Особенности теплообмена и теплового режима высокотемпературных огневых стенок энергетических аппаратов при высоких конвективных и лучистых потоках - Автореферат

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОГНЕВЫХ СТЕНОК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ ВЫСОКИХ КОНВЕКТИВНЫХ И ЛУЧИСТЫХ ПОТОКАХРабота выполнена в Научно-исследовательском центре физико-технических проблем энергетики (НИЦ-2) Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур Российской академии наук. Научный руководитель: кандидат технических наук Залкинд Валерий Ильич (ОИВТ РАН). Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Битюрин Валентин Анатольевич (ОИВТ РАН); Защита состоится «___»________ 2013 года в ___ ч. на заседании диссертационного совета Д 002.110.03 в ОИВТ РАН по специальности 01.02.05.В высокотемпературных элементах энергетических установок нового поколения, к которым относятся камеры сгорания и теплонапряженные элементы МГД - генераторов, камеры сгорания и высокотемпературные тракты энергетических газотурбинных установок (ГТУ) высоких параметров и форсированных авиационных и воздушно-реактивных двигателей, одним из наиболее актуальных вопросов является обеспечение должного теплового режима огневых стенок, в значительной мере определяющего эффективность работы всего аппарата и его ресурс. В диссертации рассматриваются комбинированные огневые стенки [1], представляющие собой регулярную структуру из высокотемпературных керамических элементов, расположенных в интенсивно охлаждаемом высокотеплопроводном металлическом каркасе и стенки с теплозащитной газовой завесой. Преимуществами комбинированных огневых стенок являются: 1) отвод тепла от керамических элементов к металлу каркаса по всем граням элементов (кроме огневой поверхности), что определяет их повышенную технологичность и больший ресурс работы, чем при одномерном отводе тепла; 2) на порядок более высокая термостойкость керамических элементов в силу их малых поперечных (к направлению теплового потока) размеров; 3) хорошие механические, тепловые и электрические контакты между керамическими элементами и металлическим каркасом благодаря возникающим термомеханических напряжениям сжатия на границах; 4) высокая стабильность температуры поверхности комбинированных элементов и тепловых потоков вне зависимости от степени эрозии этих элементов, по крайней мере, до 50 % их начальной толщины. Такая ситуация возникает, в частности, при работе огневых стенок камер сгорания (КС) форсированных ГТУ с температурами перед газовой турбиной 1700К и выше изза значительной лучистой составляющей тепловых потоков к стенкам из объема камеры сгорания. Цель работы: расчетно-экспериментальное исследование теплового режима перспективных огневых стенок, работающих при высоких параметрах рабочего тела в новых энергетических аппаратах (МГДУ и ГТУ нового поколения) при температурах 1500 3500К и плотностях тепловых потоков до нескольких МВТ/м2; изучение основных, характерных для этих условий, особенностей работы таких стенок и теплообмена на их огневой поверхности и теплопереноса в высокотемпературных элементах: - исследование особенностей тепловых режимов комбинированных огневых стенок канала МГД-генератора с учетом конвективного теплообмена на сильно неизотерми-Применительно к обтеканию сильно неизотермической поверхности с периодической структурой, какой является комбинированная стенка, проведено сравнение результатов расчетов с решением сопряженной задачи при использовании метода суперпозиции для теплового пограничного слоя и уточнены показатели степени в функции влияния для условий, типичных для МГДГ. При расчетном исследовании защиты высокотемпературной изотермической стенки с температурой, изза большого вклада излучения значительно превышающей адиабатическую, был выявлен новый эффект роста турбулентности течения на начальном участке в зоне вдува холодного газа, ухудшающий эффективность газовой завесы. Более сильное, по сравнению с экспериментально полученными результатами [7], где (Tw <Tad) влияние турбулентности на уменьшение эффективности завесного охлаждения может быть объяснено вышеуказанным эффектом увеличения турбулизации вдуваемой пелены и смешивающегося с ней потока газа при нарушении аналогии Рейнольдса на огневой стенке с температурой, существенно выше адиабатической. Обобщение решения задачи о тангенциальном вдуве в рамках классической теории подобия при использовании модели, в случае, когда плотность и вязкость сильно зависят от температуры, и в отсутствие аналогии Рейнольдса, проблематично, поскольку степенные зависимости, описывающие теплофизические свойства, оказываются различными для разных жидкостей и зависят от граничных условий. В третьей главе рассматривается задача о тепловом режиме комбинированной огневой стенки канала МГД - генератора с учетом ряда особенностей: переизлучения с других стенок, специфики радиационно-кондуктивного теплопереноса в ее керамических элементах.Разработана расчетная модель теплообмена турбулентного потока плазмы (газа) с высокотемпературной неизотермической огневой стенкой, в том числе при наличии тангенциального вдува.

Краткое содержание работы