Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин, страница 6

Для этого необходимо сделать нужной формы щели или отверстия на соответствующем месте дефлектора. На рис. 1.15 приведены конструктивные схемы охлаждаемых лопаток с внутренним дефлектором. На внутренней поверхности срединного участка профиля сопловой лопатки имеются поперечные ребра, увеличивающие поверхность охлаждения, а на рабочей лопатке они отсутствуют. Объясняется это тем, что достигаемое уменьшение температуры лопатки благодаря введению поперечных ребер технологически реализуемой геометрии при относительном расходе охлаждающего воздуха около 2,5% и жаропрочных свойствах материала, из которого она изготовлена, не компенсирует добавляемые ими дополнительные напряжения растяжения и минимальное значение коэффициента запаса прочности в соответствующем сечении по высоте рабочей лопатки остается неизменным.

Иными словами, усложнение конструкции лопатки и технологии ее изготовления не оправдывается достигаемым эффектом охлаждения (рис. 1.16). Эти зависимости получены 23 3 г ~ г ь Рис. 1.!5. Конструктивная схема сопловой 1а) и рабочей 1б) охлах(даемых лопаток с внутренним дефлектором 1 — щели подвода воздуха в дефлекторе; à — оребренве входной кромки; а — ниутреинее оребренне срединного участка профиля; 4 — отверстия в дефлекторе(перфорация); 5 †;продольные прерывистые ребра (турбулизаторы); б — перемычки Рис.

1.16. Интенсивность охлаждения срединного участка профиля сопловой лопатки с внутренним дефлектором ) — без оребрения внутренней поверхности, дефлектор с выщтамяовкамн (по расчетным данным, подтвержденными предыдущими зкспериментамн); у в внутренняя поверхность лопатки оребренная, дефлектор гладкий; а — внутренвяя поверхность оребреннав, де. флектор гладкий с перфорацией; 4 — частичная перфорация дефлектора 4' ьб, гегз в результате испытаний двух пакетов, каждый из которых состоял из пяти сопловых лопаток, проведенных при Т,"=1100 К, Т,*=320 К, атмосферном давлении, безразмерной скорости на выходе из лопаток Ха=0,8 и )сея=(3,5 — 6,10) 10'.

Следует заметить, что введение развитой перфорации дефлектора, существенно повышая интенсивность охлаждения срединного участка профиля и в значительной степени выходной кромки, уменьшает ее на входной кромке. Поэтому, чтобы не ухудшать охлаждение входной кромки, пришлось уменьшить перфорацию дефлектора и хгя Г я г е у к Г я у еа, Фв Рис. !.!7.

Интенсивность охлаждения сопловой (а) и рабочей (б) лопаток со вставным дефлектором на среднем по высоте пера сечении Рис.!.!8. Конструктивная схема рабочей лопатки! ступени турбины двигателя !Т9Д-7 Рис. !.!9 Конструктивная схема сваренной иа двух частей лопатки с дефлектором свести получаемое от ее введения улучшение интенсивности охлаждения к показанному на рис. 1.16 (линия 4). Характеристики интенсивности охлаждения лопаток с внутренним дефлектором, полученные при термометрировании натурных лопаток — сопловых на пакетной установке, а рабочих на одно ступенчатой турбиие ГТД вЂ” показаны на рис. 1.17. Сравнение данных, полученных при экспериментальном исследовании натурной ступени турбины, на диске которой поочередно устанавливались лопатки с выпуском воздуха в радиальный зазор и лопатки со струйным охлаждением входной кромки (с внутренним дефлектором) и выпуском воздуха через заднекромочную щель пйказали, что интенсивность охлаждения у лопатки с дефлектовом больше на 20 — 35% (для различных участков лопатки), а максимальгый градиент температуры в среднем сечении по высоте лопатки, где производились его измерения, на 50% меньше.

Если для сравнения воспользоваться условным понятием осредненной температуры по сечению лопатки, как это сделано в работе 168), то при прочих равных условиях у лопатки с дефлектором она на 114 К меньше. Эти же испытания, проведенные на режиме, когда среднемассовая температура газа на входе в турбину составляла (Т„"), „=1670 К, поступающего на рабочие лопатки Т~=1490 К и охлаждающего воздуха Т,"=390 К, показали, что при одинаковой осредненной по сечению температуре обеих лопаток 975 К расход воздуха у лопатки с дефлектором почти в 2 раза меньший. Наряду с отмеченными преимуществами рабочих лопаток с внутренним дефлектором онн не лишены недостатков. Ограниченные размеры отверстия в замке лопатки, через которое обычно вставляется дефлектор, зачастую не позволяют придавать ему форму, обеспечивающую наилучший теплосъем, а наличие в ряде лопаток относительного смещения сечений по нх высоте (закрутка лопатки) усугубляют этот недостаток.

