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

w — средняя скорость по сечению потока; р — плотность среды.

Эксперименты показали, что при Re > 5 - Ю 3 на гидравлические потери влияет только геометрия канала и не влияет режим течения. Все коэффициенты гидравлического сопротивления определяются опытным путем. В тех случаях, когда поток воздуха протекает в за­

—длинные постоянного сечения;

—короткие постоянного сечения;

—плавно изогнутые;

—с переменным сечением по длине.

Длинными каналами постоянного сечения называют каналы длиной более четырех диаметров, в которых поток заполняет все сечение. По данным работы [27], поток при входе в канал под дей­ ствием центробежных сил, вызванных искривлением траектории движущихся частиц, сжимается и не заполняет весь канал на не­ котором расстоянии. Из экспериментальных данных известно, что это расстояние равно примерно 4dT. Если канал длинный, то поток успевает до выхода из канала заполнить его целиком и при выходе площадь выходной струи равна площади канала. В этом случае вход и выход называют совершенными.

Определение гидравлических сопротивлений длинного канала сводится к определению последовательно соединенных сопротивлений входа, трения и выхода:

Для решения этого уравнения необходимо определить коэффи­ циенты гидравлических сопротивлений входа, трения и выхода. Если при течении воздуха в длинном канале потеря давления в ос­ новном вызывается силами трения, то при входе потока в более узкий канал и выходе из него потеря давления возникает в результате

отрыва потока. Известно, что при Re < 1 • 10* потеря давления на входе зависит как от геометрии входа, так и от режимов течения воздуха. В этом случае коэффициент сопротивления на входе для

прямым, плавным с утолщенной кромкой, с экраном и т. д. В каналах систем охлаждения наиболее часто встречаются следующие формы входа:

1. Вход в канал прямой с постоянным поперечным сечением. В этом случае на величину сопротивления может влиять как тол­ щина стенки канала, так и величина выступа канала от торцевой стенки. В работе [27] приведена зависимость

где b — выступ канала от торцевой стенки; б — толщина стенки.

2. При входе в канал, расположенный под некоторым углом к торцевой стенке с острыми кромками, коэффициент гидравличе­

Коэффициент гидравлического сопротивления можно определить также по графической зависимости в работе [27].

3. При наличии на входе в канал скругленной кромки или снятой фаски, что делается для снижения дополнительных вихреобразований и уменьшения сопротивления входа, коэффициент гидравлического сопротивления можно определить как функцию, зависящую от ра­

При наличии экрана перед входом в канал на гидравлическое со­ противление будут оказывать влияние расстояние от экрана до входа канала и геометрия самого входа. Общее сопротивление на входе может быть представлено в виде суммы

>экр Si + AS:

Приведенные зависимости для оценки коэффициентов гидравли­ ческого сопротивления иа входе справедливы при скоростях течения воздуха в каналах до 0,7 М.

Потери давления на выходе определяются геометрическими харак­ теристиками выхода и перестроением поля скоростей. Поэтому потери давления на выходе складываются из потери непосредственно в выходном участке и потери скоростного давления струи, выходя­ щей из сети. Коэффициент сопротивления выхода можно представить

ной стороны камеры меньше одного диаметра, то считается, что выход осуществляется на экран.

При выходе воздуха в камеру, противоположная стенка которой располагается на расстоянии от входа больше одного диаметра, воз­ можно следующее распределение скоростей по профилю: равномер­ ное, по степенному и показательному законам. Следует учитывать, что формирование профиля скоростей возможно только на расстоя­ нии 30—50 калибров. Поэтому если мы имеем длину канала меньше 30 калибров, то следует считать профиль скорости равномерным.

При равномерном распределении скоростей в выходном сечении гидравлический коэффициент сопротивления можно определить по зависимости

где п — отношение площадей выходной камеры и отверстия.

где 1/т — показатель степени, описывающий профиль скорости (может быть определен из работы [63]).

