ПРОЦЕССЫ ГАЗОДИНАМИКИ СТРУИ ПРИ НАНЕСЕНИИ ПРИРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

​PROCESSES OF GAS DYNAMICS OF A JET WHEN APPLYING NATURAL MATERIALS

Yersultan Khismet

master’s student, Institute of Energy and Green Technologies Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeyev,

Republic of Kazakhstan, Almaty

Alexander Genbach

scientific supervisor, doctor of Engineering Science, Professor of the Higher Attestation Commission, Professor of the Department of Heat Power Engineering, Institute of Energy and Green Technologies, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeyev,

Republic of Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Проведены исследования предельных тепловых нагрузок для систем охлаждения с покрытиями из природных материалов. Определены принципы конструирования камер сгорания, сопел и условия напыления материала на поверхность нагрева. Исследования имеют практическое значение в области предельного состояния парогенерирующей поверхности, защищаемой охлаждением от пережога. Разработаны системы охлаждения с пористыми покрытиями, которые позволяют исключить развитие трещин в покрытиях камер и сопел за счет термодинамического и акустического экранов из трех тепловых источников, и устройства для проведения напыления покрытий детонационными высокотемпературными факелами, истекающими из камер сгорания и сопел, охлаждаемых капиллярно-пористыми покрытиями. В исследованиях применялся метод голографии и скоростной кинопленки. Измерялись тепловые потоки, температуры, расходы, давления потоков жидкости и газа. Установлены термодинамические характеристики кислородно-керосиновых горелок для генерации ими сверхзвуковых высокотемпературных детонационных факелов при напылении покрытий из порошков природных материалов, получен гранулометрический состав материалов, подобраны гидродинамические режимы работы горелок в диапазоне удельных тепловых потоков (2·10⁶÷2·10⁷) Вт/м² от факела струи в покрытие. Коэффициент избытка окислителя варьировался в пределах 0,3÷0,8; температура факела струи (3000÷850) ⁰С; длина струи (0÷0,16) м; радиус струи (3÷10)·10^-3 м; угол оси горелки к покрытию (90÷0) град.

ABSTRACT

Studies on the maximum heating loads for cooling systems with natural materials coatings have been carried out. The principles of the design of combustion chambers, nozzles and conditions for spraying the material onto the heating surface have been determined. These studies are of practical importance in the field of the steam generating surface limiting state, protected by cooling from burnout. Cooling systems with porous coatings have been developed, which make it possible to exclude the fractures development in the chambers and nozzles coatings due to thermodynamic and acoustic screens from three heating sources, and devices for spraying coatings with detonation high-temperature flares emanating from combustion chambers and nozzles cooled by capillary-porous coatings. During the study the method of holography and high-speed film was applied. Heat streams, temperatures, flow rates, and pressures of liquid and gas flows were measured. Thermodynamic characteristics of oxygen-kerosene burners for the generation of supersonic high-temperature detonation flares by spraying coatings from powders of natural materials are established, the granulometric composition of materials is obtained, hydrodynamic modes of operation of burners in the range of specific heat fluxes are selected (2·10 6÷2·10 7) W/m2 from the jet torch into the coating. The oxidizer excess rate varied between 0,3÷0,8; the jet torch temperature was (3000÷850) 0 C; the jet length was (0÷0,16) m; the jet radius was (3÷10)·10-3 m; the burner axis angle to the coating was (90÷0) deg.

Ключевые слова: природные материалы, покрытия, камера сгорания, сопло, горелка (термоинструмент), голография.

Keywords: natural materials, coatings, combustion chamber, nozzle, burner (heating tool), holography.

Введение. Для надежной работы энергетических установках требуется создание системы охлаждения высокотеплонапряженных деталей и узлов, выполненной с помощью покрытий из природных материалов. К ним можно отнести камеры сгорания, сопла и лопатки газотурбинных агрегатов, тепловые приборы (инструменты) в виде ракетных горелок для нанесения покрытий.

