубы. Это приводит к занижению температуры адиабатической стенки и завышает коэффициент теплоотдачи воздушных струй.
В основу полезной модели положено решение задачи моделирования системы охлаждения элементов стенки жаровой трубы камеры сгорания ГТД при натекании охлаждающего воздуха на охлаждаемые элементы стенки жаровой трубы с уменьшенной скоростью (по сравнению с перфорированной диафрагмой). Технический результат заключается в повышении точности измерения температуры элементов стенки жаровой трубы.
Поставленная задача решается тем, что стенд для моделирования системы охлаждения элемента стенки жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит источник газа с соплом на выходе, расположенный за соплом открытый газовый тракт, в котором размещено моделирующее устройство с установленным в нем исследуемым элементом стенки жаровой трубы, датчики температуры и давления газового потока. Причем моделирующее устройство выполнено в виде полого корпуса со стенками в форме прямоугольного параллелепипеда. Полость параллелепипеда разделена на две камеры перфорированной диафрагмой, параллельной наибольшим граням параллелепипеда. Стенка параллелепипеда одной из наибольших граней, обращенной в сторону газового тракта, выполнена в виде съемного исследуемого элемента стенки жаровой трубы. При этом моделирующее устройство снабжено узлом подвода и распределения охлаждающего воздуха, узлом подвода, распределения и отвода охлаждающей жидкости и узлом определения теплового состояния исследуемого элемента стенки жаровой трубы. Стенка параллелепипеда вдоль грани противоположной исследуемому элементу жаровой трубы выполнена в виде плоского коллектора узла охлаждающей жидкости с входом и выходом, снабжена трубкой узла подачи охлаждающего воздуха с перфорированным отбойником на выходе, которая проходит через коллектор и сообщается с полостью камеры примыкающей к коллектору охлаждающей жидкости. Притом стенка вдоль одной из наименьших граней корпуса параллелепипеда снаружи оборудована аэродинамическим обтекателем с переменным радиусом округления расположенным напротив сопла источника газа. На противоположной стенке корпуса установлены датчики замера давления воздуха в обеих камерах корпуса.
Новым в полезной модели является то, что отверстия в перфорированной диафрагме выполнены рядами с постоянными шагами в каждом ряду и между рядами. Притом напротив выхода отверстий каждого ряда в сторону исследуемого элемента стенки жаровой трубы установлен с зазором ленточный экран. Экран закреплен на стенке диафрагмы моделирующего устройства с помощью ребер. Кроме того суммарная площадь отверстий в перфорированной диафрагме составляет 0,50-0,67 величины суммарной площади отверстий системы охлаждения исследуемого элемента стенки жаровой трубы. Суммарная площадь проходных сечений между ленточными экранами составляет величину не менее 13,0 суммарных площадей отверстий в перфорированной диафрагме. Зазор между перфорированной диафрагмой и ленточными экранами составляет величину от 2,0 до 4,0 диаметров отверстий в перфорированной диафрагме, а ширина каждого ленточного экрана составляет величину от 3,0 до 4,0 диаметров отверстий в перфорированной диафрагме.
При такой конструкции стенда:
- выполнение отверстий в перфорированной диафрагме рядами с постоянными шагами в ряду и между рядами обеспечивает равномерное распределение расхода воздуха на входе в исследуемый элемент стенки жаровой трубы;
- установка ленточных экранов с зазором напротив выходов отверстий диафрагмы каждого ряда, в сторону исследуемого элемента стенки жаровой трубы, где экран закреплен на стенке диафрагмы моделирующего устройства с помощью ребер обеспечивает уменьшение скорости натекания воздуха на стенку исследуемого элемента жаровой трубы; тем самым уменьшая погрешность определения температуры стенки;
- выполнение суммарной площади отверстий в перфорированной диафрагме величиной 0,50-0,67 от величины суммарной площади отверстий системы охлаждения исследуемого элемента стенки жаровой трубы обеспечивает равномерное распределение расхода воздуха на входе в отверстия исследуемого элемента жаровой трубы. При отношении площадей менее 0,50 потери давления на диафрагме будут чрезмерными, а при отношении площадей более 0,67 потери давления на диафрагме не достаточны для выравнивания расхода воздуха в моделирующем устройстве;
