ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ
HEAT EXCHANGE SURFACE

Изобретение относится к области теплоэнергетики: к теплообменникам, системам охлаждения турбинных лопаток промышленных газотурбинных установок (ГТУ) и авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
d
k
k
k
3
4
Известна работа по исследованию установленных ассиметрично относительно их продольной плоскости симметрии «отрывных» выемок овально-траншейного типа, используемых для интенсификации теплоотдачи на турбулентных режимах течения: Щелчков А.В. «Физическое и численное моделирование интенсификации теплообмена поверхностными генераторами вихрей в трактах систем охлаждения»: Автореферат дис.д-ра техн. наук. - Казань: КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, 2017. - 65 с. Проведенные в работе испытания элементов кожухотрубных теплообменников транспортного оборудования в диапазоне чисел Re=4×10….2×10 с овально-траншейными выемками, установленными под углом β=45° к набегающему потоку, показали следующее. Предложенная овально-траншейная форма выемок относительно большого удлинения (l/b=5,57 и l/b=6,78, где l - длина вдоль оси, a b - ширина овально-траншейной выемки), наклоненная к потоку в плане под углом β=45°, генерирует спиралевидную вихревую структуру с максимальной скоростью вторичного течения в канале порядка 80…100% от характерной (максимальной или среднемассовой скорости потока). Такой характер течения в интенсификаторах овально-траншейной формы в плане позволяет в два раза повысить относительную теплоотдачу, но только лишь в отрывной зоне, расположенной в верхней и нижней части овально-траншейной выемки при увеличении в полтора раза абсолютной величины относительного трения.
Нанесение на теплообменную поверхность охлаждаемых лопаток турбин промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей асимметричных «отрывных» овально-траншейных выемок относительно большого удлинения приведет к образованию местных концентраторов напряжений и к снижению прочности материала турбинных лопаток, воспринимающих большие тепловые, динамические и вибрационные нагрузки с недостаточной интенсификацией теплообмена.
Известна теплообменная поверхность с симметрично расположенными относительно ее продольной плоскости симметрии двухполостными диффузорными выемками (ДДВ) патент №2569540 РФ, МПК F28F 3/00; F15D 1/10; опубл. 27.11.2015, она является наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению и принята за прототип. Каждая ДДВ представляет собой выемку с переменной глубиной и шириной, уменьшающимися в направлении движения основного потока теплоносителя, в которой выполнено ребро, расположенное вдоль основного потока и образующее в возвратном течении две диффузорные полости внутри этой выемки, симметрично расположенные относительно ее ребра. При обтекании выемки потоком в каждой из ее двух полостей происходит непрерывная во времени самоорганизация крупномасштабных вихревых структур.
К недостаткам прототипа можно отнести низкую технологичность изготовления таких выемок на теплообменной поверхности, особенно ребер. Кроме того, наличие ребра, обтекаемого высокотемпературным потоком, может привести к возникновению повышенных температурных напряжений в этой зоне и к его тепловой деформации.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении теплоотдачи от теплообменной поверхности, в повышении эффективности охлаждения теплонапряженных элементов, в увеличении ресурса их работы, в упрощении технологии изготовления и снижении затрат в процессе производства.
Технический результат достигается тем, что теплообменная поверхность имеет на поверхности выемки с переменной глубиной и шириной, в каждой из которых выполнено ребро, расположенное вдоль основного потока и образующее две диффузорные полости, в качестве выемок используются двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними, включающие в себя V-образных лунки с ветвями, расположенными под углом 90° друг к другу, заглубленные на половину диаметра лунок D, к каждой из лунок добавлена вторая лунка и V-образный полусферический выступ высотой 0,5D, разделяющий эти лунки, угол между осью симметрии лунок и прямой, проходящей через вершины ветвей лунок и выступа, составляет 60 градусов, двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними расположены с шагом 5,5D в продольном направлении и 8,75D в поперечном.
Двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними (ДVЛVПВ) могут быть выполнены на теплообменной поверхности в шахматном порядке.
Предложенное изобретение представлено на фиг.1-4, где:
Фиг. 1 - Схема лунок с выступом, вид сверху;
Фиг. 2 - Схема лунок с выступом, сечение А-А;
Фиг. 3 - линии тока воздуха в области ДVЛVПВ на теплообменной поверхности, вид сверху;
Фиг. 4 - линии тока воздуха в области ДVЛVПВ на теплообменной поверхности, вид в изометрии.
На фиг.3 и 4 стрелками показано направление движения, как внешнего потока теплоносителя, так и потока теплоносителя, попадающего внутрь лунок и в области над полусферическими выступами.
Где:
1 - теплообменная поверхность.
2 - первая V-образная лунка.
3 - V-образный полусферический выступ.
4 - вторая V-образная лунка.
5 - ветви первой V-образной лунки.
6 - ветви второй V-образной лунки.
α=90° - угол между левыми и правыми ветвями двух V-образных лунок и V-образного полусферического выступа.
γ=60° - угол между осью симметрии лунок и прямой, проходящей через вершины ветвей лунок и выступа.
D - диаметр V-образных лунок.
1
R, - радиус V-образных лунок,
2
R - радиус V-образного полусферического выступа.
r - радиус скругления кромок лунок и выступа.
