Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин, страница 9

1.15). В этом случае влияние оребрения на теплообмен учитывается коэффициен- том Рис. 2.4. Характерные размеры лопатки с дефлектором и внутренним оребрениеа охлаждаемых лопаток, в том числе и в лопатках с внутренним дефлектором, имеют относительную длину 7=И, достаточную, чтобы можно было пользоваться критериальными соотношениями, полу., ченными для прямых длинных труб различного сечения, при турбу; лентном режиме течения воздуха 1чпз = 0,018Рео,ве,еле, (2.8) (2.9), Здесь Ке„п=Ф',с(,/т,=(рй7),с(,1р,=б,с(,!Р,р,; та и р, — коэффициенты кинематической и динамической вязкости воздуха соответственно; (р В'),=О,!Р, — средняя плотность тока охлаждающего воздуха в канале; д,=4г',!П,— гидравлический диаметр канала; П, — смачиваемый периметр канала; г', — площадь поперечного сечения канала; зл и з, — коэффициенты, учитывающие влияние кривизны канала Я и его относительной длины, причем ел —— =1+1,77г(,/Я берется по работе 1481 е,=~(Ке и И) — поданным рис.

2.5; в, — коэффициент, отражающий влияние температурных факторов. Соотношением (2.8) можно пользоваться для определения коэффициента теплоотдачи се,, на срединном участке профиля лопатки зп (на вогнутой и выпуклой поверхностях) в каналах, образуемых дефлектором н внутренней поверхностью лопатки при 0,5 10з(Ке,п( лат нч дт-' 'Рис. 2.о.

Влияние относительной длины канала на интенсивность теплоотдаяи (10в. Объясняется это следующим. Характерной особенностью течения воздуха в этих каналах является затягивание турбулентного режима течения в область малых чисел Рейиольдса. Оно связано с интенсивной турбулизацией потока на входе (участок каналов, примыкающий к входной кромке) и с односторонним подводом тепла вдоль каналов 133). Влияние последнего учитывается коэффициеитбм е„который в качестве множителя вводится в правую часть уравнения (2.8).

Тогда анап = 0,018Кев,виве,зле,. (2. 10) Величина коэффициента з, определена из эксперимента, проведенного на установке,'схема которой показана на рис. 2.3. Объектом исследований являлись натурные охлаждаемые лопатки с дефлектором. Особое внимание было обращено на точность определения размеров охлаждающих каналов и взаимное расположение дефлектора и лопатки. Последнее было особенно важно, чтобы избежать возможное перераспределение охлаждающего воздуха между каналами со стороны вогнутой и выпуклой поверхности лопатки в зависимости от положения носика дефлектора относительно входной кромки лопатки. Режимы испытаний определялись изменением параметров в следующих пределах: Ке,=(0,55 — 12) 10'; Кев=(0,58 — 12,5) 1О'; Т;= ~300 †9 К; Т;(1300 К и Т„=' 470 †12 К. Опыты показали, что интенсивность теплообмена в охлаждающих каналах вдоль срединного участка профиля лопатки меньшая, чам в каналах такого же удлинения, но при симметричном подводе теплоты, из-за уменьшения коэффициента теплоотдачи а, 133).

Для лопаток с гладкой внутренней поверхностью это уменьшение составляет 30%, а для оребренной — 15%, т. е. е,=0,7 — 0,85. Интенсификация теплообмена благодаря оребрению внутренней поверхности лопатки на срединном участке профиля учитывается так же, как и на участке входной кромки введением коэффициента оребрения к 0 — и)+аХвтивпШ (нв1 ~оп) т) „— (2.10а) в и 38 где тн — — (2а пй,еп)", тогда ~хв~~г = ~"впЧгп (2. 10б). Коэффициент теплоотдачи от лопатки к воздуху в каналах на участке выходной кромки а, можно также определять по зази!и симости (2.8) при числах Ке,ш)15 10'.

В тех случаях, когда в охлаждающих каналах на участке выходной кромки встречаются режимы течения, при которых Ке,ш( (15 10', приходится применять турбулизаторы в виде выступов, иногда прерывистых, перемычек, образующих изогнутые каналы (см. рис. 1.13), или штырьков (см. рис. 1.9), стем чтобы затянуть турбулентный режим течения в область низких значений числа Рейнольдса. -Все эти конструктивные элементы в той или иной степени способствуют интенсификации теплообмена, что учитывается введением коэффициента ей в уравнение (2.8), тогда (2.11) Для криволинейных каналов (см. рис.

1.15) з;~=1,1, а для тонких перемычек, образующих изогнутые каналыс расположенными передними турбулизаторами в виде прерывистых выступов высотой 0,5 мм, са — — 1,25. 2.4. Интенсивность охлаждения в лопатках с внутренним дефлектором В процессе теплообмена, происходящем в охлаждаемых лопат- ках, физические свойства воздуха н газа не остаются постоянными. С достаточной точностью для инженерных расчетов их изменение можно выразить степенными функциями от абсолютной температу- ры 148) р — / (Т0,64) )„—,/ (~"Огм) (2.12) Критериальные зависимости, приведенные в разделах 2.2 и 2.3, можно записать в виде Кп,=А,Ке",; Хп„=А„Ке"„', и, = А, Ке", Х,/И,; к, = А„Ке," Х,/М„. Отношение коэффициентов теплопередачи с воздушной и газовой стороны для геометрически подобных лопаток можно представить в виде ( .) ~т.,~ Ре.

