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

N

10 20 JO SO 100 2 0 0 / у " ) 0-5 w"

\ f ) ((fv')'l3

Рис. 99. Сопоставление опытных данных по теплоотдаче с расчетными, полу' ченными для медленно движущегося пара:

• — у = О (сухой насыщенный пар); О — У = 1 н-30% (влажный пар)

Рис. 100. Зависимость N от определяющих параметров:

Ф - У = 0 ; 0 - У = 1 +30%

которые приведены на рис. 99. Как видно, в этом случае расхож­ дение экспериментальных и расчетных данных практически не превышает ±25%, причем опытные точки для различных давле­ ний и различных влажностей практически совпадают.

Эти данные могут быть использованы для оценки теплоотдачи в камерах при пусковых режимах, однако в натурных условиях процессы будут более сложными: в криволинейных каналах при наличии градиента давления будет возникать дополнитель­ ная сепарация влаги, возможно возникновение отрывов погра­ ничного слоя, поток может быть пространственным и т. д. Все эти явления скажутся на величине коэффициентов теплоотдачи. При режимах остановки турбины характер теплообмена будет отличаться от вышеописанного, так как в этом случае темпера­ тура стенки будет выше температуры потока и вместо конден­ сации возможно возникновение испарения или кипения. Эти процессы в условиях турбомашин в настоящее время не иссле­ дованы.

16 Л. М. Зысина-Моложен ДР •

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

ВОХЛАЖДАЕМЫХ ТУРБИННЫХ ЛОПАТКАХ

38.Основные схемы охлаждения лопаток газовых турбин

При создании системы охлаждения высокотемпературной турбины приходится решать комплекс различных научно-техни­ ческих задач, среди которых основными являются выбор кон­ струкции и технологии, а также вопросы прочности, термодина­ мики цикла, потерь, связанных с охлаждением, и др. Однако на первом месте находится задача теплообмена в лопатке, пра­ вильное решение которой в известной мере определяет целесооб­

отдельных систем охлаждения; эти вопросы достаточно широко отражены в специальной литературе [50, 80]. Существует ряд принципов классификации систем охлаждения: по конструктив­ ным признакам, по термодинамическим свойствам, по виду тепло­ носителя и др. Однако ни одна из предложенных классификаций не является универсальной.

Для анализа тепловых свойств систем охлаждения целесооб­ разно выделить типовые схемы тепло- и массообмена в охлаждае­ мых лопатках. Основные из этих схем и наиболее характерные конструктивные варианты их реализации показаны в табл. 8. Рассмотрим особенности приведенных схем.

Наружное охлаждение (схема I). При наружном охлаждении, которое применимо только для рабочих лопаток, поверхность лопатки вступает попеременно в контакт с охладителем и высоко­ температурным газом, при этом каждый раз изменяется знак теплового потока. Однако температурные колебания распро­ страняются на незначительный по глубине слой у поверхности профиля, основная часть металла лопатки имеет практически по­ стоянную температуру. Охлаждающий агент при наружном охлаждении может подводиться парциально с основным рабочим телом, а также впрыскиваться в газовый тракт или непосред­ ственно на лопатку. Важное практическое значение имеет то обстоятельство, что при данной схеме теплоотвода рабочие ло-

242

патки ^турбины имеют такую же конструкцию, как и в неохлаждаемых турбинах.

Для успешной реализации преимуществ, связанных с повыше­ нием температуры газа, при такой схеме охлаждения необходимо свести к минимуму время пребывания лопаток в зоне подачи охла­ дителя (в противном случае потери существенно увеличиваются), поэтому коэффициенты теплоотдачи при отводе тепла от лопатки должны быть достаточно велики. Еще А. Стодола показал, что охлаждение с помощью парциальной подачи воздуха не перспек­ тивно. В настоящее время такое охлаждение применяется только в специфических случаях, когда экономичность не имеет значе­ ния. Применение мелкодисперсных газожидкостных и жидкост­ ных потоков более эффективно. В качестве охлаждающих жидко­ стей применяются вода или топливо, возможно также применение влажного пара, самоиспаряющихся жидкостей и других тепло­ носителей.

Заградительное охлаждение (схема II). Заградительное охла­ ждение предусматривает создание на поверхности лопаток защит­ ных слоев, сильно увеличивающих термическое сопротивление между газом и стенкой лопатки и тем самым уменьшающих тепло­ вой поток в лопатку. Этот уменьшенный тепловой поток обычно снимается агентом, с помощью которого создается защитный слой. В отдельных случаях бывает необходимо предусматривать дополнительные меры для отвода теплового потока.

С точки зрения организации процесса заградительное охлаж­ дение является более совершенным, чем наружное, однако при

244

этом существенно изменяется конструкция лопатки и возникает ряд новых проблем прочностного и технологического характера.

