«Основная профессиональная образовательная программа послевузовского профессионального образования (аспирантура) 05.07.05 Тепловые, электроракетные двигатели, и энергоустановки летательных аппаратов ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ...»

Часто проводится классификация поверхностей охлаждения радиаторов для удобства построения расчтных схем. Здесь основным классификационным принципом принято считать отнесение условий, при которых происходит рабочий процесс на воздушной (определяющей) стороне радиатора, к условиям внешней или внутренней задачи. Условия внешней задачи обычно связываются с поперечным обтеканием потоком теплоносителя пучка трубок. Наиболее характерным случаем внутренней задачи является движение потока теплоносителя в трубе или в узком щелевом канале между двумя плоскими пластинами.

Таким образом, рассматриваются два главных класса поверхностей, базирующихся на основных элементах простой геометрической формы: трубчатые и пластинчатые.

В каждом классе комбинированием основных элементов с разнообразными устройствами, интенсифицирующими теплообмен, получают более сложные, но и более эффективные типы поверхностей охлаждения. Вместе с тем стандарт РД 37.001.645- накладывает ограничительные условия:

а) трубки имеют соотношение сторон сечения a/b = 1…10, а пластины — tфр/d >10, причем длина сечения пластины обычно соответствует глубине остова радиатора, где t фр — шаг по фронту, d — диаметр трубок;

б) трубки несут оребрение по всему наружному периметру, а пластины — только на наружных поверхностях, параллельных основному направлению движения потока воздуха.

Современный автомобиль достаточно высокого потребительского уровня имеет фактически семь отдельных теплообменных узлов. Эти узлы (рисунок 2.1) обычно проектируют, исходя из специфических требований, предъявляемых к тому или иному транспортному средству, но по назначению они легко классифицируются на следующие категории: теплообменники для охлаждения двигателя и системы привода (радиаторы и маслоохладители), теплообменные устройства для систем управления климатом (нагреватели, испарители, холодильники, конденсоры) и охладители для турбоустройств.

Рисунок 2.1 – Теплообменные агрегаты современного автомобиля Замена медно-латунных теплообменников на алюминиевые и применение для них пайки весьма продолжительное время сдерживались из-за сомнений в том, что алюминий сможет удовлетворять требованиям, предъявляемым к автомобильным радиаторам в сфере их обслуживания и с точки зрения наджности к воздействиям окружающей среды.

Принятие алюминия произошло не сразу, а на основе большого числа исследований и разработки сплавов и производственных процессов, учета накопленного опыта в Европе и США, где алюминиевые паяные радиаторы имеют более чем двадцатилетний стаж обслуживания.

Технические идеи использования алюминия в решетках радиаторов одними из первых реализованы фирмой Sofica (Франция), а затем активно продолжены европейскими автопроизводителями для массово выпускаемых моделей, таких, например, как Volkswagen Golf/Rabbit. В настоящее время в Европе 90…95% выпускаемых радиаторов — алюминиевые, преимущественно паяные; на автомобилях концерна Ford Motor в 1990 г. их было 70%, в 1993г. — 90%, в 2002 г. — 96%; General Motors в 1980 г.

— 5%, в 1995 г. — уже 85%, по данным 2001 г. — 93%.

Алюминиевые теплообменные устройства на основе пайки в контролируемой атмосфере (Controlled Atmosphere Brazing — CAB) отвечают современным мировым требованиям автомобильной промышленности и обладают лучшими техническими характеристиками (таблица 2.2).

Таблица 2.2 – Сравнительные характеристики алюминиевых сборных и паяных теплообменных устройств Тип Аэродинамичес- Гидравлическое Масса, Удельная конструкции кое сопротивле- сопротивление, кг теплоотдача, производстве теплообменных устройств, таких как радиаторы, конденсаторы, испарители деформируемость, высокая термическая проводимость и малый удельный вес делают алюминий идеальным материалом для производства этих теплообменных устройств и предопределяют отказ от медно-латунных изделий. Паяные конструкции отличают меньшие ограничения в геометрии, повышенные прочность и наджность, лучшие характеристики теплоотдачи, более низкие аэродинамическое и гидравлическое сопротивления, а также меньшая металломкость по сравнению со сборными конструкциями.

Общий уровень теплотехнических характеристик на единицу массы у сборных охлаждающих пластин и трубок. С целью повышения теплотехнических характеристик требуется увеличивать число охлаждающих пластин, что ведет при ограниченных размерах теплообменника к уменьшению шага расположения пластин. Это, в свою очередь, приводит к интенсивному загрязнению решетки теплообменника и резкому снижению теплоотдачи. Небольшой шаг пластин приводит к образованию отложений внутри решетки теплообменника, особенно радиатора охлаждения, и к его коррозии.

Очистка же решетки при малых толщине и шаге охлаждающих пластин затруднительна.

Следует отметить, что в ходе эксплуатации автомобиля в условиях вибрационного воздействия происходит нарушение контактов "охлаждающая пластина – трубка" в сборных теплообменниках, что на треть снижает их теплотехнические характеристики уже после трех-пяти лет эксплуатации.

теплообменников весьма ограничены с точки зрения повышения, кроме того, они имеют тенденцию значительного уменьшения в ходе эксплуатации.

бесперспективными для автомобильных двигателей повышенной мощности (объемом более 1,5 л). Необходим переход на паяные конструкции. Об этом наглядно свидетельствуют данные анализа мирового опыта: лишь за последние годы объем выпуска алюминиевых паяных радиаторов увеличился в 1,5…2,0 раза. Обеспечение нормального теплового режима двигателя необходимо для улучшения его топливной экономичности, повышения ресурса работы и экономических показателей.

';

теплообменников (типа "воздух-воздух" или "воздух-вода") — охлаждение надувочного воздуха для двигателей, форсированных посредством турбонаддува.

Использование паяной конструкции необходимо также в производстве воздушномасляных теплообменников для охлаждения моторного масла, давление разряжения в которых достигает 5…6 МПа, и сборная конструкция в этих условиях оказывается недостаточно прочной.

Кооперация в отрасли автокомпонентов РФ в настоящее время достаточно устойчивая, однако техническая оснащнность предприятий и их технологическая ориентация на производство либо медно-латунных, либо сборных алюминиевых теплообменников не позволяет удовлетворять растущие потребности автомобилестроителей. Слабыми сторонами этих производств являются низкая технологическая мобильность, негибкость и отсутствие современного оборудования, обеспечивающего качество продукции соответственно требованиям международных стандартов.

Так на радиаторном производстве ОАО "ГАЗ" работы по созданию конструкции паяного алюминиевого радиатора и разработки соответствующей технологии были начаты еще в 60-е годы. В основу технологического процесса пайки был заложен широко применяемый ранее метод солевой пайки погружением, при котором собранные изделия погружаются в ванну с расплавом соли, где соль играет как роль флюса, так и роль среды для нагрева до температуры пайки. Этот процесс в свое время был реализован предприятиями Harrison Radiator Division of General Motors, и он был использован для первого паяного алюминиевого радиатора для автомобиля Chevrolet Corvette. Главный недостаток солевого метода — необходимость тщательного удаления коррозийных остатков хлоридсодержащих флюсов с поверхности теплообменника, что связано с проведением длительной, многоступенчатой, неэкологичной постпаечной промывки.

Малейшие остатки флюса вызывают коррозию радиатора и быстрый выход его из строя.

Именно низкая коррозионная стойкость изделий не позволила в то время решить проблему серийного выпуска паяных радиаторов в России, и все ограничилось стадией опытного производства.

Особенность алюминиево-паяных радиаторов заключается в том, что при изготовлении применяется процесс пайки, который имеет неоспоримые преимущества перед сборкой, т.к. достигается более высокая жсткость конструкции, наджность и стойкость к коррозии. Паяные изделия имеют и лучшие технические характеристики за счт оптимальной, весьма сложной по геометрии конструкции, которую в процессе сборки реализовать невозможно. Например, применение плоских трубок, имеющих лучшие показатели теплоотдачи, при сборке затруднительно, т.к. не удатся достичь достаточной наджности соединения и герметичности. Благодаря использованию таких трубок можно уменьшить габаритные размеры и вес теплообменного устройства.

Основными требованиями к алюминиевым сплавам, которые могут быть использованы для изготовления паяных теплообменников, являются ограничения по содержанию магния (желательно менее 0,5%, но возможно до 1%) и наличие температуры плавления в интервале 630…660С. Первое ограничение обусловлено тем, что магний, образуя на поверхности оксиды, снижает эффективность действия флюса; второе — необходимостью превышения температуры плавления сплава над температурами активного действия флюса и плавления припоя.

За многие годы разработано несколько вариантов технологии пайки алюминия и его сплавов. Одна из них — "NOCOLOK® Flux" получила мировое признание.

В таблице 2.3 приведена балльная оценка характеристик различных методов пайки алюминиевых сплавов, выполненных на основе анализа технологии пайки автомобильных теплообменников.

Таблица 2.3 – Характеристики методов пайки Характеристики Теплоотдача изделия Сопротивление коррозии Постпаечная промывка Затраты на оборудование Затраты на обслуживание Затраты на материалы Суммарные затраты Примечание: 4 — лучший результат; 1 — худший результат;

характеристикам процесса и качества изделий обеспечивает технология пайки с флюсом NOCOLOK®.

Для применения технологии Nocolok® Flux Brazing Process основным условием является использование в процессе пайки оригинального флюса производителя и владельца торговой марки, представителем которого является компания Solvay Fluor und Derivate GmbH.

Теплообменные устройства охлаждения наддувочного воздуха (интеркулеры) Процесс совершенствования ДВС неумолимо движется вперд: с каждым годом моторы "обрастают" вс большим количеством дополнительных устройств: одни из них призваны снизить шумы и вибрацию, другие повышают экономичность и экологичность, ну а третьи увеличивают мощность силовых агрегатов. Самой популярной среди автопроизводителей конструкцией, дающей мотору дополнительные лошадиные силы, является турбонаддув. Этот механизм известен с середины прошлого века.

Смысл наддува силовой установки любого автомобиля — улучшить наполнение цилиндров двигателя топливовоздушной смесью для подъема среднего эффективного давления цикла и, как следствие этого, мощности мотора путем принудительного увеличения заряда воздушной смеси, поступающей в цилиндры.

Существует только один вид атмосферного наддува — резонансный или инерционный наддув, при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах, и технически реализуемый с помощью воздушных коллекторов переменной длины и тщательной настройкой фаз газораспределения ДВС. Все остальные виды наддува связаны с увеличением давления поступающего в цилиндры воздуха выше атмосферного — для этого используются различные механические, электромеханические и газодинамические способы.

