Journals Conferences Monographies Textbooks Regulatorys Event GQW
Submit manuscript
Home / Journals / Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine engineering and technologies / Volume 2018 Issue 4 / CHARACTERISTICS OF HEAT TRANSFER IN FIRE TUBE OF MARINE GAS TURBINE ENGINE IN STARTING MODE
CHARACTERISTICS OF HEAT TRANSFER IN FIRE TUBE OF MARINE GAS TURBINE ENGINE IN STARTING MODE
Submit manuscript
To cite
Citations:

CHARACTERISTICS OF HEAT TRANSFER IN FIRE TUBE OF MARINE GAS TURBINE ENGINE IN STARTING MODE
Volodin Yuri Gorjanovich 1
Matveev Yury Ivanovich 2
Khramov Mikhail Yurievich 3
Authors:
1.  Kazan State University of Architecture and Engineering

2.  Caspian Institute of Sea and River Transport, Branch of Volga Academy of Water Transport

3.  Volga State University of Water Transport

Type:
Article
DOI:
https://doi.org/10.24143/2073-1574-2018-4-66-74
Pages:
from 66 to 74
Status:
Published
Received:
20.11.2018
Accepted:
21.02.2020
Published:
25.11.2018
Subject area:
UDK 532.526
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
fire tube of gas turbine engine, laminarization, temperature head, coefficient of heat transfer, frictional coefficient, gas flow
Abstract and keywords
Abstract (English):
The paper presents the results of experimental studies of heat transfer in a cylindrical tube, which is a simulation model of a fire tube. The experiments were performed on a gas-dynamic pipe of open type. The starting mode during operation of the gas turbine engine is one of the main modes in which failures sometimes occur. The failure may occur due to external heat transfer mode, when the thermal parameters of the gas flow exceed the calculated values and there takes place intense local heating of the streamlined surface of the structural element(s) of the engine. Experimental studies were carried out at different intensity of the increasing temperature of the working fluid, which allowed to fix the phenomenon of laminarization of the thermal turbulent boundary layer at the heat flow directed from the gas flow to the channel wall. In the event of laminarization phenomenon, the values of local heat transfer coefficients are reduced by 2.5-3 times. Since the discovery of this phenomenon, it has also been observed in various situations of accelerating the gas flow and even at high degrees of heating of the cylindrical pipe wall under stationary flow conditions. This phenomenon has been recorded for the first time in the non-stationary mode and the specified direction of the heat flow. The temperature head or temperature factor is proposed as a laminarization parameter of a turbulent boundary layer, and the boundary of the laminarization area of a turbulent boundary layer is Δ T ≥ 700 K.

