Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей под ред. Хронина Д. В. (1014169), страница 33
Текст из файла (страница 33)
4.20, пористое охлаждение наиболее эффективно. При таком охлаждении, когда относительный диаметр отверстий (отношения диаметра отверстия к его длине) мал, а длина сравнительно с ним значительна, воздух на выходе из отверстий может иметь температуру, близкую к температуре оболочки. В этом случае максимально используется хладоресурс охлаждающего воздуха. Однако в настоящее время практическое осуществление пористого охлаждения связано с необходимостью преодоления значительных трудностей как конструктивного, так и технологического характера.
Во-первых, трудности заключаются в создании тонкостенной оболочки, например, из сетки специального плетения и способе ее надежного соединения с несущим стержнем. Во-вторых, склонность пористых материалов к окислению ведет к постепенному уменьшению проходных сечений, повышению температуры стенки и, следовательно, прогрессирующему дальнейшему окислению и снижению проницаемости. Выполнение отверстий в штампованной нз листа оболочке лазерным сверлением или ЭХО прн уменьшении их числа или увеличение размеров отверстий при изготовлении оболочки из сетки снижает эффект пористого охлаждения. Такой подход к решению вступает как бы в противоречие с самой идеей проникающего охлаждения. Поэтому желательно создание новых материалов, более стойких к окислению, и новых технологий получения пористой оболочки.
Для создания необходимых условий охлаждения желательно, чтобы на каждый квадратный сантиметр пористой поверхности суммаьоная проходная площадь сечения была примерно равной 0,5 мм . При этом во избежание быстрого засорения пор их размер должен быть не менее 50 ... 100 мк. Фирмой «Кертис-Райтз (США) была спроектирована конструкция лопатки с пористой оболочкой (оболочковая лопатка с проникающим охлаждением), выполненной путем сращивания шести рядов сетки из проволоки «( = 0,11 мм. При испытаниях (Т„' = = — 1640 К и б„,з = 3,85 %) температура материала в различных точках профиля пера Т„~( 875 'С при максимальной разнице температур по профилю АТ„ж 210' (см. рис.
4.24, г, где в скобках дан относительный расход воздуха, проходящий через соответствующий канал подвода). Высказываются мнения, что при дальнейшем усовершенствовании технологии изготовления проницаемых материалов и конструкции самих лопаток они смогут работать при Т„' = 1700 ... 1750 К и 6„„ = 2 Ж на один лопаточный венец. 174 4А.
СОПЛОВЫЕ АППАРАТЫ 4.4.1. Общие сведения и конструктивные параметры Сопловые лопатки, собранные в решетку для каждой данной ступени, образуют сопловой аппарат (СА). Сопловые лопатки в зависимости от температуры газа Т„', которая в данной ступени всегда выше, чем температура газа в каналах рабочего колеса Т„' (см. рнс. 4.1), выполняются охлаждаемыми или неохлаждаемыми. При этом учитывается, что у сопловых лопаток более высокая температура нагрева допустима, поскольку они в отличие от рабочих лопаток ие нагружены центробежными силами.
В современных ГТД сопловые лопатки, иа первых ступенях охлаждаемые и иеохлаждаемые, могут иметь среднемассовую температуру порядка Т„= 900 ... 1000'С и более. При этом отдельные лопатки либо их участки нагреваются до различной температуры из-за неравномерности температурного поля за камерой сгорания, а также неидентичности охлаждения вследствие различия коэффициентов теплопередачи (см. рис. 4.22) и ряда других факторов.
Вместе с тем как вследствие разной толщины профиля иеохлаждаемых лопаток, так и различных толщин стенок охлаждаемых лопаток СА прогрев и охлаждение при изменении режима работы двигателя происходят с различной скоростью, что ведет к появлению циклической усталости материала лопаток, а многократные остановки и повторные запуски двигателя — и к малоцикловой усталости. В зависимости от компоновочных требований, например, если предусматривается расположение внутри полости лопатки каких- либо конструктивных элементов (силовой связи с помощью болтов, шпилек, стоек либо магистралей подвода или отвода масла, воздуха и т. ц.), относительная толщина профиля С,„/Ь значительно увеличивается и может достигать С /Ь = 10 ...
