Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин

УД К 629.7.036.3:621,438 Копелев С. 3, Охлаждаемые лопатки газовых турбин (тепловой расчет и профилирование).— Мл Наука, '983. Рассматриваются особенности констру !тинных схем охлаждаемых воздухом лопаток газовых турбин, исследуются процессы теплообмена и связанные с ними гидравлические потери. Предлагаются методики расчета теплового состояния и профилирования таких лопаток. Для специалистов в области исследования и конструирования газотурбинных двигателей. Ил. 76.

Табл. 6. Библ. 89 назв. Ответственный редактор член-корреспондент АН СССР О. Н. ФАВОРСКИЙ Семен Зиновьевич КОПЕЛЕВ ОХЛА)КДАЕМЪ|Е ЛОПАТКИ ГАЗОВЫХ ТУРБИН ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ПРОФИЛИРОВАНИЕ Утверждено к печати Комиссией по газовым турбииам и Институтам высоких температур АН СССР Редактор издательства А. А. Кавецкая Художник Ю. А. Шлеппер. Художественный редактор Н. Н. Власик Технический редактор А. МЛСатарова Корректоры А.

н. Васильев, И. А. Талалай ИВ № 27221 Сдано и вабоР 20.12.82. ПоДписзко к печати 26.04.83. Т-03520. ФоРмат 60Х90сА«. бумага типографская № 1. Гарнитура литературнаяс Печать высокая. Усл. печ. л. 9. Уел. кр.отт. 9,25. Уч.-изд. л. 10,2. Тираж 1950 экэ. Тип. зак, № 1134. цена 1 р. 50 к. Издательства «наука». 117864 ГСП-7„Москва. В-435, Профсоюзная ул., 90 Набрано в ордена Октябрьской Революции и ордена Трудовага Красного Знамени Первой Образцовой типографии им. А. А. к«данова Союзполиграфпрома прн Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, М-54, Валовая.

28 Отпечатано во 2.й типографии издательства «Наука», 12 1099,Москва, Г.99, Шубинский пер., 10 Занан № 3077 2303020200-399 . эглВ К 042 (02) 83 327-83-П © Издательство «Наукаь, 1983 г. Предисловие Газотурбинные двигатели находят все более широкое применение в энергетике. Большие перспективы их использования открываются и связи с разработкой и внедрением парогазовых установок е. В связи с этим острее становится вопрос экономичности газотурбинных двигателей, которая в значительной степени определяется повышением начальных параметров рабочего тела и прежде всего температуры.

Повышение температуры газа на входе в турбину являстси главным направлением совершенствования всех типов газотурбинных двигателей независимо от условий нх применения. В решении проблемы создания высокотемпературных турбин важнейшей задачей является обеспечение надежной работы сопловых н рабочих лопаток, которые подвержены непосредственному воздействию высокотемпературного газового потока и весьма высоким и сложным механическим нагрузкам. Эта задача успешно решается благодаря применению охлаждаемых лопаток и интенсификации их охлаждения. Создание высокоэффективных охлаждаемых лопаток является сложным и трудоемким процессом. Приходится искать компромиссные решения между такими противоречивыми требованиями, как высокое газодинамическое совершенство, минимальный вес или минимальная металлоемкость, поскольку лопатки изготавливаются из высококачественных дорогостоящих материалов, обеспечение заданного в соответствии с ресурсом запаса прочности и технологичности применительно к массовому серийному производству, включая способы неразрушающего контроля качества их изготовления.

Поэтому обобщение накопленного опыта проектирования охлаждаемых лопаток и доведение его до широкого круга специалистов, работающих в этой области, будет весьма полезным. Это и является основной целью настоящей книги. Раздел 2.6 написан В. В. Зикеевым, а раздел 5.3 написан совместно с А. В. Деревянко. В главе 2 использованы работы, проведенные совместно с М.

В. Авиловой-Шульгиной, С. В. Гуровым, в разделе 4.2 — совместно с В. В. Зикеевым, а в главе 5 — совместно с В. А. Журавлевым. Автор приносит глубокую благодарность доктору технических наук профессору Э. А. Манушину за ценные советы, высказанные при просмотре рукописи. Автор также благодарит Г. П. Ефремову за помощь при подготовке рукописи к печати.

е Ольховский Г. Г. Газовые турбины в советской энергетике.— Теплоэнергетика, № 8, 1981, с. 2 — 7. Глава 1 Лопатки воздушного охлаждения Несмотря на достижения в создании жаропрочных материалов, охлаждение высокотемпературных газовых турбин, в первую очередь сопловых и рабочих лопаток как деталей, подверженных наибольшему тепловому и силовому воздействию, является главным направлением в освоении высоких температур в газотурбинных двигателях. Тем не менее это не умаляет того значения, которое имеет для увеличения температуры газа на входе в турбину повышение жаропрочности материалов.

Чем более жаропрочен материал, из которого изготавливается охлаждаемая лопатка, тем, с одной стороны, требуется меньшая глубина ее охлаждения, а с другой — тем больший эффект дает повышение интенсивности ее охлаждения. Это наглядно показано на рис. 1.1, где ЬТ, — приращение температуры, характеризующее повышение жаропрочности материала лопатки, т.

