2
Содержание
стр.
Список принятых сокращений и основных условных обозначений 6
Введение...........................................................8
Глава 1. Проблемы охлаждения и топливоподачи в энергоустановках и техносистемах на жидких углеводородных горючих и охладителях..........................................................16
1.1. Анализ теплофизического состояния жидких углеводородных
горючих и охладителей в энергоустановках и техносистемах..........16
1.1.1. Анализ источников нагрева жидких углеводородных горючих
и охладителей.....................................................16
1.1.2. Особенности теплоотдачи к жидким углеводородным горючим
и охладителям.....................................................20
1.2. Анализ процесса осадкообразования..................................20
1.2.1. Негативность процесса осадкообразования..........................20
1.2.2. Условия возникновения и свойства углеродистого осадка............22
1.2.3. Существующие и перспективные способы
борьбы с осадкообразованием.......................................26
1.3. Свойства жидких углеводородных горючих и охладителей..............28
1.4. Анализ методик расчёта теплоотдачи к жидким
углеводородным горючим и охладителям..............................30
1.4.1. Методики расчёта теплоотдачи до процесса осадкообразования................................................30
1.4.2. Методики расчёта теплоотдачи при наличии слоя
углеродистого осадка..............................................31
1.5. Анализ влияния электрических полей на тепловые процессы
в жидких углеводородных горючих и охладителях.....................33
1.5.1. Обзор научных исследований электрических полей...................33
1.5.2. Анализ методик расчёта влияния электрических полей
на тепловые процессы в различных жидкостях........................39
3 ■
1.5.2.1. Разновидности электростатических полей и рабочих участков 39
1.5.2.2. Анализ методик расчёта влияния электрических полей
на коэффициент теплоотдачи в жидких средах......................39
1.5.2.3. Анализ существующих критериев подобия электрической конвекции.......................................................41
1.5.2.4. Анализ методик расчёта влияния электростатических полей
на процесс осадкообразования....................................43
1.6. Анализ применения средств и способов борьбы с осадкообразованием
в существующих энергоустановках и техносистемах на жидких углеводородных горючих и охладителях.......................45
1.6.1. Топливно-охлаждающие каналы....................................45
1.6.2. Форсунки.......................................................47
1.6.3. Системы контроля за тепловыми процессами.......................50
1.7. Анализ способов интенсификации теплоотдачи
в энергоустановках и техносистемах..............................50
1.8. Анализ способов определения характеристик электростатических
полей в жидких углеводородных горючих и охладителях.............51
1.9. Выводы по главе..................................................52
Глава 2. Экспериментальная установка и рабочие участки для
исследований в условиях естественной конвекции жидкого углеводородного горючего (охладителя)......................54
2.1. Экспериментальная установка и рабочие участки
для исследования теплоотдачи и осадкообразования
без электростатических полей....................................54
2.2. Экспериментальная установка и рабочие участки
для исследования теплоотдачи и осадкообразования с электростатическими полями...............................55
2.3. Экспериментальная оптическая установка Теплера...................58
2.4. Характеристика точности экспериментального оборудования..........59
2.5. Методика, планирование и обработка экспериментальных
4
исследований.....................................................61
2.6. Выводы по главе...................................................64
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований.....................65
3.1. Результаты экспериментальных исследований без применения
электростатических полей.........................................65
3.2. Результаты экспериментальных исследований
с применением электростатических полей...........................66
3.3. Результаты визуализации тепловых процессов в жидких
углеводородных горючих и охладителях без влияния и с влиянием электростатических полей......................73
3.4. Выводы по главе...................................................76
Глава 4. Разработка методик расчёта теплоотдачи и осадкообразования 78
4.1. Методики расчёта теплоотдачи и осадкообразования без влияния
электростатических полей.........................................78
4.1.1. Методика расчёта осадкообразования..............................78
4.1.2. Методика расчёта теплоотдачи при осадкообразовании..............80
4.2. Методика расчёта теплоотдачи при влиянии
