Исследование влияния загромождения каналов компактных теплообменников на их теплогидравлические характеристики

2. Пиляева О.В. Повышение эффективности воздухораспределительных систем бункеров активного вентилирования зерна: дис. кан. техн. наук: 05.20.01:13.09.2006.- Красноярск, 126с.

УДК 62-977

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАГРОМОЖДЕНИЯ КАНАЛОВ КОМПАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ НА ИХ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Ремчуков Святослав Сергеевич

аспирант, ассистент кафедры ТППДЛА Московского авиационного института

Россия, Москва Ярославцев Николай Львович к.т.н., профессор кафедры ТППДЛА Московского авиационного института (национальный исследовательский университет),

Россия, Москва

Аннотация: Перспективы развития газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ), связанные с повышением температуры газа перед турбиной, предполагают организацию эффективного охлаждения деталей ее горячего тракта. Конструктивно-технологическая сложность охлаждаемых деталей турбины определяет большую продолжительность и высокие затраты этапа их доводки по сравнению с другими этапами разработки. На этом этапе также важно определить технологические дефекты изготовления, так как они могут оказать существенное влияние на теплогидравлические характеристики компактного теплообменника. В работе проведен анализ влияния загромождения проточной части компактного теплообменника на его теплогидравлические характеристики. Исходя из того, что технология изготовления теплообменников оказывает значительное влияние на тепловое состояние объекта исследования, в работе проведен анализ методов изготовления моделей теплообменников, применяемых при доводке.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, компактные теплообменники, теплогидравлические характеристики.

STUDY OF THE EFFECT OF CLUTTERING THE CHANNELS OF THE COMPACT HEAT EXCHANGERS THEIR THERMAL-HYDRAULIC CHARACTERISTICS

Svyatoslav S. Remchukov

Postgraduate student, assistant, Department of TPDL Moscow aviation Institute (national research University) Moscow, Russia

Nicholay L. Yaroslavtsev Ph. D., Professor, Department of TPPDLA Moscow aviation Institute (national research University) Moscow, Russia

Abstract: prospects of development of gas-turbine engines (GTE) and stationary gas turbine units (GTU), associated with an increase in the gas temperature before the turbine,

involves organizing effective cooling of the hot parts of the tract. Constructive-technological complexity of the cooled parts of the turbine determines the long duration and high cost of their stage of refinement compared to other stages of development. At this stage it is also important to determine the technological manufacturing defects, since they can have a significant impact on thermal-hydraulic characteristics of a compact heat exchanger. In work the analysis of influence of congestion of the flow part of the compact heat exchanger on its thermal-hydraulic characteristics. Based on the fact that the technology of manufacture of heat exchangers has a significant impact on the thermal state of the object of study, in the analysis of the methods of construction of models of heat exchangers used in debugging.

Key words: gas turbine engine, compact heat exchangers, thermal-hydraulic characteristics.

1 Контроль технологических дефектов внутренней полости охлаждаемых

лопаток ГТД

В настоящее время одним из основных способов изготовления лопаток турбин с внутренним воздушным охлаждением, является метод точного литья по выплавляемым моделям, при котором возможно появление широкой гаммы технологических дефектов, связанных с загромождением внутрипроточной полости лопатки остатками керамики и заливами металла в охлаждающий тракт.

Такие дефекты могут оказывать существенное влияние на уровень и характер изменения теплообменных характеристик лопатки. Поэтому охлаждаемые лопатки должны проходить кроме текущего контроля соответствия действительных и проектных размеров внутренней полости еще и контроль их теплового состояния. При этом технологический процесс контроля подобного рода теплообменников получается достаточно длительным и трудоемким. Существующие методы прямого теплового контроля лопаток [1, 3] позволяют определить теплосъем с их поверхности. Однако, они не способны устанавливать конкретное местоположение возможного дефекта внутренней полости и его геометрические параметры. В свою очередь, методы контроля, направленные на выявление отклонений размеров внутрипроточной полости компактного теплообменника от требуемых значений не дают представления о влиянии технологических дефектов каналов системы охлаждения исследуемого теплообменника на его теплообменные характеристики.

Отсутствие быстрого и надежного способа выявления нарушений технологии изготовления внутрипроточной полости охлаждаемых лопаток с одновременным исследованием влияния таких отклонений на эффективность работы системы охлаждения с целью усовершенствования технологического процесса их производства обуславливает значительную продолжительность и трудоемкость этапа создания оптимальной конструкции лопатки в целом.

