Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2017; 3: 23-36

Анализ возможности использования трубы Леонтьева в установках космического базирования

Щеголев Н. Л.

https://doi.org/10.24108/rdopt.0117.0000060

Аннотация

Выполнен обзор работ, посвященных устройству газодинамической температурной стратификации (трубе Леонтьева) и показаны основные факторы, влияющие на его эффективность. Описана экспериментальная установка и приведены полученные на ней данные о величине энергоразделения на воздухе, подтверждающие работоспособность данного устройства.

Экспериментально подтверждено предположение о наличии оптимального соотношения скоростей потоков, текущих в дозвуковом и сверхзвуковом каналах устройства газодинамической температурной стратификации.

Выполнен анализ возможных путей повышения эффективности энергоустановок различного (в том числе космического) базирования  и показано, что в настоящее время основным направлением повышения эффективности их работы является усложнение схемных решений.

Предложена схема замкнутой газотурбиной установки космического базирования, работающая на смеси инертных газов (смесь гелий-ксенон). Она отличается от простейших вариантов отсутствием холодильника-излучателя и включением в состав устройства газодинамической температурной стратификации и теплового компрессора.

На базе уравнений одномерной газовой динамики показано, что работоспособность данной схемы определяется возможностью восстановления полного давления при отводе теплоты в тепловом компрессоре. Выполнен анализ возможности создания теплового компрессора и показано, что  при работе на газах с числом Прандтля, близким к 1 рост полного давления не происходит.

Условиями работоспособности теплового компрессора является работа на газах с низким значением числа Прандтля (смесь гелий-ксенон), при высоких сверхзвуковых скоростях  и наличии продольного градиента давления.

Показано, что существует область низких значений числа Прандтля  (Pr<0,3) для которой при наличии продольного градиента давления в сверхзвуковых потоках вязкого газа возможно восстановление полного давления.

Список литературы

1. Леонтьев А.И. Газодинамический метод энергоразделения газовых потоков. // ТВТ, т. 35, № 1. 1997. С. 157-159

2. Леонтьев А.И. Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления (Труба Леонтьева). Патент на изобретение № 2106581. Кл. МПК-6: F25B9/02.10.03.1998.

3. Леонтьев А. И. Температурная стратификация сверхзвукового газового потока // Доклады Академии Наук. 1997. Т. 354, № 4. С. 475-477.

4. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор) // ТВТ. 2014. Т. 52. № 2. С. 310-322.

5. Бурцев С.А., Леонтьев А.И. Температурная стратификация в сверхзвуковом потоке газа // Известия АН. Энергетика. 2000. № 5. C.101-113.

6. Научные основы технологий XXI века / под редакцией Леонтьева А.И., Пилюгина Н.Н., Полежаева Ю.В., Поляева В.М. / М.:УНПЦ "Энергомаш". 2000. 135 с.

7. Бурцев С.А. Анализ влияния различных факторов на значение коэффициента восстановления температуры на поверхности тел при обтекании потоком воздуха. Обзор // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 11. 28 с. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/551021.html (дата обращения 20.01.2017).

8. Леонтьев А.И., Лущик В.Г., Макарова М.С. Численное исследование течения в трубе с отсосом газа через проницаемые стенки // Известия РАН. МЖГ. 2014. № 3. С. 74-81.

9. Васюков Г.К., Воробьева Е.А., Щеголев Н.Л. Эффективность газовой завесы в сверхзвуковом плоском сопле при щелевом тангенциальном вдуве // Инженерный вестник. 2014. № 7. С. 36-45. Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/718728.html (дата обращения 20.01.2017).

10. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния доли гелия на значение критерия Прандтля газовых смесей // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 5. С. 314-329. DOI: 10.7463/0514.0710811

11. Бурцев С.А., Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Исследование влияния состава бинарных смесей инертных газов на их теплофизические свойства // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 11. С. 217–237. DOI: 10.7463/1115.0822897

12. Новый газодинамический метод температурной стратификации газа. / А.И. Леонтьев, Н.Л. Щеголев, В.В. Носатов, и др. // Газотурбинные и комбинированные установки. Сб. докладов 10 Всероссийской межвузовской конференции - Москва. 1996. - С.76-77.

