Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин, страница 4

Обозначив Вх=(7„"— Т„'у((7„'— Т;) н имея в виду, что Т,„=Т„'— В,(Т„*— Т,") по определению, после преобразования получим в,=в„+в,— в„в,. (1.10) Экспериментальное подтверждение этой зависимости получено при испытании пакета двухполостных натурных сопловых лопаток конвективно-заградительного охлаждения рис.

1.6. Охлаждающий воздух, который поступает внутрь дефлектора передней полости, через 266 равномерно расположенных отверстий натекает на внут- 14 ренине стенки лопатки и выпускается на ее поверхность через ряды отверстий. Они расположены на входной кромке (пять рядов по 48 отверстий диаметром 0,5 мм) и на срединном участке профиля до внутренней перемычки (по одному ряду со стороны вогнутой и выпуклой стороны, в каждом из которых по 53 отверстия того же диаметра). Та часть воздуха, которая поступает внутрь дефлектора задней полости, также натекает на внутреннюю поверхность лопатки (в дефлекторе 460 полумиллиметровых отверстий) и выпускается через семь щелей шириной 1 мм на вогнутую часть профиля у выходной кромки. Термопары, измеряющие температуру лопатки, располагались, как это показано на рис. 1.6.

Испытания проводились в довольно широком диапазоне измене. ния температуры охлаждающего воздуха (350 — 630 К) и газа (700-- 1370 К), а также соотношений относительных расходов воздуха, поступающего на конвективное и заградительное охлаждение. Числа Рейнольдса со стороны газа, подсчитанные по параметрам в узком сечении межлопаточных каналов, когда в качестве характерного размера берется хорда профиля лопатки, достигали 4,5 10', а значение безразмерной скорости газа на выходе из решетки Х, доходило до единицы.

Зависимости 8 „.=~,(6,) н 8,=ЯО,) для выходной кромки лопатки (рис. 1.7) получены поочередным отключением подачи охлаждающего воздуха на создание завесы и во внутреннюю полость чисто конвективно охлаждаемой части лопатки. Температура газа, обтекающего кромку, измерялась той же термопарой, что и температура кромки, но в режимах без подачи воздуха на охлаждение. Изменение относительного расхода воздуха достигалось изменением его давления на входе в полости переднего и заднего дефлекторов. На рнс.

1.8 представлена зависимость суммарной интенсивности охлаждения 8х в функции от относительного расхода воздуха на конвективное охлаждение 6, для различных 6,. Там же нанесены экспериментальные точки. Как видно, совпадение расчетных и экспериментальных значений суммарного эффекта охлаждения вполне удовлетворительное. Из результатов, полученных в эксперименте, также следует, что при изменении числа Ке„ в пределах (1,5 — 4,5) 10' интенсивность охлаждения по всем участкам профиля лопатки находится в авто- модельной области и условие Т„'!Т,*=сонэ( не является достаточным для лопаток конвективно-заградительного охлаждения, пользуясь которым можно переносить полученные значения интенсивности охлаждения в опытах, проведенных прн низких Т„*, на режимы работы турбины при высоких температурах газа.

Исследования аэродинамики и теплопередачи в решетках и венцах осевых турбин, проведенные в рамке программ ХАЗА, показали, что организация заградительного охлаждения может привести к увеличению теплопередачи к поверхности лопатки, в результате чего ее температура увеличивается. Это связано с ростом турбулентности 16 и переходом ламинарного пограничного слоя в турбулентное состояние. Лопатки внутреннего конвективного охлаждения. В них воздух подводится через корневую часть и растекается по внутренним каналам в различных направлениях: а) вдоль лопатки с выходом через верхний торец в радиальный зазор или через отверстия, отделенные от подводящих, в замковую часть, предварительно изменив направление течения от корневого сечения к верхнему и обратно; б) одновременно в продольном и поперечном направлениях относительно пера лопатки и выходом в обоих направлениях; в) поперек пера лопатки с выходом через отверстия или щели, расположенные в выходной кромке или на вогнутой стороне профиля лопатки вблизи нее.

Лопатки с продольным и смешанным течением охлаждающего воздуха. Практика авиационного газотурбостроения показывает, что рабочие лопатки с продольным и смешанным течением охлаждающего воздуха применяются на первых ступенях турбин, на входе в которые среднемассовая температура газа не превышает 1430 К, и на вторых ступенях, когда температура газа перед турбиной достигает 1560 — 1590 К. Некоторые из таких лопаток и их конструктивные схемы показаны на рис. 1.9 и 1.10. У этих лопаток внутренняя полость пересечена цилиндрическими перемычками (штырьками), соединяющими выпуклую и вогнутую поверхности профильной части лопатки, или различной формы прерывистыми и наклонными перегородками, отклоняющими воздух от течения только в радиальном направлении, или сочетанием того и другого.

Такого рода турбулизаторы, которые вводятся для интенсификации теплообмена между охлаждающим воздухом и внутренней стенкой лопатки, не являются несущими в прочностном смысле элементами, а, наоборот, сами нагружжот замковое' соединение и лопатку (особенно ее прикорпевые сечения), увеличивая в них напряжения от действия центробежных сил.11оэтому введение различного рода турбулизаторов во впутрепшою полость лопатки оправдывается в тех случаях, когда возросшие прп этом напряжения в ней компенсируются снижением ее температуры благодаря турбулизации настолько, чтобы запас прочности возрастал.