В турбонаддуве в качестве привода используется энергия выхлопных газов, которая в обычном случае просто выбрасывается в атмосферу, без утилизации энергии в полезную работу. При функционировании же двигателя с турбонаддувом выхлопные газы подаются в турбину, где отдают часть своей энергии, раскручивая ротор турбокомпрессора, и затем поступают через приемную трубу в глушитель. На одном валу с лопаточным колесом турбины находится колесо компрессора, который засасывает воздух из воздушного фильтра, повышает его давление на 30…80% (в зависимости от степени наддува) и подает в двигатель. В один и тот же объем двигателя поступает большее по весу количество рабочей смеси и, следовательно, обеспечивается достижение на 25…50% большей мощности, а за счет использования энергии выхлопных газов повышается КПД двигателя и снижается удельный расход топлива на 5…15%.

Во время сжатия воздуха в турбине он нагревается, что приводит к уменьшению его плотности и увеличению детонации в двигателе. Поиском путей охлаждения нагретого воздуха занимались почти все пионеры двигателестроения, начиная от Рудольфа Дизеля в конце XIX в. и заканчивая изобретателем наддува от выхлопных газов Рисунок 2.2 – Интеркулер температуру поступающего воздуха, при этом (промежуточный охладитель наддувочного воздуха) в подкапотном пространстве двигателя Последнее происходит из-за сопротивления потока, оказываемого интеркулером.

Эффективность интеркулера оценивается снижением температуры поступающего воздуха. Обычные цифры для промежуточного охладителя — это 70%.

Большинство интеркулеров делится на две категории воздух/воздух и воздух/вода.

Есть также специальные виды интеркулеров, которые охлаждают воздух ниже окружающей температуры за счет использования льда или закиси азота.

Это наиболее распространенный вид интеркулеров (рисунок 2.3). Технически они очень просты и надежны. Такие интеркулеры состоят из трубы и пластинчатого радиатора. Воздух проходит через тонкие трубчатые пластины радиатора, соединенные в верхней части друг с другом. Часто внутри тонких трубок располагают небольшие перегородки, чтобы создавать турбулентность и таким образом повышать теплообмен (рисунок 2.4). Между трубками находятся другие перегородки. Практически все интеркулеры изготовлены из алюминия.

Рисунок 2.3 – Интеркулер воздух/воздух Поступающий при движении автомобиля вперед поток воздуха способствует охлаждению воздуха внутри радиатора, унося избыток тепла в окружающую атмосферу.

Интеркулеры типа вода/воздух используются реже, чем воздух/воздух. Однако они имеют несколько неоспоримых достоинств, особенно для тесных моторных отсеков.

Водно-воздушный интеркулер использует компактный теплообменник, обычно расположенный рядом с компрессором. Тепло передается воде (охлаждающей жидкости) и затем сбрасывается наружу через отдельно установленный небольшой радиатор, расположенный в передней части подкапотного пространства (рисунок 2.5).

Недостатком таких видов охладителей является тот факт, что воздух может быть охлажден в лучшем случае до уровня температуры хладагента радиатора автомобиля.

Недостаток системы воздух/вода заключается и в том, что она слишком дорога, конструктивно затратна и, прежде всего, не столь эффективна по сравнению с системой воздух/воздух. Причина заключается в том, что в охладителях наддувочного воздуха с водяным охлаждением происходит двукратный теплообмен: один раз от наддувочного воздуха к воде, а второй раз – от воды вновь к атмосферному воздуху, который должен быть холоднее воды. Если установить внешний водяной радиатор для охладителя наддувочного воздуха, то это может привести к неприятностям в отношении веса и компоновки.

Промежуточным вариантом рассмотренных выше двух систем является применение воздухо-воздушного интеркулера с внешним охлаждением его водой. Такая схема применяется на двигателе Subaru 20T (автомобиль Subaru Impreza WRX). Вода имеет как большую теплоемкость, так и большую теплоту испарения, активно отбирая тепло от интеркулера. Причем, учитывая цикличность работы наддува на легковом автомобиле, такая схема кажется действительно наиболее оправданной. При обычном режиме работает система воздух/воздух. При форсированном — включается опрыскивание водой. Кроме воды применяются также легко испаряемые жидкости — спирт, эфиры.

Исходными расчетными данными при проектировании систем охлаждения двигателей являются значения допустимых температур (t) поверхностей наиболее теплонапряженных элементов: поршней, головок цилиндров и самих цилиндров. В свою очередь, эти температуры определяют температурный режим системы охлаждения при различных условиях эксплуатации, тем самым являясь косвенным показателем теплового состояния двигателя.

Другой исходной расчетной величиной является количество тепла (Q), отводимого в систему охлаждения в процессе работы поршневого двигателя, являющееся частью общего теплового расчета двигателя и, следовательно, основой расчета системы охлаждения.

В теплообменном процессе двигателя основную роль играют конвективный перенос тепла от горячих газов к стенкам цилиндра и головки (к), теплопроводность () самих стенок и лучистый теплоперенос (луч) в моменты горения топлива в камере сгорания.

Теплоотдача от горячих газов с температурой до 2300°С в стенки происходит из-за превышения их температуры над температурой стенок. Интенсивность теплоотдачи зависит от величины этой разницы, плотности газов, скорости и характера их движения в полости цилиндра, а также формы, величины и качества поверхности стенок, контактирующих с газами. Следует помнить также, что различные по составу газы отдают свою тепловую энергию с различной интенсивностью. Здесь сказывается влияние их теплопроводности, вязкости и теплоемкости. Все другие величины, так или иначе влияющие на теплоотдачу, являются косвенными. Это относится к любому типу теплопередачи в цилиндрах поршневого двигателя. Поэтому при определении теплоотдачи от газов к стенкам цилиндра экспериментально выявляют влияние основных факторов, а затем находят их зависимость от первоначально известных факторов.

Попытки исследователей охватить все одной зависимостью приводит к получению громоздких выражений, упрощение которых делает их неточными.

Рядом исследователей были предложены выражения для непосредственного подсчета средней цикловой теплоотдачи с использованием основных показателей работы двигателя. Это оказалось удобным. Недостаток лишь в том, что отдельно не учитывается конвективная и лучистая составляющие теплового потока. Но это оказалось несущественным, и поэтому становится возможным использование формул общей теории теплообмена для расчета средней за цикл теплоотдачи. Ввиду незначительной толщины стенок и высокой теплопроводности влияние их термического сопротивления на перенос тепла от горячих газов к охлаждающей среде несущественно и им в практических расчетах систем жидкостного охлаждения пренебрегают, учитывая его только при расчете систем воздушного охлаждения.

Нестационарность процесса теплопередачи из расчетов исключается путем представления теплопереноса в виде множества элементарных стационарных процессов, для оценки которых могут быть использованы классические соотношения теплопередачи.

Обычно тепловая напряженность двигателя определяется термометрированием в ходе испытаний. Опытами устанавливается распределение полей температур и характерные величины их в различных точках теплонапряженных деталей.

Исследование тепловых процессов в поршневом двигателе основано на составлении теплового баланса преобразования энергии. В практике исследований составляются два вида теплового баланса: внутренний и внешний.

Внутренний тепловой баланс определяет равенство количества тепловой энергии, эквивалентной индикаторной работе поршневого двигателя, отведенной в систему охлаждения двигателя, и энергии, унесенной с продуктами сгорания при выхлопе.

Внешний тепловой баланс определяет количество энергии, превращенной в эффективную работу. Этот баланс имеет большое практическое значение. Его определяют при работе поршневого двигателя по внешней характеристике, по нагрузочной характеристике, в зависимости от угла опережения зажигания, состава смеси и других параметров.

Уравнение теплового баланса, отнесенное к одному килограмму топлива, имеет вид:

где Qе – тепло, превращенное в эффективную работу;

Qпс – тепло, отведенное с продуктами сгорания;

Qохл – тепло, отнятое охлаждающей средой;

Qнс – тепло, потерянное вследствие неполноты сгорания топлива;

Qост – остаточный член теплового баланса.

В это уравнение не входит количество тепла, теряемого в результате механических потерь поршневого двигателя, которое уходит в охлаждающую среду и тем самым косвенно учитывается. В остаточный член теплового баланса входят трудно учитываемые величины: потери лучеиспусканием, тепло трения в подшипниках, потери на привод вспомогательных механизмов поршневого двигателя, несовершенство процессов сгорания топлива, а также ошибки и неточности определения составляющих теплового баланса, зависящих от многих конструктивных и эксплуатационных факторов.

Исходя из оценки доли тепла, отведенного системой охлаждения в различных фазах рабочего цикла поршневого двигателя и в целом по результатам измерений, выполненных на исследовательских одноцилиндровых двигателях получено, что суммарно в фазе сгорания, в течение хода расширения, при ходе выпуска в систему охлаждения бензинового двигателя отводится около 28%, а для дизельного двигателя — около 23% тепла. В среднем системой охлаждения поршневого двигателя отводится около 33% тепловой энергии, содержащейся в используемом топливе.

Классификация систем охлаждения поршневых двигателей В зависимости от рабочего тела, используемого для охлаждения поршневого двигателя, системы охлаждения делят:

а) на системы жидкостного охлаждения;

б) системы воздушного охлаждения;

в) комбинированные системы (авиационные двигатели).

Для сравнения и объективной оценки различных типов систем охлаждения автотракторных двигателей рассмотрим преимущества и недостатки каждого из них.

Преимущества жидкостного охлаждения:

а) более легкий пуск двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха, так как он более просто и быстро прогревается, а также имеет меньшие зазоры между поршнем и цилиндром;

б) эффективное охлаждение наиболее нагретых мест двигателя при любой тепловой нагрузке (теплопроводность охлаждающей жидкости в 20…25 раз выше теплопроводности воздуха);

в) более равномерное охлаждение деталей двигателя;

г) допустимость применения блочных конструкций цилиндров двигателя;

д) стабильное тепловое состояние двигателя при изменении режима его работы (высокая теплопроводность и большая теплоемкость жидкости);

е) возможность использования тепловой энергии, отводимой в систему охлаждения;

ж) меньший шум при работе двигателя;

з) меньшая склонность к детонации бензиновых двигателей;

и) возможность изоляции воздушного тракта системы охлаждения;

к) меньшие затраты мощности на охлаждение (2,0…9,0%) по сравнению с воздушным охлаждением (3,5…13,0%).

Недостатки жидкостного охлаждения:

а) сравнительно длительный прогрев двигателя после пуска, повышающий износ цилиндров;

б) пониженная надежность работы двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха вследствие возможного замерзания жидкости (воды) в системе;

в) низкие температуры стенок цилиндров (при жидкостном охлаждении), способствующие повышенному коррозионному износу;

г) повышенная трудоемкость обслуживания и ремонта, так как необходимо регулярно очищать систему охлаждения (при работе на воде);

д) большая чувствительность к изменению температуры окружающего воздуха;

е) потребность в дефицитных цветных металлах (медь, латунь, свинцово-оловянные припои).