Согласно уравнению (1.5) величина 8 определяется отношением коэффициентов теплоотдачи и,/а„. Следовательно, 39 для участка выходной кромки 9,ц — — 1ш"!6,(Т 1Т,*)" е, (2.13) Здесь Т,", — температура охлаждающего воздуха на входе в лопатку, а 6,=6,/6„— относительный расход охлаждающего воздуха. При определении показателя степени для срединного участка лопатки н выходной кромки принято, что Х=~(Т'"). Выражения (2.13) справедливы для геометрически подобных лопаток, потому что при их выводе предполагались постоянными отношения характерных размеров, входящих в критериальные зависимости чисел Мц и Ке. Если в полученные зависимости ввести отношения характерных размеров для различных участков лопатки согласно уравнениям (2.1) — (2.11), то этими зависимостями можно будет пользоваться при определении интенсивности охлаждения лопаток различной геометрии (32).

Тогда выражения для интенсивности охлаждения участков лопаток будут иметь следующий вид. Для входной кромки 9~(Т'1Т*)о,зое 1' (6„Кеоццзс У ) (2.14) где у (р у р )мм((о,зэк!о,агав) (, р у, р )о,зов (2.15) Здесь Р„ — кольцевая площадь, ометаемая лопатками на входе "! в решетку; Г,, — суммарная площадь отверстий в дефлекторе; Р, — суммарная площадь выходных отверстий в задней кромке ц! лопатки илн вблизи ее; дэ,=21х,„,, — гидравлический диаметр входной кромки; Я,„,,=~,Ъ вЂ” эквивалентный наружный радиус входной кромки (рис. 2.4); ! — наибольшее расстояние между выходом из отверстий в дефлекторе и внутренней поверхностью входной кромки лопатки; г — число лопаток.

Для вогнутой и выпуклой частей профиля: Оп(Т„'1Т" '1 =(п (6, Ре„',",агнцев~, (2. 16) 40 Эта зависимость будет разной для различных участков лопатки, имеющих согласно выражениям (2.1) — (2.11) свои значения показателей степени при числах Рейнольдса: для участка входной кромки (~ Р )(р У!х )о,~~ (Т'1Т')е.мое О, =),(6 (Т'/Т')'"'Ке' " а~ ]; для срединного участка лопатки (1 1~ )1(ц 1р )о,в (Т*1Т*)о,з. 9ц — — 1ц(6,(Т,„(Т;)' ' Ее'„"е~ ]; где ~ и — (~г~~~зРвп) ' (~(г~ /~(в ) ' (2.

17) Здесь Р,п =2йпй — площадь проходного сечения между внутренней поверхностью лопатки и дефлекторам; Лп — расстояние (зазор) между внутренней поверхностью лопатки н дефлектором; Й— высота полости в пере лопатки, в которой располагается дефлектор; с(,п =2йп — гидравлический диаметр зазора между дефлектором и внутренней поверхностью лопатки; Р,п =Р„,з(п ~, и Р„п = = Р, з(п а, — площади узких сечений межлопаточиых каналов соплового аппарата и рабочего колеса; и'„ =3 — определяющий "и геометрический размер — хорда лопатки. Для выходной кромки: при Ке„п)5 10' 6ш (Т; Л в.)' = 1ш фвз~п.,~ш~ (2.

18) где У ш = (Ргп /зРв„,,)" (~(гп (г(в,п)*', (2.19) д,,п — — 4Рш/П вЂ” гидравлический диаметр отверстий (щелей) в выходной кромке лопатки; при Ке„п (3 10' 9п,(Т,"1Т„')''=Дп~б, Ке,"з, Р, /гР, (2.20) Эти функциональные зависимости получены увязкой расчетных н экспериментальных величин, входящих в них. При этом сводится к минимуму погрешность в определении температуры лопатки изза неточностей, допускаемых при выборе величины коэффициентов в формулах Хц,=)(це,) и 1чц,=1(ке„).

Отношения этих коэффициентов вошли как масштаб шкалы абсцисс. Показатель степени при относительном расходе охлаждающего воздуха 6, принят равным единице, что создает существенные удобства при расчетах. Зависимости (2.14), (2.16), (2.18) и (2.20) представлены в виде графиков на рис. 2.6. При их построении принято, что входная кромка может быть выполнена в нескольких вариантах, отличающихся формой и оребрением на внутренней поверхности.

Поэтому величина коэффициента формы [см. формулу (1.6)) взята в качестве параметра, а наличие оребрения учтено коэффициентом т1, т. е. Кэ —— т1„Кэ 133). При подсчете Кепи (см. рис. 2.6, г) в качестве характерного геометрического параметра принято расстояние от узкого сечения межлопаточного канала до конца выходной кромки. Если на внутренней поверхности срединного участка профиля лопатки и участка' выходной кромки нет оребрения или других конструктивных элементов, интеисифицирующих теплообмен и изменяющих форму стенки лопатки так, что она становится сущеотеенно отличной от плоской тонкой стенки, то коэффициент формы бу- Л ) балл лл фу глг/'!) ' о, Ф' л Иб л! йе ' лк,.г;, и .

г дгйе,упеп г'г' '!) ' ллн г б (; ) ба ЛЛ и!, ~лг, л)у) Л Лгггя изб Лага — а на гк! егп / л ен Рис. 2.6. Графики для определения температуры участков одлаждаемод лопатки с дефлектором а — акодной кромки; б — средннного участна профана; е — амкодной кромки прн яе > гг! ~й.!ее! а — амкодной «ромкн прн яе ° СЗ ге' дет для широкого класса лопаток практически постоянным и в ряде случаев мало отличаться от единицы. Поэтому для каждого из этих участков профиля лопатки при небольшой и малоизменяющейся толщине стенки (1,2 — 1,8) мм вполне можно обходиться одной кривой.