13. Сверхзвуковая аэродинамическая труба. / А.И. Леонтьев, С.Н. Михайлов, Н.Л. Щеголев, и др. // Машины, приборы, стенды. Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана. Каталог № 13. Внешторгиздат.-1991 – С.33-34.

14. Бурцев С.А. Исследование температурной стратификации газа // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1998. № 2. С. 65-72.

15. Щеголев Н.Л. Расчетное исследование теплообмена при внутреннем сверхзвуковом течении // Газотурбинные и комбинированные установки. Сб. докладов 10 Всероссийской межвузовской конференции - Москва. 1996. С. 103-104.

16. Леонтьев А.И., Бурцев С.А. Интенсификация теплообмена в устройстве газодинамического энергоразделения // Доклады Академии наук. 2016. Т. 471. № 3. С. 286-288. DOI: 10.7868/S0869565216330100

17. Бурцев С.А. Анализ путей повышения эффективности трубы Леонтьева // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. № 8 . С. 19-28. DOI: 10.18698/0536-1044-2016-8-19-28

18. Леонтьев А.И., Бурцев С.А., Визель Я.М., Чижиков Ю.В. Экспериментальное исследование газодинамической температурной стратификации природного газа // Газовая промышленность. 2002. № 11. С. 72-75.

19. Бурцев С.А. Исследование устройства температурной стратификации при работе на природном газе // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2004. № 9. 21 с. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/516097.html (дата обращения 20.01.2017).

20. Здитовец А.Г., Титов А.А. Экспериментальное исследование газодинамического метода безмашинного энергоразделения воздушных потоков // Тепловые процессы в технике. 2013. № 9. С. 391-397.

21. Виноградов Ю.А., Ермолаев И.К., Здитовец А.Г., Леонтьев А.И. Измерение равновесной температуры стенки сверхзвукового сопла при течении смеси газов с низким значением числа Прандтля // Известия РАН. Энергетика. 2005. № 4. С. 128-133.

22. Лущик В.Г., Макарова М.С. Численное исследование влияния числа Прандтля на коэффициенты восстановления температуры и аналогии Рейнольдса в пограничном слое на пластине // ТВТ. 2016. Т. 54. № 3. С. 401-407.

23. Макаров М.С., Макарова С.Н. Эффективность энергоразделения при течении сжимаемого газа в плоском канале // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 6. С. 777-787.

24. Кочуров Д.С., Щеголев Н.Л. Анализ влияния состава смесей на основе гелия на коэффициент восстановления температуры и число Прандтля // Аэрокосмический научный журнал. 2016. № 6. С. 26-48. DOI: 10.7463/aersp.0616.0851777

25. Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния ударных волн на эффект безмашинного энергоразделения газовых потоков // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. № 3. С. 64-80. DOI: 10.7463/0316.0835444

26. Вараксин А.Ю., Арбеков А.Н., Иноземцев А.А. Тригенерационный цикл как путь создания многоцелевых стационарных энергетических установок на основе конверсии двухконтурных турбореактивных двигателей // Доклады Академии наук. 2014. Т. 458. № 5. С. 539-541.

27. Клименко А.В., Агабабов В.С., Ильина И.П., Рожнатовский В.Д., Бурмакина А.В. Схемы тригенерационных установок для централизованного энергоснабжения // Теплоэнергетика. 2016. № 6. С. 36-43.

28. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки последовательной схемы // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/359008.html (дата обращения 20.01.2017).

29. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки параллельной схемы // Тепловые процессы в технике. 2012. Т. 4. № 7. С. 326–331.

30. Ядерные газотурбинные и комбинированные установки /под ред. Э.А. Манушина. М.: Энергоатомиздат. 1993. 272 с.

31. Леонтьев А.И. Самсонов В.Л. Суровцев И.Г. Арбеков А.Н. Исследование влияния газодинамической температурной стратификации на эффективность комбинированного цикла Брайтона // Труды 3 Российская национальная конференция по теплообмену. Москва, 21-25 октября 2002 г. В 8 т. Т. 1. М.: Издательство МЭИ. 2002 г. С. 151-154.

32. Бурцев С.А. Титов А.А. Аналитическое исследование возможности создания теплового компрессора // Труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. В 2-х томах. Т. 2. Рыбинск. 26-30 мая 2003 г. М.: Изд-во МЭИ. 2003. С. 218-221.

