Монография

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРИСТЫХ СТРУКТУР

Монография

Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский Университет Энергетики и Связи им. Г. Даукеева»

А.А. ГЕНБАЧ, Д.Ю. БОНДАРЦЕВ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПОРИСТЫХ СТРУКТУР Монография

Алматы, 2023

Рецензенты:

Гашо Е.Г. доктор технических наук, профессор кафедры Промышленных теплоэнергетических систем, ФГБОУ ВО «НИУ Московский энергетический институт», г. Москва,

Российская Федерация

Устименко А.Б. доктор технических наук, директор ТОО «Плазматехника R&D», главный научный сотрудник НАО «Казахстанский Национальный Университет им. Аль-Фараби»,

г. Алматы, Казахстан

Кибарин А.А. кандидат технических наук, зав. кафедры «Тепловые энергетические установки», НАО «Алматинский Университет Энергетики и Связи им. Г. Даукеева», г. Алматы, Казахстан Рекомендовано к изданию Ученым советом Алматинского Университета Энергетики и Связи

им. Г. Даукеева (Протокол № 6 от 20.12.2022).

Коллектив авторов:

Генбач А.А. (Введение; Глава 3, Глава 4: Раздел 4.1., Заключение, Литература), вклад автора составляет - 6,25 печ. л.

Бондарцев Д.Ю. (Глава 1, Глава 2; Глава 4: Раздел 4.2., Глава 5), вклад автора составляет - 10 печ. л.

Г72 Повышение эффективности и надежности теплообменного оборудования с использованием пористых структур: монография / А.А. Генбач, Д.Ю. Бондарцев. – Алматы: АУЭС, 2023. – 260 с.

ISBN 978-601-358-045-6

В монографии рассматриваются актуальные вопросы теплоэнергетической отрасли, изучаемые в рамках дисциплины «Повышение эффективности и надежности теплообменного оборудования с использованием пористых структур». Показаны технические приложения использования пористых структур и покрытий в качестве интенсификаторов теплообмена в современном машиностроении и энергетике. Изложены методы экспериментального исследования процессов переноса в пористых структурах. Использованы интегральные и оптические методы (СКС, голография, фотоупругость, термоупругость). Подробно описаны идеи применения, методы исследований и дан детальный анализ полученных результатов. Основной задачей настоящего исследования является расширение отводимых тепловых нагрузок за счет действия поля массовых сил, создающего недогрев и скорость потоку охладителя. Это позволяет выделить предложенную систему охлаждения в новый класс теплоотводящих систем. Монография предназначена для научных, инженерно-технических работников, студентов технических вузов энергетического направления, в частности для бакалавров, магистрантов, а также для докторантов и аспирантов теплоэнергетических специальностей.

ISBN 978-601-358-045-6 УДК 621.3.11.22(075.8)

ББК 31.3 я73

© А.А. Генбач, Д.Ю. Бондарцев.

Алматинский Университет Энергетики и Связи им. Г. Даукеева, 2023

СОДЕРЖАНИЕ • ³

Содержание

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ...6

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ ...7

ПРЕДИСЛОВИЕ ...8

ОБ АВТОРАХ ...10

ВВЕДЕНИЕ ...12

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и критический обзор по существующим системам охлаждения высоконапряженных деталей и узлов ...17

1.1. Системы охлаждения высоконапряженных деталей и узлов 17 1.2. Капиллярно-пористые системы охлаждения ...24

1.3. Основные охлаждаемые элементы газотурбинных установок и их применение на ТЭС ...31

1.4. Системы охлаждения газотурбинных установок ...41

1.5. Капиллярно-пористые системы охлаждения ...53

ГЛАВА 2. КРИЗИС КИПЕНИЯ В КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОЙ СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ...82

2.1. Гидродинамическая модель кризиса теплообмена ...82

2.2. Сравнение исследованной капиллярно-пористой системы с другими авторами ...103

2.3. Кризис кипения жидкости в покрытиях ...110

2.4. Аналогия предельного состояния теплообмена в плохотеплопроводных малопористых капиллярных покрытиях и в парогенерирующих теплообменных поверхностях элементов теплоэнергоустановок ...116

2.5. Математическая модель предельного состояния поверхности охлаждения теплоэнергетических установок, покрытых пористыми структурами ...126

2.6. Результаты расчета и эксперимента предельного состояния капиллярно-пористых покрытий ...129 2.7. Разрушение капиллярно-пористых покрытий при

