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

расстояния от оси вращения приводит к снижению коэффициентов теплоотдачи при тех же условиях. Рост окружных скоростей во всех случаях увеличивает и значение коэффициентов теплоотдачи, причем это увеличение является значительным при меньших давлениях. Интенсивность роста коэффициентов теплоотдачи с увеличением окружной скорости более существенна для диска, вращающегося в кожухе, чем для диска, вращающегося в неограниченном простран­ стве. Снижение коэффициента теплоотдачи при увеличении радиуса диска также больше при вращении диска в кожухе.

Если сравнить теплоотдачу диска, вращающегося в неограничен­

примерно на 20%. Это происходит, по-видимому, за счет резкой турбулизацни потока и значительного увеличения коэффициента тре­ ния.

По характеру обтекания боковых поверхностей дисков и бараба­ нов можно выделить два случая:

— диск вращается в неограниченном пространстве;

— диск вращается в кожухе.

Подача охлаждающего воздуха может происходить: 1) через по­ лость вала в зазор между диском и кожухом и 2) струями на поверх­ ность охлаждения. При этом в первом случае дополнительно можно устанавливать экран. Во втором случае подачу охлаждающего воз­ духа можно свести к обдуву его частей, близких к ободу, и созданию тем самым воздушной завесы. Во всех рассматриваемых случаях на распределение радиальных и окружных составляющих скорости вблизи вращающегося диска, а следовательно, и на теплоотдачу влияет движение потоков охлаждающего воздуха.

В работе [10] сделана попытка получить приближенное решение уравнений пограничного слоя, принудительно обдуваемого воздухом диска, вращающегося в неограниченном пространстве. Эксперимен­ тальные данные не могут претендовать на хорошее совпадение с тео­ ретическими результатами. Результаты опытов из-за малого коли­ чества точек не позволили составить критериальную зависимость. Полученное же теоретическим путем критериальное выражение имело вид

Nu = 0 , 0 0 5 9 - ^ ,

Большой теоретический анализ течения вблизи диска, вращающе­ гося в неограниченном пространстве и обдуваемого турбулентным потоком, сделан в работе [94]. На основании метода импульсов вы­ полнен приближенный расчет пограничного слоя диска, обдувае­ мого воздухом. Предполагали, что струя воздуха подается на торец диска в осевом направлении. При этом критериальная зависимость получена в виде

Nu = 0,45pRe°.8 ,

где

р= 0,313 (1 Н-е2 )0 '3 (0,08547 -Й- - f О.ЗІЗІе)0 , 2 ;

є= ]/o,0262 + 0,4399 ( - ^ - ) 2 — 0,009362-^;

cz — скорость струи воздуха.

Следует отметить, что предложенное выражение можно исполь­ зовать и при расчете теплоотдачи для диска, вращающегося в замкну­ том пространстве при наличии обдува. Если обдув интенсивный, то коэффициент теплоотдачи можно определять по предлагаемой

циент теплоотдачи по наиболее неблагоприятному случаю — враще­ нию диска в кожухе без обдува.

Расчет теплоотдачи при движении газа к периферии диска можно подсчитать по выражению [73]

Эту формулу, по-видимому, целесообразно использовать при ради­ альных скоростях охлаждающего воздуха, соизмеримых с окружной

находящейся в струйном равномерном потоке воздуха. Опыты про­ водились на плите шириной 400 мм. Сопло, по которому подавался охлаждаемый воздух, находилось на расстоянии (по перпендику-

вида Nu = f (Re). За характерный размер принимали длину плиты. Физические параметры воздуха определяли по его температуре на

При вращении диска этими зависимостями можно пользоваться только тогда, когда в приведенное уравнение подставляется не аб­ солютная, а относительная скорость натекания воздуха на диск.