Одним из способов прямого теплового контроля охлаждаемых оболочковых конструкций сложной конфигурации является известный метод калориметрирования в жидкометаллическом термостате [4], позволяющий определить теплосъем с каждой точки поверхности объекта, что видимо, может быть использовано для выявления и локализации дефектов системы охлаждения теплообменника, которые можно представить, как местные сужения проходного сечения каналов. Исследования проводились на гладких трубках из нержавеющей стали 1Х18Н9Т с внутренним диаметром 4,110-3 м, толщиной стенок 110-3 м и длиной 180 10-3 м. Загромождение каналов имитировалось керамическими втулками с внутренним диаметром 1,8 10-3 м различной длины, беззазорно устанавливаемыми на расстоянии 90 10-3 м от входного

торца трубок методом горячей запрессовки. Протяженность втулок составляла два, пять, восемь и десять миллиметров, соответственно, для трубок М1, М2, М3 и М4.

Описание методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных приведены в работе [4].

Влияние протяженности керамической втулки на плотность теплового потока q в зоне ее размещения при фиксированных режимных параметрах (О = 1,0 10-3 кг/с, п = 1,86), представлено на рис. 1. На входном участке (до диафрагмы) q снижается, за счет уменьшения хладоресурса охладителя. Турбулизация потока в зонах до и после установления втулок вызывает существенный рост плотности теплового потока. С увеличением протяженности втулки наблюдается снижение пика q в зоне перед ней (так, при изменении длины втулки с 210-3 м до 1010-3 м q падает в ~1,7 раза). В последефектной зоне значения q для всех испытуемых моделей одинаково и составляет ~17010-3 Вт/м2.

к=1,65; в - 1,010 кг/с Рис. 1 - Влияние протяженности керамической втулки на плотность теплового потока д в зоне ее размещения при фиксированных режимных параметрах. 2 Влияние технологических дефектов внутренней полости охлаждаемой

турбинной лопатки на ее тепловое состояние Исследование влияния загромождения каналов внутренней полости охлаждаемой турбинной лопатки на характер изменения ее теплового состояния проводилось на трех трубках из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Внутренний диаметр трубок 4,110-3 м, толщина стенки ГШ"3 м, длина 180 10-3 м. У трубки М5 проходное сечение не было загромождено; в трубку М6 - вставлена керамическая втулка на расстоянии 90 10-3 м от входа; в трубку М7 вмонтированы три аналогичных втулки на

расстоянии 6010-3 м, 9010-3 м, 125 10-3 м от входа, соответственно. Длина втулки составляет 5 10-3 м, внутренний диаметр 1,8 10-3.

Результаты калориметрических исследований показали, что несмотря на низкие значения расхода охлаждающего воздуха при продувках на исследуемом режиме (п=1,3), рис. 2, постановка во внутрипроточную полость моделей 6 и 7 диафрагм вызывает значительное увеличение теплосъема в дефектной зоне по сравнению с гладкой трубкой М5. Изменение теплосъема с наружной поверхности М7 имеет «пилообразный» характер, причем наибольшее значение наблюдается за первой диафрагмой с дальнейшим понижением пиков в дефектных областях в направлении движения воздушного потока. Такой характер изменения теплообменных характеристик моделей хорошо согласуется с экспериментальными данными, представленными в работе [5].

Рисунок 2 - Влияние дефектов на плотность теплового потока д при фиксированных

режимных параметрах

3 Выбор методов изготовления моделей охлаждаемой лопатки, применяемых при

доводке

Несмотря на развитие программных комлексов (ЛйБуБ СБХ, Б1о,^У18ЮП и др) расчет лопаток со сложными схемами охлаждения, сопряжен с существенными погрешностями, что объясняется, во-первых, сложностью учета индивидуальных особенностей конструкции и взаимного влияния отдельных интенсификаторов теплообмена на тепловое состояние, а во-вторых, неопределенностью характера течения охладителя во внутренней полости лопаток такого типа.

Значительное совершенство первоначального проекта может быть достигнуто за счёт использования технологии доводки, основанной на исследовании упрощённых вариантов конструкции лопатки - моделей лопатки.

Упрощение технологического цикла изготовления модели относительно натурной лопатки приводит к изменению шероховатости поверхности пера и внутренних каналов охлаждения. Вопрос о целесообразных требованиях к чистоте поверхности модели лопатки весьма актуален, поскольку завышенные требованию приведут к росту стоимости и трудоёмкости её изготовления. Недостаточные требования могут изменить картину теплообмена в модели относительно натурной лопатки.

Точность изготовления пера лопаток турбины регламентируется отраслевым стандартом ОСТ 1.02571-86 «Лопатки компрессоров и турбин. Предельные отклонения

формы и расположения пера» согласно которому шероховатость пера составляет Яа = 0,63...0,08 мкм. Такая чистота поверхности обеспечивается шлифованием абразивной лентой. Чистота поверхностей внутренних каналов охлаждения при литье Яа = 5...2,5 мкм.

