Файл: Зысина-Моложен, Л. М. Теплообмен в турбомашинах.pdf

Л.М. ЗЫСИНА-МОЛОЖЕН,

л.в. зысин.м.п. поляк

ко н тро л ьн ы й

ЭКЗЕМП ЯР

Л Е Н И Н Г Р А Д „ М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е "

Л Е Н И Н Г Р А Д С КО Е О Т Д Е Л Е Н И Е 1 9 7 4

I

3-9G

УДК 62-135 : 533.6.011.6

,4 ^ № '33357

Зысина-Моложен Л. М., Зысин Л. В., Поляк М. П. Теплообмен в турбо­ машинах. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1974 . 336 с.

В книге рассмотрено современное состояние теории тепло­ обмена, изложены основы теории пограничного слоя, элементы теории подобия и моделирования, а также специальные вопросы конвективного теплообмена в охлаждаемых турбинных лопат­ ках и расчета температурных полей в элементах турбин. Представлены результаты экспериментальных исследований обтекания различных элементов проточной части паровых и газовых турбин. Рассмотрены отдельные задачи, связанные с течением газожидкостных потоков, специфические для неко­ торых конструкций систем охлаждения лопаток газовых тур­ бин, а также для определения граничных условий теплооб­ мена в элементах влажнопаровых ступеней и турбин. Приве­ дена оценка пределов применимости и точности различных методов расчета современных турбин.

Книга рассчитана на научных работников НИИ и КБ за­ водов. Она также может быть широко использована инженернотехническими работниками, занимающимися вопросами проек­ тирования нового энергооборудования.

Табл. 8. Ил. 128. Список лит. 254 назв.

Р е ц е н з е н т заел, деятель науки и техники РСФСР д-р техн. наук

проф. И. И. Кириллов

30303—115 3 038(01)—74

@ Издательство «Машиностроение», 1974 г,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные тенденции в развитии энергомашинострое­ ния характеризуются стремлением к форсированию процессов теплообмена в турбомашинах и к повышению их рабочих параметров, причем Ставится вопрос о необходимости работы турбин в условиях переменных нагрузок и нестационарных режи­ мов, об ускорении периодов пуска и останова машины. В связи с этим к современным и перспективным турбинам наряду с требо­ ваниями высокой эффективности и экономичности предъявляются высокие требования надежности. Последняя во многом, как из­ вестно, зависит от точности и достоверности расчета теплового

инапряженного состояния элементов ротора и статора машины.

Всовременных мощных паровых турбинах до- и сверхкритиче­ ских параметров температурный уровень элементов статора и ро­ тора на номинальном режиме работы не вызывает опасений,

однако при переходе на переменные режимы из-за неравномер­ ности обогрева или охлаждения могут возникнуть градиенты температур, обусловливающие появление больших температурных напряжений" и неодинаковых удлинений близлежащих элементов, что может вызвать задевание частей ротора о статор. При правиль­ ном расчете температурного состояния элементов турбины воз­ можна разработка рационального графика пуска и останова ма­ шины, позволяющего избежать возникновения вышеуказанных явлений.

В современных стационарных газовых турбинах относительные скорости движения газа в проточной части сравнительно неве­ лики (как правило, М < 0,6). Однако в транспортных и в созда­ ваемых в настоящее время перспективных стационарных машинах имеют место также и сверхзвуковые режимы обтекания. Кроме того, главная тенденция в повышении параметров в области газотурбостроения заключается в стремлении к максимальному повы­ шению температуры газа Т перед турбиной. В связи с этим воз­ никает необходимость в охлаждении как сопловых, так и рабо­ чих лопаток. Задачей такого охлаждения является не только общее снижение температурного уровня лопаток, но и обеспече­ ние равномерного температурного поля в теле лопатки. Последнее возможно только при умении правильно рассчитывать локальные коэффициенты теплоотдачи по контуру лопатки. Учет конструк­ тивной схемы охлаждения лопатки приводит к дополнительным

5

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В связи с тем, что в монографии рассмотрен широкий круг вопросов, непосредственно связанных или примыкающих к теории теплообмена, то в не­ которых случаях пришлось применять одну и ту же букву для обозначения раз­ ных величин. Например, буквой X обозначаются коэффициент сопротивления

(в теории ламинарного и турбулентного движения в трубе), длина волны возму­ щающего движения (в теории устойчивости ламинарного пограничного слоя), коэффициент теплопроводности (в теории теплообмена); буквой х обозначаются

декартова координата (в аэродинамике и теории теплообмена) и степень сухости пара (в термодинамике); буквой г обозначаются скрытая теплота парообразо­

вания (в термодинамике) и коэффициент восстановления температуры (в газо­ динамике) и т. д.

