Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 228
Скачиваний: 1
В канале со ступенчатым входом зоной стабилизации можно считать область, включающую два участка:
—интенсивного падения коэффициента теплоотдачи у входа, который обусловливается ростом пограничного слоя;
—переходный, который имеет место до полной стабилизации теплообмена.
Как видно из рис. 96 и 97, длина участка стабилизации умень шается с ростом числа Рейнольдса. Последнее согласуется с дан ными опытов, проведенных в круглой трубе. В канале с плавным входом переход к турбулентному течению в пограничном слое совер шается не столь интенсивно, как в канале со ступенчатым входом.
Поэтому вторичное увеличение коэффициента теплоотдачи |
здесь |
не столь заметно. Сам участок стабилизации теплообмена |
оказы |
вается короче. Это особенно характерно для средних значений |
коэф |
фициентов теплоотдачи. После стабилизации в канале как при рав ном, так и при ступенчатом входе процесс теплообмена уже не зави сит от формы входа и геометрических размеров.
Теплообмен на участке стабилизированного течения в канале
описывается критериальной |
зависимостью |
|
Nu = 0,0T79Re°.8. |
(105) |
|
Такой зависимостью можно пользоваться при xld3 ^ |
40, если канал |
|
с плавным входом, и при xld3 |
^ 50, если канал со ступенчатым вхо |
|
дом. |
|
|
Оценку средних значений коэффициентов теплоотдачи в канале можно производить с помощью следующих критериальных зависи
мостей: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— за |
|
участком |
стабилизации |
|
|
||||
|
|
|
|
|
Nil = 0,0185 Re0 '8 |
|
(106) |
||
при |
l/d3 |
5> 40 для канала |
с плавным входом и |
|
|||||
|
|
|
|
|
NU = 0,0193Re0'8 |
|
(107) |
||
при |
II d3 |
5г 100 |
для |
канала со |
ступенчатым |
входом; |
|
||
— на |
|
участке стабилизации |
течения |
|
|
||||
|
|
|
|
Nu = 0,121 Re |
Из J |
°'5 - |
(108) |
||
при |
lld3 > |
40 для канала |
с плавным входом; |
|
|
||||
|
|
|
|
|
Nu" = |
0,071 R i ° ' 8 ( - 1 - ) - 0 ' 3 6 5 |
(109) |
||
при |
t/d3 |
<С 16 для канала |
со ступенчатым входом; |
|
|||||
|
|
|
|
|
NU = |
0 , 0 4 R i ° ' 8 ( ^ - ) " 0 ' 1 6 |
|
(ПО) |
|
при |
16 < |
lld3 < |
100 для каналов со ступенчатым входом. |
|
|||||
За определяющую температуру была принята средняя темпера |
|||||||||
тура |
заторможенного потока, |
которая при |
небольших |
скоростях |
практически совпадает со средней термодинамической. В качестве определяющего размера был принят эквивалентный диаметр.
Для вычисления локальных значений коэффициентов тепло отдачи в зоне стабилизации теплообмена можно использовать кри териальную зависимость вида
Nu = cRe",
где значения величин с и п можно определить из табл. 28—31. Такие же таблицы можно привести и для вычисления средних значений коэффициентов теплоотдачи.
Таблица 28
Локальные значения коэффициентов с и я для плавного участка стабилизации
|
/і |
с |
3,5 |
0,7 |
0,0626 |
7,0 |
0,77 |
0,0263 |
10,6 |
0,84 |
0,0121 |
40 |
0,80 |
0,0179 |
|
|
Таблица |
30 |
Средние |
значения коэффициентов |
с |
|
|
и 11 для плавного участка |
||
|
|
стабилизации |
|
1/< |
|
|
|
3,5 |
0,71 |
0,0633 |
|
7,0 |
0,73 |
0,0442 |
|
10,5 |
0,75 |
0,0355 |
|
14,1 |
0,76 |
0,0307 |
|
17,6 |
0,77 |
0,0265 |
|
21,1 |
0,78 |
0,0244 |
|
28,1 |
0,79 |
0,0217 |
|
35,1 |
0,795 |
0,0196 |
|
40 |
0,8 |
0,0185 |
|
Таблица 29
Локальные значения коэффициентов с
ип для участка стабилизации
суступом
пС
2,98 |
0,69 |
0,295 |
4,49 |
0,75 |
0,044 |
5,97 |
0,80 |
0,0225 |
7,46 |
0,80 |
0,0206 |
41,9 |
0,80 |
0,0189 |
50 |
0,80 |
0,0179 |
Таблица 31
Средние значения коэффициентов с и п для участка стабилизации с уступом
щ 3 п с
2,98 |
0,8 |
0,0471 |
4,49 |
0,8 |
0,0413 |
5,97 |
0,8 |
0,0371 |
7,46 |
0,8 |
0,0342 |
8,96 |
0,8 |
0,0318 |
11,96 |
0,8 |
0,0290 |
14,95 |
0,8 |
0,0265 |
17,92 |
0,8 |
0,0253 |
23,92 |
0,8 |
0,0242 |
38,82 |
0,8 |
0,0226 |
53,80 |
0,8 |
0,0214 |
68,75 |
0,8 |
0,0205 |
100 |
0,8 |
0,0193 |
Аналогичные границы стабилизации потока при течении жидкости в трубе установлены в работе [1 ]. Средние и локальные коэффициенты теплоотдачи при турбулентном течении жидкости в трубах в этой работе рекомендуется рассчитывать с помощью критериальных зави симостей:
|
для |
локальных значении |
|
|
|
2,25 |
|
|
|
Nu = 0,044Re^Pr0 '4 (-^-) R e ° ' 3 |
(111) |
при |
xld |
«S 40, |
|
|
xld |
Nu = 0,0156Re°.8 6 Pr0 '4 |
(112) |
при |
> 40; |
|
|
для |
средних значений |
|
|
|
|
3,1 |
|
при |
|
< |
М и ^ 0 , 1 2 4 ^ ° ' 7 Р г м |
Ш R e ° ' 3 5 |
|
(113) |
||||
lid |
50, |
_ |
|
|
|
|
|
|
||
при |
lid |
> |
50. |
Nu = |
0,031 Ri°' 8 Pr M |
|
|
(114) |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Приведенные зависимости |
