Стенд для моделирования систем охлаждения сегментов жаровых труб камер сгорания газотурбинных двигателей
В основу полезной модели положено решение задач моделирования для достижения требуемой температуры стенки сегмента при минимальном расходе охлаждающего воздуха, обеспечивающего требуемую температуру стенок сегмента с помощью минимального расхода охлаждающего воздуха. Указанный технический результат достигается тем, что стенд содержит источник газа с соплом на выходе, расположенный за соплом газовый тракт, в котором размещено моделирующее устройство с установленным в нем моделью исследуемого сегмента и датчики температуры и давления газового потока. Газовый тракт выполнен открытым. Моделирующее устройство снабжено узлом подвода и распределения охлаждающего воздуха, узлом подвода, распределения и отвода охлаждающей жидкости и узлом определения теплового состояния модели исследуемого сегмента. При работе стенда газ (воздух) направляют вдоль открытого газового тракта. В моделирующее устройство подают охлаждающие воздух и жидкость. При стационарном течении газа модель сегмента нагревается излучателем. Определяются температурные распределения по поверхности модели сегмента в процессе ее остывания. Обработкой температурных полей выбирают оптимальную систему охлаждения сегментов жаровой трубы камеры сгорания. 1 н.п. и 3 з.п. ф-лы.
Полезная модель относится к области моделирования условий работы разных видов конфигураций и перфорации сегментов жаровых труб камер сгорания характеризующихся длительностью работы (~20000 часов) газотермодинамического высокотемпературного (до 1800 К) воздействия потока при скорости газового обтекания 20-90 м/с и давлении (до 4 МПа).
Известна модельная установка для испытания материалов тепловой защиты (Шишков А.А. и др. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива. Справочник. М. Машиностроение, 1989, с.240, рис.5.4.2). Установка содержит корпус с размещенным в нем твердотопливным зарядом торцевого горения - источником высокотемпературного газа. Корпус имеет газоход с сужающимся переходным участком, переходящим в мерный участок цилиндрической формы с размещенным в нем исследуемым материалом, в котором встроены термопары для измерения температуры в материале. Мерный участок переходит в сопло с центральным отверстием для выпуска газа.
Недостаток данной модельной установки состоит в том, что в ней нет возможности управления тепловым режимом исследуемого объекта.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является стенд для моделирования газотермодинамического воздействия высокотемпературного газа на элементы тепловой защиты конструкции (патент РФ 
2399783, G01M 15/00, 09.07.2009). Стенд содержит газогенератор с соплом, форкамеру, перфорированную диафрагму, переходный участок, мерный участок с исследуемыми элементами и датчиком замера давления, сопловой блок с выпускными окнами, датчиком замера температуры потока (термопарой) и трубкой Пито с датчиком давления для замера полного давления газового потока. Стенд позволяет получить при испытаниях результаты об уносе теплозащитных материалов. Однако это техническое решение не обеспечивает возможности управления тепловым режимом исследуемого объекта и не позволяет обеспечить длительную работу стенда для выбора оптимального варианта элемента тепловой защиты конструкции.
В основу полезной модели положено решение задач моделирования и достижения требуемой температуры стенки сегмента при минимальном расходе охлаждающего воздуха.
Поставленные задачи решаются тем, что стенд для моделирования систем охлаждения сегментов жаровых труб камер сгорания газотурбинных двигателей содержит источник газа с соплом на выходе, расположенный за соплом газовый тракт, в котором размещено моделирующее устройство с установленной в нем моделью исследуемого сегмента и датчики температуры и давления газового потока.
Новым в полезной модели является то что, газовый тракт выполнен открытым. Моделирующее устройство снабжено узлом подвода и распределения охлаждающего воздуха, узлом подвода, распределения и отвода охлаждающей жидкости и узлом определения теплового состояния модели исследуемого сегмента.
При такой конструкции стенда:
- выполнение газового тракта открытым позволяет регулировать температурные режимы нагрева модели исследуемого сегмента при различном расходе охлаждающего воздуха;
- снабжение устройства узлом определения теплового состояния модели исследуемого сегмента обеспечивает получение информации о распределении температуры в полостях моделирующего устройства и по поверхности, исследуемой модели сегмента;
- снабжение устройства узлом подвода и распределения охлаждающего воздуха обеспечивает изменение расхода охлаждающего воздуха и получение зависимости эффективности охлаждения от расхода охладителя с целью достижения требуемой температуры стенки сегмента при минимальном расходе охлаждающего воздуха;
- снабжение устройства узлом подвода, распределения и отвода охлаждающей жидкости обеспечивает охлаждение стенок, чтобы предотвратить нагрев охлаждающего воздуха и уменьшить погрешность в определении теплового состояния модели.