е. приращение допустимой температуры лопатки, а Л҄— приращение температуры газа перед турбиной. Интенсивность охлаждения характеризуется величиной О. Если бы лопатка была не охлаждаемой (0=0), то изготовление ее из более жаропрочного материала, допускающего повышение температуры, например, на 50'К дало бы возможность на столько же повысить температуру газа перед турбиной. Если же повысить жаропрочность материала, из которого изготовлена охлаждаемая лопатка, то чем больше интенсивность ее охлаждения, тем на большую величину можно повысить температуру газа.

По сравнению с известными способами охлаждения лопаток газовых турбин — воздушного охлаждения по замкнутой схеме, внутреннего и внешнего жидкостного охлаждения, использования промежуточного теплоносителя и «тепловых трубок» вЂ” 'открытая схема воздушного охлаждения элементов газовой турбины, при которой воздух, отбираемый из компрессора, охладив лопатки, поступает в проточную часть, имеет ряд существенных преимуществ.

Главное из них — сравнительная простота и эксплуатационная надежность. Это и сделало ее наиболее распространенной и пока единственной практически осуществленной схемой охлаждения газовых турбин. Однако применение такой схемы заставляет заботиться о рациональном использовании охлаждающего воздуха, так как чем больше его расход, тем меньше выигрыш от повышения температуры газа, поступающего в турбину. Этот выигрыш также будет уменьшаться с увеличением гидравлических потерь в турбине, вызванных повы- шепнем температуры газа н введени- м,»к ем охлаждаемых лопаток. Поэтому одной из основных задач, возника- л ющих при увеличении температуры газа перед турбиной, является создание такой высокоэффективной конструкции лопатки, на охлаждение которой расход воздуха при прочих равных условиях был бы наименьший, и аэродинамическое совершенство ее было бы наибольшим, т.

е. приближалось нли не уступало достигнутому и пеохлаждаемых лопатках. Вот почему при проектировании высокотемпературного газотурбинного двигателя (ГДТ) приходится решать вопрос о целесообразности примене- ри' ~ ~ рираще"и' "мп'ра тури газа перед турбииой в запня той нли иной из известных кон- висимости отприращеяиядопусструкций охлаждаемых лопаток или тимой температуры лопатки разрабатывать новую Естественно, 5 — о -о; о — ол; а — о.з: а — ол: что при этом необходимо учитывать Б — о,о требования, предъявляемые к двигателю в части его экономичности, ограничения габаритов и удельной массы, а также обеспечения надежной работы в пределах заданного ресурса. Стремление удовлетворить этим требованиям заставляет разрабатывать оптимальную для конкретных условий конструкцию охлаждаемой лопатки. Однако стремление найти эти оптимальные конструктивные решения, удовлетворяющие перечисленным противоречивым требованиям, наталкивается на необходимость преодоления технологических трудностей, что, как правило, является решающим при создании конструкции лопатки, приемлемой в массовом серийном производстве.

Под технологическими трудностями в данном случае имеетгя в виду не только собственно процесс изготовления охлаждаемых лопаток и осуществление контрольных операций качества материала и размеров элементов конструкции, но и выбор и учет свойств материалов, применяемых для лопаток, в сочетании с процессами их отливки (или штамповки), термообработки, поверхностного упрочения и др.

Тем не менее практика создания высокотемпературных ГТД показывает, что связанные с введением охлаждения конструктивные и технологические усложнения с избытком компенсируются улучшением экономичности и увеличением удельной мощности, а для транспортных двигателей еще и улучшением их эксплуатационных характеристик благодаря большим избыткам мощности на дроссельпых режимах. И чем эффективнее система охлаждения, тем эта компенсация будет большей. В охлаждаемых воздухом сопловых и рабочих лопатках турбин снижение их температуры относительно температуры омывающего их газа происходит посредством либо внутреннего конвективного, конвективно-заградительного или проникающего (пористого) охлаждения.

Последнее является в тепловом отношении наиболее эффективным. 1.1. Эффективность воздушного охлаждения лопаток Эффективность охлаждения лопаток с выходом воздуха в проточную часть турбины определяется двумя факторами: интенсивностью охлаждения и величиной потерь, связанных с введением охлаждения. Обаэти фактора взаимосвязаны — чем выше интенсивность охлаждения, тем для заданных температурных условий меньшее количество воздуха отбирается из компрессора, не подогреваясь в камере сгорания, практически не участвует в процессе расширения в турбине.

Кроме того, при уменьшении расхода охлаждающего воздуха уменьшаются гидравлические потери в турбнне, связанные с выбросом его в проточную часть н смешением с газовым потоком (см. гл. 4). Прн заданной температуре газа Т;, об>тскающего лог<аткн турбины, и воздуха, их охлаждающего, Т„'интенсивность теплообмена в охлаждаемых лопатках может характ<ризоваться безразмерной относительной температурой данной точки рассматриваемой лопатки (1. 1) 0 = (Т„'— Т„У (҄— Т,").