- выполнение суммарной площади проходных сечений между ленточными экранами величиной не менее 13 суммарных площадей отверстий в перфорированной диафрагме обеспечивает уменьшение скорости натекания воздуха на стенку исследуемого элемента жаровой трубы не менее чем в 10 раз; тем самым уменьшая погрешность определения температуры стенки;
- выполнение зазоров между перфорированной диафрагмой и ленточными экранами величиной в диапазоне от 2,0 до 4,0 диаметров отверстий в перфорированной диафрагме обеспечивает заданное натекание струек воздуха, вытекающих из отверстий диафрагмы, с потерей составляющей скорости по направлению к элементу стенки жаровой трубы. При отношении более 4,0 периферийные части расширившихся струек воздуха могут протекать мимо экранов к стенке исследуемого элемента жаровой трубы со значительной скоростью, что приводит к уменьшению температуры стенки и увеличению погрешности измерений. При отношении менее 2,0 сложно обеспечить идентичность зазора между экраном и диафрагмой;
- выполнение ширины ленточных экранов величиной от 3,0 до 4,0 диаметров отверстий в перфорированной диафрагме обеспечивает заданное натекание струек воздуха, вытекающих из отверстий диафрагмы, с потерей составляющей скорости по направлению к элементу стенки жаровой трубы. При относительной ширине ленточных экранов меньше 3,0 периферийные части расширившихся струек могут протекать мимо экранов к стенке исследуемого элемента жаровой трубы со значительной скоростью, что приводит также к уменьшению температуры стенки и увеличению погрешности измерений. При относительной ширине ленточных экранов больше 4,0 суммарная площадь проходных сечений между ленточными экранами может оказаться менее 13, что приводит к тому, что скорость воздуха по направлению к исследуемому элементу окажется больше, чем 0,1 от скорости в отверстиях элемента жаровой трубы, что приводит к уменьшению измеренной температуры стенки и увеличению погрешности измерений.
Существенные признаки полезной модели могут иметь дополнение и развитие:
- узел определения теплового состояния модели исследуемого элемента стенки жаровой трубы может быть выполнен в виде датчиков определения теплового состояния модели и тепловизора. Причем датчики могут быть закреплены в трубке подачи охлаждающего воздуха перед отбойником и снаружи на стенке исследуемого элемента, а тепловизор расположен напротив моделирующего устройства по другую сторону газового тракта. Это совместно с датчиками замера давления обеспечивает измерение теплового состояния исследуемого элемента жаровой трубы.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача моделирования системы охлаждения элементов стенки жаровой трубы камеры сгорания ГТД при натекании охлаждающего воздуха на охлаждаемые элементы стенки жаровой трубы с уменьшенной скоростью для повышения точности измерения температуры элементов стенки жаровой трубы.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции стенда и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1, 2, где:
На фиг. 1 изображен общий вид стенда;
На фиг. 2 - элемент I на фиг. 1;
На фиг. 3 - вид А на перфорированную диафрагму со стороны потока нагретого воздуха;
На фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3;
На фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 3.
Стенд для моделирования системы охлаждения элементов стенки жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит (см. фиг. 1) источник 1 газа постоянного давления с соплом 2 на выходе. Для этого могут быть использованы продукты сгорания камеры непрерывного действия или сжатый и нагретый воздух из компрессора (не показано). За соплом 2 расположен открытый газовый тракт 3, в котором размещено моделирующее устройство 4 с установленными в нем исследуемым элементом 5 стенки жаровой трубы (см. фиг. 2) и датчиками 6 и 7 замера соответственно температуры (термопарой) и давления газового потока (трубкой Пито). Причем моделирующее устройство 4 выполнено в виде, полого корпуса 8 со стенками в форме прямоугольного параллелепипеда. Полость корпуса 8 разделена на две камеры 9 и 10 перфорированной диафрагмой 11, параллельной наибольшим граням параллелепипеда. Стенка параллелепипеда одной из наибольших граней, обращенной в сторону газового тракта 3, выполнена в виде съемного исследуемого элемента 5 жаровой трубы. При этом моделирующее устройство 4 снабжено узлом 12 подвода и распределения охлаждающего воздуха, узлом 13 подвода, распределения и отвода охлаждающей жидкости и узлом определения теплового состояния исследуемого элемента стенки жаровой трубы. Стенка