33. Щеголев Н.Л., Стерелюхин С.А. Схема и цикл замкнутой ГТУ с охлаждаемым сверхзвуковым диффузором и соплом-нагревателем // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. Москва, 1999. С. 121-124.

34. Арбеков А.Н., Голубев С.В., Круминг А.П. Оценка параметров ядерной замкнутой газотурбинной криоэнергетической установки для лунной базы // Тепловые процессы в технике. 2010. № 12. С. 570-573.

35. Хазов Д.Е. Моделирование течения в плоском канале при наличии трения и теплообмена // Труды XV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. В 2-х томах. Т. 1. Калуга. 23-27 мая 2005 г. М.: Изд-во МЭИ. 2003. С. 121-124.

36. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат, 1985. 320 с.

Aerospace Scientific Journal. 2017; 3: 23-36

Analysing Leontiev Tube Capabilities in the Space-based Plants

Shchegolev N. L.

https://doi.org/10.24108/rdopt.0117.0000060

Abstract

The paper presents a review of publications dedicated to the gas-dynamic temperature stratification device (the Leontief tube) and shows main factors affecting its efficiency. Describes an experimental installation, which is used to obtain data on the value of energy separation in the air to prove this device the operability.

The assumption that there is an optimal relationship between the flow velocities in the subsonic and supersonic channels of the gas-dynamic temperature stratification device is experimentally confirmed.

The paper conducts analysis of possible ways to raise the efficiency of power plants of various (including space) basing, and shows that, currently, a mainstream of increasing efficiency of their operation is to complicate design solutions.

A scheme of the closed gas-turbine space-based plant using a mixture of inert gases (helium-xenon one) for operation is proposed. What differs it from the simplest variants is a lack of the cooler-radiator and integration into gas-dynamic temperature stratification device and heat compressor.

Based on the equations of one-dimensional gas dynamics, it is shown that the total pressure restorability when removing heat in a thermal compressor determines operating capability of this scheme. The exploratory study of creating a heat compressor is performed, and it is shown that when operating on gases with a Prandtl number close to 1, the total pressure does not increase.

The operating capability conditions of the heat compressor are operation on gases with a low value of the Prandtl number (helium-xenon mixture) at high supersonic velocities and with a longitudinal pressure gradient available.

It is shown that there is a region of the low values of the Prandtl number (Pr <0.3) for which, with the longitudinal pressure gradient available in the supersonic flows of a viscous gas, the total pressure can be restored.

References

1. Leont'ev A.I. Gazodinamicheskii metod energorazdeleniya gazovykh potokov. // TVT, t. 35, № 1. 1997. S. 157-159

2. Leont'ev A.I. Sposob temperaturnoi stratifikatsii gaza i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya (Truba Leont'eva). Patent na izobretenie № 2106581. Kl. MPK-6: F25B9/02.10.03.1998.

3. Leont'ev A. I. Temperaturnaya stratifikatsiya sverkhzvukovogo gazovogo potoka // Doklady Akademii Nauk. 1997. T. 354, № 4. S. 475-477.

4. Burtsev S.A., Leont'ev A.I. Issledovanie vliyaniya dissipativnykh effektov na temperaturnuyu stratifikatsiyu v potokakh gaza (obzor) // TVT. 2014. T. 52. № 2. S. 310-322.

5. Burtsev S.A., Leont'ev A.I. Temperaturnaya stratifikatsiya v sverkhzvukovom potoke gaza // Izvestiya AN. Energetika. 2000. № 5. C.101-113.

6. Nauchnye osnovy tekhnologii XXI veka / pod redaktsiei Leont'eva A.I., Pilyugina N.N., Polezhaeva Yu.V., Polyaeva V.M. / M.:UNPTs "Energomash". 2000. 135 s.

7. Burtsev S.A. Analiz vliyaniya razlichnykh faktorov na znachenie koeffitsienta vosstanovleniya temperatury na poverkhnosti tel pri obtekanii potokom vozdukha. Obzor // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2004. № 11. 28 s. Rezhim dostupa: http://technomag.bmstu.ru/doc/551021.html (data obrashcheniya 20.01.2017).

8. Leont'ev A.I., Lushchik V.G., Makarova M.S. Chislennoe issledovanie techeniya v trube s otsosom gaza cherez pronitsaemye stenki // Izvestiya RAN. MZhG. 2014. № 3. S. 74-81.