Существенные признаки полезной модели могут иметь дополнение и развитие:
- моделирующее устройство может быть выполнено в виде корпуса со стенками в форме прямоугольного параллелепипеда. При этом полость корпуса разделена на две камеры перфорированной диафрагмой, параллельной наибольшим граням параллелепипеда. Форма моделирующего устройства определяется формой исследуемого сегмента и его работой в реальных условиях. Разделение корпуса на две камеры перфорированной диафрагмой обеспечивает равномерный подвод охлаждающего воздуха к модели исследуемого сегмента.
Причем стенка вдоль одной из наибольших граней, обращенной в сторону газового тракта, выполнена в виде исследуемой съемной модели сегмента. Стенка вдоль противоположной наибольшей грани выполнена в виде плоского коллектора узла охлаждающей жидкости с входом и выходом. Эта стенка снабжена трубкой узла подачи охлаждающего воздуха с перфорированным отбойником на выходе, которая проходит через коллектор и сообщается с полостью камеры примыкающей к коллектору. Это поддерживает заданный тепловой режим моделирующего устройства.
Притом стенка вдоль одной из наименьших граней снаружи оборудована аэродинамическим обтекателем с переменным радиусом округления расположенным напротив сопла источника газа. Это обеспечивает безотрывное обтекание моделирующего устройства потоком газа, истекающим из сопла.
На противоположной стенке корпуса могут быть установлены датчики замера давления воздуха в двух камерах корпуса.
- узел определения теплового состояния модели исследуемого сегмента может быть выполнен в виде датчиков определения теплового состояния модели и тепловизора, причем датчики закреплены в трубке подачи охлаждающего воздуха перед отбойником и снаружи на стенке модели сегмента, а тепловизор расположен напротив моделирующего устройства по другую сторону газового тракта. Это совместно с датчиками замера давления обеспечивает измерение теплового состояния исследуемой модели;
- стенд может быть снабжен излучателем, расположенным напротив моделирующего устройства по другую сторону газового тракта. Нагрев исследуемой модели с помощью излучателя и регистрация процесса остывания модели после его выключения обеспечивает определение распределений коэффициентов теплоотдачи, что необходимо для расчета теплового состояния сегмента с целью выбора оптимального варианта системы охлаждения сегментов жаровых труб.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи моделирования и выбора оптимальной системы охлаждения сегментов жаровых труб камер сгорания газотурбинных двигателей.
Полезная настоящая модель поясняется последующим подробным описанием конструкции стенда и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1, 2, где:
На фиг.1 изображен общий вид стенда;
На фиг.2 - элемент I на фиг.1.
Стенд для моделирования систем охлаждения сегментов жаровых труб камер сгорания газотурбинных двигателей содержит (см. фиг.1) источник 1 газа постоянного давления с соплом 2 на выходе. Это могут быть продукты сгорания камеры непрерывного действия или сжатый и нагретый воздух из компрессора (не показано). За соплом 2 расположен газовый тракт 3, в котором размещено моделирующее устройство 4 с установленным в нем моделью 5 исследуемого сегмента и датчики температуры и давления газового потока. Газовый тракт 3 выполнен открытым. Моделирующее устройство 4 (см. фиг.2) снабжено узлом 6 подвода и распределения охлаждающего воздуха, узлом 7 подвода, распределения и отвода охлаждающей жидкости и узлом определения теплового состояния модели исследуемого сегмента. Моделирующее устройство 4 выполнено в виде корпуса 8 со стенками в форме прямоугольного параллелепипеда. Полость корпуса разделена на две камеры 9 и 10 перфорированной диафрагмой 11, параллельной наибольшим граням. Причем стенка вдоль одной из наибольших граней, обращенной в сторону газового тракта, выполнена в виде исследуемой съемной модели 5 сегмента. Стенка вдоль противоположной наибольшей грани выполнена в виде плоского коллектора 12 узла охлаждающей жидкости с входом 13 и выходом 14. Эта стенка снабжена трубкой 15 узла подачи охлаждающего воздуха с перфорированным отбойником 16 на выходе. Трубка 15 проходит через коллектор 12 и сообщается с полостью камеры 10 примыкающей к коллектору 12. Притом стенка 17 вдоль одной из наименьших граней снаружи оборудована аэродинамическим обтекателем 18 с переменным радиусом округления расположенным напротив сопла 2 источника газа. На противоположной стенке 19 корпуса 8 установлены датчики 20 и 21 замера давления воздуха в двух камерах 9 и 10 корпуса 8. К тому же в трубке 15 подачи охлаждающего воздуха перед отбойником 16 и снаружи на стенке модели 5 сегмента закреплены датчики 22 узла определения теплового состояния модели исследуемого сегмента. Стенд снабжен излучателем 23, расположенным напротив моделирующего устройства 4 по другую сторону газового тракта 3. Излучатель 23 состоит трубчатых кварцевых ламп мощностью 1 кВт каждая. Поверх ламп расположено плоское водоохлаждаемое зеркало из полированного алюминия. В результате на стенку моделирующего устройства с исследуемым сегментом направляется радиационный тепловой поток, имитирующий излучение сажистого пламени в реальной камере сгорания по отношению величин радиационного и конвективного потоков тепла. Узел определения теплового состояния модели 5 исследуемого сегмента выполнен в виде тепловизора 24 расположенного напротив моделирующего устройства 4 по другую сторону газового тракт 3.