При параболическом профиле скоростей, что имеет место при ламинарном течении воздуха (Re >> 2,3 • 10s), коэффициенты ги­ дравлического сопротивления могут быть определены по зависимо­ стям:

— для плоского канала

Си» =-^з--г-1.55 —

Если при выходе воздуха из канала имеется экран, то коэффи­ циент гидравлического сопротивления определяется из работы [32I при каналах постоянного сечения с острыми и закругленными вы­ ходными кромками и из работы [27] при прямолинейном диффузоре.

Поскольку основным в определении гидравлических сопротивле­ ний при выходе является расширение потока, то приведенные зави­ симости могут быть использованы и при расчете участков каналов с расширением. Помимо потерь на входе и выходе в длинных каналах существенной потерей является потеря, вызванная действием сил трения. Обычно потерю давления от действия сил трения в канале выражают формулой

рт2

Хотя уравнение получено при некоторых допущениях (не учи­ тываются изменение кинетической энергии потока по длине канала и изменение плотности воздуха), им широко пользуются при инже­ нерных расчетах. Решающим фактором, который влияет на падение давления за счет сопротивления трения, является коэффициент

При ламинарном течении воздуха влияние шероховатости сказывается настолько незначительно, что им можно пренеб­ речь.

В охлаждаемых системах газовых турбин встречаются не только

статора, дроссельных шайбах и др.

Короткие каналы характеризуются несовершенным входом и вы­ ходом", так как из-за малой длины не восстанавливается полное ста­ тическое давление. Поэтому в коротких каналах появляется допол­ нительная потеря, которая может быть оценена специальным коэф­

—площадь поперечного сечения камеры выхода потока.

Изменение значения коэффициента т можно получить из графи­ ческой: зависимости'от "относительной длины канала (l/dr) [27]. G другой стороны," в коротких каналах потери давления на трение пренебрежимо малы, и ими, как Правило, пренебрегают. Поэтому суммарная потеря давлення в коротком, канале может быть пред­ ставлена как сумма потерь на входе, выходе и дополнительных по­ терь для коротких каналов:

Для коротких каналов некоторых типов нет необходимости определять суммированием коэффициент гидравлического сопро­ тивления, так как в литературе [27] уже приведены некоторые дан­ ные по суммарным сопротивлениям.

—плавно изогнутые каналы;

—каналы с разделением (слиянием) потока.

К. каналам с переменным сопротивлением по,профилю относятся продуваемые воздухом каналы с переменным сечением (переменный зазор охлаждения у лопаток, роторов), полости, продуваемые воз­ духом .,и заполненные фольгой или изоляцией у статоров, охлаждае­ мые поверхности, имеющие ребра, волны, выступы и т. д.

При оценке падения давления в таких каналах весь канал целе­

ных конических выштамповок можно использовать зависимости,

Для плавно изогнутых каналов при радиусе кривизны, соизмери­ мом с гидравлическим диаметром (1,5 ^ Ro/dr < : 50), общий коэф­ фициент сопротивления равен сумме коэффициентов сопротивления трения и поворота. При этом коэффициент сопротивления трения определяется, как для прямолинейного канала, а коэффициент сопротивления поворота может быть определен по рекомендациям в работе [63] из уравнения

При радиусе кривизны канала меньше его гидравлического диа­

повороте потока на 180°, общий коэффициент сопротивления опре­

гидравлических сопротивлений поворота можно определить по зави­ симости [27 I

£ = С И £ „ .

где

£м = 0,95 sin 2 4 - + 2,05 sin4 - | - .

Величины А, Сх находят по графической зависимости в работе [27]. В системе охлаждения газовых турбин часто встречаются следующие случаи поворота потока на 180° при острых и закруглен­ ных кромках: площади входа и выхода одинаковы; входное сечение больше выходного. Для всех этих случаев коэффициенты гидравличе­ ских сопротивлений приведены в работе [27].

Поскольку охлаждающий воздух в газовых турбинах подается ко многим ее узлам, для систем охлаждения характерно разделение и слияние потоков. Гидравлические сопротивления в этом случае зависят от угла ответвления потока, отношений расходов воздуха и площадей по протокам. Потеря давления при разделении потока возникает в результате удара, происходящего при внезапном рас­ ширении в месте разделения или поворота потока в боковом ответ­ влении.