Профессор, д.т.н., Генбач А.А., ассистент, магистр наук., Байбекова В.О.

Алматинский университет энергетики и связи

ГОРЕЛКА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК С ДУГООБРАЗНОЙ ПОРИСТОЙ КАНАВКОЙ

Разработка различных интенцификаторов теплообмена для охлаждения камер сгорания и сопел производилась на огнеструйной горелке ракетного типа с пористой системой охлаждения (рис.1 ), [1-3]. Исследовались камеры сгорания и сверхзвуковые сопла вплоть до их разрушения (рис.2), [4-6] .

Рис.1. Общий вид экспериментальной установки, выполненной в виде горелки ракетного типа с пористой системой охлаждения.

Дальнейшим развитием систем охлаждения камер сгорания и сверхзвуковых сопел, особенно для высокофорсированных режимов их работы, послужило то обстоятельство, что основным недостатком горелки является невысокий ресурс работы вследствие низкой надёжности системы охлаждения, особенно в высокотеплонапряжённой зоне критического сечения и диффузорной части сопла Лаваля в результате следующих причин [7-8].

В узких каналах охладителя, образованных кожухом и камерой сгорания с соплом, возникают паровые пузыри в момент локального закипания охладителя, которые закупоривают каналы, нарушаются теплогидравлические характеристики системы охлаждения, что приводит к возникновению кризиса теплопередачи и пережогу стенки камеры сгорания и сопла Лаваля (первая причина и недастаток). Но даже если избежать локального закипания жидкости за счёт подачи весьма её большого количества, что и происходит на практике, то вследствие неравномерного процесса охлаждения, особенно начиная с зоны критического сечения по ходу движения продуктов сгорания, возникают циклические резкопеременные тепловые напряжения в стенке, приводящие к малоцикловой термической усталости материалов и небольшому сроку службы (до 500 часов работы) (вторая причина и недостаток). При этом требуется подавать весьма большие количество охладителя, равные 0,1 кг/с и более, под давлением 0,5 МПа, что приводит к большому перерасходу воды, электроэнергии и требует повышенного внимания за эксплуатацией насоса (третья причина и третий недостаток).

Горелка (рис.2) содержит устанавленные в кожухе 8 камеру сгорания 1, сопло Лаваля 2 с конфузорной 3 и диффузорной 4 частями и критическим сечением 5 между ними, завихритель 6, распылитель 7 и распределительную головку 11 с патрубками 12, 13, 14 подвода окислителя 19 и горючего 20 в камеру сгорания 1 и охладителя 18 в охлаждающую полость 10, образованную между кожухом 8 и внешними стенками камеры сгорания 1 и сопла Лаваля 2. В кожухе 8 выполнены отверстия 9, 21 для отвода охладителя 18. Диффузорная часть 4 сопла Лаваля 2 снабжена вставкой 15, имеющей со стораны, обращенной к охлаждающей полости 10, капиллярно – пористое покрытие 16.

Капиллярно – пористое покрытие 16 выполнено из многослойной сетки, размер ячеек в каждом из слоев которой возрастает по направлению к внешней поверхности покрытия и составляет 0,08; 0,14 и 1,0 мм.

Радиус кривизны канавки 17 в 2,5 – 5 раз больше ее глубины.

Продукты сгорания 22 отводятся из диффузорной части 4 сопла 2.

Охладитель 18 подают в патрубок 14, выходя из которого охладитель перемещается в охлаждающей полости 10, образованной между кожухом 8 и внешними стенками камеры сгорания 1 и сопла Лаваля 2, состоящего из конфузорной 3 и диффузорной 4 частей, разделенных критическим сечением 5. Охладитель омывает стенки камеры сгорания 1 и сопла 2, отбирая теплоту и охлаждая последние , после чего выбрасывается наружу через отверстия 9 и 21. Теплота в камере сгорания 1 выделяется за счет сжигания горючего 20, подаваемого в патрубок 13, которое идет в распылитель 7, закручивается в завихрителе 6 и направляется в камеру сгорания 1. Одновременно подают окислитель 19 через патрубок 12, расположенный как и патрубки 13 и14 в распределительной головке 11. Окислитель 19 смешивается с горючим 20, поджигается источникам воспламенения, и полученная смесь сжигается.

Образующаяся в камере сгорания 1 газовая струя с температурой свыше (2000-2500)⁰С разгоняется до необходимых скоростей (1600-2000)м/с в сопле Лаваля 2 и выбрасывается на объект обработки или реза в виде продуктов сгорания 22.