электростатических полей.........................................81
4.2.1. Разработка критерия подобия электрической конвекции.............81
4.2.2. Методика расчёта влияния электростатических полей
на теплоотдачу до начала осадкообразования.......................85
4.3. Обобщение результатов экспериментальных исследований
и теоретических разработок.......................................85
4.4. Методика определения теплоотдачи при осадкообразовании
в условиях естественной и электрической конвекции жидких углеводородных горючих и охладителей.......................89
4.5. Выводы по главе...................................................91
Глава 5. Пути применения результатов исследований при создании
новой техники на жидких углеводородных горючих и охладителях...92
5.1. Разработка конструктивных схем форсунок ВРД.......................92
5
5.2. Разработка конструктивных схем каналов топливоподачи
и охлаждения энергоустановок и техносистем.......................97
5.3. Способ прогнозирования осадкообразования в ЭУМИ
на жидких углеводородных горючих и охладителях..................100
5.4. Способ предотвращения образования и роста углеродистых
отложений на стенках теплообменных каналов......................104
5.5. Способы определения характеристик электростатических полей
в жидких углеводородных горючих и охладителях...................106
5.6. Разработка наземной гидроустановки многоразового использования...! 11
5.7. Выводы по главе..................................................113
Глава 6. Разработка теоретических методик повышения
эффективности энергоустановок и техносистем на жидких углеводородных горючих и охладителях при осадкообразовании.114
6.1. Методика проведения функционально-стоимостного анализа
форсунки ВРД....................................................114
6.2. Номограмма для определения зоны предотвращения и ограничения
роста осадка на поверхности рабочей детали......................117
6.3. Метод учёта влияния силовых линий электростатических полей
на предотвращение осадкообразования на поверхности объёмных трёхмерных тел............................................121
6.4. Разработка параметров, определяющих тяговое совершенство
реактивных двигателей в зависимости от степени закоксованности форсунок..................................................123
6.5. Математическое моделирование осадкообразования
на искусственной шероховатости в виде конусной резьбы...........125
6.6. Анализ эффективности конструктивных схем новых форсунок ВРД... 129
6.7. Выводы по главе..................................................131
Заключение......................................................133
Список источников информации....................................138
Приложение......................................................164
6
Список принятых сокращений и основных условных обозначений
АЭС - атомная электростанция;
БПЛА - беспилотный летательный аппарат;
ВКС - воздушно-космический самолёт;
ВРД - воздушно-реактивный двигатель;
ГТД - газотурбинный двигатель;
ГТУ - газотурбинная установка;
ДЛА - двигатель летательного аппарата;
ДУ - двигательная установка;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
ЖРД - жидкостный ракетный двигатель;
ЖРДМТ - жидкостный ракетный двигатель малой тяги;
КЛА - космический летательный аппарат;
ЛА - летательный аппарат;
М - число Маха;
МКТС - многоразовая космическая транспортная система;
НИОКР - научно-исследовательская опытно-конструкторская работа; НПЗ - нефтеперерабатывающий завод;
НТК - научно-техническая конференция;
ОКС - орбитальная космическая станция;
ПТУ - паротурбинные установки;
PH - ракета-носитель;
СКД - сверхкритические давления;
СКП - сверхкритические параметры;
СМ - структурная модель;
ТА - теплообменные аппараты;
ТААК - термоакустические автоколебания давления;
ТН - теплоноситель;
ТРД - турбореактивный двигатель;
7
ТСМИ - техносистема многоразового использования;
ТФС - теплофизические свойства;
ТЭС - тепловая электростанция;
У ВТ - углеводородное горючее;
УВО - углеводородный охладитель;
ФМ - функциональная модель;
ФСА - функционально-стоимостной анализ;
ФСМ - функционально-структурная модель;
ФСД - функционально-стоимостная диаграмма;
ЭУ - энергетическая установка;
ЭУМИ - энергетическая установка многоразового использования;
ЯР - ядерный реактор;
FAST - (Functional Analysis System Technique) - техника системы функционального анализа; ôoc - осадкообразование; q - плотность теплового потока; а - коэффициент теплоотдачи;
сiq - начальное значение коэффициента теплоотдачи к УВГ (УВО) без электростатических полей; dp. - значение коэффициента теплоотдачи к УВГ (УВО) при влиянии электроконвекции;
Т - температура; р - давление;
Е - электростатическое поле (напряженность электростатического поля); U - напряжение тока;
Nu - критерий Нуссельта;
NuE - критерий Нуссельта при влиянии электроконвекции;
Gr - критерий Грасгофа;
Рг- критерий Прандтля.