б** — толщина потери энергии

А, — коэффициент сопротивления при движении жидкости в трубе, коэффициент теплопроводности

7

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА

1. Некоторые определения н основные понятия

Теория теплообмена как наука практически начала форми­ роваться только в XX в. До этого существовали теория теплопро­ водности и набор эмпирических формул и рекомендаций для опре­ деления коэффициентов теплоотдачи, логически и теоретически никак не связанные друг с другом. Аналогичное положение было и с аэродинамикой, вместо которой существовали классическая теоретическая гидродинамика идеальной жидкости и эмпирическая гидравлика.

В 1904 г. Л. Прандтль в своей работе «О движении жидкостей при малом трении» показал, что при изучении процесса обтекания можно весь объем жидкости разбить на две неравные области: узкую пристенную область, названную впоследствии пограничным слоем, где в основном проявляется влияние сил трения, и осталь­ ную область пространства (так называемый внешний поток), где можно с достаточным приближением пренебречь влиянием сил трения и рассматривать потенциальное обтекание идеальной (без трения) жидкости.

Неоднородность полей скоростей в потоке приводит к возник­ новению в жидкости, с одной стороны, сил внутреннего трения, с другой — конвективных ускорений, которые определяют инер­ ционные эффекты. Большинство задач современной техники связано с потоками, в которых инерционные эффекты существенно преобладают над влиянием сил трения. Именно в этом случае и имеют место классические задачи теории пограничного слоя, когда основной поток можно считать идеальным, а влияние вяз­ кости рассматривать только в тонком пограничном слое.

Дальнейшее развитие учения о пограничном слое показало, что вопросы взаимодействия тел с потоком — вопросы сопротивле­ ния тел и теплоотдачи — определяются процессами, протека­ ющими непосредственно в пограничном слое. Создание теорий динамического и теплового пограничного слоя позволило теоре­ тически решить основные задачи сопротивления и конвективного теплообмена в однородных средах для целого ряда практических приложений.

9

Теория пограничного слоя нашла весьма широкое применение в авиационной и ракетной технике, во внешней баллистике, в су­ достроительной технике. В ряде случаев теоретические расчетные методы в этих областях достигли к настоящему времени большого совершенства.

В последнее время появилась новая область применения тео­

теоретическую разработанность вопросов теплового расчета тур­ бомашины. По существу тепловой расчет проточной части турбо­ машины во многом представляет собой комбинацию эмпирических соотношений, эмпирических кривых и рекомендаций. Задача создания теоретически обоснованного метода теплового расчета проточной части турбомашины включает, в частности, задачу дальнейшего совершенствования и развития теории пограничного слоя. Имеющиеся уже в настоящее время результаты теоретиче­ ских и экспериментальных исследований в области пограничного слоя позволяют более надежно и обоснованно решать целый ряд вопросов при расчетах проточной части турбомашин и поэтому заслуживают более широкого внедрения в расчетных отделах турбостроительных заводов.

В настоящей книге в соответствии с условиями развития про­ цессов в проточной части турбомашин рассматриваются вопросы, связанные с течением вязкой сжимаемой жидкости. Прежде всего следует остановиться на формулировке основных понятий, кото­ рые будут использоваться в последующем изложении.

Вязкая жидкость. Вязкой жидкостью в отличие от идеальной называется такая, при течении которой кроме нормальных сил су­ ществуют силы касательные, способствующие возникновению касательных напряжений между слоями жидкости и между жидкостью и стенкой. В результате воздействия касательных сил кроме обычного условия непроницаемости стенки, имеющего место и при обтекании идеальной жидкостью и характеризующегося условием равенства нулю нормальной составляющей скорости (v = 0) при у —■0, возникает явление прилипания вязкой жид­ кости к стенке, т. е. в вязкой жидкости при у — 0 все составля­ ющие скорости v = и — w ■=-■=0. В идеальной жидкости касатель­ ных сил не существует, поэтому у стенки имеет место разность скоростей, т. е. скольжение жидкости по стенке.

Трение между слоями жидкости и между жидкостью и стенкой проявляется в сопротивлении движению. Сила этого сопротивле­ ния пропорциональна градиенту скорости движения жидкости в направлении, перпендикулярном движению. Величина этой силы, отнесенная к единице поверхности, называется к а с а ­ т е л ь н ы м н а п р я ж е н и е м т р е н и я .

Внутреннее трение и теплопроводность. Молекулярная струк­ тура реальных газов и жидкостей определяет наличие в них вну­

10