CC BY
7УДК 536.24+532.52
Ю.Г. Володин, канд. техн. наук, доцент кафедры «Физики, электротехники и автоматики» Казанский государственный архитектурно-строительный университет, e-mail: yu.g.volodin@mail.ru О.П. Марфина, канд. техн. наук, доцент кафедры «Физики, электротехники и автоматики» Казанский государственный архитектурно-строительный университет, e-mail: www.kgasu.ru. 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, 1
Ю.И. Матвеев, доктор техн. наук, профессор кафедры «Эксплуатации судовых энергетических установок» ФГБОУ ВО «ВГУВТ», e-mail: eseu655@vsawt.ru М.Ю. Храмов, доцент кафедры «Эксплуатации судовых энергетических установок» ФГБОУ ВО «ВГУВТ», e-mail: eseu655@vsawt.ru ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПУСКЕ СУДОВОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Ключевые слова: газовый поток, ламинаризация, теплообмен, температурный напор.
Пусковой режим является одним из основных при эксплуатации всех видов двигателей и энергетических установок. В этом режиме наблюдается весьма интенсивное увеличение температуры с очень высокими градиентами. Теплообмен в таком нестационарном процессе может отличаться от штатного, а параметры, характеризующие процесс теплообмена существенно разниться с расчетными данными. Следствием отклонения от штатного режима может быть локальный избыточный нагрев обтекаемой поверхности отдельного элемента, приводящий к отказу работы всего агрегата в целом. Экспериментальные исследования теплообмена в пусковом режиме выполнены на стенде с электродуговым подогревом исследуемого образца и температурными градиентами до 12000 К/с. Опытным путем выявлено явление ламинариза-ции теплового турбулентного пограничного слоя (ТПС). В качестве параметра лами-наризации ТПС предложен температурный напор или температурный фактор, а границей области ламинаризации ТПС является величина ДТ > 700К.
Введение. При эксплуатации ГТД обычно выделяют четыре основных этапа, среди которых выделяется пусковой режим, являясь одним из важных и ответственных режимов. Пуск является самой ответственной операцией, так как в результате возгорания топлива за короткий промежуток времени очень быстро увеличивается температура рабочего тела, приводящая к существенному изменению величин всех показателей установки, а, главным образом, увеличению температуры конструктивных элементов двигателя. И все же в пусковом режиме двигателя возникают ситуации, когда возникает сбой процессов с дальнейшим разрушением деталей. Причиной такого разрушения двигателя является локальный нагрев отдельных элементов, т.е. теплообмен, происходящий за пределами камеры в осесимметричных жаровых трубах, где формируется нагретый газовый поток на входе в турбину, ее вращающий.
Содержание. 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, появляются предпосылки для образования ламинаризации турбулентного пограничного слоя. Исследования фактора появления ламинаризации, были расмотрены при заборе газа из пограничного слоя [5-15].
Числовое значение вычислялось «универсально» по значению ускорения и не рассматривало появление и зависимости от других переменных.
к = V
м>1 дх
о
Лабораторные испытания проводились на газодинамическом испытательном аппарате разомкнутого типа с электродуговым нагревом рабочего тела [1].
Результаты произведенной работы. С повышением температуры газового потока снижается плотность и возрастает вязкость рабочего тела, в результате увеличивается скорость потока, так как массовый расход его остается постоянным. Увеличение скорости во времени возрастает до д^ = 700 м/с и увеличивается с увеличением темпе-
дх
дТ
ратуры на входе в исследуемый канал —^ до 12000 К/с (/ = 0,04 с). Температурное
дг
влияние ^ = Тп/Т0 снижается по величине от 1 до 0,25. С увеличением температуры Т газового потока происходит нестационарный процесс теплоотдачи продолжительностью около 0,1 с. В следующем временном интервале t > 0,1 с процесс теплообмена стационарный с постоянными по величине параметрами.
