Введение
От характера протекания тепломассопереноса, от уровня температуры и особенностей формирования ее распределений в элементах теплонапряженных конструкций в решающей степени зависит экономичность технического или технологического процесса, массоемкость, габариты, эксплуатационные характеристики и ресурс оборудования.
В качестве примера укажем на то, что при недостаточном охлаждении рабочих лопаток высокотемпературных турбин они перегреваются, механические характеристики их материала вследствие этого ухудшаются, т.е. пределы прочности, длительной прочности, текучести и др. уменьшаются, и так как они находятся под действием больших центробежных сил из-за высоких оборотов ротора двигателя, то может произойти разрушение турбины. При чрезмерном же охлаждении уровень температуры становится приемлемым, однако может сформироваться неблагоприятное распределение температуры с большими ее перепадами в лопатке, что приводит к возникновению опасных по величине термических напряжений. Таким образом, рассмотренные случаи свидетельствуют о необходимости решения проблемы оптимизации систем охлаждения газотурбинного двигателя.
Актуальным поэтому является изучение закономерностей распространения тепла в твердых телах, жидкостях и газах, составляющих предмет теплопередачи.
Существуют различные способы теплопередачи:
1. Распространение тепла внутри твердых тел и в неподвижных жидкостях (газах) называется теплопроводностью (кондукцией). Отметим, что жидкости (газы) неподвижны в том частном случае, когда они находятся в узких щелях (прослойках) определенной толщины.
2. Распространение тепла в движущейся жидкости (газе), тепловое взаимодействие между движущейся средой и поверхностью омываемого ею твердого тела называется конвективным теплообменом.
3. Перенос тепла от поверхности твердого тела к кипящей на ней жидкости и противоположный процесс теплопереноса от конденсирующихся паров к холодной поверхности называются теплообменом при фазовом переходе вещества.
4. Перенос тепловой энергии от одного тела к другому при отсутствии посредника-вещества с помощью механизма электромагнитного излучения представляет собой лучистый теплообмен.
Изложение курса осуществляется рассмотрением каждого из перечисленных способов теплопередачи, так как они осуществляются во многих технических устройствах и процессах. Так, например, в котельном агрегате тепло от движущихся газов (от продуктов сгорания топлива) передается к наружной поверхности труб топочных экранов конвекцией и излучением, так что имеет место так называемый радиационно-конвективный способ теплопередачи. От наружной поверхности через стенку трубы к внутренней ее поверхности тепло передается теплопроводностью. От внутренней поверхности тепло воспринимается движущейся водой сначала механизмом конвекции, а затем, начиная с некоторого сечения трубы, еще и кипением. Отвод тепла от отработавших в паровой турбине паров рабочего тела осуществляется при их конденсации.
В авиационном газотурбинном двигателе продукты сгорания топлива (чаще всего керосина) при своем движении в проточной части конвекцией и излучением отдают тепло стенкам камеры сгорания, направляющим и рабочим лопаткам, ротору и дискам турбины, стенкам реактивного сопла и др. Во избежание перегрева из-за высоких температур последние охлаждаются воздухом или другими средами механизмом конвекции. Имеются варианты охлаждения лопаток первых ступеней турбины с помощью кипящей в их внутренних полостях жидкости. В материале перечисленных элементов конструкции двигателя тепло распространяется механизмом теплопроводности.
Учет теплового состояния такого ответственного изделия, как авиационный, ракетный или другой тепловой двигатель, столь важен, что его определение с необходимостью производят, например, перед прочностным расчетом, а также для нахождения рабочих параметров, эксплуатационных характеристик и пр.