Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 219
Скачиваний: 1
§ 33. Теплоотдача |
от газа |
|
к |
торцевым |
стенкам вращающихся дисков |
и |
роторов без принудительного обдува |
|
К узлам газовой турбины, отвод тепла от кото рых осуществляется за счет насосного эффекта, возникающего при
вращении, |
относятся |
торцевые поверхности барабанных |
роторов |
||||||||||
и внутренние полости многодисковых сварных и составных |
неохла |
||||||||||||
ждаем ых |
|
роторов. Обычно |
охлаждение с помощью |
насосного |
эф |
||||||||
фекта |
применяют |
в |
газовых |
|
с,.х/шг |
|
|
|
|
||||
турбинах |
|
при |
небольших |
|
|
|
|
|
|||||
температурах |
рабочего тела |
|
|
|
|
|
|
||||||
(до 973° К). Схема движения |
|
|
\ |
|
|
|
|
||||||
газа в |
|
зазоре |
изображена |
|
|
|
|
|
|
||||
на рис. |
89. |
|
|
|
|
0,12\ |
|
|
|
|
|||
При |
|
вращении |
диска |
|
|
|
|
|
|||||
в среде |
газа |
на |
его |
поверх- |
|
|
|
|
|
||||
|
|
газ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
Q„=0 |
|
|
Газ |
ХЛ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г/81' |
10 |
Рис. |
89. |
Схема |
движения |
|
Рис. 90. Распределение осевых и |
радиаль |
|||||||
газа |
в широком |
зазоре. |
|
ных скоростей у торцов диска, |
вращаю |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
щегося в неограниченном |
пространстве. |
||||
ности возникает пограничный слой, параметры которого переменны
по |
радиусу. Режим течения |
в пограничном слое можно определить |
||
по |
числу |
Рейнольдса, которое для вращающегося диска принято |
||
находить |
по выражению |
|
|
|
|
|
г ^ е |
иг |
С0Г2 |
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,
чем 3,0-105, то следует полагать, что для поверхностей вращающихся дисков характерно турбулентное течение.
По характеру возможного обтекания боковых поверхностей дис
ков и барабанов можно выделить два |
вероятных случая: |
|
|
||||||||
1. Диск |
(барабан) |
вращается в неограниченном |
пространстве — |
||||||||
это может |
иметь место, когда влияние окружающих стенок |
практи |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
чески |
не |
сказывается на |
|||
|
|
|
|
|
|
распределении |
скоростей |
||||
|
|
|
|
|
0,10 |
среды, окружающей диск. |
|||||
0,9 |
|
|
|
|
0,05 |
2. Диск вращается в ко |
|||||
|
|
|
|
жухе — это |
имеет |
место, |
|||||
0,8 |
|
Сгх _ |
, |
|
|
когда влиянием |
окружаю |
||||
|
|
SI |
|
|
щих |
стенок |
пренебречь |
||||
|
|
|
|
|
|||||||
0,1 |
|
|
|
|
-0,05 |
нельзя. |
|
|
|
|
|
0,6 |
|
|
|
|
•0,10 |
|
|
Газ |
|
|
|
|
|
|
|
|
та |
|
|
|
|||
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,4 |
|
|
is) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
0.2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 z |
j s 1,0 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 91. |
Распределение |
осевых |
и |
радиаль |
Рис. |
92. |
Схема |
движе |
|||
ных скоростей у торцов диска, |
вращаю |
ния |
газа |
в узком |
зазоре. |
||||||
щегося в |
кожухе. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 90 показано распределение осевых и радиальных ско |
|||||||||||
ростей (сгх |
и Сцд) у торцов диска |
[16]; |
движение |
среды |
в |
области |
|||||
пограничного слоя направлено по радиусу (первый |
случай). |
|
|||||||||
Для второго случая картина движения среды у торцов диска наглядно показана на рис. 91. По данным работы [68],-пограничные
слои разомкнуты при s/r1 > 0,05 и любых значениях |
Re, кроме |
очень малых. В работе делается вывод о наличии осевого |
градиента |
давления. Следовательно, наблюдается осевое движение среды от стенки к диску. В работе показано, что интенсивность этого движения
