Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Модель, характеризующая процессы теплопередачи в пористых стенках, представлена на рис. 8.39. Нагрев охлаждающего воздуха при прохождении его сквозь пористую стенку может быть выражен коэф- значительно уменьшается, что дает существенную экономию охлаждающего воздуха (рис. 8.37). Применительно к пористым стенкам механизм теплообмена исследовался в работах (53 — 58).
Стенок жаровой трубы достигает только поток лучистого тепла, но в первичной зоне камеры сгорания двигателя с высокой степенью повышения давления этот поток может быть равен фа конвективному или чуть пре- вышать его. Это тепло может / / / быть отведено от стенки толь- ко передачей его охлаждаю/ )цему воздуху, проходящему / через пористую стенку. Поэтог' му стенка должна хорошо пе/ редавать тепло охладителю и иметь оптимальную в отноше/ нии теплоотдачи толщину. Та/. ' ким образом, для уменьшения подвода тепла из полости жаровой трубы необходимо, чтобы о ) з з /т на внутренней поверхности ее (Та — То ) /(Тм — Ти) стенки формировался стабильрис. 8.37.
Относительная эффектна- ный пограничный слой, что треность пленочного и трапспяраппопяо- бует минимальной скорости го охлаждения камер сгорания (бЦ протекания охладителя; однако — — — пленочное охлаждение: — — пленочное охлаждение с интенсификацией наруж- ДЛЯ ИНТЕНСИфИКаЦИИ ТЕПЛОПЕРЕ- иой коннекции (путем создания шерохоаато- даЧИ В СТЕНКЕ трЕбуЕтея бОЛЬ- сти на стенке); — транспнрационное охлаждение (материал †камилл) шая скорость охладителя. Перепад температуры по толщине стенки Т„, — Т, зависит от расхода охладителя.
Соотношение между Т, и Тнй можно выразить следующим образом (57): 319 Теппопарадача фициентом тепловой эффективности стенки т7 = Т вЂ” Т Тпг — Таз (8.5() Значения 77' и 0, зависят от коэффициента теплопередачи внутри пористой стенки, который в свою очередь определяется удельным расходом охлаждающего воздуха и характеристиками пор.
7,0 0,5 ,з гч з 07 0,7 0,5 О,Э (т„ср,1 )/А и Рис. 8.38. Зависимость температуры стенки от расхода охладителя. Для тонких пористых стенок, из которых обычно изготовляются жаровые трубы, 0,5 < т)' < 0,8 и 0,6 < 9т < 0,9 [57). Удельный тепловой поток, воспринимаемый охладителем при прохождении его через пористую стенку, равен 7',7р = гп„ср, (Трг — 7„) = гп„ср ат7 (7п, — Т„). (8.52) Это поглощение тепла уменьшает тепловые потоки )аз и Сз от наружной стороны жаровой трубы. Уравнение теплового баланса для пористой стенки имеет вид Ж + С, = Я. + 77, + С,.
(8.53) у т, т„, В результате его решения можно найти значения Т 7 и Т з для пористой стенки. Выра- 1 ч ження (8.7) для )сг и (8.27) для Тп )ХЗ, КОтОрЫЕ НужНО ПОдСтаВИтЬ 77х 0 Тра в (8.53), остаются без каких- Рис. 8.30. Физическая модель транснилибо иэменений, а выРажениЯ ранионного охлаждения стенки (58) (8.24) для Сг и (8.26) для Сх должны быть изменены с учетом вдува (или отсоса). Процедура расчета иллюстрируется далее примером. Пример расчета. Нужно вычислить значения Т г и Т, для пористой стенки при том же расходе охлаждающего воздуха, что и в предыдущем примере, с применением пленочного охлаж- 320 Глава а дения стенки. Ранее было т„= 0,289 кг/с, Т,в —— Тв — — 880 К, Ос = 0,132 м, с,, = 1009 Дж/(кг К).
Для пористой стенки принимается т1' = 0,5, 0г = 0,7, Е- = = 0,204 м, где А — длина пористого участка стенки, через который проходит требуемый расход охлаждающего воздуха. Таким образом, т„= о,' =3,416 кг/(м с). 0,289 Формулы (8.29) и (8.30) не изменяются, поэтому Л, = (794 460 — 0,0032Т2 в) Вт/м', Яв=(2,29(Таг/100)4 — 13715] Вт/м'. Формула (8.50) используется для установления связи между Т 1 и Т„в. Т„, = Т„+ а, (Т., — Т.,) = 880+ 0,7 (Т., — 880) = =264+ 0,7Т и Значение С2, вычисляется по формуле (8.52): (8.54) Ял = т„сл лт~'(Т,, — Тлв) = 3,416 1009 0,5 Х Х(Таи — 880)=1723(Т 1 — 880) Вт/мв.