Рассмотрение преимуществ и недостатков жидкостного охлаждения ДВС позволяет считать его применение наиболее целесообразным:

а) для форсированных бензиновых и дизельных двигателей;

б) для двигателей с рабочим объемом цилиндров более 2,5 л.

Преимущества воздушного охлаждения:

а) быстрый прогрев двигателя после пуска и, следовательно, меньший износ цилиндров;

б) меньшая чувствительность к изменению температуры окружающего воздуха (более высокие температуры цилиндров);

в) пониженная чувствительность к топливу, содержащему серу;

г) надежная работа при отрицательных температурах окружающего воздуха, так как отсутствует опасность замерзания жидкости в системе охлаждения;

д) простота обслуживания и меньшая стоимость (отсутствуют трубопроводы, радиатор и жидкостный насос).

Недостатки воздушного охлаждения:

а) уменьшение среднего эффективного давления и литровой мощности вследствие худшего весового наполнения цилиндров двигателя;

б) повышенный расход мощности на привод вентилятора воздушного охлаждения;

в) более трудный пуск двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха;

г) повышенная шумность работы, вызываемая работой быстроходного вентилятора;

д) трудно обеспечить нормальное охлаждение форсированных двигателей и двигателей большого литража;

е) возможность засорения межреберных каналов головок и цилиндров;

ж) потребность в масляном радиаторе даже в тех случаях, когда при жидкостном охлаждении его не требуется.

Рассмотрение преимуществ и недостатков воздушного охлаждения ДВС позволяет считать его применение наиболее целесообразным:

а) для бензиновых и дизельных двигателей с рабочим объемом цилиндров до 1 л независимо от степени форсирования;

б) для бензиновых и дизельных двигателей с рабочим объемом цилиндров 1,0…2, л и невысокой литровой мощностью, так как от системы охлаждения в значительной мере зависит конструкция и эксплуатационные качества двигателя и силовой установки в целом.

В процессе конструирования поршневого двигателя внутреннего сгорания выбору типа системы охлаждения уделяется большое внимание. При выборе жидкостной или воздушной системы охлаждения учитываются не только вышеперечисленные достоинства и недостатки, но и целый ряд других факторов.

Эксплуатационные качества. Пуск двигателей с воздушным охлаждением менее отработан, чем пуск двигателей с жидкостным охлаждением, и затруднен при низких температурах. Двигатели с воздушным охлаждением более надежны, их обслуживание проще, а номенклатура запасных частей и эксплуатационных материалов, как отмечено выше, значительно меньше; уровень шума, создаваемого двигателем, более высок при воздушном охлаждении.

Наличие технологического оборудования. При организации производственного процесса на предприятии, где предполагается производство двигателей, технологические процессы и оборудование вследствие различных форм корпусных деталей двигателей с жидкостным и воздушным охлаждением существенно различаются.

Назначение двигателя. Двигатели различных назначений могут иметь как жидкостное, так и воздушное охлаждение, а для мотоциклов и стационарных установок малой мощности — преимущественно воздушное.

Рабочий процесс двигателя. Для двигателей с принудительным зажиганием жидкостное охлаждение, как более интенсивное и обеспечивающее бездетонационное сгорание, целесообразнее. Для дизелей, работающих с высоким давлением наддува, оно обусловливает меньшую тепловую напряженность основных деталей камеры сгорания, однако при длительной работе на малых нагрузках и частотах вращения рациональнее воздушное охлаждение.

Первоначальная стоимость двигателя. Стоимость двигателей средней и большой мощности с жидкостным охлаждением, выпускаемых в больших количествах и лучше освоенных в производстве, меньше стоимости двигателей с воздушным охлаждением.

Однако при массовом производстве, стоимость их оказывается ниже.

Габаритные и массовые показатели. Собственно двигатели с воздушным охлаждением средней и большой мощности имеют худшие массовые и габаритные показатели по сравнению с двигателями с жидкостным охлаждением. Однако в целом силовые установки с двигателями, имеющими воздушное охлаждение, обладают, как правило, лучшими габаритными и массовыми показателями, чем установки с двигателями, оснащнными жидкостным охлаждением.

Ввиду большого количества взаимообусловленных факторов, влияющих на эффективность системы охлаждения, дать прямое однозначное решение для выбора е типа не представляется возможным. Главным определяющим фактором, как правило, является назначение двигателя. И даже в этом случае, как показывает опыт, преобладание достоинств системы охлаждения для проектируемого двигателя и условий его эксплуатации может привести к отказу от предполагаемого способа отвода тепла.

Например, учитывая, что в процессе эксплуатации двигателя состояние его после определнного момента времени начинает ухудшаться (повышается количество нагара на головках цилиндров, днищах поршней и других рабочих деталях; ухудшается топливная экономичность; загрязняются теплообменные поверхности и т.д.), система охлаждения любого двигателя, независимо от е типа, должна иметь запас охлаждающей способности.

Этот запас может выражаться и в пониженных расчтных температурах, в увеличенной поверхности охлаждения, в устройствах интенсификации процесса отвода тепла и др.

Величина запаса охлаждающей способности зависит от степени возможного отклонения действительных условий работы двигателя от расчтных.

Перечисленные выше и многие другие факторы часто делают выбор системы охлаждения первостепенной задачей при разработке новой модели поршневого двигателя.

Основные задачи расчта систем охлаждения поршневых двигателей Современное развитие двигателестроения потребовало решения ряда задач, которые в той или иной степени сказываются на методике и практике конструирования различных систем двигателя, в том числе и систем охлаждения. Использование электронных систем контроля за тепловым состоянием двигателя и его отдельных теплонапряжнных деталей, борьба с токсичными выбросами в атмосферу, задачи снижения шума, улучшение эксплуатационных характеристик, безотказности работы систем требует разработки комплексных расчтов с использованием ЭВМ. Это, в свою очередь, ведт к необходимости создания математических моделей объектов, основанных на жстких алгоритмах расчта и описания взаимодействия элементов систем.

При проектировании тепловых двигателей способ охлаждения его деталей, система охлаждения выбираются изначально в соответствии с соображениями, изложенными выше. Поэтому разработка принципиальной схемы системы охлаждения, е состав и основные характеристики определяются и в дальнейшем уточняются в ходе конструирования двигателя.

Расчт и конструирование собственно системы охлаждения слагается из нескольких основных этапов, последовательность которых может быть различной и диктуется главным образом ходом конструирования двигателя. Такими этапами являются:

а) определение тепловых, гидравлических и аэродинамических характеристик, предопределяемых конструкцией теплорассеивающих элементов системы охлаждения — радиаторов системы жидкостного охлаждения, холодильников надувочного воздуха, оребрения цилиндров и воздушных трактов системы воздушного охлаждения;

б) выбор конструктивной схемы, расчт основных аэродинамических и гидравлических параметров вентиляторов для систем жидкостного и воздушного охлаждения, уточнение условий и способов создания воздушных потоков;

в) выбор и оценка гидравлических и мощностных характеристик жидкостных насосов системы жидкостного охлаждения и увязка их с основными режимными характеристиками поршневого двигателя;

г) общая оценка мощности, потребляемой элементами систем жидкостного и воздушного охлаждения, е доли в общем балансе затрат мощности на работу вспомогательных агрегатов в поршневом двигателе в целом;

д) выбор на основании проведнных ранее расчтов устройств автоматизации процессов теплоотвода и контроля за работой систем охлаждения, управления работой вспомогательных систем и устройств (подогрев двигателя перед запуском, обогрев салона и т.п.);

е) технико-экономическая оценка эффективности системы охлаждения, стоимость этой системы, е эксплуатации и ремонта.

В заключение раздела необходимо отметить, что на каждом этапе разработки системы охлаждения используется, как правило, накопленный статистический материал, результаты лабораторных исследований и опыт эксплуатации этих систем на поршневых двигателях различного назначения и условий работы. Особенное внимание уделяется проблемам локального теплоотвода, интенсификации и любым другим способам улучшения теплового состояния охлаждаемых деталей и двигателя в целом.

3.1.4 Методика ориентировочного расчта радиатора системы жидкостного выполняется на стадии проектной разработки системы охлаждения на основе теплового расчта проектируемого двигателя — теплового баланса и предполагаемого назначения двигателя, условий (режимов) его эксплуатации. Расчт проводится в следующем порядке:

1. Оценивается поверхность охлаждения остова радиатора, м2:

где Qж — количество тепла отводимого охлаждающей жидкостью (вода, антифриз), Дж/с;

К — коэффициент теплопередачи, принимаемый по статистическим данным, Вт/м2·К;

Тср.ж — средняя температура охлаждающей жидкости в радиаторе, К;

Тср.возд — средняя температура воздуха, проходящего через радиатор, К.

2. Определяется средняя температура охлаждающей жидкости в радиаторе:

Обычно Тср.ж для автомобильных и тракторных двигателей находятся в пределах 358…365 К (85…92С).

3. Определяется средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор:

Обычно для автомобильных и тракторных двигателей Тср.возд находятся в пределах 323…328 К (50…55С).

4. Определяется массовый расход охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, кг/c:

где сж — тепломкость охлаждающей жидкости, Дж/кг К;

(Тж.вх–Тж.вых)=Тж — температурный напор при принудительной циркуляции жидкости, К;

Тж.вх — оптимальное значение температуры системы жидкостного охлаждения, принимаемое в интервале 353…368 К (80…95С).

5. Количество воздуха (кг/с), проходящего через радиатор, при условии, что вс тепло Qж передатся воздуху Qж = Qвозд:

где (Твозд.вых–Твозд.вх)=Твозд — температурный перепад в остове радиатора, составляющий в среднем 20…30С при расчтной температуре Твозд.вх=313К (40С).

6. По значениям параметров, найденных по формуле (1), (2), (3), и статистических величин коэффициента К находят поверхность охлаждения радиатора, м2:

На основе нескольких вариантов расчта охлаждающей поверхности радиатора переходят к уточннному расчту конкретной величины, положенной в основу конструкции радиатора.

Внешним теплоносителем, отбирающим теплоту от охлаждающей жидкости в системах охлаждения автомобильных двигателей, является воздух. Магистраль, по которой воздух подводится к радиатору и отводится от него, называется воздушным трактом системы охлаждения. Одной из основных особенностей автомобильных систем охлаждения является отсутствие специальных изолированных каналов подвода и отвода воздуха в воздушном тракте. Не анализируя подробно вс многообразие конструктивных схем выполнения воздушного тракта жидкостных систем охлаждения автомобильных двигателей, можно выделить основные признаки компоновки воздушного тракта.