можно |
использовать |
для расчета уча |
|||||||
стков стабилизации, где в качестве |
охлаждающих |
агентов |
исполь |
|||||||
зуются |
жидкости. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
§ 40. |
Теплоотдача струи |
воздуха, |
|
|
|||
|
|
|
|
растекающейся в щели по пластине |
|
|||||
|
|
|
|
В практике расчета охлаждаемых деталей газо |
||||||
вых |
турбин часто встречаются |
с теплоотдачей |
струи воздуха, расте |
|||||||
кающейся в щели по пластине. К такого типа |
узлам следует |
отнести |
||||||||
диски |
газовых турбин, охлаждаемые струйным обдувом |
воздуха. |
||||||||
В этом |
случае охлаждаемый |
воздух, ударяя |
в диск, растекается |
|||||||
в щели (зазоре) между статором и ротором. |
|
|
|
|||||||
В |
оболочковых |
лопатках |
дефлекторного |
типа |
воздух, |
выходя |
||||
из отверстий в дефлекторе, попадает |
с внутренней |
стороны |
на обо |
лочку и охлаждает ее, а затем растекается в щели между оболочкой и дефлектором. В корпусах турбин воздух тоже подается из отверстий на охлаждаемые поверхности с внутренней стороны, а затем расте кается в щели и охлаждает весь корпус. При расчете температурного состояния таких деталей необходимо знать значения коэффициентов теплоотдачи на охлаждаемых поверхностях.
Одно из первых исследований этого вопроса было проведено во Франции. Был исследован теплообмен цилиндра, омываемого боль шим количеством струй. При одинаковых потерях напора и одина ковых расходах воздуха эффективность теплообмена цилиндра при обмыве струями была на 30% выше, чем при продольном обтекании цилиндра. Следует отметить, что теплообмен не зависит от расстоя ния между устьями сопел и поверхностью.
Кроме того, была исследована теплоотдача при омывании пла стины одиночной струей. Струя распространялась в свободном про странстве. Расстояние между устьями сопла и пластиной не превы шало десяти диаметров сопла. Для угла атаки 90° в центральной части пластины (вблизи места удара струи) была получена крите
риальная зависимость |
|
Nu = 0,181Re°.W>-3 3 . |
(115) |
За характерный размер принималось 5% величины зазора
|
4 = 0,05/1. |
|
|
При исследовании было показано, что изменение |
угла |
атаки |
|
мало влияет на изменение теплоотдачи. |
|
|
|
В работе [33] дается |
описание экспериментальной |
установки, |
|
на которой производились |
опыты в этой области. Установка |
состоит |
|
из набора цилиндрических |
сопел диаметром 2, 4, 8 и 10 мм, распо |
ложенных в центре текстолитовой пластины диаметром 250 мм и толщиной 12 мм. Эту пластину можно было перемещать в вертикаль ном направлении с целью установления различного зазора /г и в гори зонтальном направлении с целью установления различного рас стояния R между осью сопла и осью калориметра. В нижней части установки был укреплен калориметр. Потери тепла учитывали кало риметром. Влияния величины зазора и отношения диаметров кало риметра и сопла на потери не было замечено. При обработке данных основных опытов из энергии, расходуемой калориметром, отделялись потери и определялось количество тепла, отдаваемое охлаждаю щему воздуху. Для определения теплоотдачи обдуваемой пластины
были проведены опыты, характеристики которых |
приведены |
в |
||||||
табл. 32. |
|
|
|
|
|
Таблица |
32 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Геометрические характеристики экспериментальной установки |
|||||
|
|
|
З а з о р , м |
|
|
|
Д и а п а з о н |
|
d, м |
|
|
|
|
|
Д и а п а з о н чисел |
с к о р о с т е й |
|
|
|
|
|
|
Р е й н о л ь д с а |
в о з д у х а , |
|
|
|
d |
2d |
Ы |
3,75d |
5,5rf |
|
м/с |
|
0,002 |
0,003 |
0,007 |
0,015 |
|
0,015 |
3-Ю3 —40-Ю3 |
22—285 |
|
0,004 |
0,011 |
|
0,020 |
0,004 |
|
6-Ю3 —85-Ю3 |
22—311 |
|
0,008 |
0,025 |
|
0,041 |
0,007 |
|
12-Ю3 —127-Ю3 |
22—232 |
|
0,010 |
0,016 |
0,018 |
|
|
|
15-Ю3 —100-103 |
22—159 |
|
Опыты проводились, как видно из табл. 32, при различных диа метрах сопел и зазорах, а также при различных расстояниях замера теплового потока от оси струи. Все опыты можно объединить одной критериальной зависимостью (99). Физические константы воздуха брали при температуре и давлении в щели, а скорость — на выходе из сопла.
Характер изменения местных значений числа Nu вниз по потоку растекающейся струи показан на рис. 98.
Как видно из рис. 98, от критической точки (пересечение оси струи с охлаждаемой плоскостью) коэффициенты теплоотдачи резко возрастают и с удалением на расстояние R = (1,2—1,5) d достигают максимума. В общем теплосъеме этот участок максимума играет незначительную роль. При удалении от критической точки на рас стояние Rid > 1,5 теплоотдача монотонно падает. В районе