Повышение эффективности охлаждения газотурбинных камер сгорания
Для развития современных ГТУ характерно применение простых циклов, термодинамическая эффективность которых возрастает при увеличении степени повышения давления в компрессоре и повышении начальной температуры газа перед турбиной.
Применительно к камере сгорания увеличение як влечет за собой рост тепловых потоков от факела к стенкам и, сопровождаясь повышением температуры воздуха, ухудшает его эффективность как хладоагента, а увеличение, уменьшая коэффициент избытка воздуха в камере сокращает количество воздуха, остающегося для охлаждения.
В связи с этим разработка эффективных и экономичных систем охлаждения камер сгорания является одной из важнейших проблем (наряду с охлаждением лопаток и роторов), от успешного решения которой зависит дальнейшее совершенствование энергетических и промышленных ГТУ.
В опубликованной недавно работе рекомендуется охлаждение стенок с помощью систем импактных струй. Там же приведены некоторые конструктивные решения и опытные данные, характеризующие эффективность этих решений. Основной вывод авторов об эффективности такого приема охлаждения не вызывает возражений, однако, учитывая рекомендательный характер приведенных в материалов, хотелось бы сделать к ним некоторые уточнения и дополнения.
Эффективность рекомендуемого приема обеспечивается известными свойствами взаимодействия и теплообмена струи со стенкой.
При ударе струи о стенку происходит торможение воздуха, в результате чего давление его в точке встречи может достигать уровня, соизмеримого с перепадом давления на стенках перфорированной решетки (экрана). Далее воздух растекается вдоль стенки, давление при этом падает по закону достигая при некотором максимума, а затем начинает снижаться.
Соответственно изменению скорости меняется интенсивность теплообмена между растекающейся струей и стенкой. Как видно, вначале она возрастает вместе с увеличением скорости, при этом показатель степени возрастает до 0,7. Кузнецов рекомендует для оценки теплообмена на всем околокритическом участке зоны охлаждения приближенную зависимость
В работе показано, что на расстояниях показатель степени при Ке может достигать и более высоких значений (до 0,9).
За пределами величина числа ввиду нарастания пограничного слоя н уменьшения скорости течения монотонно падает по мере увеличения г. Для случая свободной струи эта зависимость представлена в следующем виде: где физические константы в критериях берутся по параметрам воздуха в щели, а скорость — на выходе из отверстия.
В случае одиночной струи наличие ниспадающей ветви на кривой приводит к тому, что при большом диаметре охлаждаемого участка среднее значение числа существенно снижается. В много-струйной системе охлаждения это снижение можно предотвратить, уменьшив шаг между обдувающими струями благодаря чему на кривых совокупности струй N11 отсекаются участки с низкими значениями числа N11 и, следовательно, его средняя величина приближается к величине, характерной для околокритической зоны.
Абсолютное значение в этой зоне существенно зависит от относительного расстояния. Опытные данные говорят о том, что в области к ^5,5 интенсивность теплообмена относительно невелика и показатель степени не превышает 0,5. Именно такое значение и принято в работе, что не могло не отразиться на достигнутой эффективности охлаждения.
Впрочем, о последней вообще трудно судить, поскольку авторы работы не приводят ни типа горелочного устройства, определяющего тепловые потоки к стенкам, ни температуры охлаждающего воздуха, которая влияет на температуру стенок в такой же мере, как и температура горячего газового потока.
Судя по температуре стенки в начальных сечениях пламенной трубы, температура воздуха в этих исследованиях не могла превышать 100 °С. Приняв ее такой и учтя другие приведенные в работе сведения, сопоставлены эффективность и экономичность исследованной в системы охлаждения с некоторыми другими известными системами.
Сравнение произведено в координатах учитывающих не только температурные уровни нагревающих и охлаждающих сред, но также удельный расход охладителя н толщины излучающего газового слоя. Здесь 7г — средняя температура газа в пламенной трубе, соответствующая коэффициенту избытка воздуха, Р — соответственно охлаждаемая поверхность и поперечное сечение пламенной трубы; х— максимальное значение температуры стенок пламенной трубы.
Как видно, показатели эффективности рассмотренной в системы импактных струй мало отличаются от обычных широко распространенных телескопических пламенных труб.
Вместе с тем, система эта, как показано в литературе, обладает значительно большими возможностями.
Читайте также:
