СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (ВАРИАНТЫ)
COMBINED COOLING METHOD OF HEAT-STRESSED COMPONENTS (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где возникает необходимость увеличения эффективности охлаждения теплонапряженных элементов, в частности к созданию и увеличению ресурса работы малоэмиссионных камер сгорания (КС) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ).
Известно [1] (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: пер. с англ. - М.: Мир, 1986. 566 с.), что с ростом степени повышения давления в компрессоре термический к.п.д. ГТД увеличивается. Поэтому степень повышения давления в компрессоре при разработке новых авиационных ГТД и стационарных ГТУ непрерывно растет и эта тенденция, по-видимому, сохранится в будущем. Однако с увеличением степени повышения давления одновременно растет и температура воздуха на входе в КС, что приводит к уменьшению хладоресурса воздуха, охлаждающего жаровую трубу, и росту его расхода. У современного ГТД для охлаждения стенок жаровой трубы используется уже более 30% от общего расхода воздуха, поступающего в КС. Увеличение доли воздуха, идущего на охлаждение стенок жаровой трубы, приводит к уменьшению доли воздуха, подаваемого в зону разбавления КС, что ухудшает равномерность температуры продуктов сгорания на выходе из КС. Охлаждающий воздух вызывает, кроме того, «замораживание» реакций окисления углерода и углеводородов в пограничных слоях у стенок жаровой трубы, способствуя увеличению их эмиссии и снижению полноты сгорания топлива (особенно на режимах малого газа). В связи с этим необходимо совершенствовать известные и разрабатывать новые способы охлаждения с целью повышения эффективности систем охлаждения жаровых труб и уменьшения расхода охлаждающего воздуха.
Известен способ конвективного охлаждения стенок жаровой трубы при вынужденном движении воздуха под действием перепада давления [2] (Теория тепломассообмена: учебник для вузов/ С.И.Исаев, И.А.Кожинов, В.И.Кофанов и др. / Под ред. А.И.Леонтьева. - М.: Высш. школа, 1979. 495 с.). Эффективность конвективного охлаждения существенно зависит от режима течения (ламинарного или турбулентного) и скорости движения воздуха. Поскольку в КС ГТД ограничен перепад давлений, под действием которого движется воздух, то также ограничена и скорость движения воздуха. В этом заключается недостаток конвективного охлаждения жаровой трубы. Кроме того, при движении вдоль горячей стенки воздух нагревается, постепенно теряя свой хладоресурс и эффективность охлаждения. По этой причине не обеспечивается равномерный нагрев стенки жаровой трубы по ее длине. С ростом давления воздуха за компрессором, сопровождающегося увеличением температуры воздуха и потерей его хладоресурса, для получения высокой эффективности охлаждения требуются большие расходы воздуха.
В настоящее время широкое применение находит способ тепловой защиты (так называемое пленочное или заградительное охлаждение) с использованием пристеночной пленки охлаждающего воздуха, движущейся вдоль внутренней поверхности жаровой трубы [1], [3] (Патент США №6606861 В2, 2003) и [4] (Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: «Энергия», 1972. 344 с.). Суть этого эффективного способа охлаждения заключается в том, что пленка относительно холодного воздуха препятствует проникновению тепла от продуктов сгорания к стенке жаровой трубы. Для организации такого охлаждения необходимо создать радиальный кольцевой зазор между соседними секциями жаровой трубы. При этом секции частично перекрываются и соединяются между собой с помощью гофрированной ленты или отбортовки секции большего диаметра. Подачу пленки охлаждающего воздуха можно обеспечить также путем установки накладных козырьков на жаровой трубе со стороны продуктов сгорания. Основное преимущество пленочного охлаждения состоит в том, что хладоресурс воздуха используется более полно, чем при конвективном охлаждении. Однако заградительная пленка охлаждающего воздуха постепенно размывается в результате турбулентного обмена с продуктами сгорания и нагревается. Поэтому основной недостаток этого способа охлаждения заключается в том, что не обеспечивается равномерная температура стенки по длине жаровой трубы.
Практичным и весьма распространенным может рассматриваться также способ перфорационного охлаждения [1]. В соответствии с этим способом заградительная пленка охлаждающего воздуха создается путем подачи воздуха через многорядную систему отверстий, выполненных в теплоотдающей стенке. Размер отверстий выбирают таким, чтобы они не засорялись, но в то же время обеспечивали небольшой расход воздуха. Необходимо также учитывать скорость истечения воздуха из отверстий перфорации. Если скорость будет большой, струйки воздуха глубоко проникают в поток и быстро смешиваются с горячими продуктами сгорания, поэтому хорошего охлаждения стенок жаровой трубы не происходит. Такой способ охлаждения целесообразно применять в тех случаях, когда подаваемый воздух используется не только для охлаждения стенок жаровой трубы, но и для последующего его участия в процессе горения и разбавления. При небольшой скорости истечения струек воздуха они сливаются, образуя устойчивую заградительную пленку. Степень температурной неравномерности стенки жаровой трубы зависит от диаметра отверстий и относительного шага между отверстиями.
Комбинированные способы охлаждения более эффективные по сравнению с простыми способами, рассмотренными выше.
Например, пленочное охлаждение, дополненное перфорационным охлаждением стенки жаровой трубы, позволяет объединить преимущества обоих способов охлаждения отдельно взятых [1]. Наряду с пленочным охлаждением стенки жаровой трубы часть свежего воздуха подают в виде отдельных струй через многорядную систему отверстий, выполненных в стенке жаровой трубы. «Бомбардируя» заградительную пленку охлаждающего воздуха, движущуюся вдоль теплоотдающей стенки жаровой трубы, струи воздуха, с одной стороны, турбулизируют пристеночный поток, с другой стороны, подпитывают пленку свежими порциями воздуха, уменьшая ее нагрев горячими продуктами сгорания. Степень температурной неравномерности стенки вдоль жаровой трубы уменьшается. В результате эффективность охлаждения жаровой трубы с помощью этого комбинированного способа охлаждения возрастает.
Другим примером комбинированного охлаждения является способ струйно-конвективного охлаждения [1] и [5] (Керчер, Табаков. Теплоотдача плоской поверхности, обдуваемой падающим перпендикулярно ей прямоугольным пучком круглых воздушных струй, с учетом влияния на теплоотдачу отработанного воздуха. ЭМУ, 1970. №1. С.87-100). В соответствии с этим способом струи охлаждающего воздуха подают через систему отверстий, выполненных в перфорированной пластине, которая расположена на некотором расстоянии от теплоотдающей пластины. Коэффициенты теплоотдачи поверхности в случае обдува ее воздушными струями, направленными по нормали к ней, получаются на порядок выше, чем при использовании каких-либо иных, обычных способов теплосъема. Струи воздуха после соударения с теплоотдающей поверхностью пластины сливаются между собой, образуя конвективный поток, движущийся в щели вдоль этой теплоотдающей пластины. К сожалению, образовавшийся конвективный поток препятствует свободному взаимодействию струй с теплоотдающей пластиной, снижая эффективность струйного охлаждения. В то же время подпитка конвективного потока свежими струями воздуха уменьшает его нагрев, увеличивая эффективность конвективного теплообмена. Кроме того, следует отметить, что при реализации этого способа охлаждения воздух отводится только через одну сторону щели. В результате образуется нарастающий слой охлаждающего воздуха, который, двигаясь вдоль теплоотдающей поверхности, взаимодействует с «бомбардирующими» его струями. Возрастающая толщина слоя охлаждающего воздуха и снижение эффективности струйного охлаждения теплоотдающей пластины приводят к необходимости ограничения ее длины в направлении движения охладителя. Эта особенность однонаправленного движения охлаждающего воздуха в пространстве между перфорированной и теплоотдающей пластинами является существенным недостатком рассмотренного комбинированного способа охлаждения.
Наиболее близким к предлагаемому способу охлаждения теплонапряженных элементов является способ перфорационного охлаждения [1], который принят за прототип. О преимуществах и недостатках этого способа уже упоминалось выше. Следует также отметить, что скорость истечения струй из отверстий перфорированной пластины определяется перепадом давлений между охлаждающей и греющей средами. Из-за этого невозможно повлиять на скорость истечения охлаждающей среды из отверстий, что очень важно для формирования заградительной пленки на поверхности стенки со стороны греющей среды. Зависимость скорости истечения воздуха из отверстий от перепада давлений является серьезным недостатком перфорационного способа охлаждения.
Задачами изобретения, направленными на разработку предлагаемого способа охлаждения теплонапряженных элементов, являются:
- снижение потерь давления основного потока греющей среды при подаче охлаждающей среды в этот поток;
- увеличение эффективности охлаждения теплонапряженных элементов;
- снижение расхода охлаждающей среды;
- повышение надежности работы системы охлаждения.
Выполнение поставленных задач обеспечивается с помощью следующих технических решений.
В способе комбинированного охлаждения теплонапряженных элементов, в соответствии с которым теплонапряженный элемент выполнен в виде перфорированной пластины, разделяющей охлаждающую и греющую среды, охлаждающую среду подают в виде струй под давлением, превышающим давление в потоке греющей среды, через систему отверстий, выполненных в перфорированной пластине, при этом на заданном расстоянии от исходной перфорированной пластины со стороны охлаждающей среды устанавливают дополнительную перфорированную пластину, суммарная площадь дозирующих отверстий которой меньше суммарной площади выпускных отверстий исходной перфорированной пластины, при этом охлаждающую среду вначале подают под действием того же перепада давлений между охлаждающей и греющей средами через систему дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины, что приводит к ее струйному натеканию на теплоотдающую поверхность исходной перфорированной пластины, после чего охлаждающую среду подают далее в виде струй в поток греющей среды с меньшей скоростью, чем скорость истечения струй охлаждающей среды из дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины, путем ее пропускания через систему выпускных отверстий исходной перфорированной пластины.
Предпочтительно, шаг между выпускными отверстиями исходной перфорированной пластины и диаметр этих отверстий выбирают такими, что значение отношения шага между этими отверстиями к их диаметру должно быть не более 2,5.
2
4
Предпочтительно, значение числа Рейнольдса, рассчитанное по диаметру дозирующего отверстия дополнительной перфорированной пластины, должно находится в диапазоне от 3·10 до 3·10, кроме того, шаг между дозирующими отверстиями дополнительной перфорированной пластины, диаметр этих отверстий и расстояние между дополнительной и исходной пластинами выбирают такими, что значение отношения шага между дозирующими отверстиями дополнительной перфорированной пластины к диаметру этих отверстий должно находиться в диапазоне от 3,1 до 12,5, а значение отношения расстояния между дополнительной и исходной пластинами к диаметру дозирующего отверстия должно находиться в диапазоне от 1,0 до 4,8.
Предпочтительно, значение скорости, с которой происходит истечение охлаждающей среды в поток греющей среды, задают предварительно путем выбора числа и/или диаметра выпускных отверстий без изменения числа и диаметра дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины, причем соответствующие эквивалентные диаметры отверстий ограничивают снизу максимальным размером частиц, содержащихся в потоке охлаждающей среды.
В способе комбинированного охлаждения теплонапряженных элементов, в соответствии с которым теплонапряженный элемент выполнен в виде перфорированной пластины, разделяющей охлаждающую и греющую среды, охлаждающую среду подают в виде струй под давлением, превышающим давление в потоке греющей среды, через систему отверстий, выполненных в перфорированной пластине, при этом на заданном расстоянии от исходной перфорированной пластины со стороны греющей среды устанавливают дополнительную непроницаемую пластину, длина которой меньше длины исходной перфорированной пластины, охлаждающую среду разделяют на две части, одну часть охлаждающей среды подают в виде струй через ту систему дозирующих отверстий перфорированной пластины, которые охватываются дополнительной непроницаемой пластиной, что приводит к струйному натеканию охлаждающей среды на теплоотдающую поверхность дополнительной непроницаемой пластины, после чего движение конвективного потока охлаждающей среды ограничивают путем его подачи только в направлении движения потока греющей среды в виде пристеночной пленки вдоль теплоотдающей поверхности непроницаемой пластины по каналу, образованному обеими пластинами, взаимодействие конвективного потока со струями охлаждающей среды приводит к постепенному увеличению его толщины в пределах длины дополнительной пластины, длину дополнительной непроницаемой пластины ограничивают в том месте, где толщина нарастающего конвективного слоя охлаждающей среды меньше или равна расстоянию между пластинами, за пределами дополнительной пластины конвективный поток охлаждающей среды направляют вдоль поверхности перфорированной пластины в виде пристеночной заградительной пленки, в которую подают другую часть охлаждающей среды в виде затопленных струй через остальные дозирующие отверстия перфорированной пластины.
2
4
Предпочтительно, значение числа Рейнольдса, рассчитанное по диаметру дозирующего отверстия перфорированной пластины, должно находится в диапазоне от 3·10до 3·10, кроме того, шаг между дозирующими отверстиями перфорированной пластины, диаметр этих отверстий и расстояние между дополнительной непроницаемой и перфорированной пластинами выбирают такими, что значение отношения шага между дозирующими отверстиями перфорированной теплоотдающей пластины к диаметру этих отверстий должно находиться в диапазоне от 3,1 до 12,5, а значение отношения расстояния между дополнительной непроницаемой и перфорированной пластинами к диаметру дозирующего отверстия перфорированной пластины должно находиться в диапазоне от 1,0 до 4,8.
Предпочтительно, в качестве охлаждающей среды используют воздух, а в качестве греющей среды используют продукты сгорания углеводородного топлива.
Способ поясняется чертежами, на которых показана схема комбинированного охлаждения теплонапряженного элемента, выполненного в виде исходной перфорированной пластины с выпускными отверстиями, при использовании дополнительной перфорированной пластины с дозирующими отверстиями, установленной со стороны охлаждающей среды, с видом А на дополнительную перфорированную пластину и видом Б на исходную перфорированную пластину, а также схема комбинированного охлаждения теплонапряженного элемента, выполненного в виде исходной перфорированной пластины с дозирующими отверстиями, при использовании дополнительной непроницаемой пластины меньшей длины, установленной со стороны греющей среды, с видом В на исходную перфорированную пластину.
Приведем обоснования технических решений, приведенных выше.
1. Если перепад давлений ΔР между охлаждающей и греющей средами большой, то струи охлаждающей среды будут истекать из дозирующих отверстий в поток греющей среды с большой скоростью и в соответствии с уравнением Бернулли для несжимаемой охлаждающей среды
, где ρ - плотность среды, вызывая дополнительные потери давления греющей среды в процессе ее смешения с охлаждающей средой. При этом хорошего охлаждения перфорированной пластины не происходит. Так как одиночные струи на выходе из перфорированной пластины не сливаются в сплошную пленку, а быстро размываются при взаимодействии со сносящим потоком греющей среды. Такая ситуация очень часто возникает при охлаждении стенок жаровой трубы КС ГТД и стационарных ГТУ. Чтобы повысить эффективность охлаждения теплоотдающей поверхности, целесообразно использовать кинетическую энергию струй охлаждающей среды. Для этого достаточно установить со стороны охлаждающей среды на заданном расстоянии от исходной перфорированной пластины дополнительную перфорированную пластину, в которой выполнены дозирующие отверстия. Тогда под действием перепада давлений охлаждающие струи будут натекать на теплоотдающую поверхность исходной перфорированной пластины. Теплоотдача поверхности этой пластины при таком ее охлаждении, как показывают экспериментальные исследования [5], существенно возрастает, так как коэффициенты теплоотдачи поверхности в случае обдува ее воздушными струями, направленными по нормали к ней, получаются на порядок выше, чем коэффициенты теплоотдачи этой поверхности при других способах ее охлаждения, например при конвективном охлаждении.
Чтобы не происходило накопление охлаждающей среды в пространстве между дополнительной и исходной пластинами, суммарная площадь выпускных отверстий исходной перфорированной пластины должна быть больше суммарной площади дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины. Тогда при истечении струй охлаждающей среды из дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины с любой большой скоростью, способствующей большему теплосъему с теплоотдающей поверхности исходной пластины, охлаждающую среду можно подать в поток греющей среды с любой малой скоростью. Причем дозирующие отверстия дополнительной перфорированной пластины будут определять расход охлаждающей среды и эффективность охлаждения теплоотдающей поверхности исходной перфорированной пластины при заданном перепаде давлений, а выпускные отверстия исходной перфорированной пластины - скорость истечения охлаждающей среды в поток греющей среды. Следовательно, применение дополнительной перфорированной пластины позволяет независимо друг от друга управлять, с одной стороны, расходом охлаждающей среды и эффективностью охлаждения исходной пластины, с другой стороны, скоростью истечения охлаждающей среды из исходной перфорированной пластины и потерями давления в потоке греющей среды.
2. Эффективность охлаждения исходной перфорированной пластины существенно зависит от устойчивости заградительной пленки вблизи ее поверхности со стороны греющей среды. Экспериментальные исследования влияния относительного шага отверстий
, где S - шаг между отверстиями, a d - диаметр этих отверстий, на глубину проникновения систем струй, распространяющихся в сносящем потоке ([6] (Бакулев В.И., Голубев В.А., Макаров И.С. Расчет системы струй в сносящем потоке / Тр. МАИ, Вып.248, М.: Изд-во МАИ, 1972. С.112-125) и [7] (Кутыш И.И. Численные методы решений экологических задач. - М.: «Информ-Знание». 2002. 368 с.)), показывают, что слияние отдельных струй в сплошную пленку происходит при
. Причем слияние струй сопровождается некоторым увеличением глубины проникновения сплошной пленки. Следовательно, чтобы на выходе из перфорированной пластины образовалась устойчивая заградительная пленка, препятствующая проникновению тепла от греющей среды в пластину, необходимо относительный шаг отверстий, выполненных в теплоотдающей пластине, выбрать таким же
.
4
2
2
4
3. В работе [5] было показано, что коэффициент теплоотдачи увеличивается с ростом числа Рейнольдса Re=ρud/µ, где d - диаметр дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины, ρ, u и µ - плотность, скорость и динамическая вязкость охлаждающей среды соответственно. Число Рейнольдса можно представить в таком виде Re=4G/(µgπd), где g - ускорение силы тяжести, G - расход охлаждающей среды, π≈3,1415. Из этой формулы видно, что число Re увеличивается пропорционально увеличению расхода охлаждающей среды. Однако с увеличением расхода охлаждающей среды снижается эффективность охлаждения исходной пластины. Причем если Re>3·10, то недопустимо увеличивается расход охлаждающей среды и снижается эффективность охлаждения исходной пластины, а при Re<3·10 недопустимо уменьшается коэффициент теплоотдачи. Следовательно, число Re должно находиться в диапазоне 3·10≤Re≤3·10.
Результаты экспериментальных исследований также показывают [5], что уменьшение диаметра дозирующих отверстий при росте их числа и при постоянстве всех остальных геометрических параметров улучшает теплоотдачу. Однако увеличение густоты дозирующих отверстий приводит к росту расхода охлаждающей среды. Дальнейшее снижение
нецелесообразно с точки зрения экономии расхода охлаждающей среды. Уменьшение густоты дозирующих отверстий приводит к экономии расхода охлаждающей среды, но ухудшает теплоотдачу. Кроме того, с ростом
существенно увеличивается температурная неравномерность теплоотдающей поверхности. Поэтому значение относительного шага
дозирующих отверстий необходимо ограничивать диапазоном
.
Исследования, выполненные в работе [5], показали также, что с ростом относительного расстояния между дополнительной и исходной пластинами
, где Н - расстояние между пластинами, а d - диаметр дозирующих отверстий дополнительной пластины, коэффициент теплоотдачи увеличивается. Следует отметить, что
можно изменять только за счет расстояния между пластинами Н, так как d уже зафиксировано при выборе относительного шага дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины. При
недопустимо уменьшается коэффициент теплоотдачи. При
соседние струи сливаются раньше, прежде чем они достигают теплоотдающей поверхности, и коэффициент теплоотдачи в результате взаимодействия большого числа струй, как было показано в работе [8] (Hilgeroth E., «Wärmeübergang bei Dusenströmung senkrecht zur Austauschflache» (Translation: «Heat Transfer for Jet Flow Perpendicular to the Exchange Surface»), Techn. 37, Jahrg 1965/NR 12, pp.1264-1272), снижается по сравнению с коэффициентом теплоотдачи одиночной струи. Поэтому значение отношения расстояния между дополнительной и исходной пластинами к диаметру дозирующего отверстия должно находиться в диапазоне
.
4. Обычно перепад давлений между охлаждающей и греющей средами известен, или его определяют из предварительного расчета. Тогда при организации охлаждения исходной перфорированной пластины скорость истечения охлаждающей среды из нее в поток греющей среды целесообразно задать предварительно путем выбора диаметра выпускных отверстий, выполненных в этой пластине, и относительного шага между выпускными отверстиями без изменения числа и диаметра дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины. При таком выборе, прежде всего, исходят из требования: не должно быть накопления охлаждающей среды между пластинами. Для этого пропускная способность исходной перфорированной пластины должна быть больше пропускной способности дополнительной перфорированной пластины. Дальнейшее увеличение пропускной способности исходной перфорированной пластины приводит к снижению скорости истечения охлаждающей среды в поток греющей среды и потерь давления в потоке греющей среды при сохранении скорости истечения охлаждающей среды из дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины.
Чтобы увеличить живучесть системы охлаждения с помощью предлагаемого способа и предотвратить засорение отверстий обеих пластин их соответствующие диаметры ограничивают снизу максимальным размером частиц, содержащихся в потоке охлаждающей среды.
