Глава XVIII. Тепловая защита летательных аппаратов и их энергетических у (1013646), страница 9
Текст из файла (страница 9)
На основе расчета потенциального обтекания решетки лопаток определяют распределение скорости и давления вдоль контура лопатки, затем на основе расчета пограничного слоя определяют распределение коэффициентов тенлоотдачи. Характер изменения коэффициентов теплоотдачи вдоль контура лопатки определяется особенностями ее обтекания газовым потоком. При натеканин газа на профиль лопатки образуется пограничный слой, который вблизи входной кромки является ламинарным, а затем на неко. тором расстоянии, зависящем от начальных условий обтекания (конфигурации межлопаточного канала, интенсивности нагрева), переходит в турбулентный. Каждая из областей пограничного слоя (ламинарная, переходная, турбулентная) характеризуется своей интенсивностью теплообмена, поэтому в зависимости от протяженности той или иной области вдоль контура профиля интенсивность теплообмена будет различной Точность расчета процессов теплообмена в этом случае существенно зависит от точности определения координаты начала разрушения ламинарного режима течения и развитого турбулентного течения На рнс.
18.25 приведен типичный характер распределения коэффициентов теплоотдачи вдоль контура лопатки. Максимум 4Ш Рис. !В.2о. Характер распределения коэффициентов теплоотдачи по кон. туру лопатки газовой турбины: / , 3 — ламннарнма, оереаоаноа. арлен ма темним еоответетвелно интенсивности теплообмена реализуется в окрестности передней кромки лопатки, Расчет распределения коэффициентов теплоотдачи вдоль кон~ура профиля лопатки представляет достаточно трудоемкую задачу.
Поэтому в инженерной практике для приближенных расчетов систем охлаждения лопаток газовых турбин с целью выбора основных параметров используются более простые эмпирические зависимости для средних значений коэффициентов теплоотдачи. Профиль лопатки разбивают на участки, вдоль которых коэффициенты теплоотдачи принимаются постоянными и равными средним значениям. В инженерной практике проектирования охлаждаемых лопаток получила распространение методика, по которой определяются средние значения коэффициентов теплоотдачи от газа к поверхности лопатки иа передней кромке и основной средней части профиля..Средний коэффициент теплоотдачи по поверхности передней кромки можно определить согласно критериальному уравнени1о, полученному для поперечного обтекания цилиндра газовым потоком при Рг =- 0,7. )ч)ц) = 0,635Рсе)". (18.53) За определяющую температуру принята температура торможения газа в относительном движении, за определяющий резмер— диаметр входной кромки, за определяющую скорость — скорость в относительном движении на входе в решетку.
Формулой (18.53) можно пользоваться при нулевых углах атаки в диапазоне чисел Бег = 5 !О' ... 4 10', М < 0,9. Средний коэффициент теплоотдачи на основном участке профиля лопатки (на вогнутой и выпуклой частях профиля) определяется согласно критериальному уравнению при Рг = 0,7: )т)н) = 0,206Ке~' б8р (18.54) Здесь в качестве характерного размера используется хорда профиля лопатки, в качестве характерной скорости иу — скорость в относительном движении на выходе из решетки; Бр — критерий подобия, учитывающий влияние на теплообмен геометрии решетокк. зп' бг ( 1а1п (В» ба) сова (()т ба),!2) 3 где рт и бз — геометрические углы входа и выхода газа из решеток; Ь, — ширина решетки; ! — шаг решетки; 1 = ()Ь; Ь вЂ” хорда ре- 462 шетки.
В первом приближении критерий 5р определяется по геометрии лопатки на среднем диаметре ротора, Влияние центробежных и кориолисовых сил, возникающих во вращающихся решетках, может быть учтено критерием подобия 5п = и7(иЯ, где 6 =- п71, и — окружная скорость; Ы— средний диаметр решетки лопаток; ! — длина лопатки. Интенсивность теплообмена во вращающейся решетке определяется согласно критериальному уравнению Мп,р — — !4ц„,, д.(1 + А5п").
(18.56) Для среднего по контуру профиля коэффициента теплоотдачи А = 0,8; и = 0,42; для передней кромки А = 0,2; л = = О,!7; лля выходной кромки А =- 0,87; л =- 0,37; для спинки профиля А = 1,8; л = 0,66; для вогнутой части профиля А = = 0.4; и = 0,17. Поскольку выпуклая и вогнутая части профиля лопатки составляют основную долю профиля, то для расчета среднего по периметру лопатки коэффициента теплоотдачи можно использовать критериальное уравнение (18.54), Реальные условия работы газовой турбины характеризуются наличием ряда факторов, воздействие которых существенно усложняет процессы теплообмена и не всегда поддается точному анализу. К числу такого рода факторов относится турбулентность газового потока, поступающего на турбину.
