Интенсификация теплообмена в системах газового охлаждения статора турбогенератора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

-9 0 3 ЯЛ

Акедеыия Наук Украины Институт технической теплофизики

На правах рукописи

Дибан Юрий Евгеньевич

ИНКНСНШАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМАХ ГАЗОВОГО ошздгнш СТАТОРА ТУРБОГЕНЕРАТОРА

Специальность 01,04.14.-Теплофизика

и молекулярная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических неук

--Киев-1992

Работа выполнена в Институте технической теплофизики Академии Наук Украины

Научный руководитель: доктор технических наук,

академик АН Украины, Долинский A.A.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Дрейцер Г.А., кандидат технических наук, доцент Письменный E.H.

Ведущая организация: НИИ завода "Злектротяямаш" г.Харьков

' Защита состоится " ¿¿V " . /АтбС^ 1992 г. в у-3 часов на заседании специализированного совета К 016.43.02 в конференц-зале Института технической теплофизики АН Украины / 252 057, Киев-57, ул. Желябова, 2а /.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТГ> АН Украины

Автореферат разослан " » теЗ/их+гл 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, / Г

канд. техн. наук • Ф.А.Кривошей

.. г, ■; ОБЦАЛ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛБОТЧ

' 1 Актуальность темы. Современный эта: развития энергетики ха-^щдеруется резким сокращением ввода нового энергетического юрудования на АЭС, увеличением использования газотурбинных и па-1Газовых установок, прг .олжением эксплуатации ранее сооруженных !ПЛОвых станций, а связи с этим увеличивается необходимость повысил надежности турбогенераторов путем снижения нагрева наиболее 1гругхенчых в тепловоз отношении элементов при сохранении их осиных технологических и геометрических параметров. Все более :рокое применение в энергетике высокоманевренных ГТУ, 11ГУ и ПТУ ебует сс здания -"убогенераторов мощностью 150-200Шт с более остыми, дешевыми и надежными в эксплуатации системами воздушно-охлаадения. Решение этой зада- "I осложняется тем, что при про-х равных условиях коэффициенты теплоотдачи в всздухе в 1,5 * 2,0 за ниже чем в водороде. Поэтому разработка и исследовак-.е мето-в интенсификации теплообмена в системах водородного и воздуш- '. го охладцения турбогенераторов представляются актуальными и до стоящего времени малоизу энными задачами.

Целью работы является изучение закономерностей теплообмена гидродинамики при течении воздуха в плоском щелевом канале с ус-новленными в нем турбулизаторами, определение эффективности ис-льзования интенскфикато^ов теплообмена в система газового охлал-ния статоров турбогенераторов.

В работе решены|следующие гзадачи: эпределены методы интенсификации теплообмена и конструкци. реализующих их устройств, пригодные для использования в системах газового охлаждения статоров турбогенераторов; ш физической модели охлаждающего канала статора изучены эако-лерности теплообмена и гидродинамики для наиболее перспектив-с способов интенсификации теплообмена в нем; зпределенч оптима >ные геометрические и режимные характеристики 1боле~ эффективных турб чизаторов;

1а математической модели показана эффективность использования [•енсификаторов теплообмена в' системах газового охлаждения шчного турбогенератора мощностью 200 МВт.

Методы исследовани.,. Закономерности теплообмена и гидродина-:и в элементах систем газового охлаждения статора и с с.'. досалио:

на экспериментальна*! стенде ИПФ АН УССР и при испытаниях нат, го турбогенератора мощностью 60 Шт. На математической модели исследовано температурное состояние пакета статора с интенсиф; рованной системой газового охлаждения.

Научная новизна.

- получены ¡¡ о6о6щечы уравнениями подобия обширные опытные да] о закономерностях теплообмена и гидродинамики при течении bi духа в плоском щелевом канале с установлена ли в нем турбул! торами трех принципиально различных типов, создающими: перш ческое конфузорно-дкффузорное течение, зоны интенсивного ви; образования, и струйное продольное обтекание теплообменной поверхности;

- получены опытные данные по теплообмену на торцевой поверхно< зубца статора в рад"альноы зазоре натурного турбогенератора мощностью 60 Шт;

- усовер онствована методика сравнительной 'ценки тепло-гидра] ческой эффективности различных методов интенсификации конве! ного теплообмена в охлаждающих каналах статоров турбогенерат ров, с помощью которой определены оптимальные из исследоваш типы турбу..изнрующих устройств и их геометрические характер* тики.

Практическая ценность. Результаты настоящей работы могут использованы при проектировании систем охлаждения электричесм машин и теплообменных устройств различного назначения; расчете на математичес-.их моделях показана целесообразнос?ь применена следованных интенсификаторов теплообмена:

- для снижения на 7v9¡2 максимального перегрева надп; зовой зонь пакета сердечника статора турбогенератора ТГБ-200Ы с водорс охлаждением;

- для обеспечения такого же, крч при водородном охлаждении теы ратурного состояния пакета сердечника статора генератора мои ностыо 200 МВт с. воздушным охлаждением.

