Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 225
Скачиваний: 1
Некоторые ориентировочные значения коэффициентов тепло отдачи при течении воздуха в каналах представлены на рис. 94. Если в каналах охлаждения отсутствуют вставки (завихрители), кото рые сглаживают влияние начального участка, то коэффициенты тепло отдачи целесообразно рассчитывать по критериальной зависимости
Nu = |
0,02 |
V - 0 . 9 T |
(104) |
|
|||
где h - длина щели; |
|
|
|
•— Dz (Dx |
— наружный диаметр, D2 |
— внутренний диа |
|
метр). |
|
|
|
ос, кдж/(мг-ч-К)
6000
f
Ш0 |
/ |
|
1000 |
і |
і і |
і |
|
0 |
||||
10 40 60 80 100 |
ПО |
140 160 180 100 |
||
|
|
|
W.HIC |
Рис. 94. Коэффициенты теплоотдачи от воздуха к стенкам канала.
Приведенное выражение отличается от предыдущей формулы членом в квадратных скобках. Этот член учитывает повышение интен сивности теплоотдачи на начальном участке.
Если воздух подается на охлаждение с температурой 200 К и давлением 50 н/см2, что является реальным для воздушных систем охлаждения, то формулу (104) можно представить в более простом виде
а: 8,0
При криволинейных п коротких каналах коэффициент тепло отдачи следует увеличивать с помощью специальных коэффициентов.
В диапазонах чисел Рейнольдса от 5000 до 12 000 в узких каналах наблюдается переходное течение. Для расчета теплообмена в щелевом канале при переходном режиме в работе [89] рекомендуется крите риальная зависимость
Nu = 0,0028Re.
Здесь в качестве определяющего размера принят эквивалентный диа метр, а физические константы находят по среднемассовой темпера туре потока.
При ламинарном течении потока (Re <С 2200) на интенсивность теплообмена влияет не только режим течения, но и турбулизация за счет конвекции. Поэтому критериальная зависимость будет отли чаться от вышеприведенных. В работе [77] приводится зависимость, которую можно использовать в расчетах теплообмена при ламинар ном течении жидкости
При течении жидкости во вращающихся каналах (ротора, рабо чих лопаток) конвективные токи значительно усиливаются, что может резко сказаться на теплообмене. Определение коэффициентов тепло отдачи в этом случае возможно только экспериментально. Однако приближенно теплоотдачу в этом случае можно оценить путем введе ния в критериальное уравнение критерия Грасгофа, подсчитанного по формуле
Gr =
где / — ускорение центробежной силы; Р — коэффициент объемного расширения;
Дг — разность температур в крайних по радиусу точках канала;
h—характерный |
линейный размер; |
р — плотность; |
|
j-t — коэффициент |
динамической вязкости. |
В данном случае можно рекомендовать следующее расчетное выражение:
Nu = 0,146Re0 , 3 3 Gr0 '1 ,
в котором физические константы определяются по средней темпера туре потока.
С целью интенсификации потока в каналах охлаждаемых узлов используют различного рода вставки (завихрители), которые закру чивают жидкость и тем самым увеличивают теплоотдачу. В работе [70 ] приводятся результаты исследований конвективной теплоотдачи при течении закрученного потока воздуха на начальном участке кольцевой трубы. Опыты выполняли на специальной эксперимен тальной установке, где путем прямого калориметрирования была замерена теплоотдача при закрученном под различными углами воздухе. Физические константы определяли по среднемассовой тем пературе и среднему давлению воздуха.