Keywords:
fire tube of gas turbine engine, laminarization, temperature head, coefficient of heat transfer, frictional coefficient, gas flow
Text
Введение При эксплуатации газотурбинного двигателя (ГТД) обычно определяют четыре основных этапа, среди которых выделяется пусковой режим - один из важных и ответственных режимов. Пуск является самой ответственной операцией, т. к. в результате возгорания топлива за короткий промежуток времени очень быстро увеличивается температура рабочего тела, приводящая к существенному изменению величин всех параметров двигателя, а главным образом - увеличению температуры конструктивных элементов двигателя. И всё же в пусковом режиме двигателя возникают ситуации, когда происходит преждевременный отказ его работы с последующим разрушением конструктивных элементов. Причиной такого разрушения двигателя является локальный нагрев отдельных элементов, т. е. процесс теплоотдачи, происходящий за пределами камеры сгорания в осесимметричных жаровых трубах, где формируется нагретый газовый поток на входе в турбину, её вращающий. При пуске энергетической установки во время розжига резко увеличивается температура рабочего тела и изменяются его теплофизические свойства. Процесс этот сопровождается нестационарными эффектами [1, 2]. Когда температура рабочего тела достигает постоянной величины, формируются условия для ламинаризации турбулентного пограничного слоя (ТПС). Со времени открытия явления ламинаризации, вызванного ускорением потока за счёт изменения геометрии обтекаемого тела [4-8], оно также зафиксировано при отсосе газа из пограничного слоя [9], охлаждении обтекаемой поверхности [10], совместном воздействии охлаждения стенки и ускорения потока газа [6, 11-13], нагреве обтекаемой поверхности [14-16]. Количественная оценка выполнялась «универсально» по параметру ускорения независимо от условий, сформировавших это явление (v - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; w0 - скорость вне пограничного слоя, м/с; - дифференциал; - продольная координата, м). Кроме того, не делалось уточнения, речь идёт о воздействии на какой пограничный слой - динамический или тепловой. Экспериментальные исследования Экспериментальные исследования проведены на газодинамическом стенде разомкнутого типа с электродуговым подогревом рабочего тела. Принципиальная схема приведена на рис. 1. Рис. 1. Принципиальная схема газодинамического стенда: 1 - плазмотрон; 2 - форкамера; 3 - выравнивающие решётки; 4 - опытный канал; 5 - термопары хромель-алюмелевые; 6 - термопары хромель-копелевые; 7 - подводящие проводники; 8 - расходомер; 9 - образцовые манометры; 10 - регулировочный кран; 11 - запорный кран; 12 - фильтр грубой очистки; 13 - фильтр тонкой очистки; 14 - запорный клапан Плазмотрон 1 выполнен по однокамерной схеме с вихревой стабилизирующей круткой дуги и состоит из анода и катода, установленных в обойму из органического стекла. Сжатый воздух подаётся в рабочую камеру плазмотрона через тангенциальное отверстие в обойме. К выходному фланцу плазмотрона пристыкована форкамера 2 с выравнивающими решётками 3 [17], которые совместно с профилированным по кривой Витошинского соплом обеспечивают равномерное распределение скоростей и температур на входе в опытный канал 4. Коэффициенты искажения wlср/wlmax и Tlср/Tlmax составили не менее 0,97. В качестве имитационной модели жаровой трубы был выбран осесимметричный цилиндрический канал. Опытный канал 4 представляет собой цилиндрическую трубу диаметром D = 45 мм, выполненную из нержавеющей стали и составленную из отдельных секций длиной D, с толщиной стенок 0,08 мм. Индуктивными датчиками давления ДМИ и термопарами хромель-алюмелевыми 5 и хромель-копелевыми 6 диаметром 40∙10-6 м измерялись полное давление р0* и температура на входе в опытный канал Т0, распределения по длине канала температуры стенок Тw, динамического напора на оси канала, статического давления Δрст и пристенных касательных напряжений трения τw [18-19]. Информация от первичных преобразователей температуры и давления через 8-канальные модули аналогового ввода ADAM 4019 и RS - 232/485 поступала в компьютер. Заданные температурные режимы обеспечивались перераспределением подачи холодного воздуха в форкамеру. Для уменьшения эрозии катода в зону дуги плазмотрона подавался аргон, доля которого составляла 1,5-2,0 % от расхода воздуха. Расходы аргона и воздуха регистрировались расходомерами 7. Метрологические исследования [20-21] характеристик измерительных систем показали, что системы не имеют искажений амплитуды и фазы во всём диапазоне измерений. Диапазон изменения числа Рейнольдса Re1, построенного по среднерасходной скорости, составил Re1 = 30 000-60 000, температуры рабочего тела - Т = 293-1 500 К с градиентом температуры до 12 000 К/с. Среднеквадратичные погрешности измерения температуры и коэффициентов трения и теплоотдачи в опытах не превысили 1,6, 9,2 и 9,5 % соответственно. Результаты исследований При увеличении температуры газового потока уменьшается плотность и увеличивается вязкость рабочего тела, в результате увеличивается скорость потока, т. к. массовый расход его остаётся постоянным. Увеличение скорости во времени достигает м/с с градиентом изменения температуры на входе в опытный канал до 12 000 К/с (t = 0,04 с). Температурный фактор jh = Tw/T0 уменьшается по величине от 1 до 0,25. С увеличением температуры T0 газового потока формируется нестационарный процесс теплоотдачи продолжительностью около 0,1 с. В этом интервале времени формируются величины температурного напора T0-Tw, скорости потока w0, чисел Re, параметра ускорения K и коэффициента теплоотдачи St, которые в рассматриваемом временном интервале t > 0,1, с, не изменяются по величине. Две кривые построены на рис. 2. Рис. 2. Изменение величины коэффициента теплоотдачи в функции времени Кривая 1 - это зависимость St = f(t) [22] для турбулентных (1) а кривая 2 для ламинарных режимов течения (2) В рассматриваемом временном интервале около кривой 2 сгруппировались опытные точки. При этом среднерасходное число Рейнольдса равно величине Re = 18 800 и определяет режим движения рабочей среды турбулентным. Величина коэффициента теплоотдачи St определялась по выражению (3) По условиям эксперимента массовая скорость ρ0w0 есть величина постоянная. Плотность теплового потока qw определялась по выражению (4) В выражении (4) Δqw - это потери тепла, вызванные свободной конвекцией и за счёт лучеиспускательной способности поверхности опытного канала. Потери Δqw определялись согласно рекомендациям, приведённым в [23], и получились менее 10 % от величины qw. В выражении (4) первое слагаемое представляет собой произведение удельной теплоёмкости, плотности материала стенки канала, толщины стенки канала и временного