Частично он устраняется применением лопаток, у которых внутренняя полость, куда вставляется дефлектор, имеет несколько изогнутую форму, как это сделано в лопатке 1 ступени турбины авиационного двигателя фирмы Пратт-Уитни (рис. 1.18). Это облегчило постановку дефлектора во внутреннюю полость лопатки, хотя и пришлось изготавливать его из двух частей (по длине), соединяемых между собой сваркой на участке замковой части лопатки. Применение такой лопатки вместо показанной на рис. 1.10 позволило в этой модификации двигателя увеличить температуру газа на входе в турбину до 1560 К, т. е. на 140 К по сравнению с предыдущей при одинаковом у обеих лопаток относительном расходе воздуха, равном 2,1%. Вторым недостатком лопаток со вставным дефлектором является износ дефлектора прн длительной эксплуатации в местах его прилегания к внутренней поверхности лопатки. Этот недостаток в какойто мере устраняется применением нзносостойких покрытий поверхностей дефлектора в местах его контакта с лопаткой, созданием при его введении внутрь лопатки такого натяга, при котором в работающей лопатке гарантировалось бы его прилегание.

Эффективность этих мероприятий проверена пока еще в пределах ресурсов, значительно меньших, чем это требуется для стационарных или судовых установок. Некоторым недостатком дефлекторной лопатки является также и то, что дефлектор, будучи закрепленным в замковой части рабочей .лопатки, должен иметь по условиям прочности, как правило, переменную толщину стенки, уменьшающуюся от корня к периферии. Отмеченные недостатки в значительной степени могут быть устранены, если дефлектор вводить внутрь лопатки через ее периферийный торец. Расположение дефлектора фиксируется в двух сечениях — замковом, где он может крепиться, например, цилиндрической формы штифтом, и периферийном, которое после сборки закрывается пластинкой, припаянной или приваренной к лопатке по обводу профиля.

Наличие в лопатке открытого верхнеготорца существенно облегчает и фиксацию внутреннего стержня при ее отливке. Такая конструкция может применяться в тех случаях, когда абсолютные размеры лопатки не столь малы и позволяют ее реализовать. Схема с поперечным течением охладителя и выпуском его через выходную кромку наиболее целесообразно реализуется в лопатке, состоящей из двух частей, соединяемых пайкой или сваркой (рис.

1.19). В такой лопатке практически отсутствуют какие-либо ограничения в придании формы и расположении дефлектора и обеспечивается гарантированная его фиксация. Это достигается благодаря тому, что у составной лопатки дефлектор крепится в двух местах— к ее верхнему торцу н, как обычно, в замковой части лопатки. Крепление дефлектора к верхнему торцу лопатки может осуществляться пайкой либо к внутренней его поверхности, либо между соединяемыми частями лопатки. Для компенсации тепловых расширений лопатки н дефлектора, если они окажутся различными, на последнем делаются температурные компенсаторы в виде выштамповок — вигов. Будучи расположенными на дефлекторе в зоне замковой части лопатки, эти виги могут быть использованы для фиксации дефлектора прн закреплении его к внутренней поверхности верхнего торца лопатки.

Охлаждаемая лопатка составной конструкции дает возможность: изготавливать стенки ее с высокой точностью и надежно контролировать их размеры; создавать охлаждаемые лопатки с достаточно высоким газодинамическим качеством главным образом благодаря малой относительной толщине профиля н особенно малой толщине выходной кромки; улучшить интенсивность теплообмена благодаря стабильности формы и размеров внутренних каналов, организации струйного охлаждения входной кромки при оптимальном расстоянии между ней и щелью в оболочке; упростить технологию отливки, так как отпадает необходимость в изготовлении литейных стержней и их последующем удалении из каналов сложной формы и небольших размеров; контролировать качество литья наружной и внутренней поверхности и не проводить контроль размеров наружных обводов ее частей после их отливки; получать высокую точность размеров профиля окончательно изготовленной лопатки благодаря термофиксации в процессе соединения частей лопатки.