В работе приводятся результаты экспериментального исследования по определению коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности вертикальной трубы для случая разнонаправленной конвекции в широком диапазоне изменения чисел Грасгофа н Рейнольдса: токов, обусловленных тепловой конвекцией во вращающихся радиальных каналах:
д — наггоавление теплового потока; Т — эпюра радиальной скорости
где ускорение силы тяжести; X —> характерный линейный размер, отсчитываемый от начала формирования пограничного слоя на стенке канала; № —* средняя скорость охладителя в сечении канала; р0 —• плотность охладителя на оси канала; ц — коэффициент динамической вязкости; Тур — температура стенки; —температура охладителя на оси канала.
В работе [6] отмечается, что одновременное воздействие тепловой и вынужденной конвекций способно привести к увеличению теплоотдачи примерно в два раза (данные по увеличению гидравлического сопротивления в указанной работе не приводятся).
Для оценки влияния тепловой конвекции на эффективность охлаждения рабочих лопаток был проведен расчетный анализ с использованием соответствующих экспериментальных данных. Расчетное исследование выполнялось применительно к случаю, рассмотренному в работе. Ввиду отсутствия в технической литературе надежных данных по гидравлическому сопротивлению во вращающихся каналах методика расчета была составлена в предположении, что необходимый расход охладителя может быть обеспечен за счет соответствующего увеличения давления воздуха в системе подачи. В остальной части метод расчета не отличался от метода, использованного в работе.
На рис. 2, а представлено распределение средней температуры по длине лопатки, которое соответствовало исходному варианту, проанализированному в работе, н там же для сравнения нанесено распределение температуры, которое было рассчитано с учетом совместного действия тепловой и вынужденной конвекций. Как видно из рисунка, характер распределения температуры по длине лопатки с учетом влияния тепловой конвекции сильно отличается от соответствующей кривой для одной вынужденной конвекции при условии, что расход охладителя остается неизменным. При увеличении площади проходного сечения в 1,5 раза, чему, как было показано в работе, соответствует увеличение расхода от 1,55 до 2,9%, влияние тепловой конвекции на интенсификацию теплообмена усиливается (сплошные линии на рис. 2).
Указанное различие в распределении температуры по длине лопатки обусловливается тем, что в корневой части теплоотдача в воздух при совместном действии тепловой и вынужденной конвекций оказывается значительно выше, чем при одной вынужденной конвекции. В средней и периферийной частях лопатки из-за подогрева охлаждающего воздуха теплоотдача уменьшается и приближается к величине, характерной для одной вынужденной конвекции. Обращает на себя внимание также то, что при увеличении расхода воздуха происходит усиление охлаждения в корневой части при незначительном понижении максимальной температуры в периферийной части лопатки.
Приведенные результаты показывают, что возникновение разнонаправленной конвекции приводит к интенсификации теплообмена, быстрому исчерпанию располагаемого хладоресурса воздуха и ухудшению за счет этого охлаждения периферийных частей лопатки. Следует отметить, что в практике газо-турбо-строения наблюдались случаи перегрева периферии охлаждаемых лопаток, у которых каналы имели радиальное направление.
Один из наиболее простых способов выравнивания глубины охлаждения — применение расширяющихся каналов по направлению к корню. Увеличение площади проходного сечения в корневой части приводит к уменьшению чисел Не*. В этом случае в соответствии с результатами работы [6] при неизменных числах Огл будет происходить уменьшение теплообмена и, следовательно, достигаться большая равномерность охлаждения по длине лопатки. На рис. 3 показано изменение в зависимости от относительного расхода воздуха коэффициентов теплоотдачи для различных участков лопатки, у которой площадь проходного сечення каналов от корня к периферии уменьшалась по линейному закону, причем отношение площади у корня к площади на периферии было принято равным 1,67, а сама площадь проходного сечения на периферии была взята в 1,5 раза большей по отношению к исходному варианту, рассмотренному в работе [1]. Как следует из рисунка, для конфузорного канала изменение коэффициента теплоотдачи по длине не выходит за пределы 5% от соответствующих значений для средней части лопатки. Расчеты показали, что уравнивание коэффициентов теплоотдачи по различным участкам приводит к более равномерному распределению температуры по длине.