Только при этом условии могут быть оправданы усложнение технологического процесса и увеличение трудоемкости при изготовлении таких лопаток. Опыт показывает, что увеличение коэффициента теплоотдачи благодаря вводимой турбулизации штырьками (рис. 1.9) пе превышает 30%. Будучи расположенными в узких каналах, например, у выходной кромки, штырьки зачастую уменьшают поверхность теплообмена с воздушной стороны. Это происходит, когда их диаметр больше двойного размера щели, через которую они проходят, даже в предположении, что вся поверхность штырьков одинаково интенсивно участвует в теплообмене. Так, например, при размере щели в 16 0,4 мм и диаметре штырька 1,2 мм поверхность, омываемая воздухом, уменьшается в 1,5 раза без учета неизбежных литейных галтелей, образуемых в местах соединения перемычек со стенками лопатки, со стороны спинки и вогнутой части профиля.

Радиусы этих галтелей соизмеримы с шириной внутренних каналов, которые они пересекают, и толщиной перемычек. Делаются они для уменьшения концентрации напряжений, возникающих нз-за температурных градиентов и действия растягивающих и изгибающих сил. Поперечные перегородки и штырьки существенно увеличивают гидравлическое сопротивление внутренних каналов и располагаемого перепада давлений, который в газотурбинном двигателе всегда ограничен, иногда бывает недостаточно, чтобы обеспечить потребный для охлаждения лопатки расход воздуха. Кроме того, гидравлическое сопротивление внутренних каналов охлаждения, если не позаботиться об его уменьшении, может препятствовать введению предварительной закрутки охлаждающего воздуха в направлении вращения диска турбины. Этим исключается возможность за счет срабатывания в подкручивающей решетке части располагаемого перепада давления снизить температуру охлаждающего воздуха, благодаря чему уменьшить его количество, расходуемое на охлаждение рабочих лопаток.

Конструктивная схема 1 ступени турбины двигателя фирмы Роллс-Ройс с подкручивающей решеткой показана на рис. 1.11. При непосредственном подводе воздуха к рабочим лопаткам, температура его возрастает по сравнению с температурой в месте отбора на величину подогрева, создаваемого работой центробежных сил, ЛТч= У'!(21гкфг — 1)). При величине окружной скорости У=300 — 400 м!с на радиусе, где расположены отверстия подвода, этот подогрев составляет 40 — 70 К.

В схеме с предварительной закруткой охлаждающего воздуха в направлении вращения ротора (рис. 1.11) происходит снижение его температуры торможения, которая в абсолютном движении сос- тавляет Т =Т+ — „,С', к — 1 а в относительном Т' = Т + †,„~ В", !с — ! (1. 11~ где К'=С' — 2УСсоз к+У'! а — угол выхода потока из подкручивающей решетки. Тогда снижение температуры охлаждающего воздуха при расширении его в подкручивающей решетке составит ЛТ, = Тс — Т~р —— (2УСсоз гх — У')12Рк)(к — 1). (1.12) Обычно это снижение температуры составляет 60~-90 К, а по 'сравнению со схемой без подкручивающей ре!)!етки, т. е. когда Рис.

1.9. Рабочие лопатки П ступени с радиальным и смешанным течением охлаждающего воздуха модифинаций двигателей фирмы Пратт — Уитни Рис. 1. 10. Рабочая лопатка! ступени турбины со смешанным течением охлаждающего воздуха двигателя фирмы Роллс-Ройс Рис. 1.!1. Схема охлаждения 1 ступени турбины двигателя фирмы Роллс-Ройс ланрарааааа ррааванаа Рнс. 1.12. Пример доводки рабочих лопаток [631 а — ЬТв — — взОК ЬТв=бОО К' б — ЬТ, 320 К, ЬТ ВОО К~ в — ЬТ,=250 К, ЬТ,=ЗОО К охлаждающий воздух непосредственно подводится к рабочим лопаткам, может достигать ЬТх=-ЬТ„+ХТ,=-90 — 160 К, где Ь҄— подогрев воздуха при поджатии его центробежными силами.

Наиболее простые по схеме течения охлаждающего воздуха лопатки с радиальным течением в связи с необходимостью размещения большего числа каналов неизбежно имеют более утолщенные профили и, следовательно, увеличенные газодинамические потери в лопаточной решетке. Несмотря на это, интенсивность охлаждения кромок таких лопаток все же низка и неравномерность температуры по профилю велика (рис. 1.12, а) (ЬТ„ЛТ, — разность между максимальным и минимальным значениями температур в сечении лопаток в установившемся и переходном режимах соответственно). Первый недостаток в значительной степени устраняется введе. пнем отверстий небольшого диаметра (перфорации), соединяющих с поверхностью лопатки внутренние каналы, прилегающие к кромкам (рис. 1.12, б и в). Благодаря этим отверстиям увеличивается поверхность охлаждения и вытекающее через них дополнительное количество воздуха охлаждает кромки и прилегающие к ним участки лопатки, на которых образуется воздушная завеса.