8
Введение
Актуальность темы. Осадкообразование - тепловой процесс, который зависит от множества факторов, включая температуры стенки и углеводородного охладителя (УВО), время наработки, вид материала поверхности теплообмена и др. Например, в топливной системе ВРД образование осадков приводит к закоксовыванию форсуночных фильтров, каналов, распылителей, что ведёт к частичной или полной потере тяги, к изменению эпюры температурного поля газового потока, к короблению и прогару стенок жаровых труб и т.д. В ЖРД из-за интенсивного осадкообразования происходит быстрый рост температуры стенки рубашки охлаждения с дальнейшим её прогаром, а также возможен нерасчётный струйный распыл углеводородного горючего (УВГ) с прогаром стенок сопла. Образование осадков в разных энергоустановках может привести к заклиниванию подвижных деталей топливной системы. Из-за низкого значения теплопроводности углеродистые отложения способствуют снижению теплопередачи к жидким углеводородным теплоносителям не только в авиационных и ракетных двигателях, но и в различных теплообменных аппаратах. Искусственные поверхностные интенсификаторы теплоотдачи прекращают своё функционирование из-за заполнения всех углублений твёрдым углеродистым осадком. Существующие методы борьбы с осадкообразованием малоэффективны. Применение присадок к топливам не решает полностью проблему, т.к. они работают до определённых температур. Отсутствуют обобщённые и точные методики расчёта теплоотдачи при осадкообразован и и.
Известно, что интенсификация теплообмена возможна при помощи электрических полей. Отсутствуют методики расчёта коэффициента теплоотдачи при совместном влиянии осадкообразования и электрической конвекции. Также остаётся до конца неисследованным влияние электростатических полей на интенсификацию теплоотдачи и предотвращение осадкообразова-
9
ния на нагреваемой детали при помощи различных электродов. Необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования.
В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной исследованию теплоотдачи при осадкообразовании в условиях естественной и электрической конвекции жидких углеводородных горючих и охладителей, является актуальной.
Объект исследования: осадкообразование в среде жидкого УВГ (УВО).
Предмет исследования: теплоотдача при осадкообразовании на нагреваемой детали при естественной конвекции керосина ТС-1 без применения и с применением электростатических полей.
Цель работы: разработка методики расчёта теплоотдачи при осадкообразовании в условиях естественной и электрической конвекции жидких углеводородных горючих и охладителей.
Основные задачи исследования:
1. На основе обзора научно-технической, патентной литературы провести: а) анализ тепловых процессов в топливно-охлаждающих каналах энергоустановок и техносистем на жидких углеводородных горючих и охладителях; б) анализ конструктивных схем топливных канатов, форсунок энергоустановок и техносистем на жидких углеводородных горючих и охладителях.
2. Создать экспериментальную установку для исследования теплоотдачи при осадкообразовании в условиях естественной и электрической конвекции.
3. Провести экспериментальные исследования для выявления влияния образования осадков и электроконвекции на теплоотдачу в среде жидкого углеводородного горючего (охладителя).
4. Провести обобщение результатов экспериментов.
5. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать новые конструктивные схемы форсунок, топливно-подающих и охлаждающих каналов энергоустановок, способы прогнозиро-
10
вания и предотвращения осадкообразования, способы определения характеристик электростатических полей в жидких углеводородных горючих и охладителях.
Методы исследования: эксперимент, метод математической гипотезы, математическое моделирование.
Научная новизна.
1. Обнаружены эффекты: ограничения (затормаживания) роста углеродистого осадка на нагреваемой поверхности рабочей пластины с первоначальным слоем осадка в зоне прохождения силовых линий электростатических полей; увеличения площади предотвращения осадка на нагреваемой рабочей пластине при частичном пересечении внешних силовых линий электростатических полей при электродах типа «две (три) пары соосных игл»; увеличения коэффициента теплоотдачи от взаимного влияния гидравлических факелов электрического ветра от системы электродов «две (три) пары соосных игл»; влияния электрического ветра при увеличении числа пар соосных рабочих игл при до-, критических и сверхкритических давлениях на соответствующее повышение критической плотности теплового потока начала кипения (псевдокипения).