градиента температуры стенки. Иллюстрация изменения величин Tw и ∂Tw/∂t приведена на рис. 3. Рис. 3. Изменения во времени величин Тw (1), ∂Tw/∂t (2) На графиках видно, что темп нарастания температуры Tw стенки является неизменной величиной. Отсюда следует, что плотность теплового потока qw есть величина неизменная. В свою очередь, qw входит в выражение (3), по которому определяется коэффициент теплоотдачи St. Из анализа выражения (3) следует, что единственной переменной величиной здесь является разность энтальпий. Изменение этой величины при выполнении экспериментальных исследований доказало, что превышение температурным напором значения граничной величины ΔT ≥ 700 К способствует тому, что опытные точки на рис. 4 группируются около кривой 2 вне зависимости от места расположения измерительного сечения по длине опытного канала и величины числа Re. Рис. 4. Зависимость величины коэффициента теплоотдачи St от числа Рейнольдса : 1 - выражение (1); 2 - выражение (2); 3 - аппроксимационная зависимость Увеличение в эксперименте времени работы плазмотрона показало, что с прогревом стенок канала и, как следствие, уменьшением величины температурного напора происходит обратное монотонное перемещение опытных точек от кривой 2 от ламинарного к турбулентному режиму течения. Период времени, в течение которого опытные точки присутствуют в окрестности кривой 2, определяется величиной температурного напора. При большей величине температурного напора потребуется большее количество времени для прогрева стенок канала и достижения граничной величины ΔT ≈ 700 К, ниже которой теплоотдача вновь начнёт увеличиваться. В рассматриваемом временном интервале величина коэффициента трения не изменяется. Учёт фактора неизотермичности позволил сгруппировать опытные точки в пределах точности эксперимента в окрестностях зависимости [22] (5) Проводя анализ экспериментальных работ, в которых исследовалось явление ламинаризации, Ю. Л. Нэш-Уэббер и Г. К. Оутс [24] сделали вывод о том, что параметр ускорения K является функцией характерного числа Re**. В поисках выражения для «границы» перехода от турбулентного режима течения к ламинаризованному авторы получили аппроксимационное выражение (6) которое определяет величину критического значения параметра ускорения Kгр. В рассматриваемой термогазодинамической ситуации присутствуют две причины ускорения потока: первая - ускорение за счёт производной скорости потока по продольной координате, т. е. продольный градиент давления, и вторая - ускорение за счёт производной скорости потока по времени, т. е. нестационарность. В нашей ситуации параметр ускорения состоит из двух слагаемых и , где - производная по продольной координате; - производная скорости по времени. Проведённое сравнение экспериментальных данных по величинам параметра K и его слагаемым и кривой, определяющей «границу» области ламинаризации, построенной по уравнению (6), показало, что во временном интервале ~ 0,02-0,05, с, величина параметра K достигает «границы» или переходит её в область ламинаризации. Здесь более 70 % величины параметра K приходится на долю слагаемого Kt. В функции продольной координаты параметр K увеличивается по направлению течения. Сравнение с результатами исследований других авторов, опубликованными в литературных источниках, показало, что наблюдается корреляция по характеру, величинам и направлению изменения чисел Рейнольдса Re01, Re**, Reh**, локальных коэффициентов трения и теплоотдачи, диапазону изменения характерного числа Re** ~ от 1 000 до 400, величине положительного градиента скорости м/с2. С учётом воздействия фактора нестационарности параметр ускорения можно определить по выражению (7) Однако обобщающий параметр трения позволяет произвести учёт воздействия разного набора дестабилизирующих факторов на динамический пограничный слой и его параметры при помощи формулы [25] (8) где z - параметр динамической нестационарности; λ - параметр продольного градиента давления. Обращает на себя внимание похожесть правых частей в выражениях (7) и (8). То есть можно записать тождество или (9) где . Отсюда следует, что параметр ускорения K является функцией обобщающего параметра трения , числа Reδ и коэффициента трения Cf , т. е. является характеристикой динамического пограничного слоя. Воздействие различных дестабилизирующих факторов, таких как, например, нестационарность, продольный градиент давления, вдув или отсос, двухфазность и др., как показано в [25], учитывается обобщающим параметром трения. Кроме того, влияние обобщающего параметра трения на величины коэффициентов переноса и другие характеристики динамического и теплового пограничных слоёв широко представлены в литературе [2-5, 8, 15, 22, 23]. Если перейти от параметра ускорения K к обобщающему параметру то получим (10) Путём подстановки критической величины параметра ускорения K в выражение (9) получим границу ламинаризации ТПС на поверхности [24] где Cf0 определяется по выражению (5). Согласно [25] для теплового ТПС есть свой обобщающий параметр теплоотдачи где - параметр тепловой нестационарности, - параметр продольного градиента энтальпии. В рассмотренной авторами ситуации условия теплообмена определяет температурный напор и, следовательно, целесообразным является утверждение признать его в качестве параметра ламинаризации теплового ТПС, а границы ламинаризации ТПС определять величиной температурного напора или температурного фактора. Выводы 1. Эффект ламинаризации теплового ТПС получен при резком увеличении температуры рабочего тела. Причиной ламинаризации ТПС в рассматриваемой ситуации является температурный напор, который определяет границы переходной зоны и границу области ламинаризации ТПС (ΔT ≥ 700 К). 2. При констатации явления ламинаризации ТПС в сложных термогазодинамических условиях необходимо делать разграничение, на какой именно динамический или тепловой пограничный слой произошло воздействие. При этом для каждого из ТПС должен быть свой параметр ускорения (Kдин или Kтепл) и границы. Авторы придерживаются мнения, что для оценки явления ламинаризации ТПС необходима классификация условий, послуживших источником формирования этого явления с соответствующим параметром, который характеризует эти условия и даёт количественную оценку. 3. Экспериментальные исследования подтвердили, что в пусковом режиме ГТД при соответствующих условиях может возникнуть явление ламинаризации ТПС, в результате проявления которого значения локальных коэффициентов теплоотдачи уменьшаются в 2,5-3 раза. В результате возможен локальный интенсивный нагрев обтекаемой поверхности, например одного из конструктивных элементов двигателя, который может быть причиной нарушения штатного процесса теплообмена, приводящей к отказу и разрушению двигателя.
References