Автор защищает:

- экспериментальные данние о закономерностях теплообмена и гид . динамики при течении воздуха в плоских щечивых кана^их с турб

л1.оаторами исследованных типов;

- эмпирически^ уравнения пг ^обия для расчета коэффи^ентов теп отдачи и гид авлического сопротивления в исследованных услов

гкомендации по использованию интенсифнкаторов теплообмена в астемах газового охлаждения ст горов турбогенераторов.

Апробация работ;.'. Основные положения работы докладывались Всесоюзном научь^-техническом совещании "Вопросы проектирова-, исследования и производстьа мощных турбо-гидрогенератороз эупьых электрических машин" /г.Ленинград,1988 г./, Республикой семинаре "Совершенствование судовых и авт'чомных элект-зханических систем" /г.Севастополь, 1990 г./, '.У Всесоюзной Еюренцми молодых ученых и специалистов "Актуальные вопросы юфизики и физической гидрогазодинамикн" /г.Новосибирск, 1991г./.

Публикации. Основные результаты исследований, выполненных теме диссертации, отражены в 8 печатных работых; получено эжительное решение поз заявке.

Струн' ра и обьен. Диссертационная работа состоит из введе-, четырех глав, выводов и списка литературы.

Содержит 274 страницы сквозной нумерации, в том чи^пе с р. основного текста, 166 рисунка, 16 таблиц; список лите-гры на 8 стр. включает 83 источника.

Содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы, формулпруют-;ели и задачи работы, кратко аннотируется содержание диссер-ш.

В первой глаЕе проведен анализ и обзор литературных данных юобенностяг теплообмена в си. .'енах газового охлаждения турбо-¡раторов. Результатами анализа литературных данных по причи-аварий турбогенераторов /более 90/5 которит связаны с наруше-ш нормальной работы сердечника/ обоснована целесообразность !нтации настоящей диссертации на изучение теплообмена в эле-•ах системы охлаждения статора. Сердечник статора в настоящее [я охлаждается как непосредственно /за счет прохода хладаген-[о вентиляционным каналам/, так и косвенно- прокачкой газа воды масла внутри стержней сбмотки. Это вызыв зт неравномер-ъ нагрева пакета сердечника з области зубца и дна паза, где трев железа достигает 50-б0°С.

Вентиляционные каналы сердечника статора представляют собой кие конфузоры /или диффузоры, в зависимости от направления ния газа/ прямоугольного сечения с отношением сторон более 4 'ношением площадей на входе и выходе порядка 2. Боковые стен-

ки канала образованы распорками ио немагнитного материала, прямоугольного или двутаврового сеченил высотой 10 мы. Ьерхняя нижняя стороны канала образованы пакетом мелела сердечник? из электротехнической сте.-*, находящегося под воздействием электромагнитног поля. В турбогенераторах типа П'Л-<!00 и ТГБ-200М при тсчешч водорода в вентиляционных Каналах числа Рейнольдса составляют /2 т 10/ •10^, Приводимые в литературе по турбогенераторам реко-ыектацпи по расчету теплообмена в вентиляционных каналах носят отрывочный и противоречивый характер. Из-за этого, как показано в диссертации, результаты расчетов коэффициентов теплоотдачи отличаются между собой Ь 0,6 - <!,Ь раза. Для улучшения теплового со стояния сердечника статора в литературе рекомендуются мероприятия конструктивного характера; предложений о повышении эффективности работы системы охлаждения га счет интенсификации теплообмена и вентиляционных каналах в известной лам литературе обнаружить не удалось.

-1 диссертации рассмотрены используемые в различных отраслях энергомашиностроения методы интенсификации теплообмена в каналах. Показано, что турбулизаторь; пассивного типа /ребра, шероховатости, дискретные сихревые генераторы, плохообтекаемые Тема, конфу-порно-дпффузорные каналы и т.п./ позволяют повысить коэффициент теплоотдачи в канале с 4- 3,0 раза лри соответствующем росте его гидравлического сопротивления. Конструкция ст ра в происходящие в нем электромагнитные процессы накладывают ряд ограничений на использование турбулизируюцих устройств: их нельзя располагать непосредственно на поверхности Пакетов сердечника, мало эффективным представляется применение ребер, устанавливаемых на поверхности р-споро:;. На основании розуль гтов прикидочных расчетов для детального исследования в работе выбраны турбулизаторы трех принципиально различных типов; создашие в канале периодическое конфуэорь^--диффузор:-.ое течение, возмуца:;'цие поток охладителя за счет наложения на него местных вихревых образований и создающих струйное продольное обтекали? теплообменной поверхности.

Вторая.глава посвящена описанию экспериментальной установки методов обработки опытных данных и анализу их погрешностей. Опыты проводились на экспериментальной установке отдела теплопроводности ИТТ£> АН Украины рабочий участок которой представляет собой, плоский щелевой какал длиной 1360, шириной 150 и высотой 9,8 ш. Гурбулиэаторы устанавливались перпендикулярно продольной оси

канада и закреплялись в текстолитовых платинах, моделировавших вентиляционные распорки, располагавшихся на его боковых стенках.