Величина коэффициента теплоотдачи определялась по выражению
* =-С1)
РаМа Фо - К )
По условиям эксперимента массовая скорость роесть величина постоянная. Плотность теплового потока определялась по выражению
дТ
_М
дг
а = с р А —м + Ая (2)
В выражении (2) Ад^ - это потери тепла, вызванные свободной конвекцией, и в результате лучеиспускательной возможности поверхности исследуемого канала, составили менее 10 % от величины В выражении (2) первое слагаемое представляет собой произведение удельной теплоёмкости, плотности материала стенки канала, толщины стенки канала и временного градиента температуры стенки. Темп нарастания температуры Т, стенки, является неизменной величиной. Отсюда следует, что плотность теплового потока есть величина неизменная. В свою очередь входит в выражение (1), по которому определяется коэффициент теплоотдачи Из анализа выражения (1) следует, что единственной переменной величиной здесь является разность энтальпий. Изменение этой величины при выполнении экспериментальных исследований показало, что превышение температурным напором значения АТ > 700К способствует тому, что опытные точки на рис. 1 группируются около кривой 2 в независимости от места расположения измерительного сечения на протяжении исследуемого канала и значения числа Яе. Увеличение в эксперименте времени работы плазмотрона показало, что с прогревом стенок канала и, как следствие, уменьшением величины температурного напора происходит обратное монотонное перемещение исследуемых значений (точек) от кривой 2 для ламинарных режимов к турбулентному режиму. Продолжительность периода времени, в течение которого опытные точки присутствуют в окрестности кривой 2, определяет величина температурного напора. При большей величине температурного напора потребуется больше времени для прогрева стенок канала и достижения граничной величины АТ « 700К, ниже которой теплоотдача вновь начнет увеличиваться по величине.
В рассматриваемой термогазодинамической ситуации присутствуют две причины.
Рис. 1. Характерные значения коэффициента теплоотдачи St от числа Рейнольдса Яв* 0,0128 „ „ 0,22
Линия «1» - 8/ =
Яе***0'25 Рг0 75
; линия «2» - 8/ = ■
Яв* Рг4
; линия «3» - аппрок-
симационная зависимость Б/ = S/
1 — 1 1 й(А*) .
0 —2 д/ \ Яв** А* д/
О I *
а - X = 2,5; б - X = 4,5; в - X = 6,5 ускорения потока - первая, ускорение за счет производной скорости потока по продольной координате, т.е. нестационарность.
Сравнение с результатами исследований других авторов, опубликованными в литературных источниках, показало изменения чисел Рейнольдса Ке01, Яе , Яе в диа-позоне Яе ~ от 1000 до 400 по значению плюсового градиента скорости
д— т
—0 = 700 м/сек2 . д/
Если учесть влияние фактора нестационарности величину ускорения можно найти по выражению
К = -
V д—„ V д—„
—2 дх
—3 д/
= К + К
(3)
Параметр трения позволяет учесть влияние различных дестабилизирующих факторов на характеристику пограничного слоя и его составляющие
у = =-2« (1.—= 2+ Л
С, дх —2 д/
(4)
"V '"О
ъ - значение динамической нестационарности, Л - значение продольного градиента давления.
Обращает на себя внимание похожесть правых частей в выражениях (3) и (4). Т.е. можно записать тождество
— С г , V С К = —О = т' или К = т'--
V — 28 — 8—„ 2
/ =т'
1 С
__/_
Яв5 2
(5)
где Яе5 = .
V
Исходя из вышеприведенного установлено, что значение К является характеристикой динамического слоя. Необходимо учесть характер обобщающего значения трения на характеристики коэффициентов переноса, а также возможный спектр динамического и теплового пограничных слоев имеются в научных изданиях.
Если перейти от параметра ускорения К к обобщающему параметру , то получим
х; = ^ (6)
Подставим параметр ускорения К в выражение (5) и найдем зону ламинаризации ТПС на поверхности
С г
= /«Яе5).
С/о
В результате исследований различных ситуаций установлено, что влияние теплообмена устанавливает температурный напор и, следовательно, правильным является утверждение принять данный параметр в качестве параметра ламинаризации теплового ТПС, а пределы ламинаризации ТПС находят показателем температурного напора или температурного значения.
Вывод. Фактор ламинаризации теплового ТПС определен при внезапном значительном возрастании температуры рабочего обьекта. Фактором образования ламина-ризации ТПС оказывается температурный напор, он задает интервал переходной зоны и линию зоны ламинаризации ТПС (АТ > 700К).
Список литературы:
[1] Володин Ю.Г., Федоров К.С., Яковлев М.В. Теплообмен при пуске энергоустановок // Дви-гателестроение. - 2006. - № 2. - С. 11.
[2] Володин Ю.Г., Марфина О.П. Математическое моделирование пусковых режимов энергетических установок. - Санкт-Петербург. Изд. «Инфо-да». 2007. - 128 с.