5. Схема течения охлаждающей среды претерпевает радикальные изменения при установке со стороны греющей среды на заданном расстоянии от исходной перфорированной пластины, в которой выполнены дозирующие отверстия, дополнительной непроницаемой пластины меньшей длины. В этом случае часть охлаждающей среды истекает в виде струй из дозирующих отверстий, которые охватываются дополнительной непроницаемой пластиной, под действием перепада давлений между охлаждающей и греющей средами. Однако, поскольку дополнительная пластина непроницаемая, то после соударения струй охлаждающей среды с теплоотдающей поверхностью дополнительной пластины происходит ее накопление в пространстве между пластинами. Поэтому нарастающий слой охлаждающей среды приходится отводить в одну сторону по направлению движения потока греющей среды. Этот слой, двигаясь вдоль теплоотдающей поверхности дополнительной пластины, препятствует проникновению струй охлаждающей среды к этой поверхности, уменьшая ее теплоотдачу. Из-за этого длину дополнительной непроницаемой пластины в направлении движения конвективного потока охлаждающей среды приходится ограничивать в том месте, где толщина нарастающего конвективного слоя охлаждающей среды меньше или равна расстоянию между пластинами. То есть такой длиной, при которой струи охлаждающей среды ведут себя как свободные и частично затопленные [9] (Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Изд. 3-е. Перераб. М.: Наука, 1969. 824 с.).
Когда конвективный поток охлаждающей среды покидает щель, он еще сохраняет некоторый хладоресурс. Поэтому поток целесообразно направить вдоль поверхности исходной перфорированной пластины в виде пристеночной заградительной пленки. Однако в результате турбулентного обмена пленки с потоком греющей среды она нагревается и теряет остатки своего хладоресурса. При этом не удается обеспечить одинаковую температуру пластины по длине заградительной пленки. Для увеличения хладоресурса заградительной пленки и ее массы другую часть охлаждающей среды целесообразно направить в эту пленку через остальные дозирующие отверстия исходной перфорированной пластины в виде затопленных струй.
2
4
6. В случае использования дополнительной непроницаемой теплоотдающей пластины число Рейнольдса, рассчитанное по диаметру дозирующего отверстия перфорированной пластины, должно поддерживаться в диапазоне 3·10≤Re≤3·10, а значение отношения шага дозирующих отверстий к диаметру этих отверстий необходимо ограничивать диапазоном
. При обосновании этих диапазонов изменения числа Рейнольдса и относительного шага между дозирующими отверстиями исходной перфорированной пластины используются те же доводы, которые приведены выше в пункте 3.
Экспериментальные исследования, выполненные в работе [5], показывают, что при наличии поперечного нарастающего потока в щели между пластинами с увеличением относительного расстояния между ними
, где d - диаметр дозирующих отверстий перфорированной пластины, коэффициент теплоотдачи уменьшается. И в этом случае изменение
обеспечивается только за счет изменения расстояния между пластинами, так как размер дозирующего отверстия уже определился ранее. Несмотря на то что коэффициент теплоотдачи с уменьшением
растет, при
очень быстро толщина нарастающего конвективного слоя становится равной расстоянию между пластинами. При
коэффициент теплоотдачи становится недопустимо малым. Поэтому значение отношения расстояния между дополнительной непроницаемой и исходной перфорированной пластинами к диаметру дозирующего отверстия также должно находиться в диапазоне
, как и в случае использования дополнительной перфорированной пластины, установленной на заданном расстоянии от исходной перфорированной пластины со стороны охлаждающей среды.
7. Предлагаемый способ охлаждения теплонапряженных элементов может использоваться, прежде всего, в КС авиационных ГТД и стационарных ГТУ, где в качестве охлаждающей среды используется воздух, а в качестве греющей среды - продукты сгорания углеводородного топлива.
Примеры выполнения систем охлаждения, в которых реализуется предложенный способ комбинированного охлаждения теплонапряженных элементов, приведены на фиг.1 и фиг.4.
2
2
1
1
Схема комбинированного охлаждения теплонапряженного элемента, выполненного в виде исходной перфорированной пластины с выпускными отверстиями с использованием дополнительной перфорированной пластины с дозирующими отверстиями, приведена на фиг.1. В соответствии с этой схемой на расстоянии H от исходной перфорированной пластины 1 толщиной δ, в которой выполнены выпускные отверстия 2 диаметром d и с шагом S между этими выпускными отверстиями, со стороны охлаждающей среды 5 установлена дополнительная перфорированная пластина 3 толщиной δ, в которой выполнены дозирующие отверстия 4 диаметром d и с шагом S между этими дозирующими отверстиями. Причем значение отношения расстояния H между исходной 1 и дополнительной перфорированной 3 пластинами к диаметру d дозирующего отверстия 4 дополнительной перфорированной пластины 3 находится в диапазоне 1,0≤Н/d≤4,8.