1. Volodin Yu. G., Fedorov K. S., Yakovlev M. V. Nestacionarnye effekty i trenie pri zapuske energeticheskih ustanovok // Izv. vuzov. Aviacionnaya tehnika. 2006. № 1. S. 34.

2. Volodin Yu. G., Fedorov K. S., Yakovlev M. V. Nestacionarnye effekty i teploobmen v puskovom rezhime energeticheskih ustanovok // Izv. vuzov. Aviacionnaya tehnika. 2006. № 4. S. 41.

3. Volodin Yu. G., Fedorov K. S., Yakovlev M. V. Teploobmen pri puske energoustanovok // Dvigatelestroenie. 2006. № 2. S. 11.

4. Deych M. E. Tehnicheskaya gazodinamika. M.: Energiya, 1971. 596 s.

5. Deych M. E., Lazarev L. Ya. Issledovanie perehoda turbulentnogo pogranichnogo sloya v laminarnyy // Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal. 1964. T. 7. № 4. S. 18.

6. Bek L. H., Mess'e P. F., Kaffel R. F. Laminarizaciya turbulentnogo pogranichnogo sloya pri techenii v sople // Raketnaya tehnika i kosmonavtika. 1969. T. 7. № 4. S. 194.

7. Leont'ev A. I., Shishov E. V., Afanas'ev V. N., Zabolockiy V. P. Issledovanie pul'sacionnoy struktury teplovogo turbulentnogo pogranichnogo sloya v usloviyah laminarizacii potoka // Teplomassoobmen - VI: materialy 6-y Vsesoyuz. konf. po teplomassoobmenu (Minsk, sentyabr', 1980). Minsk: Izd-vo ITMO im. A. V. Lykova, 1980. T. 1. Ch. 2. S. 136.

8. Schukin V. K., Koval'nogov N. N., Voronin V. N. Turbulentnaya struktura, teplootdacha i trenie vnutrennih osesimmetrichnyh potokov s bol'shimi otricatel'nymi prodol'nymi gradientami davleniya // Teplomassoobmen - VII: materialy 7-y Vsesoyuz. konf. po teplomassoobmenu (Minsk, may, 1984). Minsk: Izd-vo ITMO im. A. V. Lykova, 1984. T. 1. Ch. 1. S. 176.

