Введение При эксплуатации газотурбинного двигателя (ГТД) обычно определяют четыре основных этапа, среди которых выделяется пусковой режим - один из важных и ответственных режимов. Пуск является самой ответственной операцией, т. к. в результате возгорания топлива за короткий промежуток времени очень быстро увеличивается температура рабочего тела, приводящая к существенному изменению величин всех параметров двигателя, а главным образом - увеличению температуры конструктивных элементов двигателя. И всё же в пусковом режиме двигателя возникают ситуации, когда происходит преждевременный отказ его работы с последующим разрушением конструктивных элементов. Причиной такого разрушения двигателя является локальный нагрев отдельных элементов, т. е. процесс теплоотдачи, происходящий за пределами камеры сгорания в осесимметричных жаровых трубах, где формируется нагретый газовый поток на входе в турбину, её вращающий. При пуске энергетической установки во время розжига резко увеличивается температура рабочего тела и изменяются его теплофизические свойства. Процесс этот сопровождается нестационарными эффектами [1, 2]. Когда температура рабочего тела достигает постоянной величины, формируются условия для ламинаризации турбулентного пограничного слоя (ТПС). Со времени открытия явления ламинаризации, вызванного ускорением потока за счёт изменения геометрии обтекаемого тела [4-8], оно также зафиксировано при отсосе газа из пограничного слоя [9], охлаждении обтекаемой поверхности [10], совместном воздействии охлаждения стенки и ускорения потока газа [6, 11-13], нагреве обтекаемой поверхности [14-16]. Количественная оценка выполнялась «универсально» по параметру ускорения независимо от условий, сформировавших это явление (v - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; w0 - скорость вне пограничного слоя, м/с; - дифференциал; - продольная координата, м). Кроме того, не делалось уточнения, речь идёт о воздействии на какой пограничный слой - динамический или тепловой. Экспериментальные исследования Экспериментальные исследования проведены на газодинамическом стенде разомкнутого типа с электродуговым подогревом рабочего тела. Принципиальная схема приведена на рис. 1. Рис. 1. Принципиальная схема газодинамического стенда: 1 - плазмотрон; 2 - форкамера; 3 - выравнивающие решётки; 4 - опытный канал; 5 - термопары хромель-алюмелевые; 6 - термопары хромель-копелевые; 7 - подводящие проводники; 8 - расходомер; 9 - образцовые манометры; 10 - регулировочный кран; 11 - запорный кран; 12 - фильтр грубой очистки; 13 - фильтр тонкой очистки; 14 - запорный клапан Плазмотрон 1 выполнен по однокамерной схеме с вихревой стабилизирующей круткой дуги и состоит из анода и катода, установленных в обойму из органического стекла. Сжатый воздух подаётся в рабочую камеру плазмотрона через тангенциальное отверстие в обойме. К выходному фланцу плазмотрона пристыкована форкамера 2 с выравнивающими решётками 3 [17], которые совместно с профилированным по кривой Витошинского соплом обеспечивают равномерное распределение скоростей и температур на входе в опытный канал 4. Коэффициенты искажения wlср/wlmax и Tlср/Tlmax составили не менее 0,97. В качестве имитационной модели жаровой трубы был выбран осесимметричный цилиндрический канал. Опытный канал 4 представляет собой цилиндрическую трубу диаметром D = 45 мм, выполненную из нержавеющей стали и составленную из отдельных секций длиной D, с толщиной стенок 0,08 мм. Индуктивными датчиками давления ДМИ и термопарами хромель-алюмелевыми 5 и хромель-копелевыми 6 диаметром 40∙10-6 м измерялись полное давление р0* и температура на входе в опытный канал Т0, распределения по длине канала температуры стенок Тw, динамического напора на оси канала, статического давления Δрст и пристенных касательных напряжений трения τw [18-19]. Информация от первичных преобразователей температуры и давления через 8-канальные модули аналогового ввода ADAM 4019 и RS - 232/485 поступала в компьютер. Заданные температурные режимы обеспечивались перераспределением подачи холодного воздуха в форкамеру. Для уменьшения эрозии катода в зону дуги плазмотрона подавался аргон, доля которого составляла 1,5-2,0 % от расхода воздуха. Расходы аргона и воздуха регистрировались расходомерами 7. Метрологические исследования [20-21] характеристик измерительных систем показали, что системы не имеют искажений амплитуды и фазы во всём диапазоне измерений. Диапазон изменения числа