Газовые турбины проблемы и перспективы. Манушин Э.А. (1014151), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Определенными достоинствами обладают полузамкнутые системы охлаждения (рис. 5.5) . Такие системы могут выполняться либо воздушными, либо воздушно-жидкостными с воздухом как хладагентом. Основная особенность любого из вариантов полузамкнутой системы охлаждення — возврат воздуха, отведенного из компрессора и нагретого в элечентах турбины, в проточную часть двигателя. При этом происходит регенерация теплоты, отведенной в процессе расширения газа в турбине. Наибольшим многообразием конструкций отличаются сопловые лонатки и рабочие лопатки с воздушным открытым охлаждением. Зто многообразие объясняется стремлением создать высокоэффективную конструкцию лопатки, на охлаждение которой расходовшшсь бы минииально возможное количество воздуха, в которой были бы минимальными потери из-за охлаждения и при этом обеспечивались бы минимальньзе гидравлические потери и необходимые запасы прочности.
131 Выпуск акпаждаюцегг Впздуха Выпуи пкпаждпющгга даздука Выпуск пкааказающем Ваздука Выпуск акпаждающега Ваздука Выпуск аклаждпющегп дпг пука дпддпд хлпждаюцег Впздука ппддпсз пкпп.4дпющегп Воздуха А А А-А А-А Паддпд акппждающега даздука дающегп Рис. 5.6. Способгк интенсификации теплообмеиа в лопатках: и — с помощью ребер; б — с помощью ппмрьков; в - с помощью "тесных" вавиистых каналов Все рабочие лопатки с внутренним воздушным охлаждением лля открытых систем относятся к двум принципиальным схемам: с продольным течением воздуха в лопатке, при котором воздух подается в ее корневузо часть, течет в основном вдоль ее оси и'затем через верхний торец вытекает в радиальный зазор или, изменив направление иа 180 ' (в продольно-петлевой схеме), вытекает через отверстия в выходной кромке лопатки; с поперечным течением воздуха, при котором воздух также подается в корневую часть лопатки, меняет направление течения вдоль лопатки на поперечное и, охладив лопатку, вытекает через отверстия или щели, расположенные в выходной кромке или на вогнутой поверхности профиля вблизи кромки.
Часть воздуха может при этом вытекать в радиальный зазор. В некоторых конструкциях радиальное течение воз. духа на отдельных участках дополняется поперечным, а поперечное— радиальным. Такие схемы иногда называют смешанными. Рабочие лопатки с продольным течением воздуха отличаются сравнительной технологической простотой, однако возможности достаточно глубокого охлаждения лопаток при применении продольной схема' ограничены, поэтому даже в авиационных ГТД онн применяются в сту пенях турбин, при входе в которые Гг < 1430 К.
для повышения эффективности охлаждения лопаток, в которых ис' пользуешься продольное течение воздуха, применяют способы итенсифю кации теплообмена с использованием различного рода турбулизатороп' ребер, штырьков, "тесных" каналов грие, 5.6) и т.п. Например, увеличе' Рис.
5Л. Схемы рабочих лопаток со смешанным радиально-поперечным течением воздуха; а — с одиоходоаым; б — с двухходовым ние коэффициента теплоотдачи благодаря турбулизации, создаваемой штырьками, достигает 30 % [19] .. .В рабочих лопатках со смешанным радиально-поперечным течением (рис. 5.7) воздух подводится в радиальном направлении у входной кромки, а затем меняет направление течения на поперечное либо непосредственно после первого радиального хода 1рис. 5.7, а), либо после двукратного поворота на 180' (рис. 5.7, б) .
В таких конструкциях также применяются турбулизаторы в виде штырьков, перемычек и т.п. Рабочие лопатки с поперечным течением воздуха обычно имеют внутренний дефлектор (рис. 5.8) — тонколистовую профилированную вставку, основнос назначение которой — обеспечить при минимально возможных расходах охлаждающего воздуха достаточно высокие скорости в зазорах шириной около 0,5 мм между внутренней поверхностью лопатки и дефлектором и тем самым высокие коэффициенты теплоотдачи к воздуху.
Охлаждение сопловых лопаток по самой простой продольной схеме (рис, 5.9) отличается невысокой эффективностью даже при применении турбулизаторов и развитии поверхности со стороны охладителя путем оребрения. Поэтому чаще применяются лопатки с петлевым течением воздуха и выходом его на вогнутой стороне для охлаждения выходной кромки (рис. 5.10) . Значительно более широкое применение находят сопловые лопатки с поперечным течением воздуха.
Как и в рабочих лопатках, течение в них организуется посредством дефлекторов (рис. 5.11), а для интенсифика- 133 Лпддпд юлащдаю аегг гпгвуха ехпд лящдаюагггп гагдуха ьипд лаюдающгга Вггдуха пыхав пхлаюдающггд впгдуха А-А апдвпд шлаивающггг Вггвуха Ладгпг пхлаждающггп впгдуха упдвпд пхлаюдающггп вюдухп Рис. 5.8, Рабочие лопатки с поперечным течением охлаждающего возцуха: а — с дефлектором; б — с дефлектором и штырьками в выхоцной кромке РИС. 5гй СХЕМа СОПЛОВОй ЛОПатКИ С ПрацОЛЬНЫМ ТЕЧЕНИЕМ ОХЛажПЗЮШЕГО ВОЗдуХа а — без оребреиия с волнистым каналом у выходной кромки; б — с оребрением ции теплообмена вводятся прерывистые выступы и зигзагообразные или профилированные перемычки в районе выходной кромки, поперечное оребрение вдоль спинки и вогнутой внутренней поверхности лопатки, оребрение входной кромки, струйное натекание воздуха на внутреннюю поверхность входной кромки, поверхности спинки и вогнутой части через щели или отверстия.