Актуально изготовление пористых поверхностей с гибридной микро-наношкалой [1]. Они являются перспективными, становятся более компактными, работающими с более высокими тепловыми нагрузками. Поэтому нами разрабатываются наноразмерные и микромасштабные пористые поверхности в виде сетчатых структур с покрытиями из природных минеральных сред, которые исследуются в данной работе. Они имеют синэргические преимущества объединения этих двух поверхностей в совместную технологию их изготовления (структур и покрытий) с дальнейшим увеличением предела отвода тепловых нагрузок и управлением предельным состоянием системы охлаждения.

Актуальными являются способы повышения надежности охлаждения камер сгорания и сопел газовых турбин различными охладителями для повышения η (КПД) самих машин и их циклов [2, 3, 4, 5]. Рассматриваются водяные, воздушные и паровые охладители. Нами предлагаются новые природные покрытия, которые в отличие от существующих значительно в большей степени увеличивают КПД цикла теплоэнергетических установок [6].

Исследован теплообмен в пористых средах, находящихся в термическом напряженном состоянии [7, 8]. Построены модели и даны условия действия термических напряжений σ для критического состояния с целью управления теплопередачей. Сопряженное поведение теплообмена и деформации в пористых средах является научной задачей. Предложенная модель учитывает модуль упругости, коэффициент Пуассона и литологию породы. Связь теплообмена и напряжения для разного размера пор структуры является сложной и немонотонной.

Однако авторами [8] не выявлен механизм, влияющий на связанные между собой теплообмен и деформационное поведение в пористых средах, и не дана методика расчета теплообмена и термонапряжений, не рассмотрены покрытия из природных материалов (горных пород).

Огнеструйные горелки ракетного типа, разработанные авторами [9-11], позволяют эффективно разрушать крепкие горные породы. Однако данные инструменты не исследовались для нанесения покрытий. Не изучались термоупругостные и оптические методы исследования механизма разрушения материалов.

Разработанные капиллярно – пористые структуры в работах [9, 10, 12] позволяют в поле массовых и капиллярных сил интенсифицировать процессы теплопередачи и существенно расширить теплопередающие возможности системы охлаждения. Представляет интерес изучить дальнейшие возможности увеличения отводимых тепловых нагрузок для капиллярно-пористых покрытий.

Изучался механизм процесса теплообмена в капиллярно-пористых структурах с помощью внутренних (термогидравлических) характеристик парообразования [10, 12, 13]. Применялись скоростная киносъёмка и импульсная голография. Получены простые инженерные формулы расчета критических тепловых нагрузок и предельных возможностей тепломассопереноса в структурах. Однако теплозащитные свойства покрытий из природных материалов (горных пород) в виде порошков, напыляемых реактивными горелками [11], не исследовались.

Более подробные исследования теплообмена в капиллярно-пористых структурах, выполненные под руководством В.М. Поляева, приводятся в литературе, имеющейся в работах [12, 14, 15]. Сетчатая пористая структура [12] позволила вдвое расширить теплопередающие возможности системы охлаждения за счет интенсификации теплообмена диспергированными каплями жидкости, причем многофазный поток перемещался в волнистом канале, стенки которого покрывались структурами. Однако пористое покрытие не применялось.

В работах [15 и 16] нами использовалось покрытие, напыленное на теплообменную поверхность ракетной горелкой в виде гранитного порошка. Решение задачи термоупругости выявило зависимости нестационарных тепловых потоков и термических напряжений сжатия и растяжения от толщины покрытия (или глубины проникновения температурной волны). Скоростная киносъёмка позволила экспериментально подтвердить теорию за счет измерения отрывающихся частиц от поверхности покрытия.

Методика нанесения покрытий напылением порошковых материалов, в том числе газотермическим способом. приводится в [17-20], однако нет сведений о напылении естественных минеральных сред.

Модель взаимодействия осесимметричной сверхзвуковой детонационной струи газов термоинтсрумента по нормам с поверхностью капиллярно-пористого покрытия. Рассмотрим взаимодействие сверхзвуковой струи термоинструмента с преградой в зоне торможения (окрестность критической точки). Струя расположена ортогонально (перпендикулярно) к поверхности покрытия.