2. Получена новая расчётная зависимость толщины слоя осадка в среде жидкого углеводородного горючего (охладителя) с учётом его тепловой и электрической природы.
3. Получены критериальные уравнения с новым числом подобия электроконвекции.
3. На базе теоретических и экспериментальных исследований созданы методики расчёта теплоотдачи при осадкообразовании, электроконвекции.
4. Получены новые качественные параметры, характеризующие тяговое совершенство реактивных двигателей на жидких УВГ (УВО) в зависимости от степени закоксованности форсунок.
11
5. Разработаны и запатентованы: новые конструктивные схемы форсунок; головка кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя; вакуумная гидроустановка.
6. Разработаны новые способы: прогнозирования осадкообразования в энергоустановках на жидких углеводородных горючих и охладителях; предотвращения образования и роста углеродистых отложений на стенках теплообменных каналов; определения ресурса реактивного двигателя; определения характеристик электростатических полей в жидких углеводородных горючих и охладителях.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением аттестованных средств измерения, расчётом погрешности измерений, удовлетворительным согласованием данных, полученных экспериментально и теоретически.
Практическая и научная значимость. Разработанные методики расчёта толщины углеродистых отложений на нагретых деталях энергоустановок на жидких УВГ (УВО), определения теплоотдачи при осадкообразовании и электроконвекции в жидких УВГ' и УВО, номограмма и метод для определения зоны предотвращения и ограничения роста осадка на поверхности нагреваемой детали позволяют повысить точность тепловых расчётов и расширить диапазон экспериментальных исследований.
Разработаны новые конструктивные схемы форсунок, топливноохлаждающих и подающих каналов, новые способы прогнозирования и предотвращения осадкообразования, новые способы определения характеристик электрического ветра. Некоторые результаты исследований внедрены в новые разработки перспективных двигателей летательных аппаратов, в системы контроля аномальных эффектов тепловых процессов в жидких УВГ (УВО), в учебную и научную работу ряда вузов РФ. Дальнейшее внедрение результатов исследований позволит повысить надёжность, безопасность, ресурс энергоустановок, двигателей и техносистем на жидких УВГ (УВО).
12
Реализация основных положений диссертации. Некоторые результаты исследования, публикации, разработки и изобретения автора использованы в следующих организациях: в ОАО «КБ Электроприбор» в перспективные разработки систем подачи компонентов топлива энергосиловых установок в процессе выполнения НИР по обоснованию выбора эффективного варианта пульсирующего детонационного прямоточного двигателя для гиперзвукового беспилотного летательного аппарата (г. Саратов); в ФГУП «Научно-исследовательский институт стандартизации и унификации» при формировании программ и выполнении научно-исследовательских работ по созданию авиационной техники (г. Москва); в БГТУ им. Д.Ф. Устинова («Военмех») - в учебной и научной работе (г. Санкт-Петербург); в МГТУ им. Н.Э. Баумана в курсе «Системы питания двигателей наземного транспорта» (г. Москва); в КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева - в учебной и научной работе (г. Казань).
Рекомендации по использованию результатов исследования: рекомендуется использовать в НПО «Энергомаш» им. акад. В.П. Глушко, в ОАО «Казанское производственное предприятие «Авиамотор» и др.
Автор защищает следующие основные положения работы:
1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований теплоотдачи и осадкообразования в жидких УВГ (УВО) без применения и с применением электростатических полей в условиях естественной конвекции.
2. Методики расчёта теплоотдачи и осадкообразования в условиях естественной конвекции жидкого УВГ (УВО) без применения и с применением электростатических полей.