Одно из возможных расположений дозирующих отверстий 4 дополнительной перфорированной пластины 3 показано на виде А (фиг.2). Причем значение относительного шага дозирующих отверстий 4 дополнительной перфорированной пластины 3 находится в диапазоне
.
1
2
1
2
Пример выполнения выпускных отверстий 2 исходной перфорированной пластины 1 показан на виде Б (фиг.3). Причем значение относительного шага выпускных отверстий 2 этой пластины 1
. При равенстве диаметров дозирующих отверстий 4 и выпускных отверстий 2 шаг S между дозирующими отверстиями 4 дополнительной перфорированной пластины 3 выбран больше, чем шаг S между выпускными отверстиями 2 исходной перфорированной пластины 1 (S>S), так, что суммарная площадь выпускных отверстий 2 исходной перфорированной пластины 1 больше суммарной площади дозирующих отверстий 4 дополнительной перфорированной пластины 3.
1
2
Другая схема комбинированного охлаждения теплонапряженного элемента, выполненного в виде исходной перфорированной пластины с дозирующими отверстиями с использованием дополнительной непроницаемой пластины, приведена на фиг.4. В соответствии с этой схемой на расстоянии Н от исходной перфорированной пластины 1 толщиной δ, в которой выполнены дозирующие отверстия 2 диаметром d и с шагом S между ними, со стороны греющей среды 7 установлена дополнительная непроницаемая пластина 3 толщиной δ меньшей длины. Причем значение отношения расстояния Н между дополнительной пластиной 3 и исходной пластиной 1 к диаметру d дозирующего отверстия 2 исходной перфорированной пластины 1 находится в диапазоне 1,0≤H/d≤4,8. В частности, длина дополнительной непроницаемой пластины 3 в направлении движения конвективного потока охлаждающей среды 5 ограничена в том месте, где толщина нарастающего слоя охлаждающей среды 5 равна расстоянию между пластинами Н. Поэтому только часть дозирующих отверстий 2 исходной перфорированной пластины 1 охватывается дополнительной непроницаемой пластиной 3. Остальная часть дозирующих отверстий 2 исходной перфорированной пластины 1 остается открытой. Следует подчеркнуть, что длина дополнительной непроницаемой пластины 3 может быть ограничена и в том месте, где толщина нарастающего конвективного слоя охлаждающей среды 5 меньше расстояния Н между исходной пластиной 1 и дополнительной пластиной 3.
Канал, образованный соседними пластинами, открыт с одной стороны, чтобы охлаждающая среда 5 могла вытекать из него в направлении движения греющей среды 7. С остальных сторон канал закрыт. Если соседние пластины 1 и 3 будут выполнены в виде цилиндрических труб и установлены соосно, как жаровая труба в корпусе КС ГТД, то радиальный канал, образованный соосными трубами, достаточно закрыть только со стороны, противоположной направлению движения охлаждающей среды 7.
Вид В на исходную перфорированную пластину 1, в которой выполнены дозирующие отверстия 2, показан на фиг.5. Причем значение относительного шага дозирующих отверстий 2 этой пластины 1 находится в диапазоне
.
Реализация предложенного способа в системах охлаждения различных типов (фиг.1 и фиг.4) осуществляется следующим образом.
В соответствии со схемой комбинированного охлаждения теплонапряженного элемента, выполненного в виде перфорированной пластины 1, охлаждающую среду 6 под действием перепада давлений между охлаждающей средой 6 и греющей средой 7 подают в виде струй 5 через дозирующие отверстия 4 дополнительной перфорированной пластины 3, установленной на заданном относительном расстоянии от исходной перфорированной пластины 1 со стороны охлаждающей среды 6 (фиг.1). При соударении струй 5 с теплоотдающей поверхностью исходной перфорированной пластины 1 они отбирают у этой пластины максимальное количество тепла исходя из выбранной геометрии отверстий 2 и 4 обеих пластин 1 и 3 соответственно и расстояния между пластинами Н. Подогретая охлаждающая среда 5 далее поступает в сносящий поток греющей среды 7 с гораздо меньшей априори заданной скоростью через выпускные отверстия 2 исходной перфорированной пластины 1. При подаче охлаждающей среды 5 в сносящий поток греющей среды 7 с малыми скоростями достигается снижение потерь давления в процессе их смешения. На выходе из исходной перфорированной пластины 1 струи 5 сливаются в сплошную заградительную пленку, так как значение относительного шага между выпускными отверстиями 2 исходной перфорированной пластины 1 выбрано меньше чем 2,5. Образовавшаяся заградительная пленка дополнительно уменьшает теплоотдачу от греющей среды 7 в исходную перфорированную пластину 1.
