Исследование течений с учетом теплоотдачи потенциального вращательного течения, характерного проточным частям энергетических установок летательных аппаратов

9. Jacques R., Le Quere P., Daube O. Axisymmetric numerical simulations of turbulent flow in rotor-stator enclosures // Intern. J. of Heat and Fluid Flow. 2002. Vol. 23. No. 4. P. 381-397.

References

1. Karman Th. Uber laminare und turbulente Reibung // Zeitschr. f. angew. Math. u. Mech. (ZAMM). Number 1 (1921). P. 233-252.

2. Schulz-Grunov F. Der Reibungswiderstand vortierender Scheilen in Geha usen // ZAMM. Numb. 15 (1935). P. 191-204.

3. Schlichting, Theory of the boundary layer. Moscow : Nauka, 1969. 744 р.

4. Smirnov P. N., Kishkin A. A., Zhuikov D. A,, Pshenko S. I. Modulus disk rotating in the flow, swirling the law Solid: Proceedings of higher education. North-Caucasian region. Technical sciences. № 2 (165). SRSTU (NPI). Novocherkassk, 2012. Р. 36-42.

5. Kishkin A. A., Brinks M., Zhuikov D. A. Flow in the conical gap tract auxiliary pump unit // Bulletin of SibSAU. 2001. Vol. 2. Р. 51-59.

6. Kishkin A. A., Edges M. V., Maydukov A. V. Rotation of the disk in the flow swirled by law solid // Math. Colleges and universities. Aviation equipment. 1996. Numb. 4. S. 42-47.

7. Zuev A., Kishkin A. A., Zhuikov D. A., Tolstopyatov M. I. Flow with heat transfer in the cavities of the rotation of space power systems and aircraft // Bulletin SibSAU / Issue 7 (40). Krasnoyarsk, 2011. Р. 63-68.

8. Dorfman L. A. Hydrodynamic resistance and heat loss of rotating solids. Edinburgh : Oliver & Boyd. 312 p.

9. Jacques R., Le Quere P., Daube O. Axisymmetric numerical simulations of turbulent flow in rotor-stator enclosures // Intern. J. of Heat and Fluid Flow. 2002. V. 23., No. 4. P. 381-397.

© Жуйков Д. А., Коваленко Е. Д., Лебедева А. И., 2013

УДК 532.526

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ С УЧЕТОМ ТЕПЛООТДАЧИ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ВРАЩАТЕЛЬНОГО ТЕЧЕНИЯ, ХАРАКТЕРНОГО ПРОТОЧНЫМ ЧАСТЯМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

А. А. Зуев1, М. И. Толстопятов1, Е. В. Блинков2, А. М. Шишаев2

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. E-mail: dla2011@inbox.ru

2ОАО «Красноярский машиностроительный завод» Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29. E-mail: kras@krasmail.ru

Целью работы является разработка экспериментальной установки, позволяющей проводить исследования теплообменных процессов вращательных течений на различных режимах течения рабочего тела, а именно: определение средних по поверхности теплообмена коэффициентов теплоотдачи при реализации вращательного течения рабочего тела. В результате проведенной работы спроектирован экспериментальный теплооб-менный аппарат, состоящий из двух полостей, объединенных теплопроводящей стенкой.

Ключевые слова: экспериментальная установка, вращательное течение, теплообменный аппарат.

RESEARCH OF ROTATIONAL FLOW WITH THE HEAT TRANSFER OF POTENTIONAL

ROTATIONAL FLOW INHERENT FLOWING PART OF ENGINE INSTALLATION OF AIRCRAFTS

A. A. Zuev1, M. I. Tolstopyatov1, E. V. Blinkov2, A. M. Shishaev2

1 Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: dla2011@inbox.ru

2JSC «Krasnoyarsk Machine-Building Plant» 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: kras@krasmail.ru

The purpose of the work is to develop such an experimental installation which will allow to perform the research of heat transfer processes of rotational flow at different flow regimes of the working fluid, namely the definition of average surface heat transfer coefficients in the implementation of rotational flow of the working fluid. As a result of the work, the experimental heat exchanger is designed; it consists of two cavities of the combined heat-conducting wall.

