Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 217
Скачиваний: 1
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
ном пространстве, с теплоотдачей диска, вращающегося |
в кожухе, |
то теплоотдача последнего при прочих равных условиях |
возрастает |
примерно на 20%. Это происходит, по-видимому, за счет резкой турбулизацни потока и значительного увеличения коэффициента тре ния.
§ 34. |
Теплоотдача |
от газа |
|
|
|
|
|
||
|
к |
торцевым |
стенкам вращающихся |
дисков |
|
||||
|
и |
роторов |
при наличии |
обдува |
|
|
|
|
|
|
Большинство |
выполненных современных |
|
кон |
|||||
струкций газовых |
турбин имеет |
составные |
и сварные дисковые |
ро |
|||||
торы, интенсивно |
охлаждаемые |
воздухом, |
который |
подается |
либо |
||||
в радиальном направлении, либо |
в осевом. Задача |
оценки |
тепло |
||||||
обмена в таком случае очень сложна и |
зависит |
от |
многих |
фак |
|||||
торов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 - ^ ,
где |
Re** — число |
Рейнольдса, |
подсчитанное |
по |
толщине |
потери |
|
импульса, |
|
|
|
|
|
|
|
|
Число Re** можно подсчитать по зависимости |
|
|
||||
|
Re** ^0,000447 |
arV3Y |
6/7 |
|
|
||
|
її (А — 0J887kr) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
wrorH |
— wrHr0 |
|
|
|
|
|
|
Га — Го |
|
|
|
|
|
|
|
Wrn — Wr |
|
|
|
|
wr |
— радиальная |
скорость |
охлаждающего воздуха; |
индекс |
0 от |
||
носится к центру |
диска; индекс |
н — к наружному |
радиусу |
диска. |
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
формуле, так как взаимное |
влияние диска |
и стенки в этом |
случае |
|
пропадает. |
|
|
|
|
Влиянием неподвижной стенки можно пренебречь при условии |
||||
где GB — расход |
воздуха; |
|
|
|
у — плотность; |
|
|
|
|
п — частота |
вращения |
диска; |
|
|
D — текущий |
диаметр. |
|
|
|
При малых значениях q рекомендуется |
[77] определять |
коэффи |
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]
|
0,3 |
Nu = 0,lRe°.7 5 Pi-o. |
r0 го |
где s — ширина |
полости |
у торца диска; |
/'о — радиус |
подвода |
охлаждающего воздуха. |
Эту формулу, по-видимому, целесообразно использовать при ради альных скоростях охлаждающего воздуха, соизмеримых с окружной
скоростью |
вращения |
диска. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Рассчитывая скорость потока, его закрутку |
рекомендуется нахо |
|||||||||||||||
дить |
по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где |
С | 1 |
= 0,003 ( ^ ) - 1 |
/ 5 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
D —внешний |
диаметр; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
V —объем у |
торца |
диска. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
При охлаждении полотна диска отдельными струями расчет |
||||||||||||||||
теплоотдачи можно вести, основываясь |
на результатах исследования |
|||||||||||||||
теплообмена |
поперечно |
обтекаемых |
пластин. |
|
|
|||||||||||
В работе |
[43] в результате выполненных экспериментов показано, |
|||||||||||||||
что |
при обдуве движущейся пластины |
при Re = (1 -И0)-107 интен |
||||||||||||||
сивность |
теплообмена |
хорошо описывается |
зависимостью |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nu = |
0,08Re°.8 0 6 . |
|
|
|
|
||
Здесь Re = ~ |
критерий Рейнольдса; |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
w — средняя |
|
квадратнческая |
скорость |
на уровне |
поверх |
|||||||||
|
|
|
