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

дачи в тракте охлаждения привело к созданию конструкции охла­ ждаемой лопатки с дефлектором. В такой конструкции несколько упрощается задача создания каналов сложной формы, расши­ ряются возможности искусственной турбулизации охлаждающего потока на отдельных участках за счет широкого применения струй­ ного охлаждения.

При ударе газовой струи о поверхность коэффициент тепло­ отдачи ’до данным отдельных авторов может быть на порядок выше.^чем при конвективном охлаждении. Изменяя диаметры

Рис. 114. Схемы струйного охлаждения: а и б — пластины, охлаждаемые со­ ответственно плоской струей и рядом круглых струй; в, г, д — цилиндрические

поверхности, охлаждаемые соответственно плоской струей, пучком круглых струй и плоской струей с односторонним отводом охладителя; е — тупиковая

полость

струй, шаги отверстий, их форму и расстояние от охлаждаемой поверхности, можно обеспечить переменное значение коэффи­ циентов теплоотдачи в тракте охлаждения, что необходимо для создания равномерного поля температур. Сочетание различных механизмов теплообмена, оказывающих взаимное влияние в пре­ делах одного тракта охлаждения, существенно усложняет задачу определения абсолютных значений коэффициентов теплоотдачи.

Теоретические решения даже в приближенной постановке в большинстве случаев оказываются невозможными. Имеющиеся экспериментальные данные посвящены в основном изучению част­ ных процессов, поэтому использование их в проектировочных рас­ четах не позволяет исключить этап экспериментальной доводки системы охлажения. Остановимся на основных имеющихся в лите­ ратуре данных, которые могут быть использованы при разработке дефлекторной лопатки со струйным охлаждением.

Схемы струйного охлаждения поверхностей с обозначением характерных размеров показаны на рис. 114. Кроме числа

267

Рейнольдса на условия теплоотдачи существенное влияние оказы­ вают отношение массового расхода струи Gx к массовому расходу поперечного потока G2 и геометрические соотношения х/b (или l/b), h/b, sib (обозначения см. на рис. 114). Если струя истекает не из плоской щели шириной Ь, а из круглого отверстия, в каче­ стве характерного размера рассматриваются эквивалентная по площади ширина плоской щели Ьэ или диаметр отверстия d.

В работе [26] экспериментально определялись локальные коэф­ фициенты теплоотдачи а (х) при ударе одиночной плоской струи и параллельного ряда струй в плоскую стенку при G2 = 0 (при от­ сутствии поперечного потока). Было отмечено, что в зависимости

от соотношения геометрических размеров эпюра изменения ло­ кальной теплоотдачи вдоль поверхности при натекании одиночной струи изменяет свою форму.

На рис. 115, а приведены типичные зависимости изменения теплоотдачи при G2 = 0. При уменьшении относительного расстоя­

ния от среза сопла до теплоотдающей поверхности h = h/b в пре­ делах 8—80 коэффициент теплоотдачи в критической точке х0, лежащей на оси сопла, возрастает, а эпюра локальных коэффи­ циентов теплоотдачи а носит симметричный характер с максимумом в точке х 0, помере удаления от точки х 0 величина а монотонно

провалы уровней теплоотдачи, которые увеличиваются при даль­

нейшем снижении параметра h. Одновременно с возникновением провалов в эпюре теплоотдачи начинается снижение значений а

в точке х 0. Дальнейшее уменьшение h приводит, начиная с h < 2, к образованию промежуточного минимума при х 0 = 0. Таким образом, максимальное значение среднего коэффициента тепло­

268

отдачи получается при h *=» 8. Такой характер теплообмена со­ храняется во всей области турбулентного течения. Выражение для а (хг0) при R > 2000 и х/b < 14 в случае одиночной струи имеет вид

Nu4= l,2R°fc’58/ r 0'62. (VII.30)

Здесь число Рейнольдса определяется для условий на срезе сопла, через которое вытекает струя.

Для средней теплоотдачи на участке шириной х, охлаждаемом

где wb — скорость струи на срезе сопла.

взаимное влияние их сказывается незначительно. Более длинные струи начинают взаимодействовать еще до соударения с поверх­ ностью, что приводит к неустойчивости положений максимумов теплоотдачи. Для цепочки струй характерен также промежуточный максимум теплоотдачи на середине расстояния между осями со­ седних струй.

В том случае, если струя, распространяясь от выходного от­ верстия до охлаждающей поверхности, пересекает поток охлади­ теля, движущийся вдоль стенки (G2 ф 0), то, как отмечается рядом исследователей, средняя теплоотдача несколько ухудшается по сравнению со случаем G2 = 0. Влияние поперечного потока ска­ зывается в том, что струя отклоняется вниз по потоку и ударяет в стенку не перпендикулярно, а под некоторым углом. Развиваю­ щийся при этом несимметричный вихрь сносится вниз по потоку и быстро размывается; эпюра теплоотдачи несимметрична. На не­ котором расстоянии вниз по потоку коэффициент теплоотдачи а имеет большие, а вверх — меньшие значения, чем для случая G2 = 0. С уменьшением параметра s/d степень отклонения воз­ растает.

Область влияния струи на а вверх и вниз по потоку может до­ стигать значений х/b = 10, причем вверх по потоку влияние

распространяется на меньшем участке и для Л < 3 не превышает обычно значений х/b = 4-т-5.