По результатам 3D тепловых расчетов в качестве оптимальных геометрических характеристик, при которых достигается наибольшая эффективность охлаждения теплообменной поверхности, выбраны двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними с относительной глубиной лунок и высотой полусферического выступа - 0,5D, ветви которых расположены под углом 90° друг к другу, а угол между осью симметрии лунок и прямой, проходящей через вершины ветвей лунок и выступа равен 60°. V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними расположены с шагом 5,5D в продольном направлении и 8,75D в поперечном направлении.
1
2
Радиус V-образных лунок R равен радиусу V-образного полусферического выступа R и составляет из условия технологических и прочностных ограничений для наиболее термонагруженных деталей - лопаток турбин - 0,5D при радиусе скругления кромок лунок и выступа r=0,125D.
В связи с тем, что в некоторых конструкциях, например, низконапорных охлаждаемых лопатках турбин ГТД, ГТУ требуется получить минимальные гидравлические потери и при этом не требуется высокая эффективность охлаждения (интенсификация теплообмена) по сравнению с коридорным расположением ДVЛVПВ друг за другом, двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними могут быть выполнены на теплообменной поверхности в шахматном порядке.
Теплообменная поверхность работает следующим образом.
При подаче воздуха, другого газа или жидкости на теплообменную поверхность 1 (фиг.1 и 3), на которой расположены ДVЛVПВ происходят следующие гидродинамические процессы. Поток теплоносителя движется вдоль поверхности с ДVЛVПВ в направлении, указанном стрелками. Структура этого потока определяется формой ДVЛVПВ и режимными условиями их обтекания. (На фиг.3 и 4 стрелками показаны линии тока воздуха).
Часть потока теплоносителя поступает в ДVЛVПВ через ее входную кромку и попадает в первую V-образную лунку 2 (фиг.1-3), создавая самоорганизующуюся крупномасштабную вихревую структуру (СКВС) в этой области (фиг.3 и 4). Далее часть этого воздуха обтекает V-образный полусферический выступ 3, и попадает во вторую V-образную лунку 4, значительно увеличивая интенсивность СКВС во второй лунке по сравнению с первой.
Другая часть воздуха выходит из ветвей 5 и 6 первой и второй V-образных лунок (фиг.1) в пространство между ДVЛVПВ, несколько снижая интенсивность теплообмена в этом пространстве.
Вихри вращаются в противоположных направлениях в левой и правой ветвях 5 и 6 первой и второй лунок и затягивают основной поток внутрь лунок, вызывая повторное присоединение течения к внутренней поверхности лунки. Увеличение длины ветвей V-образных лунок по сравнению с обычными полусферическими лунками является характерной особенностью, позволяющей уменьшить угол, под которым поток теплоносителя выходит из ветвей лунок, что позволяет потоку на более близком расстоянии по сравнению с обычными лунками повторно присоединиться к теплообменной поверхности и интенсифицировать теплообмен непосредственно за ДVЛVПВ.
При этом наиболее низкая температура теплообменной поверхности получена на поверхности V-образного полусферического выступа 3 (фиг.1-3). Установлено, что за последней из двух V-образных лунок 4 образуется зона повышенной интенсификации теплоотдачи, связанная с образованием дополнительной вихревой структуры (фиг.4), генерируемой непрерывно во времени, что является принципиальным и важнейшим для достижения технического результата изобретения фактором, отличающим заявляемую схему ДVЛVПВ от прототипа. Мощность и интенсивность этих вихревых структур во многом определяется наличием микроотрывов и микропульсаций воздуха в пристенном слое возвратного потока в лунках (фиг.4). При этом зоны повышенной интенсификации теплоотдачи и теплопроизводительности за ДVЛVПВ увеличиваются по мере продвижения вдоль теплообменной поверхности. ДVЛVПВ позволяют создавать более равномерную вихревую структуру в области между ними, используя в ДVЛVПВ конфузорно-диффузорный эффект при переходе теплоносителя из лунки 2 в область над полусферическим выступом 3 и далее вновь - в лунку 4.
По мере продвижения теплоносителя вдоль теплообменной поверхности увеличивается высота вихревых структур, и их поверхность, при этом вихри становятся более плотными.
d
Таким образом, изобретение позволяет повысить теплоотдачу по сравнению с традиционными полусферическими выемками и V-образными лунками, используя ту же технологию изготовления, которая отработана в производстве и не представляет больших затруднений, например, штамповка, в сочетании с фрезеровкой - для теплообменников, или литье по выплавляемым моделям - для турбинных лопаток промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей. При этом прирост теплоотдачи в ДVЛVПВ существенно выше ДДВ, выбранных в качестве прототипа, технология изготовления которых значительно более сложна по сравнению с известными и более дешевыми технологическими процессами по причине обязательного наличия ребра-разделителя полостей. При практически одинаковой по сложности технологии изготовления, заявляемые ДVЛVПВ при числе Рейнольдса Re=30000 и при прочих равных условиях примерно на 40% превышает уровень интенсификации теплообмена на поверхности с V-образными лунками и на 36% - уровень теплопроизводительности. Увеличение мощности теплового потока в ДVЛVПВ с большей теплопроизводительностью позволяет создавать компактные, энергоэффективные, более технологичные в производстве, а следовательно и более дешевые теплообменные поверхности конструктивных элементов в различных теплообменных аппаратах, промышленных газотурбинных энергоустановках и авиационных двигателях.
С наибольшим эффектом данное изобретение может быть применимо в теплообменниках, системах охлаждения турбинных лопаток промышленных ГТУ и авиационных ГТД, в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) атомных реакторов.