Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей под ред. Хронина Д. В. (1014169), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Учитывая, что керамика расширяется незначительно, при установке рабочих лопаток в диск предусмотрена возможность расширения перемычек диска пря росте температуры благодаря легкодеформируемой, либо упругой прокладке„которая располагается между основанием паза и нижней плоскостью хвостовика. Керамические лопатки позволяют работать прн температуре газа Т„' = 1300 К, а в перспективе довести ее до Т; ы 1000 К, снизить расход дефицитных материалов и издержки производства, а также несколько повысить экономичность.
Достаточная прочность охлаждаемых рабочих лопаток достигается в значительной мере обеспечением заданной температуры Е Рис. 4.18. Керамичесиие сопловая (а) и рабочая (б) лапатии ТВЛ Т76 фирмы еТерритта металла и градиентов температуры как в пере лопатки, так и в хвостовике при наличии той нли иной системы их охлаждения. Охлаждаемая лопатка представляет собой эффективное тепло- обменное устройство, в котором во многих случаях используется одновременно несколько видов теплообмена: — обычная вынужденная кон векция, — струйное охлаждение, — заградительное пленочное охлаждение.
Конструктивно-схемные решения охлаждаемых рабочих (и сопловых) лопаток отличаются большим разнообразием. Интересные с познавательной точки зрения поперечные сечения пера таких лопаток показаны на рис, 4.19. Наиболее распространенным и удобным критерием для оценки интенсивности охлаждения пера лопаток является параметр 0„, называемый коэффициентом температурной интенсивности охлаждения (коэффициент глубины охлаждения). Этот коэффициент показывает долю снижения температуры стенки по сравнению с температурой газа от максимально возможной величины температурного напора (Т; — Т;,л) — разности температур газа и охлаждающего воздуха: Т" — Т г — л Л ор«охл/«г Т; — Т'„~ К .
1«т+ 1 ния коэффициентов теплоотдачи от газа к лопатке и от лопатки к охлаждающему воздуху. Значения осредненного коэффициента В,р, показывающего эффективность различных конструктивных схем организации охлаждения в зависимости от относительногс расхода охлаждающего воздуха (на один лопаточный венец) О„„показаны на рис. 4.20. Из графиков видно„что (исключив нз рассмотрения перспективное — пористое охлаждение) наибольшая практически осуществимая эффективность охлаждения как сопловых, так и рабочих лопаток достигается при конвективно-пленочиом охлаждении. В настоящее время у охлаждаемых рабочих лопаток высокотемпературных турбин при Т," = (1600 ...
1550) К с конвективнопленочным охлаждением В „достигает значения 0,4, дефлекторных — 0,35. При меньших температурах (Т," =- 1400 ... 1450 К) с конвективным охлаждением Ор „составляют 0,3 (при канально- радиальном конструктивно-схемном решении [15]). Интенсификация теплоотдачи в охлаждающий воздух увеличивает эффективность системы конвективного охлаждения лопаток. С этой целью в охлаждаемых лопатках турбин применяются различные конструктивные решения. Распространенным решением является организация натекания воздуха на внутреннюю поверхность лопаток. Это осуществляется подводом воздуха внутрь вставленного в пустотелую лопатку тонкостенного металлического дефлектора, из которого воздух через систему мелких отверстий подается струйками в первую очередь к наиболее теплонапряжениым участкам по профилю и высоте лопатки (см. рис, 4.19, г).
где й,р — коэффициент глубины охлаждения; Т;, Т; и Т;„,— температура газа перед ступенью, материала лопатки и охлаждающего воздуха соответственно; К,р — среднее значение коэффициентов, учитывающего отличие температуры стенки лопатки от температуры плоской тонкой стенки; а„и сх„— местные значе- 166 Рис. 4.19.
Схемы течеиия ахлатидаитгпего Воздуха прв различных хонструхтив. иых схемах и видах теплообмеиа: ° лапреаламлтае хаамеааа вохдухе от хео*тоанаа, -1- то ле х хаоттааеху 169 ду т,,д рд к гааа д! аг 14аР П,1 1ЗРР ' а 1 2 У 4 6 „,% 1ПГа Рис. 4.20. Графики эффективности различных схем открытого воздушного охлаждения лопаток турбины: 1т ар уар пр г,„„д à — лопатха с радвальнммв казал«ма а прамоточноа схемоа охлаждевва; т — лопатка с полулетлевым течением охлаждающего еоадуха; 3 — дефлехгорвая лопатка; « — сопло- ваа лопатка с коввектавво-пленочным охлаждением; З вЂ” рааочаа лопатка с конвектввно- пленочным охлаждением Рис. 4.21.
Зависимость температуры материала лопатки Т от Т„', Т"х и О „„ Существенную роль в интенсификации теплообмена играет дополнительная турбулизация охлаждающего воздуха. Конструктивно интенсификаторами теплоотдачи являются выполненные на внутренней поверхности штырьки (рис. 4,19, б), профилированные перемычки (рис. 4.19, в), ребра, например, на внутренней поверхности передней кромки (рис. 4.19, в), которые одновременно несколько увеличивают внутреннюю поверхность охлаждения лопатки.
При конструировании лопатки и ее системы охлаждения проводится сначала ряд оценочных расчетов [151, а затем серия детальных расчетов с использованием более точных опособов оценки интенсивности охлаждения. При этом используются и экспериментальные данные, так как для правильной оценки прочности и работоспособности, особенно рабочих лопаток, необходимо знать температуру материала на различных участках профиля. На рис. 4.21 в качестве примера показано, сколь велико влияние расхода охлаждающего воздуха сг, на эффективность охлаждения сопловых и рабочих лопаток при заданных средне- массовых температурах (для сопловых лопаток 1100 К и рабочих — 1000 К) и Т;х, при различных схемах организации охлаждения.