Радиатор и двигатель по направлению течения воздуха могут располагаться последовательно (когда воздушный поток, прошедший через радиатор, обдувает двигатель, причем двигатель может быть расположен за радиатором по потоку воздуха и перед ним) и параллельно (когда воздушный поток, прошедший через радиатор, не обдувает двигатель или является частью воздушного потока, обдувающего двигатель).

Направление воздушного потока через остов радиатора может быть параллельным продольной оси автомобиля, перпендикулярным ей или направленным к продольной оси автомобиля под углом. При этом радиатор может быть расположен не только в передней части автомобиля.

Наибольшее распространение получили схемы с последовательным расположением радиатора и двигателя, при которых воздух проходит через остов радиатора (установленного в передней части автомобиля) параллельно продольной оси автомобиля.

Циркуляция воздуха через радиатор осуществляется за счет скоростного давления воздуха при движении автомобиля и от специального нагнетателя системы охлаждения (например, вентилятора). Вентилятор системы охлаждения может приводиться во вращение непосредственно от двигателя через механические передачи и соединительные муфты, а также посредством специальных передач (например, электрических или гидравлических).

Расход воздуха через остов радиатора определяется условием равновесия давления воздуха, при котором сумма давлений, развиваемых вентилятором и движением автомобиля, равна потере давления в воздушном тракте.

Не менее сложной задачей является определение сопротивления воздушного тракта системы охлаждения. Воздушный тракт не имеет четко обозначенных стенок, ограничивающих воздушный поток, что затрудняет определение площади проходных сечений. Кроме того, воздушный поток в некоторых элементах воздушного тракта не имеет явно выраженного направленного течения. Особенно это характерно для моторного отсека, который имеет достаточно много произвольно ориентированных в пространстве отверстий для выхода, а иногда и для входа воздуха. Очень близкое взаимное расположение элементов воздушного тракта лишает возможности использовать имеющиеся данные по коэффициентам аэродинамического сопротивления для тех элементов, для которых такие данные имеются. Поэтому большое внимание уделяется развитию методов экспериментального определения аэродинамического сопротивления воздушного тракта.

Аэродинамическое сопротивление воздушного тракта определяет рабочую точку на характеристике вентилятора, что позволяет установить расход воздуха, проходящего через радиатор. Количественная оценка аэродинамического сопротивления воздушной магистрали дает возможность дифференцировать влияние конструктивного исполнения отдельных элементов и схемы в целом на величину расхода воздуха. Кроме того, такая оценка позволяет подойти к оптимизации конструкции воздушного тракта системы охлаждения, используя в качестве оценки энергетические затраты.

Ориентировочный расчт основных характеристик вентилятора Расчт выполняется на этапе эскизного проектирования системы жидкостного охлаждения двигателя в следующей последовательности.

Производительность вентилятора определяется по соотношению, м3/с:

где Qвозд — количество тепла, отводимое от радиатора охлаждающим воздухом, Дж/с;

возд — плотность воздуха при его средней температуре, кг/м3;

свозд — тепломкость воздуха, Дж/(кгК);

Tвозд — температурный перепад воздуха в радиаторе, К.

аэродинамическое сопротивление воздушной сети. В охлаждающей системе оно складывается из сопротивлений, вызываемых потерями на трение и местными потерями.

Сопротивление воздушного тракта предварительно принимается равным pтр =600… Па.

потребляемую вентилятором мощность Nвент(кВт) и его основные размеры:

где в — КПД вентилятора (для осевых клпаных вентиляторов в=0,32…0,40, а для литых в=0,55…0,65).

При определении основных конструктивных параметров вентилятора коэффициент обдува КL стремятся получить равным единице:

Для этого фронтовую площадь рештки радиатора оформляют в виде квадрата.

Диаметр вентилятора, м:

где Fфр Gвент возд ;

Gвент — производительность вентилятора, м3/с;

возд=6…24 — скорость воздуха перед фронтом радиатора, м/с.

Частоту вращения вентилятора nвент принимают, исходя из предельного значения окружной скорости u=70…100 м/с.

Окружная скорость зависит от напора вентилятора и его конструкции:

где л — коэффициент, зависящий от формы лопастей (для плоских лопастей л=2,2…2,9);

возд — плотность воздуха, определяемая по средним параметрам, кг/м3;

pтр — напор вентилятора, Па.

Частота вращения вентилятора при известной окружной скорости, об/мин:

Должно выполняться условие: равенство nвент=nв.н., если вентилятор и жидкостный насос имеют общий привод.

3.1.7 Расчет системы воздушного охлаждения. Общие положения Расчет системы воздушного охлаждения двигателя внутреннего сгорания сводится к определению параметров, обусловливающих конструкцию оребрения цилиндров и их головок, а также к определению потребной мощности и размеров вентилятора с приводом.

Ввиду большого количества взаимосвязанных факторов, влияющих на эффективность системы охлаждения, единственного решения для нахождения основных параметров ее не существует. Так, для определения площади оребрения надо знать величину коэффициента теплоотдачи, который, в свою очередь, зависит от скорости воздуха в межреберных каналах, в то же время эта скорость сама является зависимой от конструкции, формы, качества поверхности и размера ребер. Для выбора вентилятора надо знать необходимую степень повышения давления и его потребную производительность, которые могут быть определены при известной конструкции оребрения цилиндра и его головки. Решение задачи усложняется различием параметров, характеризующих оребрение цилиндра и головки, неравномерность их оребрения и различие скоростей воздуха в разных сечениях.

Сложность состоит еще и в том, что трудно выделить параметры, определяемые в ходе расчета, и исходные. Поэтому в основу расчетов часто принимают так называемую удельную поверхность оребрения, а более точное определение параметров системы охлаждения и ее доработку производят в процессе доводочных испытаний поршневого двигателя.

При предварительном расчете рекомендуется задаваться исходными условиями, необходимыми не только для определения конструктивных параметров поршневых двигателей, но и для проведения расчета его системы охлаждения. Обычно это внешние условия (температура, давление и влажность атмосферного воздуха), а также условия работы двигателя (режимы, тепловое состояние). На этой стадии расчета определяют величину живого сечения воздушных каналов, межцилиндровые расстояния. Это позволяет разработать конструкцию охлаждающих ребер и затем перейти к определению величины потребной поверхности охлаждения и параметров вентилятора.

Любая система охлаждения должна иметь запас охлаждающей способности, т.к. в процессе эксплуатации двигателя его состояние ухудшается из-за нагара на поверхностях, ухудшается топливная экономичность, загрязняются поверхности охлаждения. Особенно важен этот запас для системы воздушного охлаждения, которая из-за отсутствия водяной рубашки имеет пониженную аккумулирующую способность. Запас охлаждающей способности реализуется за счет увеличения поверхности охлаждения против расчетной повышением производительности вентилятора, что чаще всего нежелательно. Снижение расчетных температур тем более нежелательно, т.к. ведет к повышению затрат мощности на охлаждение за счет необходимого повышения производительности вентилятора.

Величина запаса охлаждающей способности может быть определена на основании конкретного задания по условиям эксплуатации поршневого двигателя и его состояния.

Практика показала, что в среднем требуется 5…10%-й запас.

Если имеется возможность применить вентилятор известного типа, то задача сводится к пересчету размеров испытанного образца для новых требуемых условий с использованием для этой цели соотношений подобия. Пересчет упрощается в связи с тем, что характеристика образца обычно строится в отвлеченных (безразмерных) величинах, а размеры его даются в долях от диаметра рабочего колеса, принимаемого за единицу.

Подбор производится в следующем порядке. По заданным давлению p, объмной производительности V и числу оборотов в минуту подсчитывают значение удельного числа оборотов nq. Далее берут ряд аэродинамических характеристик подходящих образцов вентиляторов и на них наносят кривые изменения nq для этих вентиляторов.

Сопоставляя значение nq с nq у этих вентиляторов, находят, у какого из образцов значению nq соответствует максимум его КПД. Этот образец и принимается для пересчета. По его характеристике находят коэффициент производительности и коэффициент давления, соответствующие заданному nq.

Далее находят величину скорости u2 на внешней окружности рабочего колеса, а затем и сам диаметр по формуле, м:

Очевидно, что найденный диаметр должен обеспечить необходимые давление и производительность. Однако в этом надо убедиться, подсчитав их величины по скорректированным значениям n, и.

На практике часто возникает необходимость определить степень отклонения различных показателей работы вентилятора от расчетных значений вследствие изменения условий, для которых он был подобран. В этих случаях целесообразно воспользоваться соотношениями подобия, существующими между отдельными параметрами, характеризующими работу вентилятора. Эти соотношения действительны лишь при равенстве или небольшом отличии значений чисел Рейнольдса у исходного и измененного вариантов, а также при условии не более чем 20%-го изменения производительности вентилятора.

Необходимо отметить, что типы вентиляторов, разработанные для промышленной цели, редко удается использовать для двигателя с воздушным охлаждением, так как они значительно отличаются от последних по своим размерам. Поэтому до того, как будут разработаны малогабаритные их конструкции с высокими КПД, приспособленные к технологии массового производства, подбор вентилятора для рассматриваемых целей можно производить, пользуясь методом приближенного расчета.

Системы охлаждения газотурбинных двигателей Начиная с середины ХХ века, наметилась устойчивая тенденция непрерывного роста параметров цикла работы газотурбинных двигателей: степени повышения давления и максимальной температуры газов. Это обеспечивает постоянный рост удельных параметров работы ГТД и в первую очередь КПД цикла. Имеется оптимальное сочетание уровня максимальной температуры газа и степени повышения давления в цикле ГТД.

Увеличение максимальной температуры газа цикла отрицательно сказывается на ресурсе силовой установки и надежности ее работы. Но рациональным выбором материалов деталей, работающих в зоне максимальных температур воздуха и газа, а также при обеспечении эффективного охлаждения деталей горячей зоны двигателей удается обеспечивать заметный темп роста температур воздуха и газов цикла ГТД.

Рост температур цикла ГТД обеспечивается развитием прочностных свойств конструкционных материалов, технологии изготовления и создания защитных покрытий на поверхности деталей горячей зоны двигателя. Но темп роста прочностных свойств материалов и обеспечиваемый этим рост температуры газов остатся ниже требуемого темпа увеличения температур газов по тракту двигателей.

Дальнейший рост температур газов обеспечивается снижением рабочих температур тела деталей ГТД за счет развития охлаждения наиболее напряженных элементов двигателей, работающих в условиях максимальных температур газов. Повышение эффективности охлаждения лопаточных венцов турбин является актуальнейшей задачей проектирования, производства и доводки современных высокотемпературных ГТД.