Следует подчеркнуть, что при струйном охлаждении тепло­ отдача обычно всегда увеличивается с уменьшением диаметра струи d при неизменном проходном сечении. В работе [128]

269

предлагается следующая зависимость для учета влияния попереч ного потока воздуха при охлаждении рядом круглых струй:

(VI1.32)

Здесь а — средний коэффициент теплоотдачи; wd — скорость струи на выходе из отверстия; критерий Рейнольдса определяется для условий на выходе из отверстия.

Данная зависимость получена в интервале GJG^ = 1-ьЗ. Отсутствие предельного перехода (при GJG2 = 0) не позволяет установить связь между зависимостями (VII.31) и (VII.32), хотя авторы работы [128] и подтвердили экспериментально формулу

(VII.31).

Задача струйного охлаждения вогнутой полуцилиндрической поверхности (см. рис. 114, в, г, д) рассмотрена в работе [153]. Эпюры локальной теплоотдачи в данном случае качественно со­

гласуются со случаем плоской стенки для h > 2. Как видно из рис. 115, б, наиболее высокие значения среднего коэффициента теплоотдачи были получены при охлаждении поверхности пучком круглых струй (кривая 2); для одного ряда круглых струй коэф­ фициенты теплоотдачи несколько меньше; наименьшие значения а получены для одиночной плоской струи (кривая /). Локальные значения а в точке х 0 для плоской струи и одного ряда круглых струй по абсолютной величине выше, чем для пучка круглых струй. Кроме того, скорость изменения а по мере удаления от х 0 для пучка круглых струй меньше. Это приводит к более высоким зна­ чениям средней теплоотдачи.

В том случае, когда с одной стороны полуцилиндрической поверхности выход для воздуха закрыт, в работе [153] указы­ вается, что для ряда круглых струй и плоской струи на закрытой половине теплоотдача снижается, а на открытой повышается при сохранении среднего уровня теплоотдачи практически постоян­ ным. Для пучка круглых струй (кривая 3 на рис. 115, б) макси­ мум теплоотдачи в аналогичных условиях смещается в сторону закрытой полости.

Зоны входной и выходной кромок лопаток, характеризующиеся наиболее высокой теплоотдачей со стороны газа, одновременно, как отмечалось, наименее доступны для размещения охлаждаю­ щих каналов, поэтому осуществление на этих участках струйного охлаждения особенно заманчиво.

Систематическое исследование внутреннего струйного охла­ ждения при истечении в тупиковую полость, форма которой пока­

распределение коэффициентов теплоотдачи на поверхности модели определялось параметрами h и b = ЫВ. При h < 1,0н-1,5

270

независимо от величины b максимальные значения коэффициента теплоотдачи получены вблизи точки х 0, эпюра теплоотдачи носит

симметричный характер. При h < 1,0ч-1,5 наблюдалось два ре­ жима течения, определяемые значением параметра b (рис. 115, б). Если b 0,27ч-0,3, плоская струя разворачивается непосред­ ственно у выхода из дефлектора и не распространяется в глубь

Рис. 116. Локальная теплоотдача [48] при обдуве входной кромки круглыми струями (а 0 — коэффициент теплоотдачи в точке х 0)

тупиковой плоскости, максимум теплоотдачи находится в зоне разворота струи.

Если b < 0,27ч-0,3, плоская струя распространяется в глубь тупиковой полости, но, не достигая точки х 0, отклоняется в сто­ рону, ударяя в одну из боковых стенок. При этом 60—70% от общего расхода газа отводится в канал, противоположный стенке, в которую ударяется струя. Если перекрыть один из боковых каналов, то струя ударяется в боковую стенку перекрытого

канала. Положение максимума теплоотдачи (при b < 0,27ч-0,3) наблюдалось при х &=>0,4В.

Наибольший интерес для практического использования пред­ ставляют режимы с максимальной теплоотдачей в окрестности точки х 0.

271

Следует отметить, что характер течения в тупиковой полости в известной степени зависит от радиуса скругления тупика г. Чем меньше г, тем резче выражен провал в эпюре теплоотдачи вблизи точки х 0.

При истечении в тупик не плоской струи, а ряда круглых струй [48] эпюра локальной теплоотдачи всегда была симметричной. Однако для струй большего диаметра — при d/B < 0,27 — мак­ симум а находится на поверхности вблизи выходного среза дефлек­ тора, а при dIB > 0,27 — в точке х 0, т. е. характер течения прин­ ципиально изменяется в зависимости от величины d/B (рис. 116). Отмечается также, что несоосность круглых струй (нормированная по В) порядка 0,10—0,15 вызывает перекос расходов по каналам в 1,5—2,3 раза.

На основании анализа обширного опытного материала полу­

Здесь критерий Рейнольдса определяется по условиям на срезе выходной щели.

Средний коэффициент теплоотдачи при охлаждении круглыми

Здесь критерии Рейнольдса и Нуссельта определяются по пара­ метрам на выходе из дефлектора, а за определяющий размер при­ нята полная длина охлаждаемой поверхности I.

С учетом приведенных выше данных можно сказать, что струй­ ное охлаждение зоны выходной кромки вряд ли целесообразно, так как стеснение потока здесь будет велико и дальнобойность струи мала. В зоне выходной кромки интенсификация теплоотдачи может достигаться путем искусственной турбулизации. Непо­ средственно за дефлектором (в силу конечной толщины его выход­ ной кромки) проходное сечение при поперечном течении охлади­ теля увеличивается, что приводит к некоторому локальному сни­ жению теплоотдачи, которое может быть скомпенсировано существенным укорочением дефлектора — до величины 0,5—0,3 хорды [47].

Расчет теплоотдачи в плоских каналах, образованных дефлек­ тором и стенкой лопатки, приближенно может производиться по

272