Глава XVIII. Тепловая защита летательных аппаратов и их энергетических у (1013646), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Эти требования трудно реализуюгся из-зз технологических ограничений. Постоянное совершенствование технологии изготовления охлаждаемых лопаток расширяет возможность совершенствования схем охлаждения, что приводят к многообразиям конструктивных схем лопаток с воздушным охлаждением. Простейшими схемами внешнего воздушного охлаждения рабочих лопаток являются охлаждение теплоотводом в диск и парциальное охлаждение. Отвод тепла от лопаток в диск осуществляется воздухом, который обдувает ротор (диск) или продувается через специальные каналы н монтажные зазоры в замковых соединениях рабочих лопаток.
Такое охлаждение целесообразно использовать для коротких лопаток (30...40 мм). При расходе охлаждающего воздуха 0,7...1,314 от расхода газа температура газа перед турбиной может быть увеличена (50...60 К). При парциальном охлаждении рабочих лопаток охлаждающий воздух подается на часть лопаток, где отсутствуют сопловые лопатки. В этом случае рабочие лопатки омываются попеременно то газом, то охлаждающим воздухом. Такой способ охлаждения может быть целесообразен для рабочих лопаток малоразмерных турбин, в которых трудно реализовать внутреннее охлаждение из-за малой толщины профилей.
Наибольшее применение в практике находят схемы внутреннего воздушного охлаждения. В зависимости от направления течения охлаждающего воздуха в каналах лопатки схемы охлаждения бывают с продольным течением воздуха, с поперечным и смешанным (рис. !8.24). В схеме охлаждения с продольным течением воздух подается в корневую часть лопатки, движется вдоль ее длины и вытекает через верхний торец или через отверстие в выходной кромке.
В схемах охлаждения с поперечным течением воздух подае~ся во внутреннюю зону входной кромки лопатки, движется в поперечном направлении (по отношению к осн лопатки) и, охладив лопатку, вытекает через отверстия или щели, расположенные в выходной кромке или на вогнутой поверхности профиля вблизи кромки. В схеме охлаждения со смешанным течением воздуха на отдельных участках лопатки реализуются как продольное, так и поперечное течения. 457 4",К Рнс. 18 24. Гхамы воадугнного охлаждения лопаток гаговых турбин а — продольна»: б — попереене»; е — спешенная Рабочие лопатки с продольным течением воздуха отличаются сравнительной технологической простотои, однако возможности достаточно глубокого охлаждения в этой схеме ограничены, в основном, вследствие существенного увеличения температуры охлаждающего воздуха вдоль оси лопатки, что обуславливает так>не и неравномерность температуры по длине лопатки.
Поэтому эта схема охлаждения применяется в ступенях турбин, при входе н которые среднемассовая температура газа не превышает 1430 К. При заданных значениях расхода охладителя, температуре газа и его расходе через турбину эффективность системы охлаждения лопаток определяется значением температуры наружной поверхности лопатки. Чем меньше расход охлаждающего воздуха при допустимой температуре нару>иной поверхности лопатки, тем совершеннее система охлаждения и тем большее количество воздуха участвует в процессе расширения в турбине. Для анализа эффективности систем охлаждения температуру наружной поверхности лопатки Т г удобно представлять в безразмерном виде: е, = 1Т „— Т;у)Т „— 1Т „)„), 118.40) где Т, — температура наружной поверхности лопатки; Тг„— температура газа; (Тгон)„— температура охлаждающего воздуха на входе в лопатку.
Чем больше безразмерная температура наружной поверхности лопатки при заданном расходе охлаждаюшего воздуха, тем совершеннее система охлаждения лопатки турбины. При 6п — м 1 температура наружной поверхности лопатки Т, стремится к температуре охлаждаюшего воздуха Тг,а 458 Для определения распределения температуры наружной поверхности лопатки Т, рассмотрим процесс передачи тепла от горячего потока газа к охлаждающему воздуху. Для этой цели воспользуемся одномерной моделью расчета, в которой предполагается, что передача тепла посредством теплопроводности в стенках лопатки осуществляется только по нормали к поверхности лопатки.
Выделим элемент поверхности лопатки ЛЯ, Количество тепла, передаваемого от горячего потока газа к рассматриваемому элементу внешней поверхности лопатки, равно (18.41) ля = ~, (т„— т„,) лЯ,. Это количество тепла передается посредством теплопроводности через стенки лопатки лд =- — (т, — т ) л5,йв, Х (! 8.42) где Ав — коэффициент, учитывающий форму поверхности лопатки. Для участков лопатки, форма поверхностей которых близка к плоской поверхности, лв — — 0,5 (1 + Ло./Ло,), а для участков лопатки, форма которых близка к цилиндрической поверхности, Йф — —, ", ', где Ля, и Л5, — соответственно элементы наружной и внутренней поверхностей стенки лопатки; А — коэффициент теплопроводности материалов наружной стенки лопатки; 6 — толщина наружной стенки лопатки. Это же количество тепла расходуется на нагрев охлаждающего воздуха Лд = гх.