Особенности работы и проектирования лопаток турбины современных ГТД Лопатки и лопаточные венцы турбин современных силовых установок являются одними из важнейших элементов ГТД, обеспечивающих самые высокие показатели с точки зрения термодинамики цикла, и в то же время являются их самыми напряженными элементами. При создании и доводке лопаток турбин приходится находить компромиссные решения, удовлетворяющие многим требованиям:

- обеспечение высоких газодинамических показателей организации потока газов;

- обеспечение термодинамики расширения рабочего тела цикла ГТД за счет специального профилирования трактовых поверхностей лопаток;

- обеспечение требований прочности и надежности работы;

- обеспечение минимальных весовых характеристик лопаточных венцов;

- обеспечение устойчивости к многочисленным факторам как силового, так и температурного воздействия;

- обеспечение устойчивости к нестационарным нагрузкам из-за следов от предыдущих ступеней;

- обеспечение устойчивости к цикловым нагрузкам от переходных режимов работы силовых установок;

- отстройка по частотам собственных колебаний и возбуждающих сил;

- минимизация затрат энергоресурсов и конструктивных устройств (их массы и сложности) на охлаждение лопаток.

Этот перечень можно продлить и далее, но даже это простое перечисление требований говорит о неоднозначности решений о форме, размерах и конструктивных решениях геометрии лопаток турбин и особенно при необходимости охлаждения их.

Температуры газа и тепловые потоки в лопатках газовых турбин Увеличение температуры сжатого в компрессоре воздуха за счет сжигания топлива в камере сгорания неизменно увеличивает суммарную работу цикла.

Работа сжатия воздуха в компрессоре остается неизменной при любой температуре газа на входе в турбину, а полезная работа (площадь цикла) увеличивается с повышением температуры газа; увеличивается и количество подводимого тепла. А КПД цикла зависит от соотношения подводимого тепла и полезной работы. Для каждого уровня температур имеется только одно оптимальное значение степени сжатия рабочего тела цикла. Но повышение температуры цикла при выборе необходимого значения степени сжатия всегда ведет к улучшению КПД цикла, к увеличению удельной работы цикла и соответственно к уменьшению размеров силовых установок.

С точки зрения термодинамики речь всегда идет о среднеинтегральной температуре газа на выходе из камеры сгорания. Реально сгорание подведенного топлива производится в камерах сгорания. От конструктивного исполнения камер сгорания существенно зависят характеристики температур газа, влияющие на температурное состояние деталей «горячей» части двигателя. Важнейшими характеристиками полей температур за камерами сгорания с точки зрения температурного состояния деталей по тракту турбины являются:

- радиальная эпюра температур газа по высоте лопаток турбины;

- окружная неравномерность температур газа в каждом из расчетных сечений по высоте лопатки (Рисунок 3.2.1).

Радиальная эпюра температур газа практически полностью описывает температуры газов для деталей ротора турбины. Окружная неравномерность температур в каждом из сечений сказывается для роторных деталей в меньшей степени. Время воздействия окружной неравномерности температур газов при высоких частотах вращения роторов несравнимо меньше времени прогрева деталей (время прогрева деталей на несколько порядков больше времени воздействия температурной неравномерности), и практические измерения температур неохлаждаемых рабочих лопаток подтверждают равенство их температур температурам газа с учетом радиальной эпюры.

Рисунок 3.2.1 – Характеристики радиальной и окружной неравномерности температуры Детали статора турбины (лопатки, трактовые кольца) воспринимают как радиальную, так и окружную неравномерность температур газа за камерой сгорания.

Доводка камер сгорания по снижению окружной неравномерности температур газов или по повышению защиты лопаток от более высоких уровней температур является постоянной задачей разработчиков и доводчиков газотурбинных двигателей.

Радиальная эпюра температур газа на выходе из камеры сгорания обеспечивается перераспределением вторичного воздуха по длине камеры сгорания как по наружному, так и по внутреннему контуру ее жаровой трубы.

Снижение окружной неравномерности обеспечивают, как правило, увеличением числа горелок, увеличением перепада давлений для струй, направленных перпендикулярно движению основного потока газа в выходной части жаровой трубы камеры сгорания для обеспечения выравнивания температур газового потока по длине жаровой трубы камеры.

Оценка пригодности материалов для той или иной детали высокотемпературной газовой турбины может быть проведена на основании совокупности трех основных технико-экономических показателей, характеризующих материал:

- отсутствие разрушений и недопустимых деформаций под действием механических, температурных и химических факторов, имеющих место при работе деталей;

- технологическая пригодность, выражающаяся в возможности обработки и присоединения к другим частям ГТД;

- экономическая целесообразность применения данного материала, простота его обработки и отсутствие в нем дефицитных элементов.

Если требования, отражающие качественную сторону явления, остаются все время постоянными, то количественно эти требования в связи с ростом напряженности деталей турбин растут.

Растут нагрузки на лопаточные венцы, они подвержены знакопеременным динамическим нагрузкам. Детали проточной части подвергаются воздействию нагретых агрессивных газов. Особо опасным из агрессивных элементов является ванадий, который в виде пятиокиси под воздействием высокой температуры входит в соприкосновение с поверхностными слоями деталей, вызывая интеркристаллитную коррозию.

Камеры сгорания, особенно жаровые трубы, в наибольшей степени подвержены воздействию высоких температур, в основном термическому. В связи с этим металл, из которого они изготовлены, должен обладать высокой сопротивляемостью окислению и коррозии, высокой теплопроводностью и малым коэффициентом линейного расширения.

В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют никелевые (хромоникелевые) сплавы. За рубежом характерным представителем таких материалов является нимоник.

Сопловой аппарат. Материал, из которого изготовлены лопатки, воспринимает температуры газа и изгибающие нагрузки от газовых сил, должен обладать высокой сопротивляемостью коррозии, а ввиду возможности резкого изменения температур на переходных режимах – высокой теплопроводностью и малым коэффициентом линейного расширения.

Литые сопловые лопатки ГТД изготовляются из сплавов на кобальтовой и никелевой основах. При этом применяют обычно точное литье. Для внешнего и внутреннего колец используют хромоникелевые сплавы ЭИ417, ЭЯ1Т (1Х18Н9Т), а для двигателей с повышенной температурой газа – сталь ЭИ696 и сплав ЭИ 437Б.

Рабочие лопатки. Рабочие лопатки являются наиболее нагруженными из всех деталей газовой турбины. Они подвержены действию центробежных сил, газовым нагрузкам, вибрационным нагрузкам и окисляющему действию горячих газов. Материал лопаток должен обладать высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Весь комплекс требований к материалам рабочих лопаток позволяет выбирать только специальные высоколегированные стали и специальные сплавы. Обычным способом изготовления ответственных лопаток турбины является точное литье или литье с направленной кристаллизацией и монокристальная отливка.

Диски и роторы турбин. Эти элементы турбины кроме центробежных нагрузок подвергаются и значительным температурным напряжениям – венечные температуры дисков составляют 900-920К. А внутренние температуры у втулочной части дисков составляют 420-620К.

Температурные напряжения имеют ту особенность, что они являются внутренними напряжениями, и интеграл по сечению неравномерно нагретой балки (являющейся моделью для расчета лопаток) от температурных напряжений равен 0. Это означает, что, хотя бы уж в упругой постановке задачи, если имеются по профилю области напряжений сжатия, то обязательно должны быть и области с напряжениями растяжения. Формула Биргера-Малинина, позволяющая производить расчеты напряжений в сечении лопатки с учетом произвольного распределения температур (и соответственно температурных напряжений), построена на стержневой схеме рассмотрения картины напряжений.

Сечение лопатки можно рассматривать как состоящее из большого числа стержней, имеющих возможность удлиняться свободно, без взаимодействия с соседними стержнями.

Линейные деформации каждого стержня из-за температурных отличий существенно различны в соответствии с местными температурами.

Второе условие, упрощающее рассмотрение задачи о напряженном состоянии неравномерно нагретой балки, находящейся под воздействием растягивающих усилий, изгибающих и крутящих моментов от газовых сил, заключается в гипотезе сохранения плоскостности исходных плоских сечений (задаваемых чертежом лопатки). При этом допускается изменение угла наклона плоскости сечения под действием выше перечисленных нагрузок и температурной неравномерности в сечении лопатки относительно основных осей – радиального направления и направления фронта решеток профилей.

При таком подходе легко понять физику перераспределения напряжений в сечении неравномерно нагретой лопатки. Участки с повышенным уровнем температур стремятся удлиниться больше, чем участки с более низкой температурой. Сохранение плоскости сечения неизменной приводит к тому, что участки с более высоким уровнем линейных деформаций оказываются зажатыми соседними, более холодными стержнями. В стержнях с повышенной температурой появятся термические напряжения сжатия. Для сохранения неизменной несущей нагрузки сечения на участках сечения с пониженным уровнем температур появятся термические напряжения растяжения.

На картину напряжений в сечении лопатки аддитивно добавится картина термических напряжений. Основными рабочими нагрузками в лопатке являются напряжения растяжений от центробежных сил вышерасположенных сечений лопатки.

Сложение напряжений растяжения в сечении лопатки с противоположными по знаку температурными напряжениями существенно изменит картину напряжений. В точках сечения с более высокими температурами произойдет разгрузка напряжений, и чем выше температурная неравномерность в сечении лопатки, тем больше уровень разгрузки перегретых участков. Участки сечения с более низкой температурой будут из-за наличия температурных напряжений растяжения догружаться растягивающими напряжениями.

Таким образом, несущая способность сечения лопатки обеспечивается участками с пониженным уровнем температур.

В сечении лопатки имеется два участка – входная и выходная кромки, где уровень теплопередачи со стороны газа повышенный. Средняя часть лопатки имеет относительно более умеренный уровень теплоотдачи со стороны газа по отношению к ранее названным участкам.

Обеспечение высокой интенсивности охлаждения в зонах повышенного бгаза возможно только за счет более значительного уровня бвозд (в районе входной кромки со стороны газа больше не только коэффициент теплоотдачи, но и площадь теплообмена).

Проблемно размещать развитое оребрение со стороны охлаждения.

Логичным представилось допустить перегрев участков входной и выходной кромок и обеспечить требуемую интенсификацию охлаждения средней части лопаток.

Для решения задачи требовалось:

- определить закономерность перераспределения напряжений из-за температурной неравномерности;

- с учетом норм прочности определить средний уровень температур и допустимый разброс ее в сечении;

- с учетом заданного уровня температур газа и локальных коэффициентов теплоотдачи по профилю лопатки со стороны газа составить картину локальных значений местной плотности теплового потока со стороны охладителя по профилю лопатки (варьируемый фактор);

- сформулировать целевую функцию оптимизации температурного поля в сечении лопатки.