Исследуемый канал условно может быть разделен на ри участка: начальный, испытательный и участок релаксации. Общая дл.ша начального участка 62Ь мм = 32/, а длина его обогреваемой

части - 370 мм /Х/с(г с /• Обогрев начального участка и участка релаксации осуществлялся с помощью 5 ленточных нагревателей шириной 29 мм кадцый, наклеенных на текстолитовое основа--■ше канала; при этом на стенке С£сгхссп51- . Обогрев испытатель-юго участка, имеющего длину 192 шл /л1с\г - 9,8 /, производился : помощью 6 медных блочных каломе^ров с индивидуальной регулиров-сой мощности; при этом соблюдалось условие ТС1.*соп$Ьг Для устра-¡ения боковых утечек тепла на всех участках использовались спе-;иальные компенсирующие пагревагели; потери тепла через основа-ше канала определены при его тарировке. Температура пэверхнос-■и нагревателзй и воздуха измерялась 79 ыедь-кокстантаносыыи ■ермопарами, подключенными к рргистрирующе-измерительной системе, озданной на базе цифрового вольтгета типа Ц68003; с помощью ■той ке системы псуществлялась регулировка и измерение мощности сновных нагревателей.

Падение давления по длине канала измерялось через отборы а верхней стенке канала с помощью образцового микроманометра, бработка экспериментальных данных проводилась по специальной рограмме на языке ФОРТРАН на ПЭВМ типа Ш РС/ЛТ.

Относительная погрешность определения числа Нуспельта сос-авляла £ 9,2 %, числа Рейнольдса - 3,2 %.

Для определения сравнительной эффективности исследованных /рбулизаторов использована модифицированная в работе методика азработанная А.А.Гухм ыом, основанная на сравнении теплогидрав-дческих характеристик гладкого щелевого канала и того же канала турбулизатораш.

При сохранении в обеих случаях одинаковыми затрат мощнос-I на прокачку теплоносителя, плсиади теплоебменной поверхности количества переданного тепла /условия, характерные для систем 'лаядения турбогенераторов/ коэффициент теплогидравлической вф-жтибнссти сравниваемых систем определяется отношением теипе-1турных напоров:

и -Щбр.Пе* )°'д91

Очевидно, что метод интенсификации теплообмена будет оффективн: если иначе..ие коэффициента ^ I.

Опыты проводились б диапазоне чисел Рейнольдса по гидравл: ческому диаметру канала /2+20/»10 . Были исследованы турбулиза' ри следующих типов: ромбические стернии /рис.1а/, цилиндрические ст ржни /р.1с. 16,с/ и треугольные стержни /рис.I г-н.;/, а тш же перфорированные и неперфорированные пластины /рис.2/. . В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследовг ний. В первом параграфе представлены данные по теплообмену и г равлическоыу сопротивлению при установке в канале ромбических стержней, создававших в нем периодическое конфузорно-д' 'фузорш течение. •

Использовались стержни трех размеров с отношен. зм диагоналей 4т1 и 4+20 / на базе цилиедров 4,0 мы/ и 6*л5 / на базе ц1 дров диаметров 3,0 мм/. Длина большей диагонали /2С/ выбиралас! с учетом получения в вершинах ромба углов 22,С и 43,6°. Нилин; ричс .<ие ьонцы стержней с натягом вставлялись в отверстия в бон вых пластиках. ¡Лаг отверстий выбирался такии образом, чтобы вер ни ромбов соприкасались друг с другом. Во всех опытах передня кромка первого ромба совпадала с началом первого калориметра.

На рил.З показано распределение относительных коэффициенте теплоотдачи /Л. / Д0 / по длине какала, "бласть ограниченная с обеих сторон пунктирными линиями соответствует испытательному е участку. Распределение Л>/с10 качественно одинаковы и не зависят от значения числа Рейнольдса. Оно характеризуется обле тью резк го повышения Л до достижения некоторого /максимального для дан го турбулизатора/ значения /длина этой области составляет около 40 им, охватывая два калориметра/, областью стабилизации <к. /ко лебание его величины не превышает - 10$/, длина которой составляет ^чоло 160 мы и областью затуханил ск , на которой проиехц падение коэффициентов теплоотдачи до 'значений имевших уссто на вхиде испытательш.' участок /длина этой области составл тг ск ■ по 300 мм/. Такой характер распределения коэффициентов теплоотд чи Бытпан изменением структуры потока при последовательном его протекании через несколько конфуэориьк и д! "фуэорных у юткс., канала. На диффузорпцх участках, угол раскрытия которых во всех исследор.аншх с./чаях превышает 10°, образуются о. риште зоны, турбулиаигуй«ии поток и за счет отого инт :сифицирующие теш иен. фч1'им образна отрив в первом диффузоре увеличивши турбулс!