9. Vasyukov G.K., Vorob'eva E.A., Shchegolev N.L. Effektivnost' gazovoi zavesy v sverkhzvukovom ploskom sople pri shchelevom tangentsial'nom vduve // Inzhenernyi vestnik. 2014. № 7. S. 36-45. Rezhim dostupa: http://engbul.bmstu.ru/doc/718728.html (data obrashcheniya 20.01.2017).

10. Burtsev S.A., Kochurov D.S., Shchegolev N.L. Issledovanie vliyaniya doli geliya na znachenie kriteriya Prandtlya gazovykh smesei // Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2014. № 5. S. 314-329. DOI: 10.7463/0514.0710811

11. Burtsev S.A., Kochurov D.S., Shchegolev N.L. Issledovanie vliyaniya sostava binarnykh smesei inertnykh gazov na ikh teplofizicheskie svoistva // Nauka i Obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2015. № 11. S. 217–237. DOI: 10.7463/1115.0822897

12. Novyi gazodinamicheskii metod temperaturnoi stratifikatsii gaza. / A.I. Leont'ev, N.L. Shchegolev, V.V. Nosatov, i dr. // Gazoturbinnye i kombinirovannye ustanovki. Sb. dokladov 10 Vserossiiskoi mezhvuzovskoi konferentsii - Moskva. 1996. - S.76-77.

13. Sverkhzvukovaya aerodinamicheskaya truba. / A.I. Leont'ev, S.N. Mikhailov, N.L. Shchegolev, i dr. // Mashiny, pribory, stendy. Moskovskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet im. N.E.Baumana. Katalog № 13. Vneshtorgizdat.-1991 – S.33-34.

14. Burtsev S.A. Issledovanie temperaturnoi stratifikatsii gaza // Vestnik MGTU. Mashinostroenie. 1998. № 2. S. 65-72.

15. Shchegolev N.L. Raschetnoe issledovanie teploobmena pri vnutrennem sverkhzvukovom techenii // Gazoturbinnye i kombinirovannye ustanovki. Sb. dokladov 10 Vserossiiskoi mezhvuzovskoi konferentsii - Moskva. 1996. S. 103-104.

16. Leont'ev A.I., Burtsev S.A. Intensifikatsiya teploobmena v ustroistve gazodinamicheskogo energorazdeleniya // Doklady Akademii nauk. 2016. T. 471. № 3. S. 286-288. DOI: 10.7868/S0869565216330100

17. Burtsev S.A. Analiz putei povysheniya effektivnosti truby Leont'eva // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie. 2016. № 8 . S. 19-28. DOI: 10.18698/0536-1044-2016-8-19-28

18. Leont'ev A.I., Burtsev S.A., Vizel' Ya.M., Chizhikov Yu.V. Eksperimental'noe issledovanie gazodinamicheskoi temperaturnoi stratifikatsii prirodnogo gaza // Gazovaya promyshlennost'. 2002. № 11. S. 72-75.

19. Burtsev S.A. Issledovanie ustroistva temperaturnoi stratifikatsii pri rabote na prirodnom gaze // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2004. № 9. 21 s. Rezhim dostupa: http://technomag.bmstu.ru/doc/516097.html (data obrashcheniya 20.01.2017).

20. Zditovets A.G., Titov A.A. Eksperimental'noe issledovanie gazodinamicheskogo metoda bezmashinnogo energorazdeleniya vozdushnykh potokov // Teplovye protsessy v tekhnike. 2013. № 9. S. 391-397.

21. Vinogradov Yu.A., Ermolaev I.K., Zditovets A.G., Leont'ev A.I. Izmerenie ravnovesnoi temperatury stenki sverkhzvukovogo sopla pri techenii smesi gazov s nizkim znacheniem chisla Prandtlya // Izvestiya RAN. Energetika. 2005. № 4. S. 128-133.

22. Lushchik V.G., Makarova M.S. Chislennoe issledovanie vliyaniya chisla Prandtlya na koeffitsienty vosstanovleniya temperatury i analogii Reinol'dsa v pogranichnom sloe na plastine // TVT. 2016. T. 54. № 3. S. 401-407.

23. Makarov M.S., Makarova S.N. Effektivnost' energorazdeleniya pri techenii szhimaemogo gaza v ploskom kanale // Teplofizika i aeromekhanika. 2013. T. 20. № 6. S. 777-787.