Тогда задача оптимизации формулируется следующим образом – найти такую картину распределения локальной плотности теплового потока в охладитель, чтобы выполнялись условия прочности и была минимизирована целевая функция.

В принципе, поставленная задача из-за зависимости теплофизических свойств материала лопатки от температуры нелинейная. Но при условии разбиения профиля лопаток на значительное число участков и условии, что образованные таким образом расчетные участки можно считать адиабатными (отсутствует теплообмен по боковым поверхностям участков), можно задачу свести к линейной. Задача линейной оптимизация системы имеет стандартное решение.

Основные сведения о тепловом состоянии лопаток газовых турбин Конфигурация проточной части трактов турбин и профилей каналов течения газа в турбинах определяются газодинамикой течений и стремлением обеспечить максимальное совершенство процесса расширения газа в ступени турбины (в первую очередь ее коэффициент полезного действия). Несмотря на различия в применении и размерности газовых турбин лопаточные венцы, спроектированные разными конструкторскими бюро и использующими различный опыт, накопленный наукой и практикой проектирования газовых турбин в различных странах, мало отличаются друг от друга. Специалист легко поймет и оценит особенности профилирования газового тракта по высоте лопатки и профиля каналов, разработанных в другой стране или проектной фирме.

Совсем другую картину мы имеем при рассмотрении систем охлаждения, конструктивных элементов охлаждаемых лопаток, каналов и форм организации течения охладителей. Здесь мы можем наблюдать необозримый разброс конструктивных, металлургических и технологических решений. Иногда другому специалисту принятое автором разработки решение не представляется бесспорным.

Хотелось бы найти какое-то понимание общих закономерностей и частных особенностей явлений, влияющих на процессы теплообмена и выбора конструктивных решений в охлаждаемых лопатках турбин.

С точки зрения газовой динамики каналы, образуемые лопатками турбин, представляют собой конфузоры, т.е. от входа к выходу имеет место уменьшение проходного сечения канала и соответственно увеличение скоростей потока от входа к выходу. Как известно, изменение скоростей движения газового потока обязательно сопровождается уменьшением статического давления вдоль канала. При этом значения статических давлений по обводу профиля существенно различны в зависимости от того, осуществляем обход профиля по его вогнутой (так называемое корыто) или по выпуклой части (так называемая спинка).

Представляет интерес картина течения газового потока на выходе из решетки.

Самое узкое место турбинного канала называют «горлом» канала. За ним располагается зона, называемая косым срезом. В этой зоне при сверхкритических перепадах давления происходит увеличение скоростей потока выше скорости звука. При докритических перепадах давления на выпуклой части профиля за линией горла могут создаться условия для отрыва пограничного слоя, что приводит к местному повышению уровня теплообмена между газовым потоком и профилем лопатки.

Самой распространенной и доведенной до совершенства является конвективная схема охлаждения лопаток. При данном типе охлаждения снижение температур стенок лопаток достигается отводом тепла от газа в охлаждающий воздух, проходящий во внутренних каналах лопаток. Из теории конвективного теплообмена известно, что основное снижение температуры происходит на границе газ-стенка лопатки из-за процессов в пограничных слоях. Дополнительное снижение температуры происходит за счет теплопроводности материала стенки лопатки. Здесь градиент температур определяется как уровнем коэффициентов теплоотдачи со стороны газа и охладителя так и уровнем теплопроводности материала. К сожалению, повышение жаропрочности сопровождается снижением коэффициента теплопроводности.

Для повышения эффективности охлаждения необходимо делать более тонкую стенку лопатки, одновременно увеличивая радиусы наружный и внутренний по профилю лопатки. Целесообразно вводить оребрение со стороны охлаждающего воздуха. Ну и, конечно, максимально увеличивать интенсивность теплообмена со стороны охлаждающего воздуха. Как будет показано ниже, именно по этому пути и шли конструкторы охлаждаемых лопаток турбины.

Создатели охлаждаемых лопаток с конвективным охлаждением шли от простых канальных лопаток к все более сложным схемам течения охлаждающего воздуха.

Проиллюстрируем несколькими примерами это положение рисунками 3.2.2 и 3.2.3.

Рисунок 3.2.2 – Канальная лопатка с продольным течением воздуха Рисунок 3.2.3 – Лопатки с вставными дефлекторами: 1 – контур лопатки, 2 – дефлектор На лопатках, показанных на рисунке 3.2.2, применены вставные дефлекторы. Их цель подвести свежий воздух и заставить его проходить по малым каналам вдоль профиля и по высоте лопатки.

Широко представлены лопатки турбин с каналами охлаждения вдоль лопатки.

С целью обеспечения равномерного охлаждения лопаток старались располагать каналы 1 по всему профилю. В зонах с максимальными значениями бгаза отверстия делали меньшего диаметра. Как будет показано ниже, это существенно увеличивало коэффициент бвозд, и улучшало эффективность охлаждения.

Может быть более сложная схема конвективного охлаждения с малыми каналами для движения воздуха. Технологически обеспечить изготовление длинных каналов малого размера очень сложно. В приведенной конструкции использована так называемая гильзовая схема лопатки. Наружная поверхность представляет собой гильзу из жаропрочного материала, облегающую силовой стержень из менее жаропрочного материала. Всю нагрузку несет силовой охлаждаемый стержень, а гильза свободна от нагрузок и крепится к одному из концов лопаток, имея возможность свободно расширяться при нагреве лопатки.

В каналах охлаждения, как правило, имеет место турбулентный режим течения. Это объясняется стесненными размерами каналов с внезапными изменениями проходных сечений при достаточных перепадах давлений.

Следует заметить, что более высокой эффективностью охлаждения обладают каналы с меньшими значениями гидравлического диаметра. В связи с этим стремятся уменьшить проходные сечения каналов (одновременно увеличивая их количество) и увеличивают смоченный периметр каналов за счет видоизменения формы каналов – делая их плоскими, сплющенными, гофрированными и т.д.

Коэффициенты теплопроводности и динамической вязкости воздуха принимают по температуре на входе в канал охлаждения. Эффективность охлаждения повышается при увеличении интенсивности теплоотдачи в каналах охлаждения. Конструктивно и технологически это обеспечивается усложнением воздушных каналов.

Конвективное охлаждение имеет ограничения по дальнейшему росту эффективности охлаждения лопаток. Дальнейшее повышение эффективности охлаждения обеспечивается введением пленочного и пористого охлаждения.

Заградительное охлаждение – это подача охлаждающего воздуха или другого агента непосредственно поверх наружной защищаемой поверхности для защиты от непосредственного воздействия потока газа. Введение заградительного пленочного охлаждения существенно меняет процессы теплообмена. Введение пленки создает свой пограничный слой на наружной защищаемой поверхности и изменяет коэффициент теплоотдачи со стороны газа. Обычно охлаждающий воздух подается из внутренней полости лопатки, и пленочное охлаждение является чаще всего комбинацией с конвективным или проникающим (пористым) способом охлаждения.

Пленочное охлаждение лопаток, с точки зрения теплового эффекта по защите лопаток (снижения температуры стенок относительно температур газа), является одним из наиболее эффективных способов охлаждения. Но у него есть и отрицательные стороны:

пленочное охлаждение требует более высоких уровней отбора воздуха;

технологически лопатки с пленочным охлаждением очень сложны;

долговечность лопаток из-за наличия концентраторов напряжений от острых кромок в районе выхода охлаждающего воздуха ниже, чем у сплошных лопаток.

Учитывая эти особенности, пленочное охлаждение применяют, как правило, в сочетании с конвективным охлаждением (используя вставные дефлекторы).

Полную защиту профиля лопатки воздушной пленкой обеспечивает проникающее (пористое) охлаждение. Пористое охлаждение реализуется с помощью пористой оболочки (типа гильзы) над силовым профильным стержнем. Оно с термодинамической точки зрения является самым совершенным. При нем охладитель подводится во внутреннюю полость и продавливается через пористую стенку. Направление движения потока охладителя противоположно направлению теплового потока, т.е. идет от холодной стенки к горячей. Теплоотдача идет за счет теплопроводности и конвекции.

металокерамические сплавы, а также порошковые составы типа нихрома, карбидов и других смесей. Пористостью называют отношение объемов пор к общему объему оболочки. Требования к пористым материалам очень высокие. Они должны обладать жаропрочностью, жаростойкостью, высокой устойчивостью к циклическим нагружениям.

В то же время они должны обладать требуемой пропускной способностью для реализации транспортировки воздуха. Желательно, чтобы пористые материалы обладали высокой теплопроводностью. Конечно, при спекании пористого материала желательно, чтобы он был достаточно гомогенным по зернистости. Плотность пористого материала ниже плотности сплошного материала, что очень важно для облегчения веса конструкции.

Из сказанного выше следует, что пористые материалы более подходят для защиты неподвижных сопловых лопаток и статорных деталей.

Типичный вид современных лопаток с конвективно-пленочным охлаждением показан рисунке 3.2.5.

Рисунок 3.2.5 – Конвективно-пленочное охлаждением входной кромки лопатки Для проектирования охлаждаемых лопаток должны быть заданы, как отмечено выше, следующие данные:

температуры газов по высоте лопатки ( для сопловых лопаток с учетом окружной неравномерности);

действующие нагрузки;

располагаемые температуры охлаждающего воздуха и давления в зоне отбора;

определяющая температура тела лопатки или разброс по телу лопатки для сечения с максимальными нагрузками;

ресурс работы лопаток;

характеристики прочности материала (с учетом температур и ресурса работы);

геометрические параметры обтекания лопаток в каналах турбины и размеры хорды и высоты лопаток.

Опытно-экспериментальные исследования элементов охлаждения и лопаток турбин Все расчетные методы определения параметров обтекания профилей, характеристик пограничных слоев носят только оценочный характер и применяются для получения информации первого порядка. На базе этой информации строятся проекты начального уровня. Дальнейшее проектирование и доводка лопатки невозможны без натурных испытаний. Желательно было бы иметь полный комплекс установок по исследованию и доводке профилей лопатки и отработке характеристик теплового состояния спроектированных лопаток.

Гидравлические характеристики лопаток (с измерением, в том числе распределения статических давлений по профилю лопатки) требуют создания специальных продувочных стендов. Минимальное число лопаток, образующих исследуемый канал, равно 3 – 5. Для лопаток большой высоты из-за стремления ограничить потребные расходы воздуха производят модельные испытания части лопатки по высоте. Но для получения полной картины обтекания с учетом влияния стенок наружного и внутреннего контура тракта требуется полноразмерный канал. Это обеспечивается масштабированием – продувкой полноразмерной модели в масштабе 1/2, 1/3 или какого-либо другого приемлемого значения по расходам воздуха. Преимущество исследования лопаток или их моделей в том, что можно проводить исследования при различных перепадах давлений в решетке и при различных углах атаки, степени турбулентности.