В процессе работы на наружных и внутренних поверхностях лопатки могут иметь место ламинарный, переходный и турбулентный режимы (рис. 3).

При ламинарном течении, когда теплопроводность во всех точках потока одинакова, термическое сопротивление слоя, текущего между бугорками шероховатости стенки, пренебрежимо мало, по сравнению с термическим сопротивлением всей толщи потока. Не сказывается шероховатость стенки и на гидродинамических характеристиках ламинарного течения в связи с относительно слабым изменением скорости около стенки.

Рис. 3 - Режимы обтекания шероховатой поверхности: а) - бугорки погружены в ламинарный подслой; б) - бугорки выходят за пределы ламинарного подслоя

Иначе обстоит дело с турбулентным потоком. В последнем наиболее существенные изменения скорости и температуры происходят в непосредственной близости к стенке, на расстояниях, которые могут быть соизмеримы с высотой бугорков шероховатости. Как видно из рис. 4, при определенных значениях Re (зависящих от относительной шероховатости Ь^о, где k - средняя высота бугорков шероховатости, Rо - внутренний радиус трубы) шероховатость стенок трубы вызывает коренное изменение в зависимости гидравлического сопротивления от скорости течения. Это изменение в автомодельной области приводит к независимости гидродинамических характеристик потока от молекулярного трения и в связи с этим от числа Re.

Однако на тепловые процессы молекулярный перенос продолжает влиять и при турбулентном течении в области квадратичного закона сопротивления. Это влияние выражается через термическое сопротивление вязкого пристеночного слоя, текущего между бугорками шероховатости и отделяющего собственно стенку от турбулентного ядра потока. Таким образом, граничные условия к уравнениям движения и теплообмена при обтекании шероховатой поверхности оказываются неодинаковыми. Распределение скоростей в этом случае существенно зависит от торможения потока на бугорках шероховатости. Распределение же температур зависит как от торможения потока (через поле скоростей), так и от теплопроводности в вязком подслое и в том случае, когда его толщина становится меньше высоты бугорков шероховатости. В связи с этим даже при условии Рг = 1 и grad р = 0 в турбулентном потоке, обтекающем шероховатую поверхность, нет точного подобия полей скоростей и температур. Оценить, по крайней мере качественно, влияние шероховатости на теплоотдачу можно на основе следующих допущений:

а)

б)

1) теплопроводностью бугорков шероховатости и вносимым ими загромождением вязкого подслоя можно пренебречь;

2) толщина вязкого подслоя в общем случае есть функция высоты бугорков шероховатости, но в первом приближении имеет то же значение, что и при течении в гладкой трубе;

3) в области ух < у < к интенсивность турбулентного обмена приближенно выражается так же, как и в ядре потока или промежуточном слое.

При таком рассмотрении интенсивность теплоотдачи в шероховатой трубе выражается той же функцией чисел Яе, Рг и коэффициента гидравлического сопротивления что и в гладкой трубе, но значения в эту формулу следует подставлять с учетом влияния шероховатости.

1,0

0,8

АЛ §

"0,6

0,4

0,2

Ч 1 »1 о 2 о 3 •4 «5 ©6

\ у V 1 ' Л 1

1 V у> с г*?'***

8 X и Во ^^ С; [ ^тА • о ¡«»х/» ••V

1 чО—_ -—Л

2,6

3,0

3,4

4,2

4,6

5,0

5,4

№

Рис. 4 - Коэффициент сопротивления труб с зернистой шероховатостью: 1 -ё/к=30; 2 - ё/к=61,2; 3 - ё/к=120; 4 - ё/к=252; 5 - ё/к=504; 6 - ё/к=1014; 7 - кривая соответствует закону сопротивления при ламинарном течении £=64/Яе; 8 - закону сопротивления при турбулентном течении (закон Блазиуса) £=0,316/Яе025 в гладкой

трубе.

10 2*10' 4«1<Г 6'1(Г 8«1(Г 10' В.е

Рис. 5. Влияние шероховатости на теплоотдачу в трубе

N4 =

В табл. 1 приведены значения числа рассчитанные для газа с Рг =1 при различных d/k (где d - диаметр канала) по формуле для двухслойной схемы потока:

0,14 ^•Рг^Яе

1п

Закон сопротивления взят в соответствии с данными рис. 4.

Как видно, при увеличении d/k течение в шероховатой трубе приближается по своим характеристикам к течению в гладкой трубе. Причём при d/k>500 и Яе<105 шероховатую трубу можно рассматривать как гладкую. Кроме того, в шероховатых трубах интенсивность теплоотдачи возрастает относительно меньше, чем коэффициент гидравлического сопротивления. При этом влияние шероховатости на показатель степени в зависимости № от Яе оказывается не очень большим — изменение числа Яе от 1104 до 2105 (в 20 раз) изменяет число № для гладкой трубы в 9,8 раза (средний показатель степени при Яе равен 0,76), а для трубы с шероховатостью d/k = 60 — в 14,5 раза (средний показатель степени 0,89).