ь потока, входящего во второй конфузор. Следовательно турбу-ция потока на входе во второй конфу ip будет выше, чем на е в первый, а на входе в третий выше, чем на входе во второй, и приводит к росту коэффициентов теплоотдачи на первых участ-канала. Стабилизация их значений на последующих участках ана нелинейной зависимостью интенсивности зплообмена от тур-зации потока.

Основными факторами, влияющими на теплообмен и трение в рас-риваемом случае являются число Рейнольдса, коэффициент ома ;ения канала /характеризуемый отношением / и вели-его раскрытия /угол Ö , однозначно определяемый отноше-

d/c /.

OnuTi.je дан: je по теплообмену на участке о периодическим узорно-диффузорным течением обобщены уравнением подобия

Nu =Ot&Re°'6-[i+exp(-0,C8ocl/c)]. (d/dr) /2/

идравлическому сопротивлению - эмпирической зависимостью

ß - Cs- Re 0/5 /з/

п--о^['мгтУ-Ш)

с^гщт"

некие локальных значений коэффициентов теплоотдачи на участке ксации описывается эмпирической зависимостью

:(0,8-f)exp(-Q5f)-tQ2exp(-Qdx)+^ /4/

X - "ц- и о( определяется по уравнению /2/, а olo - I ссчи-ется по уравнению подобия для теплообмена при стабилизирован-турбулентком течении воздуха в трубах.

Во втором параграфе эт^Л главы приведены результаты исследо-я теплообмена и трения в плоском канале при турбулизации по-цилиндрическиии стержнши. Ог'ты с одиночным цилиндром ользовались стс тни диаметром 2,6; 4,0; 6,0 и 8,0 мм; потшавшие ^/cjr " 0,13+0,41/ проведены при его установк ередине первого калориметра. Как видно из рисЛ распределе-¿Ыа по длине канала не зависит от диаметра цилиндра и а Re ; оно характеризуется наличием пика / Л™ а* / теп-дачи на втором кало~иметре.

I——р-<_а

И/

ж

1/3

/14

¿1

Рис.1. Типы тел

Рис.2. Располс зние поег

, ¿/¿.с,,

/?сх9ах>

^а—_I.

V ы

Рис.3. Ткпичп""! распределение Рис.4, распре деле нпе коз"^

коэффициента теплоотдачи по длине плента теплоотдачи, канала. . '

положение о!™«* не в сыен"ч установки цилиндра, а ниже по по-у, позволяет считать причиной интенс )икации оплообмена в кон случае турбулизациа пристенного пограничного слоя на теп-бмен. й поверхности вихрями, ср эающимися с корки цилиндра, ученные ь.^и значения координаты X. . /соответструющей ото согласуются с данными ОакаЬн. , полученными

Ас 6-Ю5 . Это свидетельствует об отсутствие

исимости Хт от числа Рейнольдса в диапазоне Ре = 2* 10^4-6» 10°. чение Хпл может определяться по эмпирич.^кг"' зависимостям: 0,4 <% £ о.б

ри 0,65 ч< й £ 0,8

~-1Я5(> У1'*5

с{ -ЬУ^н) /5а/.

больаче значения ¿.гпа>/ , наблюдавшиеся при "становке в канале нндпа диаметром 8,0 . л / =0,41/, были примерно в 3,0

а в«*ла, чем значения До а гладком целезом канале. Полученные тные да. .ые обобщены уравнением подобия

Мит* = ""]-&0'6' /б/

.¿ние показателя степени П = 0,6 в уравнении /в/ определяет-влиянием сил вязкости в исследованном циапг эне чисел нольдсг. Ка "частке елаксации /т.е. при Х>Хт / изменение альных коэффициентов теплоотдачи /<К/ опис .вается зависимо/4/.

В этом ке параграфе приведены результаты опытов г^и установке анале несколы,их /2+0/ цилиндров. Исследоь...1ы два варии-та их положения: коридорный /рис.16/ и шахматный /рисЛв/. В обеих чаях р;_„'пределение ¿Ыо по длине канала, качественно не за-гсцее от чис..а Рейнольдса, идентично имевшему место при наличии эм периодического ко-;фузорно-диффузорниго течени., /рис.3/. Это цетельст^ует о подобии внутренней структуры потока в сравг-'-иих случаях.

Абсолютные значения и характер распределена коэффициентов юотдачи на участке стабилизации заметно зависят от чродолыю-иага / -Р/ ; / между цилиндрам!.. При Р/с! »3,5+10 распределе-идентично рассмотренным Еьше; а при >10 между цилиндрами шает происходить затухание вихревого зледа, что ыэцва..т не-

риодическое изменение интенсивности теплообмена. Но мере увели' ния Р/с1 влияние цилиццроь друг па друга ос. 1бевает и при % > его ыоы1С не учитывать. Таким образом диапазон °/с1 =3,5г 10 в! димо является оптимальны«. Из-за конструктивных особенностей ус тановки в опытах с шахматным расположением цилиндров их попере< ный шаг / не превышал 0,1, Это вызвало с. лбое яскр1

ление линий тока и не гриьело к заметному изменению характера течения в канале. Значения ск для коридорного и шахматного ра положения практически не отличаются между собой .. хорошо описи! ся ураннечиеи подобия. 7 ¡.л

¡Ти -ЛО/Ле^Н-У^бв(¿кГИ№)]•

которое при превратится в зависимость /б/. Отношение

Л/и/Л/ио I несколько уменьшающееся с ростом числе. РеРнольдси, при с1/с(г " 0,3 и оптимальных значениях % составляет

Полученные данные хорошо согласуются с результатами ск перкъ^нтов С ;<аьы и Капинооа /рис.Ь.б/. Значенк (Л на участк релаксации, и при > 10, хорошо описывается эмпирической за висшостью /4/.