Рейнольдса Re1, построенного по среднерасходной скорости, составил Re1 = 30 000-60 000, температуры рабочего тела - Т = 293-1 500 К с градиентом температуры до 12 000 К/с. Среднеквадратичные погрешности измерения температуры и коэффициентов трения и теплоотдачи в опытах не превысили 1,6, 9,2 и 9,5 % соответственно. Результаты исследований При увеличении температуры газового потока уменьшается плотность и увеличивается вязкость рабочего тела, в результате увеличивается скорость потока, т. к. массовый расход его остаётся постоянным. Увеличение скорости во времени достигает м/с с градиентом изменения температуры на входе в опытный канал до 12 000 К/с (t = 0,04 с). Температурный фактор jh = Tw/T0 уменьшается по величине от 1 до 0,25. С увеличением температуры T0 газового потока формируется нестационарный процесс теплоотдачи продолжительностью около 0,1 с. В этом интервале времени формируются величины температурного напора T0-Tw, скорости потока w0, чисел Re, параметра ускорения K и коэффициента теплоотдачи St, которые в рассматриваемом временном интервале t > 0,1, с, не изменяются по величине. Две кривые построены на рис. 2. Рис. 2. Изменение величины коэффициента теплоотдачи в функции времени Кривая 1 - это зависимость St = f(t) [22] для турбулентных (1) а кривая 2 для ламинарных режимов течения (2) В рассматриваемом временном интервале около кривой 2 сгруппировались опытные точки. При этом среднерасходное число Рейнольдса равно величине Re = 18 800 и определяет режим движения рабочей среды турбулентным. Величина коэффициента теплоотдачи St определялась по выражению (3) По условиям эксперимента массовая скорость ρ0w0 есть величина постоянная. Плотность теплового потока qw определялась по выражению (4) В выражении (4) Δqw - это потери тепла, вызванные свободной конвекцией и за счёт лучеиспускательной способности поверхности опытного канала. Потери Δqw определялись согласно рекомендациям, приведённым в [23], и получились менее 10 % от величины qw. В выражении (4) первое слагаемое представляет собой произведение удельной теплоёмкости, плотности материала стенки канала, толщины стенки канала и временного градиента температуры стенки. Иллюстрация изменения величин Tw и ∂Tw/∂t приведена на рис. 3. Рис. 3. Изменения во времени величин Тw (1), ∂Tw/∂t (2) На графиках видно, что темп нарастания температуры Tw стенки является неизменной величиной. Отсюда следует, что плотность теплового потока qw есть величина неизменная. В свою очередь, qw входит в выражение (3), по которому определяется коэффициент теплоотдачи St. Из анализа выражения (3) следует, что единственной переменной величиной здесь является разность энтальпий. Изменение этой величины при выполнении экспериментальных исследований доказало, что превышение температурным напором значения граничной величины ΔT ≥ 700 К способствует тому, что опытные точки на рис. 4 группируются около кривой 2 вне зависимости от места расположения измерительного сечения по длине опытного канала и величины числа Re. Рис. 4. Зависимость величины коэффициента теплоотдачи St от числа Рейнольдса : 1 - выражение (1); 2 - выражение (2); 3 - аппроксимационная зависимость Увеличение в эксперименте времени работы плазмотрона показало, что с прогревом стенок канала и, как следствие, уменьшением величины температурного напора происходит обратное монотонное перемещение опытных точек от кривой 2 от ламинарного к турбулентному режиму течения. Период времени, в течение которого опытные точки присутствуют в окрестности кривой 2, определяется величиной температурного напора. При большей величине температурного напора потребуется большее количество времени для прогрева стенок канала и достижения граничной величины ΔT ≈ 700 К, ниже которой теплоотдача вновь начнёт увеличиваться. В рассматриваемом временном интервале величина коэффициента трения не изменяется. Учёт фактора неизотермичности позволил сгруппировать опытные точки в пределах точности эксперимента в окрестностях зависимости [22] (5) Проводя анализ экспериментальных работ, в которых исследовалось явление ламинаризации, Ю. Л. Нэш-Уэббер и Г. К. Оутс [24] сделали вывод о том, что параметр ускорения K является функцией характерного числа Re**. В поисках выражения для «границы» перехода от турбулентного режима течения к ламинаризованному авторы получили аппроксимационное выражение (6) которое определяет величину критического значения параметра ускорения Kгр. В рассматриваемой