Тепловые исследования моделей или полноразмерных лопаток производятся на тепловых стендах с изменением температур газа и охлаждающего воздуха, перепадов давлений как по газу, так и по охлаждающему воздуху. В итоге находятся зависимости эффективности охлаждения лопаток от расхода охлаждающего воздуха, распределение температур по профилю лопаток. В прикладном плане можно производить исследования интенсивности теплообмена со стороны газового потока с последующей критериальной обработкой результатов исследований.

Исследование эффективности процессов в каналах охлаждения лопаток производят на установках осаждения из расплава металла. В зависимости от интенсивности охлаждения образуется в течение нескольких минут на стенке охлаждаемой лопатки, помещенной в расплавленный цинк, определенной толщины корка. Величина корки зависит от разности температур расправленного цинка и охлаждающего воздуха и местного значения коэффициента теплоотдачи в канале охлаждения. Установка существенно дешевле описанных ранее установок и по этой причине более доступна и находит свое применение при доводке систем охлаждения лопаток.

Полезную информацию о проектировании охлаждаемых лопаток турбины можно получить, знакомясь с традициями и опытом создания ОЛТ в ведущих проектноконструкторских бюро, занимающихся созданием высокотемпературных ГТД.

Наибольшие успехи достигнуты при создании военных ГТД.

При создании и доводке двигателя НК-144А для сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144 и бомбардировщика Ту-22М2 потребовалось разработать мероприятия по повышению надежности охлаждаемых лопаток первой ступени турбины.

Мероприятия по повышению эффективности охлаждения лопаток, установка топливных форсунок пониженной проливки, установка лопаток повышенной пропускной способности в зоне повышенной окружной неравномерности позволили исключить дефект разгара лопаток.

Защита стенок ракетных двигателей от опасного перегрева является одной из самых важных и сложных проблем ракетной техники. Первые частичные решения этой проблемы позволили создать и первые ЖРД» имевшие практическое значение.

В настоящее время многие вопросы защиты стенок камеры сгорания и сопла от опасного перегрева так или иначе разрешены или стали более ясными. В результате современные жидкостные ракетные двигатели стали надежно действующими машинами.

Однако, несмотря на это, считать, что эта проблема полностью разрешена, нельзя.

Организация надежной защиты стенок современных высоконапряженных ЖРД при небольших потерях удельной тяги является одной из трудных задач, возникающих при создании новых конструкций ЖРД.

Сложность проблемы защиты стенок современных ЖРД связана с тем, что газы, омывающие стенку камеры и сопла, имеют очень высокую температуру (до 3500…4000° К), высокие давления (до 150 и выше атмосфер) и высокие скорости движения (до 3000…4000м/сек).

При таких высоких термодинамических параметрах между газами и стенкой возникает интенсивный теплообмен, способный при недостаточной защите быстро нагреть стенку камеры или сопла до температур, близких к температуре газа. Если учесть, что подавляющее большинство материалов стенки допускают весьма умеренные нагревы (максимум 1300…1500° К), то сложность проблемы защиты стенки камеры и сопла становится очевидной.

Интенсивность теплообмена в ЖРД можно характеризовать как количеством тепла Q передаваемого от газа в стенку в единицу времени через всю поверхность камеры и сопла, так и тепловым потоком, т.е. количеством тепла, передаваемым через стенку в единицу времени с единицы поверхности, — q.

Полет пилотируемого космического корабля может быть разделен на три основных участка. Первый участок (ЛБ рис.В.1) характеризуется его движением совместно с ракетой - носителем со стартового стола до заданной высоты от поверхности Земли, где происходит его отделение от носи геля и начинается автономный полет по определенной орбите. Этот участок носит название участка выведения и на нем космический корабль испытывает воздействие набегающего воздушного потока атмосферы, тепловых радиационных потоков от факелов работающих маршевых ракетных двигателей носителя, мощных акустических и вибрационных нагрузок, перегрузки от ускоренного движе ния и целый ряд других воздействий. В свою очередь набегающий воздушный поток разогревает внешние поверхности корабля и создает внешнее избыточное давление.

После соответствующего маневрирования на участке БВ орбиталь ный космический корабль выходит на рабочую околоземную орбиту ВГВ.

Второй участок полета - это движение по заданной околоземной орбите на высотах до 350 км от поверхности Земли. В орбитальном полете внешние поверхности космического корабля испытывают воздействие прямого солнечного излучения и могут нагреваться до температуры +120°С или охлаждаться до -120°С в теневых зонах.

Рис.. 1. Схема полета пилотируемого космического корабля запланированные на Земле задания. В качестве одного из заданий мо жет быть осуществлена доставка грузов на борт орбитальных косми ческих станций лабораторий или установка на заданных орбитах искусственных спутников Земли, обеспечивающих, например, связь на определенных ее участках.

После выполнения предусмотренных работ орбитальный корабль осуществляет маневр схода с орбиты на участке ГД и по заданной траекто рии ДЕ производит посадку в заданный район поверхности Земли. Траектория ДЕ - это третий основной участок полета космического корабля. Он является наиболее напряженным по уровню действующих на-I рузок. Особенно большими являются тепловые нагрузки. Планирующий спуск орбитального корабля на Зем лю осуществляется с громадной скоростью входа в атмосферу. Так, например, скорость движения корабля на высоте около 100 км составляет приблизительно 500 км/ч. Учитывая массу корабля, которая может составлять от 80 т до 100 т, нетрудно определить его кинетическую энергию, которая должна быть погашена на участке ДЕ для осуществления посадки на аэродром со средней скоростью 310 км/ч. Поскольку торможение корабля осуществляется, в основном, за счет трения воздушной атмосферы о поверхность планера корабля, то практически вся энергия движения аппарата переходит в тепловую. Оценки показывают, что часть этой энергии может быть аккумулирована конструкцией планера, но она дол -жпа составлять не более 3% от общей энергии. Это обусловлено жес -гкими требованиями по тепловым режимам металлической силовой конструкции корабля с учетом многоразовое™ его использования. Остальные 97% тепловой энергии должны быть восприняты специальными конструкциями, которые принято называть теплозащитными.

При движении корабля на атмосферном участке спуска с орбиты набегающий поток воздуха переходит в состояние низкотемператур ной плазмы. Плазма (от ионизированные газы, в которых плотно-С in положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

11ри достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, пре кращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, то резко уси -111 тае гея процесс термической ионизации, то есть молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются и попы. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества I кчлеммой звезды, звездные атмосферы, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечн ого ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиацион ные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обус ловлены магнитные бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле. Низкотемпературная плазма имеет температуру до 10 К.

Движение летательных аппаратов, возвращаемых из космоса на Зем лю, при взаимодействии с ее атмосферой порождает образование плаз мы с температурой около 10 000° С, которая резко уменьшается в пограничном слое на поверхности аппарата, нагревая отдельные участки последнего от 150° до 2000° С.

Одновременно с этим космический корабль подвержен воздействию целого ряда других нагрузок: механических под воздействием давления воздуха, акустических и т.п.

допустимого уровня его нагрева или охлаждения. В качестве такого средства выступают теплозащитные конструкции. По характеру своих функций они относятся к особо ответственным конструкциям, так как обеспе чивают нормальное функционирование всего аппарата и многоразовость его применения. Кроме того, ремонтопригодностью при наземном обслуживании.

К настоящему времени разработаны различные методы тепловой защиты. Их создание обусловлено не только потребностью защиты из делий от воздействия тепла, но и необходимостью защиты самого человечества от экстремальных климатических условий в различных районах Земли. Для того чтобы выжить, мы защищаемся от холода, одевая теплоизолирующую шубу в районах Севера, и теплозащитную одежду от чрезмерного перегрева в жарких районах.

В этой связи разработаны различные методы тепловой защиты, пре дставленные на рис.В.2. Применительно к технике термин теплозащита предполагает техническое средство обеспечения нормального (заданно го) температурного режима в установках и аппаратах, работающих в ус ловиях подвода к их поверхности значительных тепловых потоков. Теплозащита, например, широко распространена в авиационной и ракетной технике для защиты летательных и космических аппаратов от аэродинамического нагрева при движении в плотных слоях атмосферы.

Известны активные и пассивные методы теплозащиты. В активных Рис..2. Методы тепловой защиты методах газообразный или жидкий охладитель подается к защищае мой поверхности и берет на себя основную часть поступающего к по -иерхности тепла.

В зависимости от способа подачи охладителя к защищаемой поверхнос ти различают несколько типов теплозащиты.

Конвективное (регенеративное) охлаждение - охладитель пропускается через узкий канал («рубашку») вдоль внутренней (по отношению к подводимому тепловому потоку) стороны защищаемой поверхности. ) гот способ теплозащ иты широко применяется, например, в стационарных энергетических установках, а также в камерах сгорания и соплах жидкостных ракетных двигателей.

11а рис. В.З изображена схема действия такого метода в жидкостном ракетном двигателе. Жидкий окислитель и жидкое горючее из соот-негегвующих баков 1, 2 подаются с помощью насосов 3 в камеру сго рания 4, где происходит их смешивание и воспламенение. Раскаленные продукты сгорания под большим давлением из камеры сгорания по-( гупают в сопло 5, где в результате их расширения создается реактивная тяга. Защита внутренней поверхности сопла и камеры сгорания от действия горячих газов осуществляется с помощью жидкого окислигеля, который вначале поступает в пространство между двумя стенками (рубашками) сопла и камеры сгорания, снимает необходимое количество тепла с внутренней стенки двигателя и только после этого взаимодействует с горючим.

Рис..З. Принципиальная схема действия жидкостного ракетного двигателя 1 - бак с жидким окислителем; 2 - бак с жидким горючим; 3 - насос; 4 камера сгорания; 5 - сопло Заградительное охлаждение - газообразный охладитель подается через щель в охлаждаемой поверхности на внешнюю, «горячую», сто рону, как бы загораживая ее от воздействия высокотемпературной внешней среды. Заградительный эффект струи охладителя уменьшается по мере ее перемешивания с горячим газом.

Поэтому для теплозащиты больших поверхностей пользуются системой последовательно расположенных щелей. Этот метод применяется, например, в авиации для теплозащиты камер сгорания и сопел воздушно - реактивных двигателей, причем в качестве охладителя используют забортный воздух.

лсиочное охлаждение аналогично заградительному, но через щель ицшцаемой поверхности подается жидкий охладитель, образующий на ней защитную пленку.