При начальной температуре газа перед турбиной свыше 1450 — 1550 К ' и соответствующих степенях повышения давления в компрессоре (ик > 15 о 20) схемы внУтРеннего конвективного охлажденин не обеспечивают длителъный срок службы лопаток при умеренных расходах охлюю дающего воздуха. В этих случаях применяют более сложные комбинированные схемы охлаждения, в которых внутреннее конвективное охлажде. ние дополняется внешним пленочным (заградительным) или пористым (проникаюшим) .
При пленочном охлаждении воздух поступает на поверхность лопатки обычно через ряды отверстий, расположенных в шахматном гюрядке и создает защитный слой между газом и поверхностью лопатки. В ло латке, поперечное сечение которой показано на рис. 5.12 [19), выпопне ны две полости. Воздух, поступивший внутрь дефлектора в передней полости, выпускается через пять рядов по 48 отверстий диаметроы 0,5 мм у входной кромки и через два ряда по 53 отверстия того же диаметра со стороны спинки и вогнутой поверхности. Воздух, посту - 134 Рис. 5.10.
Схемы сопловых лопаток с петлевым течением воздуха: а — с односторонним подвоцом воздуха; б — с двусторонним подводом воздуха пивший внутрь дефлектора задней части лопатки, вытекает через семь 'щелей шириной 1 мм на вогнутую часа профиля у выходной кромки. В лопатках с пористым охлаждением воздух подводится во внутренние полости лопатки и продавливается через пористую стенку (рис. 5.13).
Поступая на поверхность, воздух создает на лопатке защитную ~пенку. Если мелкие поры расположены близко одна к другой, то отдельные струйки воздуха сливаются вблизи поверхности и препятствуют подводу теплоты к стенке. Пористое охлаждение при одинаковых параметрах газа и воздуха требует меньшего расхода воздуха, чем конвективное или конвективнопленочное. Это уменьшение тем более значительно, чем выше температура газа. Однако пористое охлаждение не дошло пока до промышленного применения.
Это объясняется конструкционными, технологическими и эксплуатационными причинами (возможностью засорения пор частицами паши, содержащимися в охлаждающем воздухе, и твердыми частицами в продуктах сгорания) . В последнее время за рубежом применительно к ГТУ с Гг = 1700+ —: 1900 К проведены исследования охлаждения рабочих лопаток водой "на выброс"; один из вариантов конструкции лопатки приведен на рис. 5.14.
Вода подается через отверстия 8 в диске к коллектору 7, после чего под действием центробежных сил через систему каналов 6 в ножке лопатки и 135 Рис. 5.11. Схема ссппоаой лопатки с внутренним цефпекторпм и пп. перечным течением возцуха: 1 — внутреннее оребреиие срецииного участка профиля; 2 — отверстия а дефпектсре (перфорапип1 Рис. 5.12. Поперечное сечение дв кпиость; Рис. 5.14. Схема жицкостипге охлаждении рабочих лопаток вовой "па выброс'* углей агаа агаг~ агагг Рис.
5.15. Схема лопатки, пхлажцаемой пп принципу открьпого термесифеиа 137 уыиад агааидагага ага аагауга дозирующее устройство 5 поступает в радиальные каналы 3 в профильной части лопатки. Эти канзлы (обычно постоянного по длине прямоугопь ного сечения) нарезаны на стержне 4 и закрыты припаянной к нему ~они~ стенной оболочкой 2. При течении по каналам примерно 21з воды испа 136 Рис, 5,13. Профили лопатки с пористым охлаждением: а — с массивным стержнем и системой процопьиых раздаточных каналов; б— попая из листового материала с системой цозируюпмх отверстий; 1 — стержень; 2 — оболочка; 3 — канал для воздуха; 4 — отверстия ряется, а оставшаяся часть в жидком виде выбрасывается через торец лопатки. Смесь водвори пара поступает в коллектор 1, выполненный в наружном корпусе турбины, конденсируется при охлаждении и вновь поступает в систему охлаждения.
Для обеспечения равномерности охлаждения стержень может выполняться из меди или охлаждающие каналы могут выполняться в медных вставках, впаянных в тело лопатки. Схемы охлаждения водой "на выброс" имеют недостатки: трудно распределять расход воды по каналам внутри лопатки; возникает эрозионный износ коллектора в корпусе; пар, вьпекший в проточную час~а, теряется как охладитель. Работы по двухконтурному охлаждению ведутся низкими темпами из-за указанных выше трудностей. При изготовлении подобных лопаток требуется обеспечить абсолютную герметичность внутренних полостей, о,в о,в Рнс. 5.16. Зависимости относительной глу.
бины охлаждения лопаток О от стнсснтсль. ного расхода охлаждающего воздуха В,„ 1 — обслсчковаа лопатка (оболочка толщиной 0,3 мм на массивном стержне); 3-4 — лопатки различной конструкции с конвсктнвным возцушным охлаждением; 5 — лопатки с конвсктлано.плсночныы охлаждением; б — лопатки с пленочным охлаждением; 7 — лопатки с пористым о' о хлаждсннс м П1 О в которых при работе развивается давление до 20-50 МПа. Такое же ,пг о,пв п,пу п,пу а , о а, требование выдерживается и при изготовлении лопаток, охлажцаемых по принципу открытого термосифона (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