возрастает с удалением от оси вращения. Схему движения |
газа в за |
зоре между кожухом и диском можно представить так, как |
показано |
на рис. 92. |
|
Результаты теоретического и экспериментального исследований |
|
теплообмена между газом и диском, вращающимся в неограничен ном пространстве без принудительного обдува, представлены в ра боте [88]. Эксперимент проводился на вращающемся алюминиевом
10* |
147 |
диске, который приводился в движение электромотором. Диаметр
диска |
составлял 440 |
мм, |
частота вращения |
менялась от |
0 до |
|
2000 |
об/мин. |
Внутри |
диска |
был смонтирован |
электронагреватель. |
|
Во избежание |
потерь тепла |
от наружной поверхности диска |
на нее |
|||
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);
Re = со — |
|
v |
|
(со — угловая скорость вращения диска). |
|
Из приведенных результатов опыта видно, |
что до значения |
числа Рейнольдса, равного 2,4 -105, имело место |
ламинарное тече |
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
описывается критериальной |
зависимостью |
Nu |
= 0,015Re°.8. |
Экспериментальному и теоретическому исследованию теплооб мена дисков, вращающихся в кожухе без принудительного обдува,
посвящено большое количество работ. |
v - |
Экспериментальные исследования показали, |
что движение среды |
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
лообмена |
является весьма трудной задачей. Экспериментально |
в работе |
[77] получена критериальная зависимость, описывающая |
теплообмен для дисков, вращающихся в кожухе без принудительного обдува при осевом зазоре между диском и кожухом, значительно пре вышающем радиус диска:
|
|
Nu = |
0,010805Re°.8 . |
|
|
Влияние числа Праидтля можно оценить по рекомендованной за |
|||||
висимости в работе |
[16]. |
|
|
||
В работе [54] на основании проведенных исследований |
граничных |
||||
условий теплообмена на поверхности диска, экрана и |
некоторых |
||||
других |
элементов турбин |
получены критериальные зависимости для |
|||
диска |
и кожуха при различных режимах течения: |
|
|||
— для диска |
|
|
|
|
|
при |
ламинарном |
режиме |
течения |
|
|
|
|
Nu = |
0,675Re°.5 , |
(95) |
|
при |
турбулентном |
режиме |
течения |
|
|
— для кожуха: |
Nu=:0,02I7Re0 .8 ; |
(96) |
|||
|
|
|
|
||
при |
ламинарном |
режиме |
течения |
|
|
|
|
Nu = |
0,364Re°.5 , |
(97) |
|
при турбулентном |
режиме |
течения |
|
||
|
|
Nu = |
0,0178Re0'8. |
(98) |
|
В проведенных опытах |
[54] не обнаружено влияния |
зазора на |
|||
значения коэффициентов теплоотдачи к диску и кожуху. |
|
||||
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
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 22 |
|
Коэффициенты теплоотдачи |
к дискам, |
вращающимся |
в неограниченном |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
пространстве |
и в кожухе |
|
|
Д и с к в н е о г р а н и ч е н н о м п р о с т р а н с т в е |
|
|
Д и с к в к о ж у х е |
|
|||||
|
Коэффициент |
т е п л о о т д а ч и , |
в ш / ( л ! і К ) |
при различных |
р а с с т о я н и я х |
|||||
Д а в л е |
|
от |
осп в р а щ е н и я , |
м, и о к р у ж н ы х |
с к о р о с т я х , |
м/с |
|
|||
ние, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Мн/м2 |
|
0,5 |
г = 1,0 |
|
|
г = 0,5 |
г |
= 1.0 |
||
|
и = 100 |
и = 200 |
и = 100 |
и = 200 |
и = 100 |
и = 200 |
и = 100 « = 200 |
|||
0,1 |
97 |
168 |
85 |
|
147 |
|
116 |
200 |
101 |
176 |
0,5 |
352 |
610 |
308 |
|
530 |
|
418 |
730 |
370 |
640 |
1,0 |
612 |
1060 |
535 |
|
930 |
|
740 |
1270 |
644 |
1110 |
2,0 |
1060 |
1830 |
930 |
1600 |
1270 |
2200 |
1110 |
1920 |
||
