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

уходящих газов в современных ГТУ обеспечивает возможность получения необходимого для охлаждения количества пара. Пар может оправдать применение некоторых конструкций, нецеле­ сообразных при использовании воздуха. Например, значительно повышается эффективность турбин с парциальным охлаждением, в которых водяной пар (в отличие от воздуха) создает положитель­ ный баланс работы [53].

Для интенсификации теплоотдачи в замкнутых системах охлаждения могут применяться различные г а з ы и к а п е л ь ­ н ы е ж и д к о с т и под высоким давлением. Возможно приме­ нение таких газов, как гелий, азот, углекислый газ и др. Однако следует учитывать свойства гелия проникать через поры и неплот­ ности материалов вследствие высокого коэффициента диффузии. В среде углекислого газа нержавеющие хромоникелевые стали коррозионно устойчивы только до температуры 600° С.

Весьма высокие коэффициенты теплоотдачи в тракте охлажде­ ния может обеспечить в о д а , но при высоких тепловых нагруз­ ках следует опасаться возникновения кризиса теплоотдачи. Докризисные режимы, возможные при малых перегревах стенки относительно температуры насыщения жидкости, обусловливают переохлаждение теплообменной поверхности. Для уменьшения переохлаждения приходится повышать давление воды в системе охлаждения, однако даже при значительном повышении давления температура охлаждаемой водой поверхности не может быть выше

550—600° С.

и их сплавы. Жидкие металлы рассматривают в качестве основ­ ного теплоносителя при термосифонном охлаждении. Недостаток жидкометаллических теплоносителей заключается в том, что при температуре выше 500° С они неблагоприятно влияют на стой­ кость конструкционных материалов.

Применение в трактах охлаждения газожидкостных потоков позволяет, как уже отмечалось выше, при определенных условиях сочетать простоту конструкции, свойственную системам с газо­ образным теплоносителем, с более высокой эффективностью охлаж­ дения, чем в случае применения капельных жидкостей [52, 158].

40. Внешнее охлаждение

Внешнее охлаждение лопаток газовых турбин достаточно эф­ фективно только в случае применения в качестве хладагента водя­ ного пара или газожидкостных потоков.

В турбинах с подачей охладителя в газовый тракт хладагент безвозвратно теряется. Энергетические затраты на подачу капель­ но-жидкого охладителя в турбину меньше, чем на подачу воздуха, но необходимость непрерывно снабжать установку жидкостью в количестве 0,3—2,0% от весового расхода воздуха обусловливает

252

применение таких схем охлаждения в основном для форсажных режимов работы двигателя.

В турбинах с парциальным охлаждением путем специальных конструктивных мероприятий можно улавливать основную часть теплоносителя за ступенью [53], что позволяет осуществить замк­ нутую по тракту охладителя схему. Однако такие охлаждаемые турбины практически могут быть только одноступенчатыми, что также ограничивает область их применения.

Уравнение теплового баланса при парциальном охлаждении

в соответствии с рекомендациями гл. V. В случае применения водяного пара задача осложняется отсутствием эксперименталь­ ных данных. Для сильно перегретого пара есть все основания рекомендовать те же расчетные зависимости, что и для воздуха, учи­ тывая изменение теплоотдачи с помощью критерия Рг. Для влаж­ ного пара такой -подход будет неправильным. Принимая во вни­ мание предыдущий материал, учитывая формулы (V.1) и (VI.31), а также предполагая, что режимы течения газа и пара в проточ­

турбин с парциальным паровым охлаждением, еще недостаточно экспериментально исследованы.

Рассмотрим особенности внешнего жидкостного охлаждения. При подаче охлаждающей жидкости непосредственно в газовый тракт турбины задача расчета системы охлаждения включает следующие элементы:

1)определение дисперсности распыла и структуры охлаждаю­ щего потока на выходе из устройства ввода;

2)определение испарения и траекторий движения капель охлаждающей жидкости в проточной части турбины;

3)расчет теплоотдачи охлаждаемой лопатки.

Остановимся здесь только на последнем вопросе, используя материал, изложенный в гл. VI. На рис. 103 представлены экспе­ риментальные результаты ряда авторов по интенсивности внешнего охлаждения рабочих лопаток. Опыты проводились на различных турбинах в диапазоне окружных скоростей и = 7-5- 280 м/с при

253

температуре газа Тг = 430—550° С. Во всех опытах наблюдалось резкое снижение температуры лопатки в интервале изменения относительного расхода жидкости Ъж= GJGr = 0,4 —2%. При

достижении некоторого предельного значения GjK дальнейшее увеличение подачи охлаждающей жидкости не приводило к за­ метному снижению температуры лопатки. В опытах на статиче­ ской установке [65] характер зависимости качественно не изме­

нился, однако стабилизация температуры наступала при 5Ж> > 6 -7% .

На рис. 104 приведено соотношение между G* и температурой газа перед ступенью Тг, полученное на основании данных [651.

Как видно, повышение Тгвлечет за собой и повышение значенийЪж- Неравномерность температуры вдоль обвода профиля по данным ХТГЗ [65] на отдельных режимах, как видно из рис. 105 [159], достигает 250° С. Кривые на рис. 105 относятся к отдель­ ным точкам профиля, положение которых показано на развертке. На спинке профиля, где условия сепарации хуже, темп падения температуры значительно меньше, чем на входной кромке и на

вогнутой части.

На основании имеющихся опытных данных можно утверждать, что в зависимости от режимных параметров на поверхности ло­ патки развиваются, как минимум, три различных режима тепло­

обмена. При малых значениях Gx влага практически не оказы­ вает влияния на температурное состояние лопатки, так как, очевидно, нормальная к поверхности составляющая скорости

254

полностью гасится и капли испаряются вне пограничного слоя.

При значениях бж >• 0,5-г-0,7% для исследовавшихся случаев на участках профиля, где условия сепарации оказались более бла­ гоприятными, наблюдается постепенное снижение температуры, что указывает на изменение режима теплообмена. В этом случае жидкость оказывает уже существенное влияние на пограничный слой, в котором увеличивается содержание пара. Жидкость в по­ граничном слое в соответствии с данными п. 35 находится в сфе­ роидальном состоянии. Дальнейшее увеличение расхода жидко­ сти приводит к тому, что на участках с наиболее благоприятными

условиями сепарации температура

пературы газа Гг (при G* > Сж) носит практически линейный характер. Отсюда следует, что средний коэффициент теплоотдачи для лопатки меняется незначительно. Постоянство среднего коэф­ фициента теплоотдачи в столь широком диапазоне изменения Тш для полностью смоченной лопатки не соответствует представле­ ниям о наличии (в зависимости от степени недогрева поверхности) трех режимов с существенно отличными уровнями теплоотдачи (см. гл. VI). Остается предположить, что на поверхности профиля

при всех значениях Сж > йж, имевших место в опытах, суще­ ствовали участки профиля, не покрытые непрерывной пленкой, а результирующий коэффициент теплоотдачи был получен путем осреднения существенно различных режимов теплоотдачи. При этом площади поверхностей, на которых имелся тот или иной ре­ жим теплоотдачи, зависели от температуры газа.

Приведенные выше результаты показывают, что при внешнем жидкостном охлаждении существует тенденция к значительной

256