Наиболее фундаментальные исследования струйного обдува вра­ щающегося диска в кожухе натурной турбины проведены в работе [34 ]. При таком способе охлаждения происходит подсос среды к струе около сопла, а на поверхности диска — движение среды во все сто­ роны от центра струи. Весь охлаждающий воздух проходит через щель и выходит в проточную часть, снижая температуру диска и корневой части лопатки. Поверхность диска омывается воздухом и смесью газа и воздуха, при этом температура смеси повышается к пе­ риферии за счет поперечных токов. Если количество сопел увели­ чить, расстояния между ними будут все время сокращаться и в пре­ деле можно достичь мелкодисперсного распыла. В случае сокращения расстояния между соплами по периферии образуется защитная воз­ душная пленка, которая преграждает путь газу в зазор между диском

икожухом. При смыкании заградительной пленки по периферии газ перестанет попадать во внутреннюю полость, и температура среды (воздуха) будет определяться только начальной температурой воздуха

иего подогревом от стенки и диска. Характер течения среды в за­ зоре между кожухом и диском зависит от формы, числа и расположе­ ния сопел, формы и размеров стенки и диска, расхода воздуха, пара­ метров рабочей и охлаждающей среды и от формы самой проточной части.

Исследования [33] показывают, что при оценке теплоотдачи веб перечисленные факторы можно учесть, используя зависимость, полу­ ченную при испытаниях на пластине:

видимому, можно использовать при оценке теплоотдачи для внутрен­ них областей.

В области подвода охлаждающей струи коэффициент теплоотдачи

чей охлаждающего воздуха, экспериментально исследована в ра­

колец калориметров. Температуры воздуха и воды на охлаждение измеряли специальными термопарами. Измерение скоростей произ­ водили при помощи трехканальных зондов, дававших величину и направление вектора скорости. В результате были получены различ­ ные данные по характеру течения охлаждающего воздуха в зазоре и теплоотдачи к вращающемуся диску. Опытные данные дали возмож­ ность построить профили тангенциальных и радиальных составляю­ щих скоростей в зазоре, выявить отношение тангенциальной состав­ ляющей скорости в середине зазора к окружной скорости диска в за­ висимости от осевого зазора для турбулентного режима, а также за­ висимость относительной закрутки потока в середине зазора для различных параметров, характерное распределение температуры воздуха в зазоре и др.

В работе получена критериальная зависимость по теплоотдаче диска, вращающегося в кожухе с радиальной подачей охлаждающего воздуха при изменении числа Рейнольдса в пределах 9-104—1,2- 10в:

Nu = 0,0235(1 + а 2 ) 3 / 8 ( 1 —2)0 .7 5 Re0 .8 ,

За характерный размер принимался текущий радиус. Значения, рассчитанные по приведенной формуле, отличаются от теоретических на 8%, что объясняется приближенностью теоретического решения.

Результаты экспериментальных исследований по определению теплоотдачи от диска к охлаждающему воздуху при наличии вра­ щающегося дефлектора приведены в работе [78]. На двух установках при окружной скорости порядка 200 м/с исследован насосный эффект диска, вращающегося совместно с дефлектором в широком диапазоне расходов через зазор. Сравнение экспериментальных данных с теоре­ тическими дает хорошую сходимость, если учитывать при определе­ нии коэффициента трения наличие разницы окружных скоростей по­ тока и диска. Это обстоятельство позволяет найти величину закрутки потока и затем коэффициент теплоотдачи.

Для одного из таких случаев экспериментально получена зави­ симость теплоотдачи от диска к охлаждающему воздуху при наличии вращающегося дефлектора:

где и — окружная скорость;

w — скорость движения воздуха в зазоре; б — зазор;

/•ср — средний радиус диска.

Сравнения опытных и расчетных величии, проведенные по всем зависимостям, показывают хорошую сходимость и дают основание считать, что предлагаемые критериальные зависимости можно ис­ пользовать при расчетах охлаждаемых дисков и барабанов газовых турбин.

§ 35. Теплоотдача от газа к межлопаточным поверхностям ротора (статора)

Как уже указывалось, относительное количе­ ство тепла, переданное через межлопаточные поверхности ротора (статора), ко всему количеству тепла, отведенному в проточной части,

составляет небольшую величину. Однако при проведении точных расчетов (особенно при оценке температурных напряжений) требуется определение потоков тепла и соответственно коэффициентов тепло­ отдачи и на этих участках ротора (статора).

В настоящее время специальных исследований в данной области проведено очень мало. По-видимому, это объясняется значительными методическими трудностями в проведении эксперимента. Поэтому многие исследователи в своих работах считают, что теплообмен на

Nu = 0,032Re0'8,

где физические константы определены при температуре газа, а опре­ деляющим размером является длина плиты. Полученное уравнение хорошо согласуется с экспериментом при М = 0,8 и числах Рей­ нольдса от 105 до 2- 10е. При этом расчет коэффициента теплоотдачи от газа к межлопаточной поверхности хвостовиков следует произ­ водить по зависимости

Nu = 0,66Re°.5 .