(т„— тм) — ' Лз,, ЛЯ, (18.43) В этих уравнениях а,, а., — коэффициенты теплоотдачи от горячего потока газа к наружной поверхности лопатки и от внутренней поверхности лопатки к охлаждающему воздуху; Т „Т,— температуры наружной и внутренней поверхностей лопатки; Тео ТМ вЂ” эффективные температуры газа и охлаждающего воздуха, в общем случае определяемые с учетом пленочного и струйного охлаждения поверхностей лопатки.
Из уравнений (18.4!), (18.42), (18.43) следует ла = й (т,„— т„) ля~ (18. 44) 1 где й — 1 6 1 1 коэффициент теплопередачи. 1 и, Х Йф и, Лх, Эффективные температуры газового потока при пленочном охлаждении и охлаждающего воздуха при струйном охлаждении можно выразить относительно эффективной температуры газового потока Т„и температуры "охлаждающего воздуха: т„= т„— е„( т„т,\, (18.45) 459 где ҄— эффективная температура потока, Тм — среднемассовая температура охлаждающего воздуха в канале.
Используя соотношение (18.45), выражение (18.44) можно представить в виде ЛЦ .. lг Л5> !(Т,„— Тм)(1 - 4)„)1. (18 46) Температуру наружной поверхности определим из уравнения (18 41): ЛЯ Т,„— Т, = — + Е,г(Т вЂ” Т ) -- Ем (Т, — Т „). ~» Из последних двух уравнений выражение для безразмерной тем- пературы наружной поверхности лопатки запишется в виде (1 8. 47) Таким образом, для определения безразмерной температуры наружной поверхности О, необходимо определить температуру охлаждающего воздуха Т,,, Для этой цели >тобходимо,рассмотреть одномерное уравнение теплового баланса с переменным расходом; С>гр, — г~ — ' (рп),ср, (Тгэ — Тг м) = ) НТ о - - 7"г аэ) (! — Ом) — (Тг.
— Тг м) (! -- Гс>,~)), (18.48) где (оп), .== 6, 55 — массовый расход струйного потока охлаждающе~ о воздуха, отнесенный к единице внешней поверхности канала; Оэ — расход воздуха па входе в канал; ср, — теплоемкость охлаждающего воздуха. Это уравнение удобно представить относительно безразмерной температуры охлаждающего воздуха. +-п>йм --- и, (1 8. 49) где О,, -= (Т~., — Т,„,)Г(҄— Тм,); гп == (ро),,'бз + й>'(О ср ) К к (1 — (4м); =-: )г (! — Ом)((а,,сгэ).
Решение уравнения (18.49) на рассматриваемом элементе поверхности лопатки Л5, при Ом, - — -- 0 запишется й„= »р( — ! шз)( 1 . р( 1 шя) Йя). (~85ч ав / (а5 Гья >> Выбирая величину 85 достаточно малой, при которой все коэффициенты, входящие в уравнение (18.50). можно принять постоянными и равными соответственно средним значениям на 460 рассматриваемом участке лопатки Лб, уравнение )18.5О) запишется как 0 (1 -е' ") (18 51) а! Уравнения (18.46) и (18,5О) дают возможность определить распределение температур охлаждаюгцсго воздуха н температуры наружной поверхности капала. В частном случае для конвектнвной схемы охлаждения 6„=- О, (ро)з — - О, а согласно уравнениям (18.46) и (18 50) т,„— т„,, ' (, а. ,„,! т,,— тм; ~зх З 81м =- — — ' == 1-.
ехр ( — —,--'— ). (18.52) Т О Тм$6~сг Для определения распределения температуры наружной поверхности лопатки необходимо знать значения коэффициентов теплоотдачи ва наружной и внутренней поверхностях лопатки. Определение распределения коэффициентов теплоотдачи на наружной поверхности лопатки (в элементах проточной части ту'р бин) является важным этапом при проектировании авиационных двигателей и их систем охлаждения В турбинах лопатки соплового аппарата и рабочие в особенности 1 ступени, находятся под воздейшвием высокоскоростного потока газа, отличающегося наиболее высоким уровнем параметров (температуры и давления), что предопределяет высокую интенсивность теплоотдачи к внешней поверхности лопатки н, следовательно, высокие требования к точности определения коэффициентов теплоотдачи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
