Введение к работе
Актуальность исследований и цель работы. Теплообмен и
трение вращающихся осесимметричных тел (дисков, валов и др.) составляют предмет исследования достаточно большого количества экспериментальных и теоретических работ. Полученные данные важны при конструировании и анализе работ многих машин и агрегатов, имеющих вращающиеся элементы. В энергетических машинах -турбинах и компрессорах - информация о диссипативных потерях на трение и теплообмене имеют непосредственное отношение к проблеме КПД преобразования энергии и оптимизации тепловых режимов. Последнее также чрезвычайно важно для организации моторных режимов работы турбоустановок при переводе их на холостой режим работы и на консервацию.
Другой важной проблемой, связанной с технологией изготовления турбомашин, является обеспечение заданного теплового состояния ротора при балансировке, что также непосредственно связано с процессами трения и теплообмена. Учитывая, что в ряде случаев для решения перечисленных выше задач приходится использовать данные, полученные на модельных образцах в малогабаритных установках, исследования теплообмена и вязкой диссипации энергии на рабочих элементах роторов серийных турбомашин являются актуальными. Такие эксперименты трудоемки, требуют специального оборудования и достаточно больших энергозатрат, а также в известной мере - нестандартных подходов. Целью настоящей работы является экспериментальное исследование теплообмена и вязкой диссипации на натурном диске без турбинных лопаток; исследование влияния на эти процессы вентиляционных потоков, вызванных вращением диска с лопатками в кожухе; аналитическое исследование вязкой диссипации в пограничном слое диска на основе диссипативной функции неравновесной термодинамики. Работа выполнялась в рамках Координационного плана АН СССР по проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" № Г.Р. 01840005222 (Программа Минвуза "Человек и окружающая среда").
Научная новизна. Впервые для исследования теплообмена и вязкой диссипации на натурных элементах ротора турбомашины использованы уникальные возможности разгонно-балансировочной установки (РБУ) фирмы "Schenk". Это дало возможность варьировать давление окружающей среды от барометрического до 60 Па и изменять частоту вращения вала от 1000 до 3000 оборотов в минуту.
Исследование теплообмена диска без кожуха расширило и подтвердило возможности использования известной критериальной зависимости (Л.А.Дорфмана) числа Нуссельта от числа Рейнольдса в
турбулентном режиме для всех рассмотренных интервалов изменения давления и угловых скоростей вращения, включая и рабочие для турбомашини частоты.
На основе полученных впервые экспериментальных данных для вращающегося в кожухе диска с турбинными лопатками установлено влияние на теплообмен высоты лопаток, давления среды и частоты вращения.
На основе диссипативной функции неравновесной термодинамики для двухслойной модели пограничного слоя получено выражение для расчета теплоты трения диска о газ, учитывающее плотность и вязкость среды, размеры и частоту вращения. Формула подтверждена собственными экспериментальными данными автора.
Практическая значимость работы. Получены экспериментальные данные и теоретические результаты, составляющие основу инженерных методик оценки диссипативного разогрева роторов турбин, работающих в моторном режиме, и теплового состояния турбокомпрессоров в режиме холостого хода. Эти данные могут также использоваться для анализа теплообмена и вязкой диссипации вращающихся деталей машин и механизмов, имеющих форму диска с выступами на периферии и без них.
На основе полученных в работе результатов разработаны рекомендации по моделированию теплового состояния серийных роторов турбомашин при их балансировке в камере РБУ, что улучшает качество балансировки и диагностику результатов балансировочных операций (внедрено на АО ТМЗ г. Екатеринбург).
Апробация работы и публикации. Работа докладывалась на двух региональных и одной международной конференциях. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Автор защищает:
результаты экспериментального исследования теплообмена и вязкого трения натурных элементов роторов от 1000 до 3000 об/мин и давления среды от 10s до 60 Па;
результаты экспериментального исследования теплообмена и трения натурного диска без турбинных лопаток и с лопатками в кожухе;
полученные в работе эмпирические корреляции, устанавливающие влияние вентиляционных эффектов на теплообмен диска в кожухе;
- результаты теоретического анализа вязкого трения на основе
диссипативной функции неравновесной термодинамики.