9. Datton R. A. Effects of Distributed Suction on the Development in Turbulent Boundary Layer // Report and Memoranda. Cambridge: Engineering Laboratory, 1958. N. 3155. 16 p.

10. Wisniewski R. I., Jack J. R. Resent Studies on the Effect of Cooling on Boundary Layer Transition at Mach 4 // J. of the Aerospace Sci. 1961. March. P. 250.

11. Bek L. H., Mess'e P. F., Kaffel R. F. Issledovanie techeniya i konvektivnogo teploobmena v konicheskom sverhzvukovom sople // Raketnaya tehnika i kosmonavtika. 1967. T. 4. № 10. S. 191.

12. Back L. H., Massier P. F., Gier H. L. Convective Heat Transfer in a Convergent-Divergent Nozzle // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1964. V. 7. P. 549.

13. Bek L. H., Kaffel R. F., Mess'e P. F. Laminarizaciya turbulentnogo pogranichnogo sloya pri techenii v sople - izmereniya profiley pogranichnogo sloya i harakteristik teploobmena na ohlazhdaemoy stenke // Teploperedacha. Ser.: S. 1970. T. 92. № 3. S. 29.

14. Kun K. V., Perkins H. K. Perehod ot turbulentnogo rezhima k laminarnomu dlya techeniya v trube so znachitel'nym izmeneniem fizicheskih svoystv // Teploperedacha. Ser.: S. 1970. T. 92. № 3. S. 198.

15. Benkston K. A. Perehod ot turbulentnogo techeniya gaza k laminarnomu v nagrevaemoy trube // Teploperedacha. Ser.: S. 1970. T. 92. № 4. S. 1.

16. Perkins H. D., Worsoe-Schmidt P. M. Turbulent Heat and Momentum Transfer for Gases in a Circular Tube at Wall-to-Bulk Temperature Ratios of Seven // Int. J. Heat and Mass Transfer. 1965. V. 8. P. 1011.

17. Povh I. L. Aerodinamicheskiy eksperiment v mashinostroenii. L.: Mashinostroenie, 1974. 479 s.

18. Repik E. U., Kuzenkov B. K. Issledovanie novogo metoda opytnogo opredeleniya poverhnostnogo treniya v turbulentnom pogranichnom sloe // Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal. 1980. T. 38. № 2. S. 197.

19. Volodin Yu. G., Marfina O. P., Bogdanov A. N., Cvetkovich M. S., Kuznecov A. B. Izmerenie kasatel'nyh napryazheniy treniya v nestacionarnom gazovom potoke // Datchiki i sistemy. 2009. № 2. S. 34.

20. Nikiforov A. N., Fafurin A. V., Fesenko S. S., Husnutdinov Sh. N. Issledovanie dinamicheskih harakteristik pnevmometricheskih priemnikov // Tr. metrolog. in-tov SSSR. Kazan': Izd-vo standartov, 1977. Vyp. 182 (242). S. 84.

21. Volodin Yu. G., Gil'fanov K. H., Marfina O. P., Zakirov I. F., Kazakov A. A., Kuznecov A. B., Ryzhakova Zh. S. Eksperimental'noe issledovanie teplovoy inercionnosti mikrotermopar // Pribory. 2008. № 4. S. 41.

22. Kutateladze S. S., Leont'ev A. I. Teploobmen i trenie v turbulentnom pogranichnom sloe. M.: Energoatomizdat, 1985. 320 s.

23. Miheev M. A. Osnovy teploperedachi. M.; L.: Gosenergoizdat, 1956. 392 s.

24. Nesh-Uebber Yu. L., Outs G. K. Inzhenernyy metod rascheta laminarizacii techeniya v sople // Teoreticheskie osnovy inzhenernyh raschetov. Ser.: D. 1972. T. 94. № 4. S. 205.

25. Volodin Yu. G., Marfina O. P. Granicy primeneniya matematicheskoy modeli nestacionarnogo techeniya neszhimaemogo gaza v osesimmetrichnyh kanalah // Vestn. Kazan. tehnol. un-ta. 2016. T. 19. № 6. S. 130.

This work is licensed under Creative Commons Attribution 3.0 Unported

Support Powered by Editorum,  Instructions
Login or Create
* Forgot password?