интенсивном тепломассопереносе ...140 ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования высокофорсированной

системы охлаждения элементов теплоэнергетических установок ...145 3.1. Экспериментальные стенды ...145 3.2. Условия проведения опытов ...151 3.3. Экспериментальное исследование

капиллярно-пористых образцов ...164 3.4. Результаты, анализ и обсуждение голографических

интерферограмм деформаций и напряжений в капиллярно- пористых покрытиях. ...167 3.5. Перспективы научных исследований ...171 ГЛАВА 4. Обобщение опытных данных, полученных в результате

исследования высокофорсированной системы охлаждения.

сравнительная оценка различных систем охлаждения ...174 4.1. Обобщение опытных данных ...174 4.2. Сравнение опытных данных ...183 ГЛАВА 5. Области применения

капиллярно-пористых систем ...188 5.1. Турбинные установки ...188 5.2. Методика исследования различных факторов влияния

на теплообмен в пористых системах охлаждения энергоустановок. Выделение системы

в отдельный класс. ...195 5.3. Методика проектирования

капиллярно-пористых систем ...202 5.4. Переходные режимы ПТУ и ГТУ электростанций ...205

СОДЕРЖАНИЕ • ⁵

5.5. Предельные тепловые потоки при переходных

режимах ПТУ и ГТУ электростанций. ...208 5.6. Предельные термические напряжения при

переходных режимах ПТУ и ГТУ электростанций ...216 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...221 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...228

Обозначения и сокращения

а – коэффициент

температурапроводности, м²/с;

α – коэффициент линейного расширения, К^-1;

α’ – угол микрослоя с поверхностью, град.;

α’’ – коэффициент избытка воздуха;

в_г – ширина ячейки сетки на просвет (размер поры), м;

δ_ф – гидравлический размер пор и толщина фитиля, м;

β – угол наклона системы охлаждения к вертикали, град;

С – теплоемкость, Дж/(кгК);

δ – толщина структуры, размер (толщина) частиц, м;

D̅_o.кр – средний размер парового конгломерата, отвечающий кризису кипения, м;

D̅_o – средний отрывной диаметр паровых пузырей в КПС, м;

d – размер (диаметр) зерен структуры, м;E – модуль Юнга (упругости), Н/м²; ε – пористость;

F, F_п – поверхность нагрева (охлаждения) и поверхность занятая паром, м²;

F_ф – сечение пористой структуры (фитиля), м²;

f ̅ – средняя частота генерации пузырей, с^-1;

G – удельный расход, кг/(м²с);

G_ж [y] – удельный расход жидкости, кг/(м²с);

G_охл – расход охладителя, кг/(м²с);

G_г – полный расход охладителя, кг/м²с;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Н, L – высота и длина поверхности нагрева, м;

h – высота, толщина (глубина

проникновения температурной волны в стенку), м;

2h – толщина пластины, м;

h’’ – глубина проникновения температурной волны в поверхность охлаждения, м;

Θ – эффективность охлаждения;

θ – угол смачивания (динамический угол), град;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(мК);

λ_кр – критическая длина волны между паровыми столбиками, м;

λ_ж, λ_эф – коэффициенты теплопроводности жидкости и эффективности, Вт/(мК);

К – коэффициент проницаемости, м²; К_у – условный коэффициент проницаемости, м²;

К_т.т. – коэффициент проницаемости фитилей тепловых труб (т.т.), м²; ν – коэффициент Пуассона (поперечного сжатия);

ν_ж – коэффициент кинетической вязкости жидкости, м²/с;

m – расход, кг/с;

m^б_ж – расход жидкости в баке, кг/с;

m₁, m₂ – расходы жидкости на входе в верхнюю и нижнюю магистрали, кг/с;

m_сл – расход жидкости на сливе, кг/с;

m_к – расход конденсата, кг/с;

m_ц.в. – расход циркуляционной воды, кг/с;

m_п – расход пара, кг/с;

m_воз – расход воздуха, кг/с;

m ̃ = m_ж/m_п – избыток жидкости;

n̅ – средняя плотность центров парообразования, м^-2;

η – коэффициент полезного действия (КПД), %;

ρ – плотность, кг/м³; Р – давление, Па;

∆Р – перепад давления (действующий напор), Н/м²;