При взаимодействии струи с преградой (сверхзвуковой, так и дозвуковой) имеет место совместное действие высокой интенсивности турбулентности, отрицательного градиента давления и волновой структуры, которая порождает турбулентность (пульсации), вызывает отрыв потока от стенки. Такая струя относится к типу импактных, влияет и воздействует на механизм теплопередачи на пятне торможения покрытия. Она увеличивает турбулентность (пульсации), а в случае кипящей системы охлаждения разрушает паровые конгломераты.

Запишем для «стандартных условий» уравнение теплопередачи [21] в ламинарном пограничном слое при продольном обтекании пластины:

 ,                                                                            (1)

где .

Локальная теплопередача при продольном обтекании пластины в турбулентном пограничном слое [22]:

 ,                                                                  (2)

где .

В формуле (1) К₁ = 0,323; в формуле (2) К₂ = 0,0296.

Теплофизические свойства газа принимаются при средней температуре между и ; чаще в моделях за определяющую температуру выбирается температура невозмущенного потока , либо ;

 – критерий Прандтля;

 – число Нуссельта;

 .

Перепишем число  и критерий  в более удобной форме для анализа.

Критерий Рейнольдса:

 .

Число Нуссельта:

 ,

Рассчитаем температуру :

, К,                                                                                        (3)

где  – температура восстановления, равная:

, К;                                                                               (4)

 – термодинамическая температура невозмущенного потока (это такая температура, которую показал бы термометр, перемещающийся вместе с потоком с одинаковой с ним скоростью). Для

 , К,                                                                              (5)

 – температура самого покрытия или адиабатная температура стенки (температура идеально изолированной, неизлучающей твердой поверхности, обтекаемой потоком газа с внутренними источниками теплоты или с выделением теплоты вследствие диссипации энергии). При , .

Коэффициент восстановления:

 .                                                                                             (6)

Для ламинарных слоев:

.                                                                                                 (7)

Термодинамическая температура  равна:

, К.                                                                                             (8)

Температура торможения:

, К.                                                                           (9)

Температура восстановления равна:

, К,                                                                  (10)

где .

Расчет удельных тепловых потоков q_ст. Тепловой поток омываемого высокоскоростным потоком газа, определяется как:

, Вт/м².                                                                            (11)

Если  , то

  ,                                                                                          (12)

и , Вт/м².

Если  , то

  ,                                                                                         (13)

и , Вт/м².

Для детонационного сверхзвукового факела эксперименты нами проводились с применением микронасадки для измерения полного и статического давлений и датчика теплового потока для измерения , ,  и  в растекающейся струе.

Числа Маха ,

Степень нерасчетности истечения (см. рис. 1) ,

Рисунок 1. Процесс истечения сверхзвуковой струи из сопла термоинструмента при различных давлениях

Число  рассчитывалось по параметрам газа на срезе сопла (индекс «а»):

,

где ; ;

В окрестностях критической точки (на покрытии) предполагается ламинарный режим течения, так как число  не высокое и действует отрицательный градиент давления.

Однако число  согласно эксперименту в (5÷6) раз выше, чем дает ламинарная теория (формула (1)). Возможно, проявляется детонационный эффект проникновения в ламинарный пограничный слой турбулентных пульсаций из внешнего течения. При  точки располагаются ниже линии согласно формуле (2), т.е. закона турбулентного теплообмена для дозвуковых течений.

Таким образом, для «стандартных условий» теплообмена К₁ = 0,323 и К₂ = 0,0296. В случае детонационной сверхзвуковой волны, имеем для ,  и для , .

Пути управления процессом напыления покрытия на металлическую подложку. Инструментом для напыления покрытий служила разработанная нами ракетная горелка [15, 16].

1. Способ сжигания топлива. Дожигание топлива (керосин) на преграде (покрытии). Коэффициент избытка окислителя α ˂ 1, сопло горелки – укороченное, процесс сжигания – детонационный. Процесс дожигания может интенсифицироваться до двух-шести раз. Окислитель добавляется струей на покрытие, горючее в струе – с избытком. Максимальные удельные потоки на преграде: от (2 до 15)·10⁶ Вт/м².

Для давления газа в камере сгорания горелки 0,5 МПа как и на покрытии частота колебания давления в камере составляет ≈ (500÷600) Гц, а на покрытии (преграде) снижается до 200 Гц. Это позволяет иметь наиболее интенсивный процесс напыления покрытия и до минимума снизить возможный процесс его разрушения. За счет сверхзвуковой скорости потока напыление может происходить без плавления частиц порошка.

2. Регулирование длиной струи горелки, истекающей из сопла. Безразмерная длина струи , где z – абсцисса струи (от среза сопла до преграды);  – радиус струи на срезе сопла. За максимальное значение коэффициента теплоотдачи от струи к покрытию для одного из режимов примем α₁ = 1000 Вт/(м²·К). Текущим значением является коэффициент теплоотдачи конвекций α от пограничного слоя газа в пятне растекания струи к поверхности покрытия. Тогда имеем следующие значения, указанные в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость от

Для Р_к.с. = 1 МПа, z = (0÷0,16) м, Т = (3000÷850) ⁰С,  = 3000 ⁰С – температура торможения (на покрытии), t_п = 300 ⁰С – температура в конце свободной струи,  = 3·10^-3 м,  = 10·10^-3 м (радиус струи).

Из таблицы 1 следует, что по длине участка «бочек» струи теплообмен уменьшается, поскольку пограничный слой газа неустойчивый, происходит частичный отрыв его от поверхности нагрева в результате резкого колебания давления в потоке за волной при встрече струи с покрытием этим участком. Уменьшается скорость и температура газа по длине z.

Предельные тепловые потоки в капиллярно-пористых покрытиях для хрупких материалов и металлов. Исследования проводились для покрытий, выполненных из гранита, туфа, кварца и мрамора. Сравнение осуществлялось с металлами (медь и нержавеющая сталь). Кроме предельных тепловых потоков определялись предельные напряжения сжатия и растяжения, удельная энергия разрушения покрытия [15, 16].

Предельные области тепловых нагрузок для естественных минеральных сред (гранит), не имеющих оплавления поверхности за счет сверхзвуковых скоростей потока с частицами в координатах q = f (δ, τ), представлены в [15].

Временные зависимости предельных тепловых нагрузок и термомеханических напряжений в зависимости от гранулометрического состава частиц приводятся в [15, 16].

В качестве примера [15] для q = 0,2·10⁷ Вт/м² и δ_1,2,3 = 0,2; 0,5; 1·10^-3 м оценим время полета частиц гранитного порошка τ_1,2,3 = 0,07; 0,2; 0,4 с. Гранулометрический состав «шелухи» определялся на сите в пределах (0,1÷0,5)·10^-3 м.

Сравнительная оценка капиллярно-пористых структур и покрытий показала их преимущества над другими системами охлаждения (тонкопленочными испарителями, тепловыми трубами, кипением в большом объёме на гладкой поверхности) [6, 12, 15].

Заключение. Системы охлаждения позволяют создавать мощные термодинамические и акустические экраны от детонационных высокотемпературных струй, препятствующие разрушению устройств и покрытий, и подбираются в зависимости от вида материала поверхности ограждения. Голографические интерферограммы иллюстрируют концентрацию деформаций, перемещений и термических напряжений в массиве при тепловых нагрузках до 4,2·10⁶ Вт/м². Капиллярно-пористая система охлаждения горелок показала высокую эффективность вплоть до предельного состояния металла камер сгорания и сопел (2·10⁶ Вт/м²). Полученные результаты могут быть распространены для горелок при модернизации дымовых труб, градирен, выполненных из железобетона, причем работы производятся с учетом экологии (в десятки раз сокращается расход охладителя). Разработанные наноразмерные поверхности в виде покрытий из природных (естественных) минеральных сред и позволяют, расширить критические тепловые нагрузки и управлять предельным состоянием покрытий. Определены перспективы исследований горелок с капиллярно-пористыми покрытиями, предназначенных для эффективного и управляемого напыления покрытий из различных природных материалов за счет динамических характеристик детонационного факела керосино-кислородных инструментов. Выявлены основные параметры термоинструмента и покрытий и исследованы пути управления процессами напыления. В результате решения термоупругостной задачи в пределах изменения удельных тепловых потоков от факела горелки в покрытие (2·10⁶ ÷ 2·10⁷) Вт/м² получено время полета частиц порошка, толщина покрытия, диаметр порошка, что подтверждено измерениями и оптическими наблюдениями.