Нали .ие в канале поперечно обтекаем.^ цилиндров заметно /д< 16 раз/ увеличи]. зт его гидравлическое сопротивление. Причем, н< чиная с Р/с! Ю значение /I перестает зависеть от числа Рейнольдса, вероятно из-за уменьшения взаимного влияния цилиндре ¿/.спериментальны'з данные по гидравлическому сопротивлению каналг с цилиндрами обобщены эмпирическими зависимостями:

- при коридо^. .юм расположении цилиндров

- при шахматном их расположении

} у-0'«" /9/

Далее в работе приводятся и анализируются' результаты опытов при установке в канале треугольны*. стерла И /рис.1 Ггн/. Исследована зависимость интенсификации теплообмена от числа Рейнольдса, загромождения канала, продольного шага стержней, их размеряй и ори ентации ..о отношению к направлению течения. В диапазоне чисел Рейь.'льдсг. от 40Ск. до иХ>р оба Расположении /вершиной вверх ро п* тс»., , риеЛг рсн "шшеы навстречу пош< , рис Лд/ равнозначна^

л.

на^ шя с Я в > 8000 преимущество имеют стержни, расположенные раиной вверх по потоку. Это свидетельствует о наличии зависи-сти инте-.сивно _;ти вихрообразоваиия в среде от конфигурации коркой части обтекаемого тела. При обтекании стержней, . ¡тановлсн- . х перинной вверх по потоку пристенный пограничный слоР на теч.-к-менной поверхности турбулшшруется непосредственно вихревом сле-м цилиндра, а при обратной установке стержней - вихрями, обра-шиши при возникновении в диффузоре местного отрыва, и обеих ориентация* треугольных стержней распределения по пне канала качественно является таким же, как и 'при установке канале ромбических стержней /рис.З/. Однако значение коэффици-гов теплоотдачи на участке стабилизации зависит не только от :ла Рейнольдса, загромождения канала и пага стержней, но и местного угла раскрытия канала /отношения ^/с /, Экснеримен-1ьные данные но теплообмену на испытательна участке при уста-зкп стержней вершиной вверх обобщены уравнением подобия

дГи = о,Ъ2[4+ехр (-о(г1/с)0'2. Де0,в /ю/

« установке стержней основанием вверх интенсивность теплообмена <е рассчитанной гю уравнен-ю /10/ на ~ 1Ь %.

Опытные данные по гидравлическому сопротивлению канала с ¡угольными стержнями обобщены эмпирическими зависимостями:

' Р/а * 10 \7 .<

. Р/с| > 10 .

которых видно, что в отлгчие '■т канала с цилин,.^аыи во всем пазоне ^/Н гидравлическое сопротивление канала с тр1уголь-и стернньши но зависит от числа Рейнольдса. В работе так ке едел ш влияние угла установки стержня / о1п , рчс.1е,ж/ на оноиернооти теплообмена и гидродинамики в канале. При <Л, >7,Г° на учасака начального возрастания увеличивается з 1,Ог 2 раза, ико из-за искривления линий тока ;.ри разделении обтекающего ржень потока на две неравные части; при <4п => 1Ь° теплообмен растает на ~ 1Ь %, а Д/ц 7ц 0 х 2,8. Полученные данные при л « 15° хороша согласуются с результатами Озка^и, Симдуято ледовавпшх теплообмен при течении воздуха в волнистых каналах,

а также с результатами настоящего исследования теплообмена при ш матном расположении тержней в канале.

Экспериментальные данные по теплообмену в канале обобщены уравнениями тдобия

- при расположении стержней вершиной вверх по потоку

/й = О, ехр (-0,5 ^ № <%р) ■ Йе°'в ^

- при их расположении основанием навстречу потоку

АГи -

Опытные данные по гт 'равлическоыу сопротивлению канала с треуго ныш стержнями описываются эмпирическими зависимостями

- лр" расположении стержней вг"зеиной ввспх

КЦмгеь/эоУ-Ч ' т

где у) определяется по уравнению /II/.

- при расположении основанием навстречу потоку

; -- а. *>1±+0,5(^/9О)2}-• /13а/

Было так же исследоваго влияние нг/ужного компланарного о збре ния одиночного треугольного стержня на теплообмен и гидродинами ку канала. Оребрение д_ло некоторую дополнительную /порядка 10 - 1Ь%/ г-.тенсификацию теплообмена, однако при эт^м показатель сте зни при числе Рейнольдса в уравнении подобия равен О, что характер .о для ламинарного отрыва. Это свидетельствует о пс ; элении вихревых структур в следе, видимо из-за раздробления и них ви. ¿ей на более мелкие, быстро разрушающиеся под действием вязкости.