[3] Володин Ю.Г., Федоров К.С., Яковлев М.В. Нестационарные эффекты и трение при запуске энергетических установок// Изв. ВУЗов. Авиационная техника. - 2006. - № 1. - С. 34 - 36.
[4] 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.
[5] 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.
[6] Кутателадзе C.C., Леонтьев А.И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. -М.: Энергия, 1972. - 342 с.
[7] Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - М.: Атомиздат, 1979. - 415 с.
[8] Федяевский К.К., Гиневский А.С., Колесников А.В. Расчет турбулентного пограничного слоя несжимаемой жидкости. - Л.: Судостроение, 1973. - 256 с.
[9] Бэк Л.Х., Каффел Р.Ф., Мэссье П.Ф. Ламинаризация турбулентного пограничного слоя при течении в сопле - измерения профилей пограничного слоя и характеристик теплообмена на охлаждаемой стенке // Теплопередача. Сер. С. - 1970. - Т. 92. - № 3. - С. 29.
[10] Бэнкстон К.А. Переход от турбулентного течения газа к ламинарному в нагреваемой трубе // Теплопередача. - Сер. С. 1970. - Т. 92 - № 4. - С. 1.
[11] Фафурин А.В. Законы трения и теплоотдачи в турбулентном пограничном слое. // Тепло- и массообмен в двигателях летательных аппаратов, 1979. - Казань. - Вып. 2. - С. 62-69.
[12] Кун К.В., Перкинс Х.К. Переход от турбулентного режима к ламинарному для течения в трубе со значительным изменением физических свойств // Теплопередача. Сер. С. - 1970. - Т. 92. - № 3. - С. 198.
[13] Михеев М. А., Основы теплопередачи. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1956. 392 с.
[14] Нэш-Уэббер Ю. Л., Оутс Г. К., Инженерный метод расчёта ламинаризации течения в сопле // Тео-ретические основы инженерных расчётов. Сер.: Д. 1972. Т. 94. № 4. С. 205.
[15] Бэк Л. Х., Мэссье П. Ф., Каффел Р. Ф. Исследование течения и конвективного теплообмена в ко-ническом сверхзвуковом сопле // Ракетная техника и космонавтика. 1967. Т. 4. № 10. С. 191.
GUIDELINES FOR PREPARATION OF ARTICLES FOR THE ACADEMIC PERIODICAL «MARINE INTELLECYUAL TECHNOLOGIES»
Y.G. Volodin, Ph.D. (Tech), АssistantРrofessor of the Department of Physics, Electrical Engineering and Automation Kazan State University of Architecture and Engineering 420043, Kazan
O.P. Marfina, Ph.D. (Tech), АssistantРrofessor of the Department of Physics, Electrical Engineering and Automation Kazan State University of Architecture and Engineering 420043, Kazan
Y.I. Matveev, Dr.Sc. ( Tech), Professor; Head of the Department
of Operation of Ship Power Plants, Volga State University of Water Transport
M.Y. Khramov, Ph.D. (Tech),, АssistantРrofessor
of the Department of Operation of Ship Power Plants,
Volga State University of Water Transport
603951, Nizhny Novgorod, Nesterov str., 5
Keywords: the gas stream, laminarization, heat transfer, temperature difference.
The starting mode is one of the main in the operation of all types of engines and power plants. In this mode, there is a very intense increase in temperature with very high gradients. Heat exchange in such a non-stationary process may differ from the standard, and the parameters characterizing the heat exchange process differ significantly from the calculated data. The consequence of the deviation from the normal mode can be a local excessive heating of the streamlined surface of the individual element, leading to the failure of the entire unit as a whole. Experimental studies of heat transfer in the starting mode were performed on a gas-dynamic stand of an open type with electric arc heating of the working fluid and temperature gradients up to 12,000 K/s.as a result, the phenomenon of laminarization of the thermal turbulent boundary layer (TPS) at a heat flow directed from the gas flow to the channel wall was recorded. As a parameter to the laminarization of the proposed TPS temperature pressure or temperature factor, and the border region of laminarization TPS is a variable АТ > 700^.
References:
[1] Volodin YU.G., Fedorov K.S., YAkovlev M.V. Teploobmen pri puske ehnergoustanovok // Dvigatelestroenie. - 2006. - № 2. - S. 11.
