Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf

Глава IV —

ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ГАЗОМ И НАРУЖНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ ОХЛАЖДАЕМЫХ Д Е Т А Л Е Й ГАЗОВЫХ ТУРБИН

§29. Охлаждаемые поверхности газовой турбины

Эксплуатация современной газовой турбины немыслима без ее охлаждения. Все охлаждаемые узлы газовой тур­ бины можно разделить на три основные группы. К первой группе относятся узлы, которые непосредственно соприкасаются с рабочим телом,— это прежде всего элементы проточной части машины (ра­ бочие и направляющие лопатки, межлопаточные участки ротора и статора, подводящие патрубки). Они, естественно, должны в большей степени охлаждаться, чем все остальные элементы, поскольку рабо­ тают в самых тяжелых температурных условиях, а элементы ротора дополнительно испытывают и динамические нагрузки. Ко второй группе относятся менее нагруженные в тепловом отношении узлы (диски, подшипники, уплотнения и др.), но через которые отводится тепло. Они, как правило, охлаждаются воздухом и маслом. Эти узлы работают при более низких температурных нагрузках, чем узлы первой группы. К третьей группе относятся те узлы газовой турбины, которые соприкасаются с окружающей средой и самопро­ извольно отдают тепло ей. К ним относятся кожухи, фундаменты, рамы и др.

Если системы охлаждения обеспечат необходимый уровень тем­ пературы в узлах турбины, то будет обеспечена и надежность работы турбины в целом. Поэтому главной задачей является создание такой системы охлаждения, которая гарантировала бы требуемый уровень температуры охлаждаемого узла и в первую очередь элементов пер­ вой группы. Температурное состояние любой детали определяется температурой окружающей среды и интенсивностью теплообмена на поверхности детали.

Рассмотрим некоторые особенности теплообмена основного охла­ ждаемого узла газовой турбины — ее проточной части. Всю проточ­ ную часть турбины можно разделить на три основных элемента: рабочие лопатки, сопловые лопатки и межлопаточные поверхности ротора и статора. Теплообмен между газом и каждой из этих состав­ ляющих проточной части имеет свои особенности.

В рабочих лопатках теплообмен происходит через боковую и тор­ цевую поверхности лопаток. Площадь боковых поверхностей состав-

рабочих процессов, которые в них протекают. Определяющим при оценке лучистого теплообмена является степень черноты и темпера­ тура газового факела. Поскольку при качественном сгорании топлива между газом и турбинными лопатками в основном происходит конвек­ тивный теплообмен, а лучистый — сравнительно невелик, то послед­ ний, как правило, не учитывают. Для второй и третьей групп охлаж­ даемых узлов газовой турбины лучистый теплообмен отсутствует, и передача тепла осуществляется только конвекцией и теплопровод­ ностью.

Таким образом, для различных узлов характерны тот или другой вид теплообмена и его интенсивность. В зависимости от задач иссле­ дования определяют локальные (местные) или средние значения коэф­ фициентов теплоотдачи.

§ 30. Локальные значения

При расчетах прочности охлаждаемых узлов газовой турбины и в первую очередь ее рабочих лопаток необходимо знать возникающие температурные напряжения. Их расчет возможен при наличии распределения температур по контуру, высоте и глу­ бине охлаждаемых узлов. Одним из главных факторов, определяю­ щих температурные поля в охлаждаемых деталях, являются локаль­ ные значения коэффициентов теплоотдачи а. Как известно, распре­ деление коэффициентов теплоотдачи по контуру охлаждаемых лопаток неравномерно. Это объясняется прежде всего изменением харак­ тера течения, а также изменением параметров пограничного слоя, который в основном и определяет теплообмен. Знание локальных значений коэффициентов теплоотдачи по профилю охлаждаемой лопатки дает возможность наиболее эффективно организовать си­ стему охлаждения, с тем чтобы снизить температурные напряжения и сократить количество охлаждающего агента. Особенно необходимым становится определение локальных значений а при создании систем внутреннего охлаждения. Коэффициенты теплоотдачи определяют либо теоретическим, либо экспериментальным путем.

Трудность теоретического определения локальных значений коэф­ фициентов теплоотдачи заключается в оценке мест точек перехода ла­ минарного слоя в переходный и затем в турбулентный пограничные слои. Существующие методы расчета теплообмена на криволинейной поверхности даже в приближенной постановке весьма трудоемки и громоздки по сравнению с расчетами по степенным эксперименталь­ ным формулам. Вся задача усложняется расчетом пограничного слоя.

Наиболее эффективным, на наш взгляд, теоретическим методом расчета теплового пограничного слоя по профилю турбинной лопатки является метод, изложенный в работе [22]. Характерная особенность этого метода состоит в том, что расчет теплового и динамического по­ граничных слоев при всех трех режимах течения (ламинарном,