Эквивалентный диаметр кольцевого канала принимали как раз ность наружного диаметра завихрителя и внутреннего диаметра трубы. В работе показано, что закрутка потока приводит к значи тельному увеличению теплоотдачи по сравнению с осевым потоком
при одинаковом расходе воздуха. Расчетная критериальная зависи мость представлена в следующем виде:
|
Nu = 0,025 ( 1 4 - 0 , 5 9 - Ь Re1 |
|
|
||||
где м)ф 0 — тангенциальная составляющая |
скорости; |
|
|
||||
wx0 — осевая составляющая |
скорости; |
|
|
|
|||
х— |
расстояние от начала |
завихрителя. |
|
|
|||
Эксперимент |
проводился |
при w40lwx0 |
= 0 -4-4,6, |
x/d3 |
= 0 -f-26, |
||
Re = 4 - Ю 4 |
- 4 - Ю 5 . |
|
|
|
|
|
|
Для закрученного потока |
увеличение |
теплоотдачи |
в |
сравнении |
|||
с незакрученным составляет 59% при ср = |
45°, 104% при ф = 60° и |
||||||
221% при ф = |
75°. Если на создание полной скорости |
затрачивается |
одинаковая энергия, закрутка потока увеличивает теплоотдачу на
20%. Максимальная теплоотдача наблюдается при ср = 45°. |
|
|
|
|||||||||||
|
В работе [20] рассматриваются результаты исследования |
по |
||||||||||||
определению коэффициента |
теплоотдачи |
от стенки |
полой |
лопатки |
||||||||||
к |
охлаждающей |
жидкости, |
протекающей |
в щелевом |
канале |
между |
||||||||
стенкой |
лопатки |
и дефлектором. При этом |
внутреннее |
охлаждение |
||||||||||
осуществлялось воздухом, а также впрыском |
в него воды, |
спирта |
||||||||||||
и |
керосина. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При охлаждении воздухом коэффициент теплоотдачи можно рас |
|||||||||||||
считать |
по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
ап |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
Эксперимент |
проводился |
при Re = 0,9-105 4-2-10s |
и |
Тв/Тст |
= |
||||||||
0,6 — 0,9. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Коэффициент теплоотдачи при впрыске |
|
жидкостей |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
а„ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Е |
множитель, учитывающий влияние на процесс |
теплообмена |
||||||||||||
|
|
впрыска |
жидкости: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для |
воды |
|
|
|
|
|
|
. 1 . 6 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 +0,7 5 \ G B |
) |
\ |
Тст |
) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
/ |
Gd \o.Q8 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
V Fy]CMg |
) |
|
|
|
|
|
|
||
|
для |
спирта |
|
|
(flWy.'«/ |
r^ N |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
1 + 15 |
V G B j |
Gd |
\ Г С Т J |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
I |
|
\0."74 |
|
|
|
|
|
|
|
|
для |
керосина |
|
|
V Fl]cMg |
) |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
1,52 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
"•CM 1 +3,8 1 |
V G B |
) |
v тст ) |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Gd |
|
|
|
|
|
|
(Ксм и Лем—• теплопроводность и вязкость воздуха при температуре смеси)
§39. Теплоотдача при стабилизации течения в каналах
Вгазовых турбинах подача охлаждающего
агента к каналам осуществляется через специальные трубопроводы, которые имеют по своей длине переменное сечение. Поэтому в местах перехода движущийся по трубе поток встречает дополнительные сопротивления, в результате чего на определенном расстоянии воз никают зоны нестабилизированного течения. Особенно это характерно для зон входа охлаждающего агента в узкие каналы охлаждения. На определенном участке поток стабилизируется и затем начинается
зона |
стабилизированного |
течения. |
Как показали |
многочисленные |
|
а) |
5) |
опыты, |
теплоотдача |
в зоне |
стабилиза- |
ции значительно отличается |
от тепло- |
||||
|
/уууу. |
отдачи |
в зоне стабилизированного те- |
||
|
чения |
охлаждающего |
агента. |
|
\Ш/л Переходные участки в системах охла-
y^Y///'//> |
ждения имеют |
либо плавный переход, |
/ |
/ f ^ % ; либо уступы, |
что в свою очередь по- |
/разному влияет на стабилизацию по-
Рис. 95. Схемы входа воздуха |
тока. Это вызвало необходимость прове- |
в канал. |
дения широких экспериментальных ис |
|
следований по оценке теплоотдачи в пе |
реходных участках систем охлаждения. Результаты эксперименталь ных исследований такого теплообмена представлены в работе [59].
Исследование в узких каналах прямоугольной формы выпол няли методом плиты. Рассматривали плавный вход в щель охла ждающего агента и вход с уступом (рис. 95, а, б). Исследовали каналы с различными геометрическими параметрами. Основной
канал |
имел ширину h = 0,0009 |
м, высоту Ь = |
0,08 м, длину |
|||
/ = 0,3 м. Числа |
Рейнольдса изменялись |
в пределах от0,4 - 10 4 до |
||||
0,3-105 . Все режимы течения принимали |
дозвуковыми. Рассматри |
|||||
вали |
теплообмен |
между |
стенкой |
узкого |
канала |
прямоугольного |
сечения и протекающим |
по нему |
воздухом. Все опыты проводили |
с гидродинамическими нестабилизированными потоками в условиях их симметричного подогрева. Особое внимание при эксперименте обращалось на оценку теплообмена на начальном участке течения. В работе были получены средние и локальные значения коэффи
циентов теплоотдачи от стенки к охлаждающему воздуху. |
При этом |
|||
для расчета чисел Нуссельта |
|
и Рейнольдса |
применяли |
формулы: |
X ' |
4 |
v ' |
d э |
|
|
|
|
|
|
Ш = ^Ф-; |
R i = - ^ - ; 1 = |
d43 - ' |
|
где х— |
расстояние от входа в канал; |
/ — |
длина канала; |
В результате проведенных экспериментов получены зависимости коэффициентов теплоотдачи при различных расходах охлаждающего воздуха и на разных расстояниях от входа при плавном и неплавном входе (рис. 96, 97). Процесс теплообмена становится стабилизи рованным только на некотором расстоянии от входа. На участке стабилизации он зависит прежде всего от формы канала, входа в канал и скорости течения охлаждающего агента. Наибольшее значение коэффициента теплоотдачи наблюдается у входа в канал. Это можно
а,кдж/(мг-ч- к) |
|
Gi = 8tii2 |
кг/с |
объяснить |
минимальной |
толщи- |
|||
|
ной |
пограничного слоя у входа. |
|||||||
W00 |
|
I |
|
При |
движении |
охлаждающего |
|||
|
|
|
|||||||
|
|
Vt,0 |
|
агента по каналу толщина по |
|||||
|
|
|
|
граничного слоя |
увеличивается |
||||
2000 -it |
|
|
|
и коэффициент теплоотдачи рез |
|||||
|
65 0 |
|
ко падает. |
К тому же в канале |
|||||
|
|
|
|
ос. «вж/(н!'-"-К) |
|
|
|||
|
|
8 |
|
то. |
|
|
|
|
|
2000, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
то |
|
|
|
|
|
1000 |
|
2' ,0 |
|
2000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cj= 11,6 |
кг/с |
woo |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
U |
50 |
100 |
x / d g 150 |
|
|
|
|
60 |
i/d0 |
Рис. 96. Коэффициенты теплоотдачи от |
Рис. |
97. |
Коэффициенты |
теплоот |
|||||
воздуха к стенкам канала при плавном |
дачи |
воздуха к стенкам канала при |
|||||||
входе. |
|
|
|
входе |
с |
уступом. |
|
|
наблюдается уже ламинарный пограничный слой. При дальнейшем течении охлаждающего агента коэффициент теплоотдачи опять воз растает, что обусловлено появлением турбулентного течения в этой области. Это подтверждается и тем обстоятельством, что место пере хода лежит в области критического значения числа Рейнольдса.
При ступенчатом входе в канал падение и последующий рост коэффициента теплоотдачи происходят более интенсивно, чем при плавном входе. Это можно объяснить значительной турбулентностью потока, связанного с отрывными течениями при входе в канал. В пе реходной области течения коэффициент теплоотдачи в случае сту пенчатого входа увеличивается больше, чем при плавном. Теплообмен здесь носит колебательный характер. Наличие такой переходной зоны, протяженность которой зависит от числа Рейнольдса и формы канала, позволяет говорить лишь об условной длине зоны стабили зации.