Таблица 1

Сопоставление значений чисел №/£, для гладких груб и труб с зернистой шероховатостью Рг=1

Яе а/к

от 500 120 60

1104 39,5/0,0316 39,5/0,0316 39,5/0,0316 42,0/0,039

5104 132/0,021 133/0,022 156/0,0323 181/0,0450

2105 388/0,0155 456/0,0182 560/0,0362 610/0,0456

Режим течения в охлаждающих каналах лопаток турбин, как правило, турбулентный и только на больших высотах (> 10...15 км) может появиться ламинарный режим. Практический диапазон чисел Рейнольдса Яе=0,6 103...105. При этом диаметр каналов охлаждения очень мал, dохл = (1...5)-10-3 м. Замена литья по выплавляемым моделям электроэрозионной обработкой при выполнении интенсификаторов теплообмена приводит к увеличению шероховатости до Яа=10 мкм.

С учётом вышесказанного, для внутренних каналов, выполненных электроэрозионным методом, предельное (при минимальном ёохп и максимальной для данного метода обработки к) отношение dохл/kэр = 100, а для литья dохл/kл = 200. То есть течение в охлаждающих каналах нельзя свести к течению в гладком канале, при этом отличия № и между литыми и вырезанными каналами составляет 20-35%. Поскольку при создании модели лопатки размеры внутренней полости являются заданными, как и режимы течения по Яе (определяется перепадом давления на лопатке п), необходимо повышать точность обработки внутренних поверхностей. Допустимая величина бугорков шероховатости, при которой температурное поле модели при прочих равных условиях будет соответствовать температурному полю натурной лопатки с удовлетворительной точностью 10%, составляет:

к < 6 мкм

Такая шероховатость вполне достигается электроэрозионными методами обработки. Кроме того, при Яе<3 104 допустимая высота бугорков может быть увеличена до к=10 мкм.

Для поверхности пера режим, при котором бугорки шероховатости погружены в вязкий подслой определяется выражением:

Яе < 100-

к

где b - хорда профиля.

В межлопаточных каналах лопаток турбин имеет место течение Re=(2...10) 105, величина хорды профиля применяемых в ГТД лопаток обычно составляет b = (20. .50) 10-3 м. Тогда по (3) предельная высота бугорков должна составлять k = 4 мкм.

Заключение

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что загромождение каналов охлаждения турбинных лопаток ГТД и подобного рода теплообменных устройств приводит к неравномерности теплосъема с их наружной поверхности, появлению значительных градиентов температур, которые могут привести как к местному прогару лопатки, так и к нарушению ее прочностных характеристик. Однако, необходимо отметить, что за счет преднамеренного сужения проходного сечения канала, можно добиться резкого увеличения теплосъема в этой области, что может быть использовано для интенсификации теплообмена в зонах с пониженным хладоресурсом охладителя.

Проведенное исследование дает возможность сделать вывод, что метод калориметрирования в жидкометаллическом термостате может быть использован для обнаружения загромождения внутренней полости охлаждаемых лопаток. Метод также применим для определения теплосъема с каждой точки поверхности исследуемого объекта и установления функциональной связи между теплообменными характеристиками и размерами его внутрипроточной полости.

Анализ методов изготовления моделей показал, что для изготовления внешних поверхностей модели лопатки допустимо использовать такие механические методы обработки как точение и фрезерование. При увеличении числа Re свыше 106 и уменьшении длины хорды допустимая средняя высота бугорков будет уменьшаться. В этом случае необходимо предусмотреть дополнительную обработку поверхности пера, например шлифование.

Таким образом, с учётом вышеуказанных требований возможно упрощение технологии изготовления модели лопатки, путём замены методов обработки на более грубые с точки зрения шероховатости поверхностного слоя, что сократит сроки и стоимость доводки системы охлаждения.

Список литературы:

1. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов, «Машиностроение», М., 1979, 448с.

2. Кейс В.М., Лондон А.А. Компактные теплообменники, «Энергия», 1967.

3. Шкленник Я.И. и др., Литье по выплавляемым моделям., «Машиностроение»., М., 1971, 327с.

4. Галкин М.Н., Бойко А.Н., Харин А.А. Метод определения внутренних граничных условий теплообмена в охлаждаемых лопатках газовых турбин., Известия вузов., «Машиностроение»., №8., 1978, с. 77-82.

5. Антуфьев В.М., Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева., «Энергия»., МтЛ., 1966 г., 136с.