Горелка работает в режиме детонационного горения, причем продукты сгорания 22 пульсируют благодаря укороченной диффузорной части 4 сопла Лаваля 2.

Рис.2. Система охлаждения горелки для высокофорсированного режима детонационного горения.

Камера сгорания 1 и сопло Лаваля 2, особенно зона его критического сечения 5 и диффузор 4, работают в форсированном и высокотеплонагруженном состоянии, поэтому процесс интенсификации теплопередачи реализуется за счет вставки 15 и выполненной в ней канавки 17, которые содержат на внешней поверхности капиллярно – пористое покрытие 16, выполненное из многослойной сетки, размер ячеек в каждом из слоев которой последовательно возрастает по направлению к внешней поверхности. Поскольку вставку 15 выполняют из массивного высокотеплопроводного тела (меди), это значительно повышает теплоаккумулирующую способность сопла 2, интенсифицирует теплообмен и за счет управления распространением тепловых волн предотвращает разрушение сопла в напряженных режимах работы.

Выполнение радиуса кривизны канавки 17 в 2,5 – 5 раз большей ее глубины способствует снятию концентрации термических напряжений и компенсации термических удлинений в тепловой канавке. Наличие капиллярно – пористого покрытия 16 обеспечивает создание равномерной и устойчивой пульсирующей пленки охладителя 18 на вставке 15 с наружной и торцевой сторон при совместном действии инерционных сил (давления) и капиллярных сил. За счет выполнения капиллярно – пористого покрытия 16 анизотропным, т.е. имеющим последовательным рост размера ячеек по направлению к внешней поверхности, создается высокий капиллярный напор и активно удаляются возможные паровые пузыри.

Таким образом, у горелки увеличивается срок службы за счет интенсификации теплопередачи, увлечения отводимых тепловых нагрузок, выравнивания температурного поля в охлаждаемых стенках, повышения теплоаккумулирующей способности сопла и способности капиллярно – пористого окрытия выравнивать тепловые нагрузки, что особенно важно в момент возможных аварийных ситуаций. Кроме того, компенсируются термические удлинения, снимаются концентрации термических напряжений, что исключает возникновение резкопеременных разрушающих нагрузок. При этом экономится охладитель и электроэнергия сокращаются эксплуатационные расходы.

Срок службы горелки повышается в 1,5 раза за счет интенсификации теплопередачи путём создания равномерной устойчивой пульсирующей плёнки на наружной поверхности сопла, а также путём увеличения отводимых тепловых нагрузок с помощью высокой теплоаккумулирующей способности вставки с выполненной в ней канавкой и капиллярно –пористым покрытием, имеющим анизотропную структуру, при этом выравнивается температурное поле в теплонапряженных элементах горелки и исключается возникновение резкопеременных разрушающих нагрузок. Перечисленные преимущества реализуется как при номинальной нагрузке, так и при переменных и аварийных режимах работы (исключается закупорка охлаждающей полости паровыми пузырями ). Резко сокращается расход охладителя (в 4 раза), что экономит воду.

Литература

1. Polyaev V., Genbach A., Genbach A.A. An experimental study of thermal stress in porous material by methods of holography and photoclasticity// Experimental thermal and fluid science, avenue of the Americas.-New York, volum 5. number 6, November.-1992.-P.697-702.

2. Поляев В.М., Генбач А.А. Пористое охлаждение камер сгорания и сверхзвуковых сопел// Тяжёлое машиностроение, №7.-1991.-С.8-10.

3. Поляев В.М., Генбач А.А. Пористая ситема в огнеструйных горелках// Известия вузов. Авиационная техника.-1991.№4-С.39-43.

4. Генбач А.А., Генбач Н.А. Применение капиллярно-пористых систем в тепловых энергетических установках электростанций// Вестник АУЭС.- 2011. №3(14), Алматы.-C.4-11.

5. Поляев В.М., Генбач А.А. Области применения пористой системы// Известия вузов. Энергетика.-1991.№12.-С.97-101.

6 Поляев В.М., Генбач А.А. Применение пористой системы в энергетических установках// Промышленная энергетика.- 1992. №1.- с.40-43.

7. Генбач А.А., Генбач Н.А., Генбач Е.А., Генбач Ан.А. Теплотехнические характеристики капиллярно-пористых теплообменников ТЭС// Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях. Сб.научных трудов 3-ей Международной НТК.-Алматы.-2002.-С.73-76.

8. Генбач А.А., Генбач Н.А. Исследование капиллярно-пористых систем в тепловых энергетических установках электростанций// Вестник АУЭС.- 2011. №3(14), Алматы.-С.57-62.