Список литературы:

1. Shoukat alim Khan, Nurettin Sezer, Muammer Koç. Design, fabrication and nucleate pool-boiling heat transfer performance of hybrid micro-nano scale 2-D modulated porous surfaces. Applied Thermal Engineering. Volume 153, 5 May 2019, Pages 168-180. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.02.133
2. Wei Wang, Jianmin Gao, Xiaojun Shi, Liang Xu. Cooling performance analysis of steam cooled gas turbine nozzle guide vane. International Journal of Heat and Mass Transfer. Volume 62, July 2013, Pages 668-679. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.02.080
3. Wei Wang. Efficiency study of a gas turbine guide vane with a newly designed combined cooling structure. International Journal of Heat and Mass Transfer. Volume 80, January 2015, Pages 217-226. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.09.024
4. Xing Yang, et at. Turbine platform phantom cooling from airfoil film coolant, with purge flow. International Journal of Heat and Mass Transfer. Volume 140, September 2019, Pages 25-40. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.109
5. Seong Won Moon, et at. A novel coolant cooling method for enhancing the performance of the gas turbine combined cycle. Energy. Volume 160, 1 October 2018, Pages 625-634. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.035
6. Alexander A. Genbach, David Yu. Bondartsev, Iliya K. Iliev. Thermal Science. 2019, Volume 23, Issues 2, Pages 849 – 860. https://doi.org/10.2298/TSCI171016139G
7. Riadh Boubaker, Vincent Platel. Dynamic model of capillary pumped loop with unsaturated porous wick for terrestrial application. Energy. Volume 111, 15 September 2016, Pages 402-413. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.05.102
8. Gang Lei, Weirong Li, Qingzhi Wen. The convective heat transfer of fractal porous media under stress condition. International Journal of Thermal Sciences. Volume 137, March 2019, Pages 55-63. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.11.017
9. Поляев В.М., Генбач А.А. Анализ законов трения и теплообмена в пористой структуре. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение, №64, (1991), №4. с 86-96
10. Поляев В.М., Генбач А.А. Отрывной диаметр и частота отрыва паровых пузырей в пористых структурах. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение, №1, 1990, с. 69-72.
11. Поляев В.М., Генбач А.А., Пчелин А.Л. Термический способ разрушения материала. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение, №2, 1992, с. 104-110.
12. Поляев В.М., Генбач А.А., Бочарова И.Н. Интенсификация теплообмена и расширение теплопередающих возможностей пористой системы. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение, №1, 1993, с. 78-84
13. Поляев В.М., Генбач А.А., Бочарова И.Н. Локальные параметры парового пузыря в ячейке пористой структуры. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение, №2, 1993, с. 47-52
14. Поляев В.М., Генбач А.А. Влияние давления на критические тепловые потоки в пористых структурах. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение, №2, 1994, с. 105-109.
15. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Научная методика создания капиллярно-пористых систем охлаждения для элементов теплоэнергооборудования электростанций. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение, 2019, №3, с. 89-106. DOI: 10.18698/0236-3941-2019-3-89-106
16. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Моделирование термических напряжений, разрушающих пористые покрытие теплообменных поверхностей энергоустановок. «Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики», 2019, №21(3), с. 117-125. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-3-117-125
17. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. – М. Металлургия, 1992. – 432 с.
18. Газотермическое напыление. Под редакцией Л.Х. Балдаева. – М.: Маркет ДС, 2007. – 344 с.
19. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л., Ардатовская Е.Н. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. – Киев, Наукова думка, 1987. – 545 с.
20. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / пер. с яп. Под редакцией В.С. Степина, Н.Г. Шестеркина. – М.: Машиностроение, 1985. – 240 с.
21. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулетном пограничном слое. – М: 1985. – 320 с.
22. Авдуевский В.С., Галицейский Б.М., Глебов Г.А. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике / Под ред. В.К. Кошкина. – М., 1975. – 624 с.