Опытные данные по теплообмену в данном сучао бобщены урв ненилми подобия:

- при расположении стержня вершиной вверх

-- при его расположении основанием н зстречу потоку

/14/

г;ебрекие стержня приводит к появлению зависимое!.. /1 от аа Рейнольдса незазмсимо от его ориентации в канале. Опытные гше по гидравлическому сопротивлению з рассматриваемом случае зываются эмпирическими зависимостями: - при расположении стержня вершиной взерх по потоку

г, -О,'/

j'Re

/15/

- при его расположении основанием навстречу потоку

ß, OJ-Rq-DA /Iba/

«ет локально значений коэффициента теплоотдачи на

:тке релаксации для всех типоз треугольных стержней можно про-

-1ть по зависимости /4/.

В следующем параграфе этой главы приведены и пр- тнализирова-результаты опытов по ,'еплообмену и гидродинамике канала с пере-э,"ками различного типа /рис.2/.

Установка j середине высоты канала ¡«перфорированной 'лас-• а /рж 2,^2/ высотой 6 О мм с зазорами для прохода воздуха по км сверху и снизу создает продольный обдув теплообменной по-шости плоской пристенной струей. При этом максимальное знало коэффициента теплоотдачи находится не в месте установки плас j, а за ней на расстоянии окол 20 мм. Абсолютное значение <Wdo составляет 3,8 пр;. ЙС = 3218, падая до 2,76 при ¡G = 9665. Опытные данные по теплообмену з этом случае уда-ь обобщить уравнением подобия

/16/

Jb-i-p^'zi-if

^ т камляа п

В работе были проведены опыты при установке в канале перфо-эванной пластины, шириной 150 мм и толи.;нсй 2 мм /рис.2/, этом варьировалось число отверстий перфорации, их дишетр и . Такие пластины создавал продолышй обдув теплообменк .i по-хиасти системой осесикметричных струй. Наибольшая интенсифика-теплообмена получена при установке в канале перфорированной / пластины высотой 9,8 мм, п которой по серр^ияе ее высоты <>ы-лено 15 отверстий диаметром 6,0 мм. В этом случае сечение с >лх находилось на расстоянии около 40 мм /около 2 cV/ от ■:ей поверхности пластинн.

Основное влияние на интенсивность теплоотдачи в канале ока эывает диаметр стрх'й /отверстий/ и шаг между ними. Для данной пластины отношение суммарной площади отверстий и проходного сеч кия канала составляет 0,29; из-за чего скорость воздуха в начальном сечении струй была 3,3 раза Еыше, чем среднерасходная с рость воздуха в канале. В результате отношение ^«"/^о при Re " 3346 составило 4,19, снижаясь до 3,85 при (?е " WI При этом значения A^w^ были почти на 20 % выше, чем при усган ке в канале одиночного цилицдра диаметром 6,0 им. Это, видимо с зано с полным разрушением п граничного слоя на теплообменной по рхности при -зтановке в канале перфорированной пластлны. Подуче! ные в работе экспериментальные данные по теплообмену обобщены уравнением подобия

/IWW5m

В обеих рассмотренных вше случаях расчет локальных значений коэффициентов теплоотдачи на участке релаксации /т.е. при Х> Лт / мокко проводить по эмпирической зависимости /4/.

Гидравлическое сопротивление канала с преградами может, кш показывает полученные в работе опытные данные, рассчитываться m рекомендациям справочника И.И.Идельчика.

В - аключительнон параграфе третьей "лавы приведены данные о тепло-гидравлической эффективности исследованых методов интенсификации теплообмена. Как видно из рис.7 наиболее эффективны« является установка в канале цилиндрических стержней диаметром 4, мм / d /çjr » 0,20/ с относительным продольным шагом равным 5 i 10. При неизменных затрате мощности на прокачку теплоносителя, отвс..;имом количестве теплоты и теплообменной поверхности в диаш зоне чисел Рейнольдса /2+20/•10^ для этих турбулизаторов K-t »0,5 + 0,8. При фиксированных затрате мощности, температурном напре и теплообменной поверхности установка в вентиляшонш канале цилиндрических стержней позволяет отвести на 16+75 % /дл! P/d « Ю/ и I9+j9 % /для Щя 5/ "ольиие количества теплоты, че! отводится в вентиляционном канале без турбулизаторов. С точки зрения технологичности более предпочтительными являются стержни с относительным шагом 10 - в указанном диапазоне чисел Рейноль; они увеличивают коэффициент теплоотдачи в канале в 2,0+3,5 раза iio сравнению с гладким целевым каналом.