По мере растекания вдоль поверхности жидкая пленка испаряется и разбрызгивается. Поглощение подводимого к поверхности тепла в данном способе теплозащиты происходит за счет нагревания и испарения жидкого охладителя, а также последующего нагрева его паров. Этот способ применяется для защиты камер сгорания и сопел жидкостно-реактивных двигателей.

Пористое охлаждение - газообразный или жидкий охладитель пода-е гея через саму охлаждаемую поверхность, для чего последнюю изго -гавливают пористой или перфорированной. Этот метод применяется при повышенных тепловых потоках к поверхности, когда предыдущие методы теплозащиты оказываются несостоятельными.

В пассивных методах теплозащиты воздействие теплового потока вос принимается с помощью специальным образом сконструированн ой внешней оболочки или с помощью специальных покрытий, наносимых на основную конструкцию. В зависимости от способа «восприятия» теп -гювого потока известно несколько вариантов пассивных методов.

В теплопоглощающих конструкциях (тепловых аккумуляторах) под ходящее к поверхности тепло поглощается достаточно толстой оболочкой. )фективность метода зависит от величины удельной теплоемкости ма -кшалатеплопоглощающей конструкции (наиболее эффективен бериллий).

«Радиационная» теплозащита основана на применении в качестве внешней оболочки материала, сохраняющего при высоких температурах достаточную механическую прочность. В этом случае почти весь поток тепла, подходящий к поверхности такого материала, переизлучается в окружающее пространство.

Теплоотвод внутрь защищаемой конструкции минимален за счет размещения между внешней высокотемпературной оболочкой и основной конструкцией слоя из легкого теплоизоляционного материала. Данный способ может быть ис пользован для теплозащиты лишь внешних поверхностей аппарат а, когда излучение от нагреваемой поверхности имеет свободный выход ВО внешнее пространство.

Для «радиационной» теплозащиты существенное значение имеет спо -( об подвода тепла. Например, если тепло поступает вследствие аэро динамического нагрева и его необходимо излучить в окружающее пространство, то идеальным следует считать случай полного термодинамического равновесия, когда все части системы тел имеют одну | ем 11сратуру и энергия теплового излучения, испускаемого каждым телом, компенсируется энергией поглощения теплового излучения окружающим пространством. Этот случай может быть реализован только абсолютно черным телом. На практике изготовить абсолютно черное тело не представляется аэродинамический нагрев, должны иметь максимально возможную степень черноты. Если же необходимо защитить конструкцию от светового излучения (например, солнечного), то поверхность теплозащитной конструкции должна иметь высокую отражающую способность. Этой способностью обладают белые зеркальные поверхности с минимальной шероховатостью.

Широкое распространение в ракетно-космической технике получила теплозащита с помощью разрушающихся покрытий. Согласно этому способу защищаемая конструкция покрывается слоем специального материала, часть которого под действием теплового потока может разрушаться в результате процессов плавления, испарения, химических реакций, абляции.

Абляция (от лат. Ablatio - отнятие) - унос массы с поверхности твердого тела потоком горячих газов. Абляция происходит в результате эрозии, расплавления, сублимации. Сублимация (позднелат. Sublimatio -возвышение, вознесение, от лат.

Sublimo кристаллического состояния непосредственно (без плавления) в газообразное с поглощением теплоты. Абляция наблюдается, например, при движении в атмосфере с большими скоростями метеорных тел и космических спускаемых аппаратов типа ВОСХОД, ВОСТОК, СОЮЗ. Это явление используется для внешней защиты (охлаждения) частей космических летательных аппаратов и внут ренних поверхностей твердотопливных ракетных двигателей. В качестве примера на рис.В.4 изображена схема твердотопливного ракетного дви гателя, в котором силовые оболочки корпуса 1 и соплового блока 2 защи щены сублимирующимся теплозащитным покрытием 3. Оно надежно предохраняет силовые конструкции от продуктов сгорания твердого топлива 4, имеющих температуру+3500 - +3800° С.

Абляционные теплозащитные конструкции широко применяются так же и в современных космических аппаратах одноразового использования. Так, например, доставившего американских астронавтов на поверхность Луны и возвратившего их на Землю, снабжен подобной конструкцией. Нарис.В.5 изображен фрагмент наружного силового корпуса отсека. Он состоит из силовой трехслойной сотовой оболочки, содерРис..4. Схема твердотопливного ракетного двигателя 1 - силовая оболочка корпуса; 2 - силовая оболочка соплового блока; абляционное теплозащитное покрытие; 4 - заряд твердого топлива Рис..5. Схема фрагмента наружного контура командного отсека космического корабля АПОЛЛОН (США) I 1 - несущий слой; 2 - сотовый заполнитель; 3 - сотовый заполнитель из армированной пластмассы; 4 эпоксидная смола с наполнителями жащей в своем составе два несущих слоя 1 из стали марки РН14 -8Мо, между которыми размещен сотовый заполнитель 2 из той же ста ли. На внешнем несущем слое располагается слой абляционной теплозащитной конструкции, изготовленной фирмой ЭВКО (США). Она состоит из эпоксидной новолачной смолы с низкоплотными наполнителями, армированной волокном. В качестве силового каркаса служит сотовый заполнитель 3 из армированной пластмассы. Смола с включенными в ее состав наполнителями и армирующими волокнами 4 заполняет ячейки сотового каркаса, образуя монолитную структуру с объемной плотностью 528 кг/м. Теплозащитная конструкция представляет собой монолитную непрерывную оболочку, неразъемно соединенную с наружным силовым корпусом командного отсека по всей его поверхности [ 1,2 - 4,5]. Абляционная теплозащита - это уносимая конструкция, которая частично «выгорает», поглощая при этом тепловую энергию. Следствием этого процесса является изменение формы ле тательного аппарата и его аэродинамики. Так к ак этот процесс неуправляем, то для аппаратов с такой системой теплозащиты невозможно создать эффективную систему управления движением для обеспечения их приземления «посамолетному».

Дальнейшее развитие теплозащитные конструкции получили при про ектировании и изготовлении нового поколения космической техники -в многоразовых космических кораблях - самолетах серии СПЕЙС ШАТТЛ (США), БУРАН (СССР) и европейском проекте космического корабля ГЕРМЕС при долевом участии следующих стран: Франция (42,65%), Германи я (26,7%), Италия (12,47%), Бельгия (5,86%), Испания (4,45%), Нидерланды (2,4%), Швейцария (1,98%), Швеция (1,83%), Австрия (0,5%), Дания (0,45%), Канада (0,45%) и Норвегия (0,26%).

Современные тенденции расчета и проектирования систем охлаждения ДЛА При расчете и проектировании систем охлаждения современных двигателей широко используются CAD/CAE – технологии, на базе таких пакетов программ как FLUENT.

На примере элементов системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, таких как радиатор и насос можно рассмотреть процесс моделирования тепловых и газодинамических потоков. Данное моделирование должно производиться на основе результатов расчета системы охлаждения в соответствии методикой, описанной в разделе 3.1., посвященном поршневым двигателям.

После выполнения расчетов и построения схемы профиля лопатки насоса создается расчетная модель в какой-либо CAD-программе (например, Компас, SolidWorks). На рисунке 4.1 показан результат построения геометрической модели в программе Solid Works по заданным параметрам.

Полученная модель затем импортируется в постпроцессор Gambit, в котором проводятся дополнительные построения, а также е разбиение сеткой и задание граничных условий. Для импортирования необходимо сохранить модель в одном из поддерживаемых постпроцессором Gambit форматов: PARASOLID, ACIS, STEP или IGES.

Дальнейшими действиями с расчетной моделью, которые производятся в программе FLUENT, являются задание граничных условий, настройка параметров решателя, решение и обработка результатов.

Рисунок 4.2 – Статическое давление в межлопаточных каналах крыльчатки насоса Отдельное внимание необходимо уделить процессу моделирования кавитации в центробежном насосе. Решение последней задачи требует использования в программном комплексе FLUENT модели движущейся системы отсчета и модели кавитации.

Рисунок 4.3 – Статическое давление в межлопаточных каналах крыльчатки насоса При этом необходимо рассмотреть следующие аспекты использования программы FLUENT: применение k-e моделей турбулентности, выбор модели смеси, создание расчетной кавитационной модели, расчет задачи без кавитации в потоке и с кавитацией.

С помощью программы FLUENT производится моделирование тепловых процессов в радиаторе. Для решения данной задачи с помощью программы Fluent сначала строится двухмерная модель трубки трубчато – ленточного радиатора. Затем проводится моделирование течения охлаждающей жидкости на данном участке теплообменника, на котором находится значение коэффициента теплопередачи для данной конструкции.

Первоначально выполняется построение модели. Для решения этой задачи удобно использовать различные графические редакторы (Solid Works, Unigraphix, Компас).

Двухмерная модель представляет собой две соседние трубки, соединенные вместе, между которыми находится лента оребрения. Проводим построение участков трубок длиной около половины всей длины (рисунок 4.4).

Трехмерная модель представляет собой остов радиатора без оребрения с бачками, подводящим, отводящим каналами (рисунок 4.5). Далее модель импортируется в Gambit, где выполняются с ней дополнительные построения, она разбивается сеткой и задаются граничные условия.

Для импорта в Gambit необходимо в названии модели использовать только латинские буквы или цифры.

Рисунок 4.6 – Визуализация коэффициента теплопередачи Затем на трехмерной модели остова радиатора происходит численное моделирование тепловых процессов для данной выбранной заранее конструкции теплообменника.

Рисунок 4.7 – Распределение векторов скорости в межреберном канале радиатора По результатам моделирование элементов системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания в программном комплексе FLUENT можно сделать следующие выводы:

1)Применение CAD/CAE-технологий для моделирования тепловых и газодинамических процессов в элементах системы охлаждения позволяет снизить сроки проектирования двигателя внутреннего сгорания за счет ускорения процесса получения информации о правильности выбранной конструкции и массогабаритных характеристик.

2)Высокая информативность результатов численного моделирования способствует более глубокому анализу процессов проходящих в системе охлаждения ДВС.

3)Моделирование структуры потока при обоснованном выборе модели турбулентности позволяет с достаточной точностью получить распределение основных термодинамических параметров внутри центробежного насоса двигателя и в трубках радиатора.

Рассмотренные системы жидкостного и воздушного охлаждения поршневых двигателей внутреннего сгорания позволяют получить общее представление о проблемах, с которыми сталкиваются конструкторы моторостроения. Большой круг задач, решаемых при создании современных поршневых двигателей, может быть дополнен с учтом их постоянного совершенствования в связи с появлением новых конструкционных идей, требований к технико-экономическим и эксплуатационным характеристикам.