Стенд работает следующим образом.
При включении источника 1 (см. фиг.1) с заданными расходными характеристиками струя газа (воздуха) из сопла 2 направляется вдоль открытого газового тракта 3. Одновременно в моделирующее устройство 4 (см. фиг.1, 2) подают охлаждающий воздух и охлаждающую жидкость.
При стационарном течении газа (воздуха) из сопла 2 источника 1 модель 5 исследуемого сегмента в составе моделирующего устройства 4 сначала нагревается с помощью излучателя 23 до температуры 100-150°С. Затем поток излучения мгновенно перекрывается заслонкой (не показано) и с помощью тепловизора 24 определяются температурные распределения по поверхности модели 5 исследуемого сегмента в процессе ее остывания. Обработка температурных полей по времени (по скорости остывания) позволяет определить коэффициенты теплоотдачи различных вариантов исследуемой модели 5 сегмента при фиксированном расходе охлаждающего воздуха. Изменяя расход охлаждающего воздуха, и повторяя описанную выше процедуру, можно получить зависимости коэффициентов теплоотдачи в различных точках исследуемой модели от расхода охлаждающего воздуха.
Стенд предложенной конструкции позволяет моделировать и выбирать оптимальную систему охлаждения сегментов жаровой трубы камеры сгорания конкретного газотурбинного двигателя. Стенд прошел испытания. Результаты проводимых экспериментов сокращают время и стоимость доводки двигателя.
1. Стенд для моделирования систем охлаждения сегментов жаровых труб камер сгорания газотурбинных двигателей, содержащий источник газа с соплом на выходе, расположенный за соплом газовый тракт, в котором размещено моделирующее устройство с установленной в нем моделью исследуемого сегмента и датчики температуры и давления газового потока, отличающийся тем, что газовый тракт выполнен открытым, моделирующее устройство снабжено узлом подвода и распределения охлаждающего воздуха, узлом подвода, распределения и отвода охлаждающей жидкости и узлом определения теплового состояния модели исследуемого сегмента.
2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что моделирующее устройство выполнено в виде корпуса со стенками в форме прямоугольного параллелепипеда, полость которого разделена на две камеры перфорированной диафрагмой, параллельной наибольшим граням, причем стенка вдоль одной из наибольших граней, обращенной в сторону газового тракта, выполнена в виде исследуемой съемной модели сегмента, а стенка вдоль противоположной наибольшей грани выполнена в виде плоского коллектора узла охлаждающей жидкости с входом и выходом, снабжена трубкой узла подачи охлаждающего воздуха с перфорированным отбойником на выходе, которая проходит через коллектор и сообщается с полостью камеры примыкающей к коллектору, притом стенка вдоль одной из наименьших граней снаружи оборудована аэродинамическим обтекателем с переменным радиусом округления, расположенным напротив сопла источника газа, а на противоположной стенке корпуса установлены датчики замера давления воздуха в обеих камерах корпуса.
3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что узел определения теплового состояния модели исследуемого сегмента выполнен в виде датчиков определения теплового состояния модели и тепловизора, причем датчики закреплены в трубке подачи охлаждающего воздуха перед отбойником и снаружи на стенке модели сегмента, а тепловизор расположен напротив моделирующего устройства по другую сторону газового тракта.
4. Стенд по п.1, отличающийся тем, что он снабжен излучателем, расположенным напротив моделирующего устройства по другую сторону газового тракта.