3. Новые конструктивные схемы форсунок ВРД, каналов топливопода-чи с электростатическими полями; способы прогнозирования и предотвращения осадкообразования; способы определения характеристик электростатических полей в жидких углеводородных горючих и охладителях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены: на 19-23 Всеросс. межвуз. научн.-техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических уста-
13
новках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г. Казань) 2007-2011 гг.; на 16-19 Международ. молодежной научн. конф. «Туполевские чтения» (г. Казань) 2008-2011 гг.; на 5 Российской национ. конф. по теплообмену «РНКТ-5» (г. Москва) 2010 г.; на 5, 6 Международ. молодежной науч. конф. «Тинчу-ринские чтения» (г. Казань) 2010 г., 2011 г.; на 5 Всеросс. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» «АНТЭ-2009» (г. Казань) 2009 г.; на 34, 35 Академических Чтениях по космонавтике, посвящённых памяти акад. С.П. Королёва и др. (г. Москва) 2010 г., 2011 г.; на 45, 46 Научных Чтениях, посвящённых разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского (г. Калуга) 2010 г, 2011 г.; на 6 Всеросс. научно-техн. студенч. конф. «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии» (г. Казань) 2010 г.; на Всеросс. научно-техн. конф. молодых учёных и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении» (г. Москва) 2010 г.; на Международ. науч-но-практ. конф. «Современные технологии и материалы- ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения», «АКТО-2010» (г. Казань) 2010 г.; на Международ. научн. семинаре «Проблемы моделирования и динамики сложных междисциплинарных систем» (г. Казань) 2010 г.; на Международ. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара) 2011 г.; на 6 Международ. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» «АНТЭ-2011» (г. Казань) 2011 г.
По результатам научных исследований в 2009 г. работа была удостоена медали Министерства образования и науки РФ «За лучшую научную студенческую работу» по итогам открытого конкурса на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ (Приказ Федерального агентства по образованию №641 от 15 июня 2009 г.); в 2008 г. на Международ. научн. техн. конф. «XVI Туполевские чтения» работа удостоена диплома I степени «За высокий научный уровень представленного
14
доклада»; в 2009 г. на 5 Всеросс. научно-техн. конф. «АНТЭ-2009» работа удостоена диплома «За участие в конференции с докладом»; в 2009 г. по итогам конкурса научн.-техн. работ «Проблемы транспортировки газа и инновационные пути их решения» работа удостоена диплома «За актуальность и высокую наукоёмкость»; в 2009 г. на Международ. молодеж. научн. конф. «V Тинчуринские чтения» работа удостоена диплома I степени «За высокий научный уровень представленного доклада»; в 2010 г. на Международ. научн. техн. конф. «XVIII Туполевские чтения» работа удостоена диплома I степени «За высокий научный уровень представленного доклада»; на Международ. научн.-практ. конф. «Современные технологии и материалы - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» («АКТО-2010») работа удостоена диплома III степени «За высокий уровень представленного доклада»; в 2010 г. по итогам конкурса научн.-техн. работ «Актуальные аспекты и инновации в транспортировке газа» работа удостоена диплома за 2 место; в 2011 г. на 6 Международ. научн.-техн. конф. «АНТЭ-2011» работа удостоена диплома «За высокий научный уровень представленного доклада».
Ряд исследований, приводимых в диссертационной работе, выполнялись в рамках НИОКР по программе «У.М.Н.И.К.». В 2011 г. автор диссертации был удостоен стипендии Президента РФ (Приказ Министерства образования и науки РФ №2659 от 11 ноября 2011 г.). В 2012 г. Федерацией космонавтики России автор диссертации награжден медалью «Наука. Творчество. Космонавтика - XXI век» 1 степени.
Области применения результатов: теория теплообмена; различные энергоустановки и техносистемы на жидких УВГ (УВО); учебнообразовательный процесс.
Личный вклад автора.
Основные результаты получены лично автором под научным руководством к.т.н. Дресвянникова Ф.Н.
15
Публикации. Всего опубликовано 62 печатные работы. По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ, включая 7 статей в российских рецензируемых научных журналах, 5 патентов, 4 заявки на изобретения.
Объём и структура работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (226 наименований), приложения. Объём диссертации составляет страницы машинописного текста, включая 50 рисунков и 5 таблиц.
- Киев+380960830922