Keywords: experimental installation, rotational fluid, heat exchanger.

К узлам и агрегатам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) традиционно предъявляются особо высокие требования по удельным энергетическим и экс-

плуатационным характеристикам, что обусловлено интенсивностью протекающих динамических и тепловых процессов.

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательныхаппаратов

Вращательные или закрученные потоки жидкости или газа характерны для подводящих и отводящих устройств газовых турбин и насосов; полостей между ротором и статором турбин; полости гидродинамических уплотнений; торцевых щелей между диском и корпусом осевого насоса. Гидродинамика вращательных течений в различных граничных условиях подробно изучена в работе [1], подтверждена экспериментальными исследованиями [2], однако в этих работах не затронуты вопросы расчета конвективного теплообмена.

В результате рассмотрения совместных решений уравнений движения и уравнения энергии температурного пограничного слоя в граничных условиях полостей вращения газовых турбин ЖРД и методологического подхода к определению температурного пограничного слоя [3; 4] и исследованию локальной теплоотдачи была разработана экспериментальная установка (см. рисунок), которая позволяет верифицировать полученные теоретические зависимости и провести экспериментальное исследование вращательного потенциального потока с учетом теплоотдачи.

Принципиальная схема установки

Экспериментальная установка представляет собой теплообменный аппарат круглой формы с тангенциальным подводом рабочего тела (воздуха) и имеет две полости для течения и охлаждающей жидкости, разделенных теплопроводящей стенкой. Полость I -полость течения охлаждающей жидкости, полость II -полость течения рабочего тела. Форма круга дает большее значение площади теплообмена при заданном периметре.

Для обеспечения закрутки и вращательного движения газового потока в полости II используется тангенциальный подвод рабочего тела, а также реализуется вращательное потенциальное течение, распределение окружной составляющей скорости рабочего тела по радиусу описывается выражением UR = C = const.

В полость II через коллектор осуществляется кольцевой подвод охлаждающей жидкости, отвод через центральный штуцер. Для обеспечения прямолинейного равномерного течения охлаждающей жидкости в полости установлены четыре перегородки, расположенные друг к другу под углом 90°. Рабочими параметрами экспериментальной установки являются: температуры на входе и выходе из теплообменного аппарата, массовый расход рабочего тела и охлаждающей

жидкости, которые контролируются контрольно-измерительным оборудованием экспериментального стенда. Для упрощения дальнейшей обработки экспериментальных данных массовый расход охлаждающей жидкости рассчитан таким образом, чтобы реализующееся течение охлаждающей жидкости по всей длине полости I имело ламинарный режим.

Задача экспериментального исследования состоит в определении среднего по поверхности теплообмена коэффициента теплоотдачи рабочего тела, с учетом реализации в исследуемой полости потенциального вращательного течения при известной поверхности теплообмена и материала теплопроводящей стенки, где основной проблемой является достоверный расчет коэффициента теплоотдачи от стенки к охлаждающей жидкости. Данная сложность обусловлена круглой формой теплообменного аппарата: при постоянстве массового расхода охлаждающей жидкости площадь проходного сечения полости изменяется с радиусом, за счет этого фактора происходит увеличение скорости потока и числа Рейнольдса.

Создание установки в качестве теплообменника при проведении экспериментальных исследований позволит исключить измерение температуры тепло-проводящей стенки, что существенно упрощает проведение эксперимента и обработку экспериментальных данных. За счет контрольно-измерительного оборудования экспериментального стенда, контролируется тепловой баланс в экспериментальном участке, производится замер температур рабочего тела и охлаждающей жидкости на входе и выходе (Qt).

Причем должно выполняться равенство:

Qg > а.

Благодаря относительно компактным размерам установки существует возможность использовать теплоизоляционные материалы, что приведет к минимизации утечек тепла в окружающую среду.

В результате проведенной работы спроектирована экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования вращательных потенциальных течений рабочего тела на различных режимах. Проведение исследований позволит провести сравнительный анализ полученных теоретических зависимостей и экспериментально определенных средних по поверхности теплообмена коэффициентов теплоотдачи рабочего тела.

Библиографические ссылки

1. Кишкин А. А., Краев М. В., Жуйков Д. А. Течение несжимаемой вязкой жидкости в зазоре конической щели между вращающимися диском и неподвижной стенкой // Известия вузов. 2002. № 3. С. 76-80. Сер. Авиационная техника.

2. Течение с теплоотдачей в полостях вращения энергетических установок космических и летательных аппаратов / А. А. Зуев, А. А. Кишкин, Д. А. Жуйков, М. И. Толстопятов // Вестник СибГАУ. 2011. Вып. 7 (40). С. 63-68.

3. Теплоотдача вращательных течений в турбома-шинах на основе двухслойной модели турбулентного

пограничного слоя / А. А. Зуев, А. А. Кишкин, М. И. Толстопятов, Д. А. Жуйков // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. 5 (45). С. 127-129.

4. Прямолинейное равномерное течение газов с теплоотдачей в энергетических установках летательных аппаратов / М. И. Толстопятов, А. А. Зуев, А. А. Кишкин и др. // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. 4 (44). С. 134-138.

References

1. Kishkin A. A., Kraev M. V., Zhuikov D. A.,

Izvestiya vuzov, serya Aviacionnaya technika. 2002, № 3, pp. 76-80.

2. Zuev A. A., Kishkin A. A., Zhuikov D. A., Tolstop-yatov M. I. VestnikSibGAU, 2011, № 7 (40), pp. 63-68.

3. Zuev A. A., Kishkin A. A., Tolstopyatov M. I., Zhuikov D. A. Vestnik SibGAU, 2012, № 5 (45), pp. 127129.

4. Tolstopyatov M. I., Zuev A. A., Kishkin A. A., Zhuikov D. A., Nazarov V. P. Vestnik SibGAU, 2012, № 4 (44), pp. 134-138.

© Зуев А. А., Толстопятов М. И., Блинков Е. В., Шишаев А. М., 2013

УДК 620.19

СПОСОБ ЛОКАЛИЗАЦИИ ТЕЧИ ПРОБНОГО ГАЗА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

И. П. Колчанов, А. В. Делков, А. А. Ходенков, А. А. Кишкин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. e-mail: delkov-mx01@mail.ru

Рассматривается вопрос контроля герметичности и локализации течей при испытаниях элементов двигательных установок. Приводится анализ уравнения диффузии. Предлагается способ локализации течи.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, течеискание.

METHOD TO EVALUATE GAS LEAKS LOCATION OF THE LEAKPROOFNESS TEST OF ELEMENT PROPULSION SYSTEMS

I. P. Kolchanov, A. V. Delkov, A. A. Hodenkov, A. A. Kishkin

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: delkov-mx01@mail.ru

The problem of leakage control and leak containment in case of testing elements of the propulsion systems is dealt with. Analysis of the diffusion equation is provided. Method for the leak localization is proposed.

Keywords: non-destructive testing, leak detection.

При изготовлении элементов двигательных установок из-за пор или трещин в материалах возможно появление течей. Из-за малых размеров дефектов, вызывающих течи, обнаружить визуально их практически невозможно. Для определения места течей разработаны методы течеискания.

Наиболее чувствительный из них - масс-спектрометрический метод течеискания - основан на обнаружении пробного вещества в смеси веществ, проникающих через течи путем ионизации веществ с последующим разделением ионов по отношению их массы к заряду под действием электрического и магнитного полей [1].

Требования к герметичности элементов двигательных установок обусловлены высокими требованиями к их надежности и значительным нормативным сроком активного существования - более 10 лет. В таких условиях возникновение течей недопустимо.

В настоящей работе рассматривается вопрос оценки интенсивности течи и ее локализации с использо-

ванием масспектрометрического течеискателя. Для этого анализируется нестационарное уравнение диффузии в замкнутой области - испытательной камере.

Рассмотрим картину утечки пробного газа через дефект в поверхности исследуемого объекта и поставим задачу локализовать этот дефект. Пусть на плоскости XY имеется течь с координатами (хт, у„) Истечение происходит в объем параллелепипеда со сторонами а, Ь, И (см. рисунок).