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

Эти соотношения экспериментально не проверены, кроме того,

няет использование формул (V.41) и (V.42) для практических расчетов.

Экспериментальные исследования, проведенные в ЦКТИ [67 ] по исследованию теплоотдачи при градиентном и безградиентном обтекании пластины потоком газа с температурой Т ^ 1500ч- ч-1800о С при интенсивном охлаждении поверхности (Tw я* 300ч-

дился по методу, описанному в предыдущем параграфе, с исполь­ зованием экспериментальной эпюры скорости. В опытах локаль­ ные значения числа Маха не превышали значений М *=« 0,35.

Таким образом, для приближенной оценки влияния темпера­ турного фактора на локальную теплоотдачу в решетках профилей газовых турбин при высоких температурах газа (ф 0,2ч-0,4) и малых скоростях течения (М < 0,3) можно использовать фор­ мулу (V.43). При этом расчет локальных коэффициентов тепло­ отдачи по контуру профиля производится по методу [57, 78], описанному в п. 27 [формулы (V.31), (V.33)], и затем каждое по­ лученное локальное значение числа St умножается на коэффи­

циент Кг- В т р е т ь е м с л у ч а е (см. с. 184), когда имеет место сов­

местное влияние числа М и температурного фактора на интенсив­ ность теплообмена, имеющиеся в литературе исследования от­ носятся главным образом к безградиентному обтеканию пластин.

186

Для приближенной оценки влияния этих факторов на интен­ сивность теплоотдачи к внешней поверхности турбинных лопаток можно использовать результаты работы [74]. Как уже отмеча-

лось в гл. IV, в этой работе решение уравнения энергии для обте­ кания сжимаемым потоком с теплообменом выполнено только при­ менительно к турбулентному пограничному слою у пластины. На

Рис. 67. Сравнение экспериментальных и расчетных значе­ ний St^ при различных М и чр:

---------------R = 10’; ---------------- R = 10«

рис. 67 линиями показаны расчетные данные [74 ] по изменению

187

г|з«* 1. Различными значками нанесены экспериментальные дан­ ные различных авторов [74, 15, 134, 19]. Как видно, расчетные данные близки к экспериментальным, при этом имеет место почти параллельный сдвиг кривых при изменении М.

Рассмотрим параметр St при различных значениях Ф и М. На рис. 68, а приведена зависимость ЭЦ от М при яр 1. Обозна­

чим эти значения St,), через S t^ i- Если отнести любое значение St^

Рис. 68. Зависимость относительного изменения числа St от числа М

(при различных значениях ф и М) к соответствующему значе-

чению St^-i, представленному на рис. 68, а, то это отношение оказывается независимым от М при сверхзвуковых скоростях (рис. 68, б). При дозвуковых скоростях намечается тенденция к увеличению этого отношения с уменьшением М.

Отмеченная на рис. 68, б особенность зависимости St^/St^~i =

= S от числа М позволяет для сверхзвуковых обтеканий (М ==£: 4) построить единую кривую

можно использовать формулу (V.44) для приближенной оценки значений локальных коэффициентов теплоотдачи в лопатках высокотемпературных газовых турбин, преобразовав ее к виду

Из этой формулы видно, что для внесения необходимых поправок нужно локальные значения коэффициентов теплоотдачи, рассчи-

188

иК г, рассчитываемых соответственно по формулам (V.44) и (V.43),

ина соответствующие локальные значения St^~i, которые бе­ рутся по рис. 68, а.

Так как формула (V.44) справедлива только при М > 1, то при малых дозвуковых скоростях и ф = T j T aw < 0,5 поправкой является множитель К г, рассчитываемый по формуле (V.43).

Приведенные в п. 20, 21 и 12 материалы показывают, что пара­ метры М и ф оказывают влияние не только на теплоотдачу, но и на сопротивление поверхности потоку. Таким образом, кроме влия­ ния этих факторов на локальную теплоотдачу в общем случае следует учитывать влияние их и на потери в решетках. Однако в настоящее время таких данных в литературе нет.