Для наиболее высокотемпературных двигателей (Т„' = 1600 ... 1650 К) охлаждение сопловых и рабочих лопаток обеспечивается конвективно пленочным охлаждением. При этом наиболее тепло- 100 Ряс. 4.22. Эпюра распределения местных козффипнентов теплоотдачи от газа в стенку по обводу профиля н ха. рактерные участки профиля турбинной лопатки; г — аыходааа кромке; 1г — вогнутая х «ьшукааа часть профвле; Ы1 — выходхае кромка зрофнлх б Пур Д. В. Хроевяа 1б! напряженные участки поверхности защищаются заградительной воздушной пленкой, выдуваемой над защищаемой поверхностью через ряды малых (с[„, = 0,3 ...
0,6 мм) отверстий (перфораций). Для турбин таких двигателей характерен увеличенный расход охлаждающего воздуха: — на входную кромку и торцевые поверхности СА 4 ... 6 %; — на выходную кромку СА 1,5 ... 2,5 %; — на рабочие лопатки, диск 2,5 ... 3 %; на корпус турбины 0,1 ... 0,3 % и различного вида «утечки» 0,5 ... 1,5 %.
В целом для высокотемпературных турбин расходы охлаждающего воздуха могут достигать 14 ... 15 %, для турбин с меньшим уровнем температур — 6 ... 8 % н зависят как от уровня Тг, так и от числа охлаждаемых ступеней (см. рис. 4.1). Увеличение количества охлаждающего воздуха положительно сказывается на долговечности газовых турбин, однако нежелательно вследствие снижения их КПД [36[. В противоположность долговечности на установившихся режимах работы, измеряемой временем наработки, связанной непосредственно с расходом охлаждающего воздуха, циклическая долговечность связана с местными температурными напряжениями.
Н ра номерность температурного поля в сечениях лопатки яве в наляется определяющим фактором появления температурных пряжений, подчас значительных, при больших перепадах температуры в каждом данном поперечном сечении. Неравномерность температуры материала охлаждаемой лопатки в сечениях по высоте пера и по контуру в каждом сечении объясняется рядом причин: — температурное поле газового потока на выходе из камеры сгорания неравномерно как в окружном, так и радиальном направлениях (см. гл. 8); — охлаждающий воздух при протекании внутри лопатки, двигаясь от входа к выходу, постепенно нагревается, и его эффективность к теплосъему падает; — интенсивность теплоотдачн от газа в стенку различна на разных участках профиля вследствие различных режимов течения в пограничном слое и связанного с эткм резко отличающихся значений местных коэффициентов теплоотдачи (сх„), что хо- тгг/мел рошо видно из рис. 4.22; — наличием конструктивно-технологических трудностей выполнения необходимого количества и желательного размера каналов, щелей„перемычек, малых толщин стенок и наличием резких переходов по толщине, малых радиусов перехода конструктивных элементов и др.
От физических характеристик, таких как схема охлаждения, распределение толщины стенок по контуру профиля, тип материала и состав покрытий, зависит неравномерность температурного поля в различных сечениях, а следовательно, уровень местных температурных напряжений при всех схемах охлаждения и различных конструктивных решениях и связанная с этими напряжениями малоцикловая усталость лопаток. Особо важное значение имеют скорость изменения температуры газа по времени и величина перепада температуры при изменении режима работы двигателя. Так, например, переход от режима малого газа до максимума является более жестким, чем переход от 90 % тяги до режима полной тяги. Для всех конфигураций сечений лопаток выбор толщины стенок является важной проблемой, так как толщина стенок непосредственно влияет на распределение температур по контуру сечений и по высоте лопатки, в частности, на скорость изменения температуры в переходном режиме.
В некоторых случаях выгодно увеличивать местную толщину стенки и, следовательно, уменьшать скорость изменения температуры в этом месте. чтобы распределение температур на переходном режиме было более равномерным. Циклическая долговечность может значительно повыситься в результате использования материалов с повышенной пластич.
постыл и применения защитных покрытий. Наибольшие трудности при проектировании лопаток возникают в обеспечении требуемого охлаждения входной и выходной кромок. Нужный эффект по передней кромке достигается интенсивным оребрением внутренней поверхности этой части лопатки, введением специального канала по всей длине этой кромки с раздельной подачей части воздуха, созданием интенсивного струйного натекания при дефлекторном подводе охлаждающего воздуха либо созданием интенсивного пленочного заграждения.
Особенно трудно охладить выходную кромку из-за ее малой толщины. Распространенным решением является выпуск охлаждающего воздуха через ряд щелей либо отверстий диаметром б„, ы ' ы 0,4 мм на вогнутую поверхность вблизи самой кромки или щель на самой кромке (в этом случае толщина выходной кромки возрастает). Это ведет к повышению потерь на смешение и некоторому снижению КПД [12 [ вследствие разности скоростей и давлений смешиваемых потоков несмотря на то, что при выдуве воздуха из выходных кромок лопаток соплового аппарата он, расширяясь, совершает полезную работу в каналах рабочего колеса и последующих ступенях турбины. !62 Трудности охлаждения связаны и с высокой температурой охлаждающего воздуха.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