ности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
! »=0,7 ! „,„ = |
3 , 7 2 - ( / S ( ^ r |
+ |
o , 4 l ) ^ , |
|
||||||||
где |
Ар — разность |
давлений |
на сопле; |
|
|
|
|
|
||||||||
|
у — плотность |
воздуха, |
подаваемого |
в |
сопло; |
|
||||||||||
|
а — коэффициент |
турбулентности, |
а ^ |
0,08—0,12; |
|
|||||||||||
|
/іа |
— расстояние |
от среза |
сопла до |
поверхности; |
|
||||||||||
|
d — ширина |
выходного участка |
сопла (диаметр сопла); |
|||||||||||||
|
h — характерный |
размер: при одном сопле — размер |
образца |
|||||||||||||
|
|
|
в направлении растекания струи; при нескольких соплах — |
|||||||||||||
|
|
|
шаг между |
ними. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Эту формулу целесообразно |
использовать |
при подводе |
струй к |
|||||||||||||
торцу |
для обдува. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
В |
работе |
[71 ] |
представлено исследование |
охлаждения |
плиты, |
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-
ляру) 150 мм. |
Ось сопла |
располагалась под разными углами |
к охлаждаемой |
плите (30, 60 |
и 90°). |
Опыты обрабатывали для |
получения критериальной зависимости |
вида Nu = f (Re). За характерный размер принимали длину плиты. Физические параметры воздуха определяли по его температуре на
входе. Опытные данные в работе |
представлены |
в виде |
уравнения |
|||||
|
|
|
Nu = |
cRe", |
|
|
|
|
где величины с и її |
являются функциями от угла |
установки сопла ср |
||||||
(табл. 23). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 23 |
|
Значение коэффициента |
с и показателя степени к в критериальном |
||||||
|
|
|
|
|
уравнении, описывающем |
обдув плиты |
||
Величина |
|
Ф = |
30° |
|
ф = |
60° |
ф = 90° |
|
Re |
(9-20) X |
(20-85) X |
(9-20) X |
(20-85) х |
(9-20) х |
(20-85) X |
||
ХЮ 3 |
|
ХЮ3 |
XI О3 |
Х Ю 3 |
Х І 0 3 |
X 103 |
||
п |
0,26 |
|
0,59 |
|
0,40 |
0,57 |
0,40 |
0,57 |
с |
9,20 |
|
0,36 |
|
2,75 |
0,52 |
2,85 |
0,55 |
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:
|
|
Nu = |
0 , 1 7 5 R e ° . 7 ( ^ ) - ° ' 8 3 , |
(99) |
||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
»т |
ad |
-г, |
w,d |
|
|
|
Nu = - r ; |
Re = - ^ - , |
|
||
d |
— диаметр сопла; |
|
|
|
|
|
wz = |
^ |
скорость |
воздуха |
на выходе из сопла; |
|
|
z — число |
сопел; |
|
|
|
|
|
Аг — расстояние от |
оси сопла |
до рассматриваемой |
точки на |
|||
|
торце |
по радиусу. |
|
|
|
|
Формула справедлива |
при Аг^(1,2 -т-1,5) и d < s < 5 d Опыты про |
|||||
водили |
при d = 2 4-10 мм; wz = 20-г-300 м/с. Эту зависимость, по- |
видимому, можно использовать при оценке теплоотдачи для внутрен них областей.
В области подвода охлаждающей струи коэффициент теплоотдачи
можно |
оценивать по |
критериальной |
зависимости |
|
|
|
Nu = 0,2Re°-6 7 Pr°.4 , |
(100) |
|
где за |
характерный размер принят радиус сопла охлаждения. |
|||
Теплоотдача диска, |
вращающегося |
в кожухе с радиальной |
пода |
чей охлаждающего воздуха, экспериментально исследована в ра
боте |
[62]. На специальной опытной |
установке |
с |
гладким |
диском |
|||
радиусом 300 мм, который вращался |
электродвигателем, |
проводи |
||||||
лись испытания. Диск вращался со |
скоростью |
500—2500 |
об/мин. |
|||||
На |
охлаждение |
подавался |
воздух |
температурой |
287—293 |
К и |
||
расход составлял |
до 0,1 кг/с. |
В сам диск было |
вмонтировано |
пять |
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 ,