Для приближенной оценки относительного изменения потерь в решетке под действием сжимаемости и температурного фактора можно использовать, например, кривые на рис. 41 [202] или фор­ мулы типа (IV.84) и (IV.94a).

29. Влияние турбулентности и вращения на локальную теплоотдачу профиля в турбинной решетке

Как уже отмечалось в п. 28, в условиях реальной турбины характер обтекания лопаток рабочего колеса существенно отли­ чается от обтекания неподвижных решеток.

Если рассматривать теплоотдачу профиля в турбинной ре­ шетке в условиях вращения, то в основном уравнении движе­ ния (1.13) необходимо сохранить массовые силы, т. е. это уравне­ ние должно быть написано в общем виде:

центробежной, связанной с переносным центростремительным ускорением /ц, и кориолисовой, связанной с поворотным ускоре­ нием /к. Соотношение между силой Т и силой, создающей выну­ жденное движение, grad р, определяет воздействие массовых сил на теплообмен и сопротивление поверхности. В работе [92] по­ казывается, что влияние центробежных и кориолисовых сил выра­ жается через одни и те же параметры. При этом на основе опытных данных авторы делают вывод о независимости от вращения интен­ сивности теплообмена в охлаждаемых воздухом лопатках. Имею­ щиеся в литературе отдельные опытные данные других авторов [230, 171 ] не согласуются с этими результатами. Аналитического реше­ ния этой задачи в настоящее время не имеется, ограниченность

189

и противоречивость опытных данных связана с большой слож­ ностью и многопараметричностью задачи о влиянии соотно­ шения сил Т и grad р на развитие пограничного слоя. Как уже говорилось, вращение рабочего колеса связано не только с воз­ никновением центробежных и кориолисовых сил, но также и с воз­ никновением периодической нестационарности, неоднородности потока, с изменением его турбулентности. Таким образом, задача о влиянии вращения на локальную теплоотдачу является сложной комплексной задачей.

В работе [248 ] приведены экспериментальные данные по влия­ нию турбулентности набегающего потока на локальные значения

кальные значения а весьма заметно. Так, на вогнутой стороне при изменении е от 0,45 до 2,2% (рис. 70, () интенсивность тепло­ обмена увеличивается примерно в 1,5 раза, а до е = 5,9% — при­ мерно в 2 раза.

При вращении рабочего колеса степень турбулентности потока, набегающего на лопатки, изменяется и влияние этого изменения накладывается на влияние центробежных и кориолисовых сил.

В работе [61 ] приведены результаты экспериментального ис­ следования влияния вращения на локальную теплоотдачу в раз­ личных типах решеток профилей. На рис. 71 приведены пять ис­ следованных эпюр скорости, типичных для газотурбинных про­ филей (номер кривой соответствует определенному профилю). Для характеристики влияния вращения введен коэффициент ин­

тенсификации N, представляющий собой отношение локального значения числа Nu* в любой точке поверхности профиля во вра­

щающейся решетке к локальному значению Nu* на контуре про­ филя в неподвижной решетке при одном и том же значении числа R*:

Nu"

Анализ результатов экспериментального исследования пока­ зывает, что коэффициент интенсификации зависит от скорости вращения решетки, от режима течения в пограничном слое, от величины и знака продольного градиента скорости, от кривизны поверхности.

Наибольшая интенсификация теплообмена достигается при ламинарном режиме течения в пограничном слое, здесь она в от­ дельных точках при больших градиентах давления может дости­

гать 120— 130% (N ^ 2,2-^-2,3). При турбулентном режиме те­ чения в пограничном слое интенсификация теплоотдачи незначи­ тельна и в пределах исследованных градиентов давления не превышает 20—30%, что практически находится в пределах точности промышленных экспериментов и поэтому могло быть не замечено в некоторых опытах.

190