книги из ГПНТБ / Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки

для реактивной решетки

« г . п ь ш 2 н - 1,4) на 0,7—1,0 длины.

Во всех приведенных выше формулах ссг находится из критериаль­ ной зависимости (63).

§ 32. Зависимость коэффициента теплоотдачи газа к лопаткам от параметров потока и геометрии решетки

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов, и его величина может меняться в значительных пределах. Одним из основных является условие обтекания самого профиля ло­ патки. При одинаковой степени турбулентности и скорости набегаю­ щего потока протяженность участков ламинарного и турбулент­ ного течений в пограничном слое будет зависеть от характера рас­ пределения скорости во внешнем потоке. А характер течения определит и интенсивность теплообмена на поверхности обтекания. При конфузорном течении вследствие затухания турбулентности происходит затягивание ламинарного течения. При этом точка перехода от ла­ минарного течения к турбулентному смещается по профилю. При диффузорном течении происходит более ранняя турбулизация погранич­ ного слоя, и точка перехода смещается вперед по профилю. От соот­ ношения длин участков с ламинарным и турбулентным течениями на обводе профиля зависит величина показателя степени при числе Рейиол ьдса.

Поскольку в реактивной решетке на большей части профиля лопаток наблюдается конфузорное течение, то в пограничном слое точка перехода значительно смещается вниз по профилю, и на боль­ шей части его преобладает ламинарное течение. Это снижает тепло­ обмен на поверхности профиля, что подтверждается и проведенными экспериментами.

Для активной решетки, где в основном наблюдается диффузорное течение, эпюра скоростей становится менее благоприятной с точки зрения устойчивости ламинарного течения, а увеличение зоны тур­ булентного течения по профилю влечет за собой усиление тепло­ обмена между газом и лопаткой. Если принять для обоих типов ре­ шеток Re = 2-Ю5 , то оказывается, что коэффициент теплообмена для активной решетки примерно в 1,3—1,8 раза больше, чем коэффициент теплообмена для реактивной решетки. Увеличение коэффициента теп­ лоотдачи для активных решеток по сравнению с реактивными под­ тверждалось рядом исследований, некоторые результаты которых представлены на рис. 86. Таким образом, интенсивность теплообмена в зависимости от формы канала и типа облопатывания может резко изменяться.

Не менее важным фактором, влияющим на теплообмен, яв­ ляется угол натекания фх) потока на лопатку. В работе [101] про­ ведено исследование по оценке изменения угла натекания на тепло­ обмен: Результаты этого исследования представлены на рис. 87. Характерным является тот факт, что минимальному теплообмену соответствует угол натекания потока, близкий к углу установки. Это свидетельствует о том, что при соответствии угла натекания углу установки имеет место на большей части профиля лопатки ла­ минарный пограничный слои. В этой же работе проводилось иссле­ дование влияния числа Рейнольдса на теплоотдачу в турбинной ре­ шетке. Как видно из рис. 87, с увеличением числа Рейнольдса теплообмен между средой и ре- цци

В результате исследования изменения локальных значений коэф­ фициентов теплоотдачи в зависимости от угла атаки [З і можно сде­ лать следующие основные выводы:

1. При угле атаки, равном нулю, характер изменения коэффи­ циентов теплоотдачи вдоль спинки профиля как для активной, так и для реактивной лопаток одинаков. Интенсивный разгон потока от входной кромки благоприятствует установлению ламинарного по­ граничного слоя. На расстоянии 80—90% от входной кромки лами­ нарный слой теряет устойчивость и коэффициент теплоотдачи резко возрастает. Переходный режим занимает незначительную область. На вогнутой поверхности у реактивной решетки коэффициент тепло­ отдачи уменьшается, а на расстоянии 40—50% от входной кромки на­ чинает увеличиваться. У активной решетки на начальном участке вогнутой поверхности (5—10% от входной кромки) наблюдается увеличение коэффициента теплоотдачи, что обусловлено провалом давления.

2. При положительных углах атаки благодаря раннему появ­ лению провала давления на спинке точки перехода смещаются

к входной кромке и коэффициенты теплоотдачи увеличиваются. На вогнутой поверхности у реактивной решетки при положительных углах атаки характер изменения коэффициентов теплоотдачи остается таким же, как и при і — 0. У активной решетки провал дав­ ления на вогнутой поверхности уменьшается. Поэтому точки пере­ хода смещаются к выходной кромке и коэффициент теплоотдачи уменьшается.

3. При отрицательных углах атаки для обеих решеток измене­ ние коэффициента аналогично его изменению при і = 0. На вогну­ той поверхности у реактивной ре­ шетки при отрицательных углах атаки появляется провал давления на входном участке, поэтому точ­ ки перехода смещаются к вход­ ной кромке (5—10%). Для актив­ ной решетки положение точек пе­ рехода почти не меняется.

теплоотдачи происходит на вогну­ той поверхности. Влияние угла атаки на среднюю интенсивность теп­

шага решетки для различных чисел Рейнольдса. Как видно, измене­ ние шагового отношения незначительно влияет на теплообмен в пре­ делах изменения til — 0,6 -4-0,9. В основном изменение шагового от­ ношения влияет на изменение теплообмена в пределах изменения til =

ствует о появлении на большей части профиля лопатки турбулент­ ного обтекания. С увеличением длины хорды коэффициент теплоот­ дачи падает.

Влияние больших чисел М (М -•- 1,2^-2) на теплообмен рассмот­ рено в работе [116]. Для среднего по профилю коэффициента тепло­ отдачи с учетом критерия скорости была получена расчетная формула

При эксплуатации газовых турбин лопатки становятся шерохо­ ватыми за счет эрозии и коррозии их поверхностей. Это может ока­ зать существенное влияние на теплообмен. С увеличением глубины раковин больше 5 мк при Re = 106 требуется учитывать влияние ше­ роховатости на теплообмен.

Пористость стенок лопаток также оказывает влияние на тепло­ обмен. В работе [20] показано, что коэффициент теплоотдачи для пористых лопаток на 30% ниже, чем для лопаток пзчобычных мате­ риалов.

Особое влияние на теплообмен в решетке оказывает ее вращение. Многие исследователи заметили интенсификацию теплообмена при вращении решетки [20]. Исследованиями установлено, что причиной, вызывающей интенсификацию теплообмена при вращении решетки, является воздействие на течение центробежных и кориолисовых сил, периодическая нестационарность потока за соплами и увеличе­ ние в связи с этим турбулентности потока газа.

К узлам газовой турбины, отвод тепла от кото­ рых осуществляется за счет насосного эффекта, возникающего при

ности возникает пограничный слой, параметры которого переменны

где и — окружная скорость диска на радиусе; со — угловая скорость вращения диска.

Так же как и для других обтекаемых поверхностей, на поверх­ ности дисков могут развиваться ламинарный и турбулентный погра­ ничные слои. Переход от ламинарного к турбулентному режиму те­ чения может происходить при Re = (2,4 -н3,0) • 105. Поскольку для современных газовых турбин эта величина числа Рейнольдса больше,

диске, который приводился в движение электромотором. Диаметр

было насажено кольцо с дополнительным нагревателем. Температура диска измерялась термопарами. Опытные данные обрабатывали так, чтобы получить обычную критериальную зависимость

Nu - / (Re),

где число Нуссельта

(q — количество тепла, отведенного от поверхности с одной стороны диска, г — радиус теплоотдающей поверхности, X — коэффициент теплопроводности окружающей среды, 0 — температурный напор между диском н окружающей средой);

ние, а при дальнейшем увеличении числа Рейнольдса — турбулент­ ное. При ламинарном течении в пограничном слое результаты экспе­ риментов хорошо описываются уравнением [77]

Nu = 0,36Re°.5 .

Полученный результат близок к теоретическим и экспериментальным данным, полученным другими исследователями. Сравнив эти данные, следует отметить, что для диска, вращающегося в неограниченном пространстве, при ламинарном течении экспериментальные и теоре­ тические данные имеют хорошую сходимость.

При турбулентном режиме течения (Re >• 105) [88] теплообмен для диска, вращающегося в неограниченном пространстве, хорошо

Экспериментальному и теоретическому исследованию теплооб­ мена дисков, вращающихся в кожухе без принудительного обдува,

между диском и кожухом носит различный характер. Если расстоя­ ние между диском и кожухом значительное, то пограничные слои развиваются как на диске, так и на кожухе. Газ между пограничными слоями движется с определенной скоростью, которая зависит от многих факторов (угловой скорости, осевого зазора, выступающих частей и т. д.). Поэтому теоретическое определение зависимости теп­

теплообмен для дисков, вращающихся в кожухе без принудительного обдува при осевом зазоре между диском и кожухом, значительно пре­ вышающем радиус диска:

С целью проведения анализа влияния кожуха на теплоотдачу вращающегося диска приведем таблицу сравнения значений коэф­ фициентов теплоотдачи на торцевых поверхностях дисков, вращаю­ щихся в неограниченном пространстве и в кожухе (табл. 22).

Как видно из табл. 22, повышение давления резко сказывается на увеличении коэффициентов теплоотдачи от газа к диску. Увеличение