Разновидностью такой схемы является так называемое п л е ­ н о ч н о е (щелевое) охлаждение, при котором охладитель по­ дается на поверхность лопатки через ряд дискретно расположен­ ных щелей. Между поверхностью профиля и газом постоянно существует тонкая прослойка холодного воздуха. Так как эта прослойка быстро размывается газовым потоком, то для обеспе­ чения равномерности температур лопатки необходимо относи­ тельно большое количество точек ввода охладителя на поверх­ ность профиля. Вдув охладителя через пористую стенку позволяет избавиться от указанного недостатка, в этом случае практи­ чески на любом участке профиля и при любом режиме работы двигателя могут быть обеспечены достаточно надежное охлажде­ ние и защита поверхности от воздействия высоких температур. Необходимо отметить, что в настоящее время еще не решены тех­ нологические вопросы образования поверхности профиля турбин­ ных лопаток из проницаемого материала, обеспечивающего на­ дежную и стабильную работу такой системы охлаждения. Это обстоятельство сдерживает применение одного из наиболее ра­

соким термическим сопротивлением. В этом случае при прочих равных условиях величина теплового потока, направленного в лопатку, и температурные градиенты значительно уменьшаются. Однако остается необходимость отвода этого уменьшенного теп­ лового потока от пера лопатки с помощью, например, внутреннего корневого охлаждения.

Обычно, говоря о твердых покрытиях, имеют в виду мате­ риалы, наносимые на поверхность лопатки в стадии изготовления. Имеется принципиальная возможность при соответствующих условиях создавать на лопатках поверхностный слой с низкой теплопроводностью за счет веществ, выпадающих непосредственно из газового потока в процессе работы двигателя, например туго­ плавких составляющих продуктов сгорания.

Внутреннее проточное охлаждение (схема III). При этом спо­ собе охлаждения охладитель прокачивается через систему спе­ циально организованных каналов внутри профиля. Эффектив­ ность такой схемы в основном определяется тем, насколько удачно форма и расположение охлаждающих каналов сочетаются с типом и параметрами профиля. Стремление добиться оптимального соче­ тания приводит к усложнению формы каналов и, как следствие, усложняет конструкцию лопатки.

Специфической особенностью и существенным недостатком внутреннего охлаждения является наличие значительных удель­ ных тепловых потоков в стенке лопатки. В этих условиях, для

245

того чтобы избежать опасных градиентов температур, необходимы точные данные об условиях теплообмена на поверхностях теплоподвода и теплоотвода. Однако на нерасчетных режимах работы турбины в лопатке, даже при удачно спроектированной для номи­ нального режима системе охлаждения, могут возникать значи­ тельные градиенты температур. В результате допустимую темпе­ ратуру газа приходится снижать по сравнению со значениями, которые принципиально может обеспечить система охлаждения. Уменьшение температуры охлаждающего агента на входе также ведет к росту продольных и поперечных градиентов температур. Данные системы чувствительны к технологическим отклонениям при изготовлении. Перечисленные обстоятельства ограничивают возможность применения внутреннего проточного охлаждения при дальнейшем повышении начальной температуры в газовых турбинах и должны учитываться при проектировании.

Другая особенность схемы внутреннего проточного охлажде­ ния заключается в том, что поверхность теплоподвода, как пра­ вило, получается больше, чем поверхность теплоотвода. Причем с уменьшением размеров лопатки эта разность усугубляется. Дефицит поверхности теплоотвода особенно сказывается в зоне входной и выходных кромок, т. е. в местах, где как раз необхо­ димо наиболее эффективное охлаждение.

Одним из конструктивных вариантов схемы внутреннего про­ точного охлаждения является так называемая д е ф л е к т о р - п а я лопатка. Существенным недостатком этой конструкции является наличие значительных тепловых потоков в несущем корпусе лопатки, что приводит обычно к возникновению боль­ ших градиентов температур на нерасчетных режимах. В извест­ ной мере этого недостатка лишена г и л ь з о в а я лопатка, в которой центральный (несущий) стержень, воспринимающий основную нагрузку от газовых и центробежных сил, отделен системой охлаждающих каналов от тонкостенной оболочки, обра­ зующей наружную поверхность профиля. При такой конструкции возникают известные трудности, связанные с обеспечением проч­ ности и устойчивости наружной оболочки.

Термосифонное охлаждение (схема IV), С теплофизической точки зрения одним из эффективных путей интенсификации тепло­ отвода во внутренних каналах рабочих лопаток является переход к термосифонной схеме тепломассопереноса. Эта схема, приме­ нимая только для рабочих лопаток, основана на естественной циркуляции промежуточного теплоносителя в охлаждающих ка­ налах под действием центробежных сил. Находящийся на мень­ шем радиусе (за пределами проточной части) более холодный, а следовательно, имеющий большую плотность теплоноситель отбрасывается к периферии, вытесняя из профильной части ло­ патки нагретый и, следовательно, менее плотный агент. Условия массообмена в термосифонах существенно отличаются от условий при конвективном проточном охлаждении. При соответствующем

246