24. Kochurov D.S., Shchegolev N.L. Analiz vliyaniya sostava smesei na osnove geliya na koeffitsient vosstanovleniya temperatury i chislo Prandtlya // Aerokosmicheskii nauchnyi zhurnal. 2016. № 6. S. 26-48. DOI: 10.7463/aersp.0616.0851777

25. Popovich S.S. Eksperimental'noe issledovanie vliyaniya udarnykh voln na effekt bezmashinnogo energorazdeleniya gazovykh potokov // Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie MGTU im. N.E. Baumana. 2016. № 3. S. 64-80. DOI: 10.7463/0316.0835444

26. Varaksin A.Yu., Arbekov A.N., Inozemtsev A.A. Trigeneratsionnyi tsikl kak put' sozdaniya mnogotselevykh statsionarnykh energeticheskikh ustanovok na osnove konversii dvukhkonturnykh turboreaktivnykh dvigatelei // Doklady Akademii nauk. 2014. T. 458. № 5. S. 539-541.

27. Klimenko A.V., Agababov V.S., Il'ina I.P., Rozhnatovskii V.D., Burmakina A.V. Skhemy trigeneratsionnykh ustanovok dlya tsentralizovannogo energosnabzheniya // Teploenergetika. 2016. № 6. S. 36-43.

28. Arbekov A.N., Burtsev S.A. Issledovanie tsikla zamknutoi gazoturbinnoi trigeneratsionnoi ustanovki posledovatel'noi skhemy // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2012. № 3. Rezhim dostupa: http://technomag.edu.ru/doc/359008.html (data obrashcheniya 20.01.2017).

29. Arbekov A.N., Burtsev S.A. Issledovanie tsikla zamknutoi gazoturbinnoi trigeneratsionnoi ustanovki parallel'noi skhemy // Teplovye protsessy v tekhnike. 2012. T. 4. № 7. S. 326–331.

30. Yadernye gazoturbinnye i kombinirovannye ustanovki /pod red. E.A. Manushina. M.: Energoatomizdat. 1993. 272 s.

31. Leont'ev A.I. Samsonov V.L. Surovtsev I.G. Arbekov A.N. Issledovanie vliyaniya gazodinamicheskoi temperaturnoi stratifikatsii na effektivnost' kombinirovannogo tsikla Braitona // Trudy 3 Rossiiskaya natsional'naya konferentsiya po teploobmenu. Moskva, 21-25 oktyabrya 2002 g. V 8 t. T. 1. M.: Izdatel'stvo MEI. 2002 g. S. 151-154.

32. Burtsev S.A. Titov A.A. Analiticheskoe issledovanie vozmozhnosti sozdaniya teplovogo kompressora // Trudy XIV Shkoly-seminara molodykh uchenykh i spetsialistov pod rukovodstvom akademika RAN A.I. Leont'eva. V 2-kh tomakh. T. 2. Rybinsk. 26-30 maya 2003 g. M.: Izd-vo MEI. 2003. S. 218-221.

33. Shchegolev N.L., Sterelyukhin S.A. Skhema i tsikl zamknutoi GTU s okhlazhdaemym sverkhzvukovym diffuzorom i soplom-nagrevatelem // Problemy gazodinamiki i teplomassoobmena v energeticheskikh ustanovkakh. Moskva, 1999. S. 121-124.

34. Arbekov A.N., Golubev S.V., Kruming A.P. Otsenka parametrov yadernoi zamknutoi gazoturbinnoi krioenergeticheskoi ustanovki dlya lunnoi bazy // Teplovye protsessy v tekhnike. 2010. № 12. S. 570-573.

35. Khazov D.E. Modelirovanie techeniya v ploskom kanale pri nalichii treniya i teploobmena // Trudy XV Shkoly-seminara molodykh uchenykh i spetsialistov pod rukovodstvom akademika RAN A.I. Leont'eva. V 2-kh tomakh. T. 1. Kaluga. 23-27 maya 2005 g. M.: Izd-vo MEI. 2003. S. 121-124.

36. Kutateladze S.S., Leont'ev A.I. Teplomassoobmen i trenie v turbulentnom pogranichnom sloe. M.: Energoatomizdat, 1985. 320 s.