термогазодинамической ситуации присутствуют две причины ускорения потока: первая - ускорение за счёт производной скорости потока по продольной координате, т. е. продольный градиент давления, и вторая - ускорение за счёт производной скорости потока по времени, т. е. нестационарность. В нашей ситуации параметр ускорения состоит из двух слагаемых и , где - производная по продольной координате; - производная скорости по времени. Проведённое сравнение экспериментальных данных по величинам параметра K и его слагаемым и кривой, определяющей «границу» области ламинаризации, построенной по уравнению (6), показало, что во временном интервале ~ 0,02-0,05, с, величина параметра K достигает «границы» или переходит её в область ламинаризации. Здесь более 70 % величины параметра K приходится на долю слагаемого Kt. В функции продольной координаты параметр K увеличивается по направлению течения. Сравнение с результатами исследований других авторов, опубликованными в литературных источниках, показало, что наблюдается корреляция по характеру, величинам и направлению изменения чисел Рейнольдса Re01, Re**, Reh**, локальных коэффициентов трения и теплоотдачи, диапазону изменения характерного числа Re** ~ от 1 000 до 400, величине положительного градиента скорости м/с2. С учётом воздействия фактора нестационарности параметр ускорения можно определить по выражению (7) Однако обобщающий параметр трения позволяет произвести учёт воздействия разного набора дестабилизирующих факторов на динамический пограничный слой и его параметры при помощи формулы [25] (8) где z - параметр динамической нестационарности; λ - параметр продольного градиента давления. Обращает на себя внимание похожесть правых частей в выражениях (7) и (8). То есть можно записать тождество или (9) где . Отсюда следует, что параметр ускорения K является функцией обобщающего параметра трения , числа Reδ и коэффициента трения Cf , т. е. является характеристикой динамического пограничного слоя. Воздействие различных дестабилизирующих факторов, таких как, например, нестационарность, продольный градиент давления, вдув или отсос, двухфазность и др., как показано в [25], учитывается обобщающим параметром трения. Кроме того, влияние обобщающего параметра трения на величины коэффициентов переноса и другие характеристики динамического и теплового пограничных слоёв широко представлены в литературе [2-5, 8, 15, 22, 23]. Если перейти от параметра ускорения K к обобщающему параметру то получим (10) Путём подстановки критической величины параметра ускорения K в выражение (9) получим границу ламинаризации ТПС на поверхности [24] где Cf0 определяется по выражению (5). Согласно [25] для теплового ТПС есть свой обобщающий параметр теплоотдачи где - параметр тепловой нестационарности, - параметр продольного градиента энтальпии. В рассмотренной авторами ситуации условия теплообмена определяет температурный напор и, следовательно, целесообразным является утверждение признать его в качестве параметра ламинаризации теплового ТПС, а границы ламинаризации ТПС определять величиной температурного напора или температурного фактора. Выводы 1. Эффект ламинаризации теплового ТПС получен при резком увеличении температуры рабочего тела. Причиной ламинаризации ТПС в рассматриваемой ситуации является температурный напор, который определяет границы переходной зоны и границу области ламинаризации ТПС (ΔT ≥ 700 К). 2. При констатации явления ламинаризации ТПС в сложных термогазодинамических условиях необходимо делать разграничение, на какой именно динамический или тепловой пограничный слой произошло воздействие. При этом для каждого из ТПС должен быть свой параметр ускорения (Kдин или Kтепл) и границы. Авторы придерживаются мнения, что для оценки явления ламинаризации ТПС необходима классификация условий, послуживших источником формирования этого явления с соответствующим параметром, который характеризует эти условия и даёт количественную оценку. 3. Экспериментальные исследования подтвердили, что в пусковом режиме ГТД при соответствующих условиях может возникнуть явление ламинаризации ТПС, в результате проявления которого значения локальных коэффициентов теплоотдачи уменьшаются в 2,5-3 раза. В результате возможен локальный интенсивный нагрев обтекаемой поверхности, например одного из конструктивных элементов двигателя, который может быть причиной нарушения штатного процесса теплообмена, приводящей к отказу и разрушению двигателя.