В четвертой главе представлены результаты численного код вливания теплового состояния сердечника статора турбогенератора ти-1ГВ-200М с газовым охлаждением при установке з б .;тнл..цнонных налах турбулизирующих устройств. Для этого была использована тематическая модель разработанная в ИЭД Украины. В не Г: теп-вое состояние элементов статора определяется пут~м решения д!":-ренциального уравнения теплопроводности; граничные услов::.- :гг:< гея по эмпирически.) уравнениям подобия учитывающим результат'' зення системы уравнений, описывающих потокораспределение газа эхла-хдающем тракте. Задача теплопроводности решается в стацио->ной, трехмерной постановке "ля половины эубцового деления сер-шика статора. Значение коэффициентов теплопроводности очнтают-не зависящими от температуры и пространственных координат, а яичные условия задаются кусочно-гладкими функциями рассчиты-¡мыми по соответст. ующг.м уравнениям.

Пи результата:.) испытании турбогенератора ТВ-60-2, проведен: при непосредственном участии автора настоящей диссертации, оп-елены значения коэффициентов теплоотдачи на торцевой поверхкос зубца и уточнено уравнение подобия для их расчета. Вариантными четами пс лзано существенное влияние точности задания козф'чци-ов теплоотдачи на этой поверхности на тепловое состояние зубца, ом числе на перепад температуры по ь. о высоте.

В работе приведены результаты оделенного моделирования тепло-э состояния охлаждаемого водородом пакета сердечник., статора 5огенератора ТГВ-200М. Установка : надзубцовой ч ти вентнля-1ного канапа /высотой 10мм/ местных турбулиэаторов /цилиндрики стержней диаметре .: 4,0 мм с коридорным расположением при з Щ 5/ повысило интенсивность теплообмена на это.« учас.-з ~ 3,2 раза / от 160 Вт/м2. К до 510 Вх/ы2.]<У. При отом ¡ималышй. перегрев пакета снижается с 44/. °С до 4Т,6 °С, т.е. :и на 7 % /рис. 8, кривая I/.

Пр1 использовании в турбогенераторе мощно тып 200 ¡,1Вт воз-юго о: '[ажде :ия без интенсификаторов теплообмена в вгчтиляц-.он--каналах перог^ев пакета в надпубцовой зоне превышает 60 граду/рис. 8, кривая 2/. Установка в вентиляционном канале указан-ранег турсулиэаторов г^и со:гранении той "е затраты мощности р чачку хладагента, что и в т "рбогенераторе ТГЗ-200Ц . подоим охлажденном, позволяет снизить температуру в ..адпазоиой сти на ~ 15 градусов /рис.8, кривая ?/, то есть довести ее

Ли

о- %.'<!« , Куч

• « 4

А , '

- ЯЛ^ о-ощгАа.

л ||)П!У

1-и с. 5 литературы.

Л/и

"7ТТГЛ5гра

Сравнение с данными

а-ГМ-ю

> 1 / / на

1 г ¿ггп

Рис.6 Сравнение с данными литературы.

й-»1.«!!«. , Л (и—

1 у ^ /л ХГй.л>*

■Рис,7. Тешогидравлическая оф£октивность исследованных турбу-лизаторов.

. Рис.8 Ре?ульт! численного моделирован)

■ровня, имеющего место при водородном охлаадении. При использо-1И турбулизаторов система воздушного охлаждения позволяет так :низить перепад температуры по радиусу сегмента / на 10 граду, т.е. на ^ 1)0 %/ и высото зубца.

Ь м в о д ы

1. Интенсификация теплообмена /в 2,5 + 4,2 раза/ в плоском ¡вом канале без изменения геометрии его поверхностей мелет быт о [ествлена за счет непосредственного воздействия на структуру 'екающего а нем потока: путем созд?"мя периодического конфузор-^иффузорного течения, установки плоао обтекаемых тел, перфори-1нных преград и т.п.

2. Исследованные методы интенсификации теплообмена в плоских ¡вых каналах позволяют достаточно заметно повысить эффективность 'ем газового охлаждении статоров турбогенераторов:

системе водородного охлаждения турбогенератора ТГЬ-200М за счет :тр!!оп;п: поперечно обтекаемых цилиндров перегрев пакета в над-.зовоК зоне мс;-.;ет быть снижен на. 7 ГЧ а за счет установки в вен-ляцнонпцх каналах перфорированных перегородок - на 9+10 вменение дани;¡у турбулизаторов позволяет использовать воздуш-■е охлаждение статоров в турбогенераторах мощностью 2и0 ШЗт, ■хранив при ото:.: н:с максимальную температуру такой не, как и и водородном охлаждении, но снизив на 40+50 % перепад темпера-ры по радиусу пакета.

3. При использовании указанных выше турбулизпрукщих устройств .лтер иг:.:екг";)я коэффициентов теплоотдачи по длине начала казенно одинаков: резкий рост на участке длиной около 2 с//-, илизация их уровня на участке установки турбулизаторов, после-.ее ки.;отонкое уменьшение /релаксация/ до начального значения часткс протяженностью порядка 15+20с1г.