Приведенные критериальные зависимости являются приближен­ ными, так как для реальной турбины обтекание газом межлопаточ­ ных поверхностей будет отличаться. Во-первых, наличие зоны раз­ ных давлений на спинке и вогнутой части лопаток будет влиять на поток за венцом, создавая его дополнительную турбулизацию. Вовторых, в газовой турбине имеют место значительные температурные напоры и охлаждение, а приведенные критериальные зависимости получены при малых температурных напорах и охлаждении поверх­ ности. Для оценки коэффициента теплоотдачи при расчете по при­

в направлении потока, то коэффициент теплоотдачи изменяется от

расчете температуры ротора и количества отведенного тепла в про­ цессе охлаждения используют расчет по усредненным значениям коэффициента теплоотдачи [13]. Такой условный коэффициент теп­ лоотдачи учитывает тепловой поток через лопатки и межлопаточные поверхности, тепловое сопротивление хвостовиков и воздушных за­

Ккоэффициенты теплопроводности материала ротора и лопатки;

При этом сопротивление хвостовиков и воздушных зазоров можно учесть по следующей зависимости:

где гр — выбранный внешний расчетный радиус (несколько ниже впадин замков рабочих лопаток); rp = г — (0,15^-0,25)^;

t — шаг рабочих лопаток в корневом сечении;

п— отношение действительного и расчетного термических со­ противлений хвостовиков (я = 1,5^-2,5).

На основании обобщения большого количества опытных данных, а также проведенного эксперимента на плоских решетках с неболь­ шой степенью реактивности [20] получена зависимость для среднего коэффициента теплоотдачи от газа к торцевой поверхности межлопа­ точного канала рабочей решетки:

За характерный размер при обработке экспериментальных дан­ ных принималась хорда профиля лопатки. Полученная зависимость справедлива при Sr = 1 -^2,5.

§36. Теплоотдача в уплотнениях газовых турбин

В охлаждаемых турбинах с роторами барабан­ ного типа значительная часть наружной поверхности ротора прихо­ дится на участки, занятые лабиринтовыми уплотнениями (около 50%). Поэтому определение тепловых потоков, отводимых от рабо­ чего тела, протекающего через лабиринтовые уплотнения как иа концевых частях ротора, так и под направляющими аппаратами промежуточных ступеней, имеет важное значение.

Трудность определения коэффициентов теплоотдачи в уплотне­ ниях объясняется прежде всего сложностью проведения экспери­ мента и учета всех факторов, влияющих на теплоотдачу.

Для оценки теплоотдачи в качестве первого приближения в ра­ боте [77] рекомендуется использовать критериальную зависимость, полученную при исследовании теплообмена для узкой кольцевой щели

Nu = 0,0132Re0 '8 .

Определяющим размером в этой формуле следует считать экви" валентный диаметр (отношение учетверенной площади сечения ка­ нала к смоченному периметру). Физические параметры отнесены к температуре потока. Следует отметить, что коэффициент теплоот­ дачи, вычисленный по приведенной выше формуле, можно исполь­ зовать только для ориентировочных расчетов. В каждом отдельном случае нужно учитывать характер течения, форму лабиринтового уплотнения и другие факторы.

В некоторых работах предлагается ряд зависимостей с учетом того или иного типа уплотнений и различных режимов течения. Напри­ мер, в работе [79] предлагается рассчитывать коэффициент тепло­ отдачи в лабиринтовых уплотнениях при турбулентном режиме те­

За определяющий размер принимается удвоенный гидравлический диаметр щели.

В работе [70] проведены экспериментальные исследования теп­ лообмена для некоторых конкретных конструкций уплотнений. Здесь рекомендуется коэффициент теплоотдачи определять по за­ висимости

Nu = cRe".

Обобщенных данных по коэффициентам с и п в работе не приве­ дено. Выявлено влияние на величину теплоотдачи типа уплотнения, величины зазора между усиками и цилиндрическими поверхностями и окружной скорости вращения вала. Из графического анализа сле­ дует, что на теплообмене отражается тип уплотнения и величина за-