[2] Volodin YU.G., Marfina O.P. Matematicheskoe modelirovanie puskovyh rezhimov ehnergeticheskih ustanovok. - Sankt-Peterburg. Izd. «Info-da». 2007. - 128 s.
[3] Volodin YU.G., Fedorov K.S., YAkovlev M.V. Nestacionarnye ehffekty i trenie pri zapuske ehnergeticheskih ustanovok// Izv. VUZov. Aviacionnaya tekhnika. - 2006. - № 1. - S. 34 - 36.
[4] 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.
[5] 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.
[6] Kutateladze C.C., Leont'ev A.I. Teploobmen i trenie v turbulentnom pogranichnom sloe. -M.: EHnergiya, 1972. - 342 s.
[7] Kutateladze S.S. Osnovy teorii teploobmena. - M.: Atomizdat, 1979. - 415 s.
[8] Fedyaevskij K.K., Ginevskij A.S., Kolesnikov A.V. Raschet turbulentnogo pogranichnogo sloya neszhimaemoj zhidkosti. - L.: Sudostroenie, 1973. - 256 s.
[9] Behk L.H., Kaffel R.F., Mehss'e P.F. Laminarizaciya turbulentnogo pogranichnogo sloya pri techenii v sople - izmereniya profilej pogranichnogo sloya i harakteristik teploobmena na ohlazhdaemoj stenke // Teploperedacha. Ser. S. - 1970. - T. 92. - № 3. - S. 29.
[10] Behnkston K.A. Perekhod ot turbulentnogo techeniya gaza k laminarnomu v nagrevaemoj trube // Teploperedacha. - Ser. S. 1970. - T. 92 - № 4. - S. 1.
[11] Fafurin A.V. Zakony treniya i teplootdachi v turbulentnom pogranichnom sloe. // Teplo- i massoobmen v dvigatelyah letatel'nyh apparatov, 1979. - Kazan'. - Vyp. 2. - S. 62 - 69.
[12] Kun K.V., Perkins H.K. Perekhod ot turbulentnogo rezhima k laminarnomu dlya techeniya v trube so znachitel'nym izmeneniem fizicheskih svojstv // Teploperedacha. Ser. S. - 1970. - T. 92. - № 3. - S. 198.
[13] Miheev M. A., Osnovy teploperedachi. M.; L.: Gosehnergoizdat, 1956. 392 s.
[14] Nehsh-Uehbber YU. L., Outs G. K., Inzhenernyj metod raschyota laminarizacii techeniya v sople // Teo-reticheskie osnovy inzhenernyh raschyotov. Ser.: D. 1972. T. 94. № 4. S. 205.
[15] Behk L.H., Mehss'e P. F., Kaffel R.F. Issledovanie techeniya i konvektivnogo teploobmena v ko-nicheskom sverhzvukovom sople // Raketnaya tekhnika i kosmonavtika. 1967. T. 4. № 10. S. 191.
Статья поступила в редакцию 12.02.2019 г.
УДК 656.61.08
А.Ю. Гаршин, к.т.н, доцент кафедры «Энергоустановки морских судов и сооружений», Морской институт ФГАОУ ВО «СевГУ», e-mail: aleksander.garshin@mail.ru
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Севастопольский государственный университет, Морской институт (ФГАОУВО, МИ)
299053, г. Севастополь, ул. Гоголя, 14
ТЕРМИНОЛОГИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ВЕРОЯТНОСТНАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ ОПАСНОСТИ И РИСКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУДОВОГО ТЕХНИЧЕСКОГО СРЕДСТВА В ПОСЛЕАВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ
Ключевые слова: опасность, безопасность, риск опасности, показатели безошибочности, времени, ресурсности
Показан один из способов вероятностной оценки опасности и риска использования судового технического средства в послеаварийной ситуации после его диагностирования и восстановления на функциональных структурных моделях путем анализа системы согласованных показателей безошибочности, бездефектности и безаварийности.
Острая необходимость повышения безопасности различных судовых технических средств и систем бесспорна. Это - комплексная и возможно вечная проблема, которой посвящена обширная литература и серии национальных, межгосударственных и европейских стандартов [1, 2, 3, 4, 5]. Её анализ показывает, что среди ученых и практиков до сих пор нет единства по ключевым понятиям: опасность, риск, их оценки и близких к ним. Встречаются отождествления понятий риск и опасность, но стандартизированные определения этих терминов разные. При этом об оценках опасности не упоминается, зато дается определение оценки риска.