параллелепипеда вдоль грани противоположной исследуемому элементу 5 жаровой трубы выполнена в виде плоского коллектора 14 узла 13 охлаждающей жидкости с входами 15 и выходами 16, снабжена трубкой 17 узла 12 подвода и распределения охлаждающего воздуха с перфорированным отбойником 18 на выходе. Трубка 17 проходит через коллектор 14 и сообщается с полостью камеры 10 примыкающей к коллектору 14 охлаждающей жидкости. Притом стенка 19 вдоль одной из наименьших граней корпуса 8 снаружи оборудована аэродинамическим обтекателем 20 с переменным радиусом округления расположенным напротив сопла 2 источника 1 газа. На противоположной стенке 21 корпуса 8 установлены датчики 22 и 23 замера давления воздуха соответственно в камерах 9 и 10 корпуса 8. Отверстия 24 в перфорированной диафрагме 11 выполнены рядами с постоянными шагами в каждом ряду и между рядами (см. фиг. 3-5). Притом напротив выхода отверстий 24 каждого ряда, в сторону исследуемого элемента 5 стенки жаровой трубы (на фиг. 3-5 не показан) установлен с зазором Г (см. фиг. 5) ленточный экран 25. Экран 25 закреплен на стенке диафрагмы 11 моделирующего устройства с помощью ребер 26. Кроме того, суммарная площадь отверстий 24 в перфорированной диафрагме 11 составляет 0,50-0,67 величины суммарной площади отверстий 27 исследуемого элемента 5 стенки жаровой трубы. Суммарная площадь проходных сечений Д между ленточными экранами 25 (см. фиг. 3) составляет величину не менее 13,0 суммарных площадей отверстий 24 в перфорированной диафрагме 11. Величина зазора Г между перфорированной диафрагмой 11 и ленточными экранами 25 составляет от 2,0 до 4,0 диаметров отверстий 24 в перфорированной диафрагме 11. Ширина Е каждого ленточного экрана 25 составляет величину от 3,0 до 4, 0 диаметров отверстий 24 в перфорированной диафрагме 11.
Узел определения теплового состояния исследуемого элемента 5 стенки жаровой трубы выполнен в виде датчиков 28 и 29 (см. фиг. 2) определения теплового состояния и тепловизора 30. Причем датчики 28 и 29 закреплены соответственно в трубке 17 подачи охлаждающего воздуха перед отбойником 18 и снаружи на стенке исследуемого элемента 5. Тепловизор 30 расположен (см. фиг. 1) напротив моделирующего устройства 4 по другую сторону газового тракта 3.
Стенд снабжен излучателем 31, расположенным напротив моделирующего устройства 4 по другую сторону газового тракта 3. Излучатель 31 состоит из трубчатых кварцевых ламп мощностью 1 кВт каждая. Поверх ламп расположено плоское водоохлаждаемое зеркало из полированного алюминия (не показано). При работе излучателя на стенку исследуемого элемента 5 стенки жаровой трубы направляется радиационный тепловой поток, имитирующий излучение сажистого пламени в реальной камере сгорания по отношению величин радиационного и конвективного потоков тепла.
Стенд работает следующим образом. При включении источника 1 (см. фиг. 1) с заданными расходными характеристиками контролируемыми датчиком температуры 6 и датчиком давления 7 струя газа (воздуха) из сопла 2 направляется вдоль открытого газового тракта 3. Одновременно в моделирующее устройство 4 (см. фиг. 1, 2) с установленным в нем исследуемым элементом 5 стенки жаровой трубы подают охлаждающий воздух и охлаждающую жидкость. При стационарном течении газа (воздуха) из сопла 2 источника 1 исследуемый элемент 5 в составе моделирующего устройства 4 сначала нагревается с помощью излучателя 31 до температуры 100-150°C. Затем поток излучения мгновенно перекрывается заслонкой (не показано) и с помощью тепловизора 30 определяют температурные распределения по поверхности исследуемого элемента 5 в процессе его остывания. Обработка температурных полей по времени (по скорости остывания) позволяет определить коэффициенты теплоотдачи различных вариантов исследуемого элемента 5 стенки жаровой трубы при фиксированном расходе охлаждающего воздуха. Изменяя расход охлаждающего воздуха, и повторяя описанную выше процедуру, можно получить зависимости коэффициентов теплоотдачи в различных точках исследуемых элементов стенки жаровой трубы от расхода охлаждающего воздуха. Стенд предложенной конструкции позволяет моделировать и выбирать оптимальную систему охлаждения элементов жаровой трубы камеры сгорания конкретного газотурбинного двигателя. Стенд прошел проверку и может быть использован при моделировании систем охлаждения элементов стенок жаровых труб камер сгорания ГТД. Результаты проведенных исследований сокращают время и стоимость доводки двигателей.