Известно, что уровень турбулентности потока за камерой сгорания зависит от температуры газа на выходе из нее, Чем выше температура в камере сгорания, тем выше интенсивность турбулентности газового потока на выходе из нее: степень турбулентности газового потока на входе в турбину может достигать 10 ... 1234. Для расчета заградительного охлаждения внешней поверхности лопатки могут быть использованы зависимости (18.34), (18.35), (18.36). Для того, чтобы определить распределение коэффициентов теплоотдачи на внутренней поверхности лопатки, необходимо определить распределение расхода воздуха в охлаждаемых каналах Эта задача решается на основе гидравлического расчета системы охлаждения лопатки газовой турбины. Определив распределение расхода охлаждающего воздуха по каналам лопатки, можно определигь коэффициенты теплоотдачи на внутренней поверхности лопатки (в охлаждаемых каналах) согласно критериальным зависимостям для течений жидкостей в каналах. Одной нз важных задач при проектировании систем охлаждения лопаток газовых турбин является интенсификация процесса теплообмена в охлаждаемых каналах, что позволяет форсировать уровень температуры газа перед турбиной и уменьшить расход воздуха на ее охлаждение.
Наиболее распространенным способом интенсификации процесса теплообмена в охлаждаемых каналах лопаток газовых турбин является оребрение каналов (см. рис, 18.2) 4бэ :! струйное обгекаяис их н!верхпо! ти (см рнс. 18 3) 11 о ребре ином к,!пале увеличение интенсивности теилООг)мснг! дос!'н!'астся посредством увелич! ния поверхности тг-плообмспа и усиления псремешиваиня жидкости вбли.!и поверхности вследствие генерирования пристеиочн!ях вихрей. Установка пилпидричсгких ребер !ннтепсифик норов) п! нерек потока в кс!!шле охлаждения лопатки газовой турбины пшшоляст увели !ить инте!шнвпост1, теплообмсна в 1,5— 2 ра;и (рис 18.26).
Согласно проведенным несло!!оваппям коэффициент теплоотдачи за ршпсткой цилипдри'и!скнх ипгенсификаторов уменьшается при уилл !Сипи расстояния от после!и!е!о ряда иптепсификаторов (х/г/и), Умепьнп!нне диаметра интенсификпторов (!/н) и поперечного ша1а (Ьк =- ок/г(н) увеличивает интенсивное!ь процесса теилообмсиа прп прочих равных условиях. а теплоотдачн па поверхности капала ) за реп!е! кой цилиндрических пн(.. предложено следунэшее критери- а/по о 44 йг 1,Р р Х 10 х/хв !'»с.
!6.26. Ивнепепго о!лоск !елл!шго ксгффкпнекта хелло отдвчк ига, ее решеткой пклпкдрпческкх кктекскфккаторое прк йе: — - 4. !В'! в„/!Хн:.—. ! ... х — 4 М - Е,ЕГИ г,оео. н1 в ",!ОО о вввв в нно Для расчета коэффициент к потоку воздуха (Рг -= 0,7 тепсификаторов Черным М альиое уравнение; к)п .=. А!4С1. (18.57) Коэффициенты А н и зависят от геометрических параметров решетки ннтепсифинкаторов. А: — — 0,022! + !3.6 ехр ( — 0,617 (х/с(„) — — 1,15 (с(,/!(, — 0,295а„ۄ— — 0,068 знЯ, — 0,379 и!)); и == 0,765 -- 0,284 ехр (0,987 — 0,242 х1ан — 0,35? д„Ы,— --0,128 зк/Л„+ 0,018 анЫ„.— 0,144 пт)), где х -- соответственно продольная координата; с(„— диаметр интенсификатора; с(, -- эквивалентный диаметр капала; з„. зк— продольный и поперечный шаги решетки интенснфикаторов; гп — число рядов в решетке интенсификаторов.
Для определения среднего коэффициента теплоотдачи внутри решетки цилиндрических интенсификаторов, установленных в канале, Ноздриным А. А. предложено критериальное уравнение (при Рг = 0,7) вч1ц = 1,74)ген (х// ) — о 1" (ангс! ) — ' ое (18. 58) где и -. 0,8 () — — ехр ( — 0,0392 (зкЫн)е) ).
В этом уравнении коэффициент теплоотдачи отнесен к полной пло!пади теплообмениой поверхности, вялю'!ая площадь по- 464 верхности интенсифнкаторов; в качестве характерных размера и скорости использовались средний эквивалентный диаметр ячейки канала (с учетом интенсификаторов) и соответственно средняя скорость потока. Существенная интенсификация процесса теплообмена при струйном натекании на поверхность и относительная простота регулирования перераспределения расхода охладителя и интенсивности теплообмена по поверхности канала обусловили широкое применение этого способа интенсификации теплообмена в системах охлаждения лопаток газовых турбин. Струйная система охлаждения в лопатках газовых турбин, как правило, используется для местной интенсификации тепло- обмена на наиболее теплонапряженных участках лопатки.
При струйном охлаждении передней кромки лопатки (рис. 18.27), как и при натекании струи на плоскую поверхность, максимум теплоотдачи реализуется в окрестности критической точки, протяженность которой примерно соответствует ширине сопла Ье = = Ь, а на расстоянии от критической точки И/Ье > 10 интенсивность теплообмена резко уменьшается а/схе ж 0,8 (где ае — коэффициент теплоотдачи в окрестности критической точки). Для расчета коэффициента теплоотдачи в окрестности критической точки при натекании струйного потока на вогнутую поверхность можно использовать следующие критериальные зависимости при Рг = 0,7, полученные на основе экспериментальных исследований; Ь)не= 1,2рео' (/б/Ьа) ' ' пРи Ь/Ьо «~ 8' (1 8. 59) !х'по =- 0,54йе~о' (й/Ьа) е' а при /г/Ье < 8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