Из (8.31) и (8.32) имеем С1 =(1280500 — 562Т ~) Вт/мв, Св = (921Т„,в — 810 400) Вт/м'. (8.55) Применение транспирационного охлаждения Несмотря на то что охлаждение путем вдува через поры является наиболее эффективным методом охлаждения, его применение сдерживается теми ограничениями, которые свойственны пористым материалам. Как пористые металлы, так и тканые проволочные материалы (например, ригимеш) [59] не об- Решая уравнение (8.53) с использованием выражений (8.29) — (8.32), (8.54) и (8.55), получим Т 1 — — 1336 К, Т г —— = 1202 К. Сравнение температур стенок, вычисленных для случаев пленочного и транспирационного охлаждения при одном и том же расходе охлаждающего воздуха, показывает, что длина жаровой трубы при транспирационном охлаждении стенок может быть больше, чем при пленочном охлаждении, если в обоих случаях температура стенок поддерживается на одном и том же приемлемом уровне.
Теппппередача ладают необходимым сроком службы в основном из-за забивания пор инородными частицами, а также из-за слабого сопротивления поверхностному окислению (60]. Поиски других методов интенсификации теплоотдачи внутри стенок жаровой трубы привели к созданию многослойных проницаемых материалов, в частности разработанного фирмой «Роллс-Ройс» трансплая ~52~. Материал изготовлялся путем пайки двух или более листов нз жаростойких сплавов, имеющих множество соединенных между собой каналов для прохода воздуха (рис.
8.40). Размер и шаг каналов выбираются, '.,',,;тг..-~',? таким образом, чтобы обес- 'Г~,;и ?, < печить максимальный тепло- ф:"- обмен между стенкой и про- -'«" ~ъ,(а',-'' ходящим сквозь нее охлаж- '" ~.; ' " "х(зйг дающим воздухом. После охлаждения стенки изнутри охлаждающий воздух в виде г тонких струек поступает в поток горячего газа. Струйки отклоняются потоком и з сливаются друг с другом, в результате чего между горячим газом и стенкой образуется изолирующий слой воздуха. Таким образом, жаровая труба охлаждается частично при прохождении воздуха сквозь стенку и частично путем образования завесы.
Гидравлические и тепловые характеристики трансплая описаны в работе [52). Течение воздуха сквозь этот материал аналогично течению через отверстия и трубки. Перепад давления на стенке из такого материала может быть выражен следующим образом: Р,— р,=О Т т'„ (8.56) Рнс. 8.40. Конструктивная схема стенки нз материала трансплай (821 1 — холодный слой; Х вЂ” средний слой; 3 — со- рнчнй слой.
21 Зех. 76! где Р; — полное давление иа входе в стенку, ре — статическое давление на выходе, ры = 0,5(Р + рс), Т = 05(Т'+ То)— средняя температура воздуха, Ке — число Рейнольдса, определенное по характерным размерам структуры трансплая, сл— константа.
Испытания трубчатых и кольцевых камер сгорания, изготовленных из трансплая, продемонстрировали, что термическая 322 Глава З мо Поа о 1000 - 900 000 0 700 50 40 50 50 70 и!линз секиии,мм Наымниеуегшм ахнем малого гта Рис. 8.41. Сравнение эффективности охлаждения различных конструктивных вариантов стенки из трансплая н пленочного охлаждения 1521.
Т, =7ар К, Т, ЫЗО К. В процентах уиазан относительныв расход воздуха в пристеночноа завесе стенки нз трансплан по сравнению с пленочным охлаждением. Рнс. 8.42. Сравнение характеристик вредных выбросов камер сгорания (521. Заштрихавааные прнмоугольниин соответствуют варианту камеры с пленочным охлаждением стенок, а незаштриховааные — каь~еры из трансплан прн оптимальном отношении топливо!воздух. вредных веществ: вследствие более экономичной завесы уменьшается «замораживание» промежуточных реакций горения вблизи стенки, рз благодаря большему количеству воздуха в основном потоке уменьшается образование там вредных веществ. Результаты испытаний камеры сгорания двигателя «Спей», изготовленной полностью из трансплая, представлены на рис.
8.42. Действительно, вредные выбросы из этой камеры сгорания значительно ниже, чем из аналогичной камеры сгорания, имеющей пленочное охлаждение. Результаты автономных испытаний камер сгорания и испытаний двигателя рассеяли сомнения относительно засорения отверстий в трансплае, и камеры сгорания, изготовленные из этого материала, допущены для применения в гражданской авиации [82]. В США фирмой «Дженерал моторс» разработан и выпускается проницаемый материал ламиллой, который изготовляется из нескольких металлических листов с отверстиями, получаемыми методом фототравленпя.
Листы соединяются между собой посредством диффузионной пайки (рис. 8.43). Основным усталость стенок не лимитирует срок службы жаровых труб, если температура стенок не превышает !173 К. Этот температурный режим для трансплая обеспечивается при расходе охлаждающего воздуха, примерно в 3 раза меньшем, чем это необходимо для пленочного охлаждения стенки (см. рис. 8.41).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