∆Р_кап+g – суммарный действующий напор (массовый и капиллярный), Па;

σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

τ – время, с;

Q – удельная энергия разрушения, Дж/м³;

q – тепловая нагрузка, Вт/м²;

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ / НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ • ⁷

q_кр – критический тепловой поток, Вт/м²;

φ̅ʹ – среднее расходное влагосодержание;

φʹ_кр – критическое расходное влагосодержание;

R, r – радиус, м;

R_с.п. – радиус «сухого» пятна, м;

R [y] – радиус мениска жидкости, м;

r ̅ – теплота парообразования, Дж/кг;

Т – температура, К;

t_ст – температура стенки, ⁰С;

t^б_ж – температура жидкости в баке, ⁰С;

t^сл_ж – температура жидкости слива, ⁰С;

t^вых_ж – температура жидкости на выходе, ⁰С;

t^вх_ж – температура жидкости на входе,

0С;

t_п – температура пара, ⁰С;

t^п_эл – температура электрической изоляции, ⁰С;

t_диф – дифференциальная температура,

0С;

Т_н – температура насыщения, К;

ΔТ – температурный напор (ΔТ = Т_ст – Т_н), К;

ΔТ_кр – критический температурный напор, К;

Т_охл – температура охладителя, К;

Т_л – температура лопатки, К;

U_кр – критическая скорость пара, м/с;

V – скорость, м/с;

W – объём сегмента, м³; W ̅ – средняя скорость, м/с;

x, y, z – координаты по направлению движения жидкости и пара (z), м.

Нормативные ссылки

ГТУ – газотурбинная установка;

ПТУ – паротурбинная установка;

ТЛ – турбинная лопатка;

ТТ, т.т. – тепловая труба;

КПСО – капиллярно-пористая система охлаждения;

КПП – капиллярно-пористые покрытия;

КПС – капиллярно-пористые структуры;

КППМ – капиллярно-пористые порошковые материалы;

СКС-1М – скоростная киносъёмка (камера);

УТТ-6М2 – универсальный трансформатор тока;

ТСД-1000 – сварочный трансформатор;

РНО – регулятор напряжения;

ТЛ-4 – ртутный термометр;

РЭД – ротаметр;

ИВ – игольчатый вентиль;

Д523 – вольтметр;

А – амперметр;

Р – расходомер;

Г – гальванометр;

ст. – стенка;

ж. – жидкость;

п. – пар;

кр.сеч. – критическое сечение;

кр.,v – критический при скорости v;

ср. – средний;

у. – условный;

пр.сж. – предельное состояния от сил сжатия;

пр.раст. – предельное состояние от сил растяжения;

кап.+g – массовый и капиллярный;

кр. – критический (кризис);

г. – гидродинамический;

о.кр. – отрывной пузырь (конгломерат) в момент кризиса кипения;

с.п. – «сухое» пятно;

пл. – плавление (пластина);

б. – бак;

сл. – слив;

вх., вых. – вход, выход;

и. – изоляция;

эл. – электрический;

диф. – дифференциальная;

воз. – воздух;

эф. – эффективный;

ф. – фитиль;

н. – насыщение.

Предисловие

А

вторы планировали представить монографию как обобщение своих исследований за последние пятьдесят лет с разработкой новых достигнутых и неопубли- кованных результатов. Касательно «временной оси» иссле- дований авторов, то данные исследования авторами начались с 1970 г., когда тепловые трубы и пористые системы (в более общем случае), были редкостью. В литературе авторы мо- нографии приводят не только 90-е годы, когда проводились исследования теплообмена по регулярным структурирован- ным поверхностям, работающим при совместном действии различных полей, на кафедре Э-1 МГТУ им. Баумана под руководством профессора В.М. Поляева, но и свои иссле- дования в XXI веке, опубликованные в журналах Thomson Reuters, Elsevier, Web of Science, Scopus. Ранее системами ох- лаждения камер сгорания и сверхзвуковых сопел занимался д.т.н., проф., академик Поляев В.М., а в 90-е годы и один из авторов монографии под его руководством в МВТУ им. Бау- мана. Данными исследованиями мы продолжаем заниматься и сегодня на кафедре ТЭУ АУЭС им Г. Даукеева, т.к. растут форсировки процессов сжигания топлива, в т.ч. сейчас мы перешли на детонационное сжигание, а значит требуется ис- следовать и более интенсивные системы охлаждения.

Объект исследования – новая система, позволяющая управлять теплообменом за счет совместного действия ка- пиллярных и массовых сил и ее термогидравлическими характеристиками. Основное назначение данной системы – повышение форсировки теплообмена и расширение пре- дела отвода тепловых нагрузок, т.е. критических значений в пористых структурах и покрытиях. Однако при наступлении кризиса кипения различные авторы известных нам работ не изучали предельное состояние поверхности нагрева (ох-

ПРЕДИСЛОВИЕ • ⁹ лаждения), например, в приведенных авторами источниках.

Исследователей интересовали кризисы кипения различного рода (первого, второго, третьего) как гидродинамического, так и термодинамического характера.

Определение прочностных характеристик капилляр- но-пористых покрытий различными авторами производи- лось в статическом и низкотемпературном режиме (при комнатной температуре). Однако в динамических режимах работы покрытий роль разрушающих напряжений не вы- яснялась. Поэтому авторами поставлена задача определить роль термических разрушений во времени действия тепло- вого потока (вплоть до наступления q_кр), что актуально при пуско-остановочных режимах работы котлотурбинных уста- новок.

Новым также является то, что определялись внутренние характеристики теплообмена, которыми можно управлять за счет совместного действия полей давления, гравитации и ка- пиллярного потенциала. Казалось бы, что внутренние харак- теристики кипения исследовались многими авторами, но не для капиллярно-пористых покрытий. Также и для предель- ного состояния покрытия – роль различного вида напряже- ний оказалась не очевидной. Аналогично в истории развития теплоэнергетики десятки лет не обсуждались усталостные термические напряжения в классических учебниках. И толь- ко относительно недавно в учебной литературе, а также в нормативно-технической документации и в инструкциях за- водов - изготовителей теплоэнергетического оборудования эти виды напряжений являются обязательными, в т.ч. при расследовании причин аварий и несчастных случаев.

Генбач Александр Алексеевич (1952 г.р., г. Алматы) - доктор технических наук, про- фессор ВАК, профессор кафедры «Тепловые энергетические установки (ТЭУ)» НАО Ал- матинского университета энергетики и связи им. Г. Даукеева.

Учился в Казахском политехническом институте в городе Алма-Ате и окончил Ал- матинский энергетический институт по специ- альности инженер-теплоэнергетик. Закончив аспирантуру, успешно защитил кандидатскую диссертацию в Московском энергетическом ин- ституте.

C 1990 по 1992 год успешно прошел обучение в докторантуре МГТУ им. Баумана города Москвы с защитой докторской диссертации.

Генбач Александр Алексеевич работает в Алматинском универси- тете энергетики и связи в должности профессора. На высоком уровне чи- тает лекции по дисциплинам: «Паровые турбины ТЭС и АЭС», «Мето- ды научных исследований», «Повышение эффективности и надежности теплообменного оборудования с использованием пористых структур» и

«Современные проблемы теплоэнергетики и теплотехнологий».

На протяжении более 50 лет, Александр Алексеевич занимается вопросами капиллярно-пористых систем, в том числе защиты от зем- летрясений оборудования ТЭС, повышения надежности и экономично- сти его работы, управления энергетическими процессами, управления очисткой пылегазовыми выбросами, решение продовольственной про- граммы, а также горелками ракетного типа, теплозащитными покрыти- ями, циклонами и криогенными устройствами для работы с минераль- ными средами, сверхпрочными материалами, подпочвенным поливом и управлением цветением плодовых деревьев, фильтрами, не требующими регенерации, область научных интересов опубликована более чем в 540 научных трудах и патентах.

Scopus Author ID: 6603206395 E-mail: [email protected]

ОБ АВТОРАХ • ¹¹

Бондарцев Давид Юрьевич (1991 г.р., г. Жаркент) - PhD, доцент кафедры «Тепловые энергетические установки (ТЭУ)» НАО Ал- матинского университета энергетики и связи им. Г. Даукеева.

В 2013 году закончил Алматинский уни- верситет энергетики и связи, (Бакалавр техни- ки и технологий по специальности Теплоэнер- гетика).

С 2013 года по 2019 год занимал должность ведущего инженера отдела производственного планирования и контроля АО «Трест Средазэ- нергомонтаж» - крупнейшего диверсифицированного строительного холдинга, реализующий масштабные проекты в сфере тепло- и электро- энергетики.

В 2015 году защитил магистерскую диссертацию в Алматинском университете энергетики и связи (Магистр техники и технологий по специальности Теплоэнергетика).

С 2016 по 2019 год успешно прошел обучение в докторантуре АУЭС им. Г. Даукеева города Алматы, с защитой докторской диссерта- ции (Доктор философии (PhD) по специальности Теплоэнергетика).

Бондарцев Давид Юрьевич работает в Алматинском университете энергетики и связи в должности доцента. Ведет курсы: «Теплофикация и тепловые сети» и «Энергоаудит и мониторинг ТЭС».

На протяжении более 10 лет, Давид Юрьевич занимается вопро- сами систем охлаждения с применением капиллярно-пористых структур и покрытий, тепловой защитой высоконагруженных деталей и узлов те- плоэнергетического оборудования ТЭС, область научных интересов опу- бликована более чем в 100 научных трудах.

Scopus Author ID: 57202869716

Web of Science Researcher ID: AFD-9189-2022 ORCID: 0000-0001-8778-7851

E-mail: [email protected]

Введение

П

рименение пористых материалов в энергетиче- ской технике привлекали многих исследователей для создания различных устройств. Повышались интенсив- ность теплоотводящих систем и форсировка протекающих в них процессов [1-3]. Использование пористых материалов помимо систем охлаждения позволяло создавать агрегаты, в которых решались проблемы взрывобезопасности, охраны труда и долговечности [4-6]. Этому способствовала возмож- ность управлять процессами парообразования за счет избыт- ка жидкости в порах и капиллярах структур, создаваемого совместными действиями капиллярных и массовых сил [7- 9]. В тепловых энергетических установках (ТЭУ) ка- пиллярно-пористые материалы используются для охлаж- дения высокофорсированных детонационных горелочных устройств [1-2, 4-5], создания пароохладителей в паровых котлах [6-9], маслоохладителей, исключающих попадание масла в охлаждающую воду и воды в систему подшипников [10], лабиринтных уплотнений [11] и в высокотеплонапря- женных деталях газотурбинных установок [1-11].

При уровне температуры газа перед ГТУ около 1600…1700 К, суммарная величина расхода воздуха на ох- лаждение может составлять от 10 до 15% при составляющих лопаток соплового аппарата первой ступени 6…9%, лопаток рабочего колеса 2.5…3.5%, соплового аппарата второй сту- пени 2%, лопаток рабочего колеса 1…3%, диска 1%. Темпе- ратура материала рабочих лопаток поддерживается при этом не более чем 1100…1300 К.

Высокие значения температуры охлаждающего возду- ха и ее рост с повышением мощности компрессоров в ГТУ последующих поколений осложняют эффективность охлаж-

ВВЕДЕНИЕ • ¹³ дения, требуя все большего относительного расхода охлаж- дающего воздуха, а это ведет к снижению эффективности от повышения компрессора, например, возрастанию расхода топлива.

Увеличение температуры газа, прежде всего, ограничи- вается прочностью рабочих лопаток турбины. Решение зада- чи повышения температуры газа при сохранении необходи- мой надежности работы элементов газовой турбины идет по двум направлениям: дальнейшее повышение жаропрочности и жаростойкости материалов, а также разработка керамиче- ских и спеченных материалов для ТЛ. Опыт показывает, что решение этой проблемы связано с большими трудностями.

Средний темп прироста температуры газа благодаря повы- шению жаропрочности металлических материалов за по- следние 20 лет не превышает 10 К в год. В настоящее вре- мя ТЛ, выполненные из лучших сплавов на основе никеля и кобальта, могут работать длительное время без охлаждения при температуре газа не выше 1250 К.

Керамические и спеченные материалы почти не изменя- ют своих механических свойств при нагреве до 1500…1550 К. Однако их низкая пластичность, повышенная чувствитель- ность к вибрациям, ударным нагрузкам и местным концен- трациям напряжений пока не позволяют их применять в ГТУ.

Другим, наиболее важным направлением повышения температуры газа перед турбиной является охлаждение сопло- вых и рабочих лопаток [5, 9], а также других наиболее нагре- тых и нагруженных деталей турбины [8]. Возможности даль- нейшего повышения жаропрочности высоколегированных металлических сплавов не исчерпаны. Благодаря применению охлаждения лопаток среднегодовой темп прироста температу- ры газа перед турбиной возрос до 25 К.

Основные области практического применения капилляр- но-пористых систем защищены патентами и авторскими сви-

детельствами на изобретения [1-11]. Внедрение оборудования и технологических процессов в энергетике должно произво- диться прежде всего с эколого-экономических позиций. Пред- лагаемые разработки будут способствовать проведению про- цессов, существенно улучшая и сохраняя природную среду.

Актуальной задачей в силовых энергетических уста- новках электростанций является создание степени охлаж- дения восокотеплонапряженных деталей и узлов. К ним можно отнести камеры сгорания [2], сопла и лопатки [5] га- зотурбинных агрегатов. В системах охлаждения протекают процессы пузырчатого кипения жидкости (воды) [6]. При высоких тепловых нагрузках не исключается наступление кризисной ситуации с возможным перегревом теплообмен- ной стенки [7].

Для поверхностей с пористым покрытием этот вопрос особенно актуальный, т.к. в них время роста пузыря в де- сятки раз меньше, резко изменяются гидродинамические условия подпитки жидкостью и, следовательно, может уве- личиться время пребывания пара у стенки, что исключит контакт жидкости с поверхностью теплообмена, несмотря на большой избыток жидкости.

Требуется дальнейшая разработка и исследование вы- сокофорсированной системы охлаждения элементов ГТУ тепловых электростанций, так как с ростом начальной тем- пературы газов растет тепловая экономичность цикла ГТУ и уменьшается расход воздуха. Вместе с тем рост начальной температуры ограничен допускаемыми термическими на- пряжениями в рабочих лопатках. В результате в ГТУ началь- ные температуры газа значительно ниже теоретически воз- можных, снижение температуры элементов газовой турбины в результате охлаждения позволяет поднять термодинамиче- ский потенциал цикла ГТУ за счет увеличения начальной температуры рабочего газа.

ВВЕДЕНИЕ • ¹⁵ Система охлаждения не должна чрезмерно усложнять конструкцию турбины и схему ГТУ и, как следствие, повы- шать ее стоимость, требовать вмешательства обслуживаю- щего персонала при эксплуатации ГТУ, и должна надежно работать при пусках, остановках и на переходных режимах.

В связи с этим возникает необходимость создания но- вой системы охлаждения элементов газовых турбин и иссле- дования термических напряжений, возникающих в них под действием тепловых потоков.

Необходимо изучение системы охлаждения камеры сго- рания и сверхзвукового сопла для исследования критических тепловых потоков в пористой системе охлаждения, разработ- ка модели капиллярно-пористого покрытия, расчет величины qкр применительно к разработанной пористой системе ох- лаждения, проведение экспериментальных исследований при расчете величины ∆T_кр, оценка теплового потока, необходи- мого для разрушения единицы обьема пористого покрытия.

Теоретической и методологической основой исследо- вания послужили методы критического системного анализа, математического и физического моделирования. Обьектом исследования являлись капиллярно-пористые структуры и покрытия в элементах газотурбинных установок.

Экспериментальные исследования проводились с по- мощью фото – кинематографических наблюдений. Теплооб- менные характеристики измерялись интегральными и опти- ческими методами.

Высокофорсированная капиллярно-пористая система охлаждения полезна применительно к камерам сгорания, сопловым и лопаточным частям газотурбинных установок, что позволяет понизить температуру их поверхностей по сравнению с температурой газа до уровня, при котором обе- спечивается их надежная работа в течение требуемого срока службы.

Если на сегодняшний день начальная температура газа перед турбиной составляет ≈ 700-750 ⁰С, то новая капилляр- но-пористая система охлаждения способна работать при на- чальных температурах ≈ 1700 ⁰С, при этом имеется возмож- ность форсировки режимов [2].

Полученные обобщенные зависимости позволили соз- давать методики и алгоритмы тепловых и гидравлических расчетов газотурбинных турбоустановок с капиллярно-по- ристыми системами охлаждения.

Применительно к лопаткам - конструктивные схемы охлаждения, т.е. совокупность каналов, отверстий, щелей и полостей в различных их сочетаниях, посредством которых осуществляется ввод охлаждающей среды в лопатку и рас- пределение ее внутри для обеспечения требуемого отводы теплоты от ее отдельных участков. Разработанный на базе полученных результатов системный подход полезен при вы- боре оптимальных технических решений при проектирова- нии новых высокофорсированных газотурбинных установок (в условиях заводов-изготовителей газотурбинных устано- вок).

Проведена аналогия в процессах разрушения хрупких капиллярно-пористых покрытий и металлических парогене- рирующих поверхностей газотурбинных установок.

ГЛАВА 1 • ¹⁷

Глава 1. Состояние вопроса и критический обзор по существующим системам охлаждения

высоконапряженных деталей и узлов

1.1. Системы охлаждения высоконапряженных деталей и узлов

В форсированных устройствах применяют проточное охлаждение. К проточному охлаждению относятся: воздуш- ное, жидкостное, испарительное, газожидкостное, частным случаем которого является воздушно-водоиспарительное ох- лаждение.

При удельных тепловых потоках через охлаждаемые поверхности до 2000 Вт/м² [1] широко используется воз- душное охлаждение. Малая теплоемкость воздуха и низкий коэффициент теплоотдачи при воздушном охлаждении де- лают его непригодным при более мощных тепловых нагруз- ках. Существенно увеличивается коэффициент теплоотдачи для воздуха при искусственной турбулизации пограничного слоя: закрутка потока, применение шероховатостей, вставок, использование эффекта центробежных сил и другие виды.

Однако и эти эффективные формы теплообмена не могут обеспечить отвод удельных тепловых потоков в современ- ных газотурбинных агрегатах.

Коэффициент теплоотдачи при охлаждении водой при- мерно на два порядка выше, чем при воздушном, что позво- ляет поддерживать более низкую температуру охлаждаемых поверхностей. Предложено для охлаждения элементов ис- пользовать испарительное охлаждение.

К недостаткам испарительной системы охлаждения относятся: возможность возникновения кризисных явлений, конструктивная сложность. Неравномерность распределе-

ния тепловых нагрузок между элементами конструкций, их изменение во времени нарушают устойчивость циркуляции, вызывают скачки температуры стенки металла и появление усталостных трещин. Все это снижает надежность работы охлаждающих поверхностей нагрева.

Известна замкнутая система охлаждения с вынесен- ным испарителем и высокотемпературным теплоносителем.

Такая схема позволяет охладить элементы конструкции при небольшом давлении, а тепло использовать для получения пара. Однако из-за сложности и особых требований по тех- нике безопасности, предъявляемых к этой схеме она не по- лучила применения.

Испарительное охлаждение не кипящей водой заклю- чается в том, что элементы оборудования охлаждаются во- дой с одновременным воздушным охлаждением. Обычно та- кое охлаждение осуществляется пленкой воды, стекающей по поверхности охлаждения, обдуваемой воздухом. Вода за счет испарения и частично конвекции отдает отбираемое тепло воздуху. Коэффициент теплоотдачи к пленке воды ниже, чем при водяном охлаждении, а испарение с поверх- ности пленки в воздух также менее интенсивно.

Большая эффективность охлаждения по отношению к воздушному объясняется испарением влаги с поверхности пленки, интенсифицирующим конвективный теплообмен.

Схема охлаждения сложна в конструктивном решении. Труд- но создать устойчивую пленку на поверхности при высоких тепловых потоках. Даже кратковременное оголение стенки может привести к локальным перегревам.

Существенным достоинством обладает воздушно-во- доиспарительное охлаждение, представляющее собой ох- лаждение увлажненным воздухом, содержащим водяной пар и мелкодисперсную влагу. При таком охлаждении снижается начальная температура холодоносителя во время его увлаж-

ГЛАВА 1 • ¹⁹ нения, увеличивается интенсивность отвода тепла за счет интенсивного испарения диспергированной влаги и снижа- ется средняя и конечная температура холодоносителя.

В первой стадии происходит адиабатическое увлаж- нение воздуха и снижение его температуры на 10–20 °С.

Увеличение паросодержания воздуха осуществляется путем частичного испарения распыляемой влаги. Дальнейшее ис- парение влаги в воздухе идет при охлаждении поверхности.

Интенсивность теплоотдачи при воздушно-водоиспа- рительном охлаждении значительно больше, чем при воз- душном, и чаще выше, чем при испарительном охлаждении не кипящей водой. Возрастание коэффициента теплоотдачи связано с испарением части влаги с поверхности охлажде- ния, турбулизацией мелкодисперсными каплями погранич- ного слоя воздушного потока и лучистым теплообменом между стенками и капельками влаги. При высоких тепловых нагрузках наступает резкое ухудшение теплоотдачи. Это связано с увеличением количества капель, не достигающих стенки и не смачивающих ее.

Описанные схемы с применением газожидкостных дисперсоидов усложняются оросительными камерами, се- парационными и дренажными устройствами. Поэтому пред- стояло провести поиск новых систем охлаждения.

Эффективным видом защиты элементов может слу- жить охлаждение, осуществляемое путем создания на вну- тренней поверхности стенки низкотемпературного слоя жидкой пленки. Разновидностью внутреннего охлаждения является транспирационное, основанное на использовании пористых материалов и осуществляемое путем продавлива- ния охлаждающей среды сквозь пористую стенку [1].

При использовании в качестве защиты стенки аблиру- ющих материалов, имеющих в своем составе синтетические органические вещества. Одним из продуктов разложения,

которых является углерод, образуется на поверхности слой пористого кокса. Последний, обладая низкой теплопрово- дностью и высокой жаростойкостью, хорошо теплоизоли- рует аблирующее вещество и резко уменьшает скорость его разложения. При теплозащите термостойкими покрытиями необходим подбор материалов, выдерживающих высокий нагрев без разрушения с низким коэффициентом теплопро- водности.

С развитием керамических, пластмассовых и стекло- волокнистых материалов появился ряд составов, пригодных для использования в качестве термостойких покрытий. Од- нако эти материалы требуют тщательной проверки на совме- стимость. При подборе соответствующей толщины аблиру- ющего или термостойкого инертного покрытия, можно было бы полностью исключить наружное охлаждение.

Представляет интерес интенсификация теплообмена в каналах путем применения волнистой шероховатости. Кана- лы имеют последовательное расположение конфузоров-диф- фузоров и нашли применение в регенеративных воздухопо- догревателях. По сравнению с гладкими каналами в области переходного режима течения теплообмен улучшается в 1.5–

3.3 раза.

Теплообмен в трубах с пластичными, полосовыми за- кручивателями, завихрителями типа шнека интенсифициру- ется в 1.2–2 раза, и достигает до 160 Вт/(м²К), при этом так- же увеличивается гидравлическое сопротивление. Однако воздействие на поток турбулизирующими вставками (диски, закрутка) не эффективно, ибо сопровождается интенсифика- ция с сильным ростом энергозатрат, возникают затруднения при чистке отложений.

Таким образом, потребовалось разработать новую систему [1], которая могла бы удовлетворить требованиям взрывобезопасности работы оборудования. Такой системой

ГЛАВА 1 • ²¹ явилась капиллярно-пористая, которая представляет собой новый класс теплоотводящих систем. В ней вместе с капил- лярным потенциалом используется массовый.

Предельное и запредельное состояние пористых по- крытий исследовалось методами голографии, фотоупруго- сти (оптико-поляризационный метод) и методом термоупру- гости с одновременной съемкой скоростной кинокамерой [1]. Расширение предела отвода тепловых нагрузок (кризиса кипения) и дальнейшей интенсификации теплопередачи до- стигалось за счет управления процессами разделения энер- гии на тепловую волну и поток пара и создания с помощью нескольких тепловых источников тепловых экранов [2]. На- личие массовых сил, создающих недогрев и вынужденный поток тепло-холодоносителя, значительно отодвигало кри- зис кипения [6]. Одновременно наблюдалось воздействие на внутренние (термогидравлические) характеристики кипения путем наличия избытка жидкости в структуре и на ее по- верхности [9]. Обобщение опытных данных позволило рас- считывать тепловые потоки, коэффициенты теплопередачи, включая предельное состояние [10].

Приведем краткую информацию об основных капилляр- но-пористых системах. С целью охлаждения масла в схему маслоснабжения включают маслоохладитель. Разработаны варианты конструктивного выполнения устройства на осно- ве капиллярно-пористой структуры для охлаждения масла в энергоустановках, которое позволяет исключить загрязнение водного бассейна и почвы нефтепродуктами, так как серьез- ной проблемой на ТЭС является загрязнение воды и почвы [1].

Исследованы капиллярно-пористые структуры для уменьшения термических напряжений в стенках пароохла- дителей и барабанов котлов. Капли жидкости, попадая на пористую структуру, распределяются в ней капиллярны- ми силами, что исключает их взаимодействие с ограждаю-