4. Интенсификация теплообмена в плоском канале с аериодичес-конфузорно-диффузерным течением определяется в основном нозни-Я1.:н в диффузора?: местными отрывами. Значения кооффнци»! оп оотдаци и гидравлического сопротивления - этих условиях

т рассчитываться по эмпирическим уравнениям подобия /2/ и

5. При установке в плоском канале одиночного поперечно каемого цилиндра интенсификация теплообмена вызывается турбу-

лкзацией пристенных пограничных слоев г хрпми образующимися в сг< следе; максимальное значение коэффициента теплоотдачи и координа' его располож чия могут расчитываться по эмпирическим загисимостя;

6. Интенсификация теплообмена в плоском канале при установке нем /в коридорном и шахматном порядке/ нес: чльких поперечно обта ешх цилиндров определяется взаимодействием их вихревых следов мс ду собой и с пристенными пограничными слоями. Значения коэффициеь тов теплоотд. -ш и идравлического сопротивления в тих условиях !. Гут рассчитываться по эмпирическим зависимостям /7/4- /9/.

7. Создание в плоском канале продольного струйного обтекания его поверхностей /с помошыи перфорированных или сплошных перегора док по...юстью или частично перекр.;вио'иих проходное сечение/ позве ляет илетно интенсифицировать теплообмен /до 4,2 раз на участке протяженностью 2 dr /; коэффициенты теплоотдачи i этих случаях мо гут рассчитываться по эмпирическим зависимостям /16/ и /17/.

8. При всех исследованных способах интенсификации теплообмен на участке релаксацчи происходит монотонное уменьшение значений коэффициентов теплоотдачи до начального уровня; протяженность -го участка определяется уровнем интенсификации .еплообмена /т.е. вел чиной Л/ло /; локальные значе: ш коэффициентов теплоотдачи на этом участке шгут рассчитывайся по эмпирической зависимости /А/

9. При фиксированных затрате мощности на прокачку тегшоносит ля- количества отводимой теплоты и геометрии теплоотдашей поверх ности /условия характерные , ш сравнения систем : зового охлажден: турбогенераторов/ тепло-гидравлическую эффективность различных ые дов интенсификации теплообмена целесообразно характеризовать знач' нием коэффициента К¿/уравнение /I//; с этий точки зрения наиболее эффективными из исследованных турбуглзаторов являются цилиндричес: стержни, усыновленные с продольным шагом. P/d = 5+10 и обеспечив! шие загромождение проходного сечения канала = 0,2

хО. Результаты настоящей работы могут быть использованы при разработке и совершенствовании систем газового охлаждения турбогенераторов, а также при создании и исследовании тс лообменных устройств различного назначение.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

¡едоренко Г.ed., Выговсиий В.И,, Янцов A.A., Дыбан Ю.Е. Исслрдова-(ие тангенциальной неравномерности нагрева сердечника статора мощ-toro турбогенератора длл контроля// Электрсмшштны( и тепловые роцессы в электромеханических преобразователях и технологи-; г zzmx становкзх: Сб.научн.тр.-КиевгКЭД АН УССР,1968,- С.15-25. частливый Г.Г., Федоренко Г.Ii., Евтушенко И.А., Янцов A.A., убан D.E. Натурные исследования неравномерности распределения лектромагнктного и теплового полей в сердечнике статора мощного урбогенератора// Тез.докл. Всеооюэ.научн.-техн.совещаний "Вопро-ы проектирования, исследования и производства мощных турбо-, идрогенераторов к крупных электрических машин".-Ленинград,1988. 3. 49-50.

едоренко Г.М., Евтушенко H.A., Янцов A.A., Дыбан Ю.Е. Исследова-ие теплообмена в зазоре мощного турбогенератора//Аэродинемиче-!сие, тепловые и виброакустические процессы в электроустановках: 5.науч.тр.-Харьков: »>11,1989.-0 . 25-Х.

j6aH Ю.Е. Повышение надежности электрических машин за счет интен-^фикации систем охлаждения//Теэ.докл.семинара "Совершенствование адовых и электромеханических систем"- Севастополь, 1990.-С. 41. j6oh Ю.Е. Интенсификация теплообмена ь плоском щелевом канале помощью пассивных турболизаторо^. 'Дез.докл.1У Бсесоыэ.конферен-ш мол. иссл, и спец. "Актуальные проблемы теплофизики и физиче-сой гидрогазодина,"1Ки".-Н«восибирсх,1991.- С. I60-I8I. шшский A.A., Дыбан Ю.Е. Теплообмен и гидродинамика при конфу-|рно-диффузорном течении воздуха в плоской щелевом канале//Про:. ¡плотохника.-1991.-13,№3.-С. 33-40.

|бан Ю.Е. Теплообмен и гидродинамика при течении воздуха в плос-iM щелевом канале о установленными в нем поперечно обтекаемыми юугольными с тертяи^/Про^^еплотехника^-1991. -13,-4. -С. 40-47.

шение по заявке 4883326/07 /Ш273/ Статор олектрической мадш-/ O.E.Дыбан.-Принято 04.01.92.