В соответствии со схемой (фиг.4) комбинированного охлаждения теплонапряженного элемента, выполненного в виде исходной перфорированной пластины с дозирующими отверстиями, охлаждающую среду 6 разделяют на две части. Одну часть охлаждающей среды под действием перепада давлений между охлаждающей средой 6 и греющей средой 7 подают в виде струй 4 через дозирующие отверстия 2 исходной перфорированной пластины 1, которые охватываются дополнительной непроницаемой пластиной 3. После соударения первого ряда струй 4 охлаждающей среды 6 с теплоотдающей поверхностью дополнительной непроницаемой пластины 3 образуется пристеночная пленка 5, которая движется вдоль этой поверхности в одну сторону по направлению движения потока греющей среды 7. Каждый новый ряд струй 4 «бомбардирует» образовавшуюся ранее пристеночную пленку 5, проникает через нее, теряя часть кинетической энергии, и соударяется с теплоотдающей поверхностью непроницаемой пластины 3 уже с меньшей скоростью. Из-за этого коэффициент теплоотдачи последующих рядов струй 4 постепенно уменьшается по сравнению с коэффициентом теплоотдачи первого ряда струй 4. Кроме того, постепенно увеличивается масса конвективного потока охлаждающей среды 5, о чем свидетельствует нарастающая толщина пристеночной пленки 5. При движении конвективного потока охлаждающей среды 5 вдоль теплоотдающей поверхности дополнительной непроницаемой пластины 3 он нагревается. Однако этот нагрев потока компенсируется частично или полностью за счет подачи струй 4 более холодной среды 6 в конвективный поток 5. Длина дополнительной непроницаемой пластины 3 ограничена в том месте, где толщина пристеночного конвективного слоя 5 не превышает расстояния между пластинами Н. За пределами непроницаемой пластины 3 конвективный поток охлаждающей среды 5, обладающий некоторым запасом хладоресурса, направляют вдоль теплоотдающей поверхности исходной перфорированной пластины 1 в виде заградительной пленки 8, препятствующей проникновению тепла от греющей среды 7 к этой стенке 1. При взаимодействии со спутным потоком греющей среды 7 пленка 8 нагревается, что приводит к температурной неравномерности стенки 1. Чтобы уменьшить степень нагрева заградительной пленки 8 и уменьшить температурную неравномерность исходной перфорированной пластины 1, вторую часть охлаждающей среды 6 подают в эту пленку 8 через открытые дозирующие отверстия 2 исходной перфорированной пластины 1 в виде системы затопленных струй. Кроме того, такая подача струй охлаждающей среды 6 в заградительную пленку 8 интенсифицирует теплообмен за счет турбулизации пленки 8.
Можно отметить следующие преимущества предложенного способа по сравнению со способом прототипа:
- увеличение эффективности охлаждения теплонапряженного элемента за счет дополнительного обдува его теплоотдающей поверхности струями охлаждающей среды, направленными по нормали к ней;
- снижение расхода охлаждающей среды при достижении той же эффективности охлаждения, что и в прототипе, за счет более высоких коэффициентов теплоотдачи по сравнению с коэффициентами теплоотдачи в способе прототипа;
- снижение потерь давления в потоке греющей среды за счет подачи охлаждающей среды в этот поток с меньшей скоростью при сохранении больших скоростей истечения этой среды из дозирующих отверстий дополнительной перфорированной пластины и высокой эффективности охлаждения теплоотдающей поверхности;
- снижение температурной неравномерности пластины за счет применения такого относительного шага между выпускными отверстиями исходной перфорированной пластины, при котором струи охлаждающей среды на выходе из этой пластины сливаются в сплошную заградительную пленку. Причем расход охлаждающей среды сохраняется, так как сохраняются относительный шаг между дозирующими отверстиями дополнительной перфорированной пластины и диаметр этих отверстий. В прототипе увеличение густоты, то есть числа, выпускных отверстий при том же диаметре этих отверстий неизбежно приводит к пропорциональному росту расхода охлаждающей среды
и другие преимущества.