25 «1«. В зависимости от требуемого значения С,„значительно увеличивается и длина хорды Ь, а следовательно, при сохранении рекомендуемых значений Ь// для решеток сопловых аппаратов число лопаток сокращается. Уменьшение числа лопаток и выполнение их в блоках в принципе является положительным фактором, особенно с позиций экономического обоснования — снижения затрат на дефицитные жаропрочные материалы и изготовление. В осевом направлении ширина лопаток з см (0,431я с«, + 0,52) Ь.
При проектировании СА предусматривают, а в дальнейшем, при изготовлении и сборке, обеспечивают строго оговоренную величину проходного сечений на выходе из СА. Разброс величины этого сечения определяется в основном углом установки выходных кромок лопаток ««,. Этот угол согласно рекомендациям (15,36) на первых ступенях выполняется равным и, = 18 ...
25' и на последних — равном ««, см 35'. Прн малых расходах газа угол ««, может быть меньшим, до а, см 14'. При этом учитывается, что 175 при нагреве СА от холодного до горячего состояния проходная площадь несколько изменяется — увеличивается на 2 ... 2,6 % от расчетной в холодном состоянии.
При комплектовании СА величину выходного сечения контролируют и обеспечивают в пределах допуска 1 % путем подбора лопаток либо изменением угла а„ их установки на выходе из СА путем поворота лопаток на небольшой угол Ьа,. Сопловые лопатки выполняют как с полками на их концах, так и без них. Если лопатки с полками, то они образуют проточную часть и используются для крепления лопаток в корпусах. При проектировании СА большое внимание уделяется выполнению следующих основных требований: — обеспечения необходимой точности и идентичности установки лопаток в корпусе и стабильности их положения под нагрузкой при многократных изменениях теплового режима и наличии вибраций при работе двигателя; — отсутствию значительных термических напряжений растяжения, сжатия и изгиба при изменении температурного состояния деталей СА; — простоте подвода охлаждающего воздуха как на охлаждение лопаток нескольких охлаждаемых ступеней, так и для снижения нагрева наружного силового корпуса при обеспечении герметизации стыков и сведению величины утечек охлаждающего воздуха к минимуму 1егт, ж О); — исключению как местного, так и общего перегрева; — технологичности изготовления и установки в корпусные детали; — возможности замены лопаток при подборе выходного сечения и дефектных лопаток в процессе эксплуатации при ремонтах; — обеспечению соосности деталей лабиринтных уплотнений ротор †на всех режимах работы двигателя; — экономической целесообразности принимаемого решения.
При проектировании охлаждаемых лопаток используются те же конструктивно-схемные решения, что и рабочих лопаток 1см. подразд. 4.3.2). При охлаждаемых лопатках СА первой ступени подвод охлаждающего воздуха может быть выполнен как со стороны наружного силового корпуса, так и внутреннего. При этом подвод воздуха может быть раздельным, т. е. подаваться в переднюю и заднюю внутренние полости лопаток с различными значениями Р;„, и Т;„„. 4.4.2. Конструктивно-схемные решения сопловых лопаток Наиболее распространенным конструктивно-схемным решением является вариант, когда профильная часть (перо) 1 лопатки СА выполняется заодно с наружной полкой 2 и внутренней полкой 3 1как показано на рис.
4.36). Наружные и внутренние полки выполняются с кольцевыми поясками 4 либо кольцевыми выступами б. 176 б- ' 7 е' е,'. б,б' а,'~у ие тиио, б«ат Малин '"!б' О' " /5' ег,г е, 7. ~м а1 еб,етИ б-б „е В еа";.. — ГО ' =ел В,аб Рне. 4.35. Солловме лопатки: а — оеноиныа размеры и Ноиу.
ткаемые отклонении; б — лн. тме локаткк В ряде эксплуатируемых ГТД лопатки СА выполняются индивидуальными или неразъемно соединенными между собой по две, три и более в блоке 1см. Рнс. 4.37 ... 4.40) как неохлаждаемые, так и охлаждаемые. Изготовление блоков лопаток соплового аппарата, выгодное с позиции снижения расходов на их изготовление, в ряде случаев может войти в противоречие с требованиями по циклической н малоцикловой температурной усталости из-за температурного взаимодействия, сложности формы и напряженного состояния и ограничений по выбору материала н покрытий. На рис.
4.36 показаны охлаждаемые лопатки с конвективным и конвективно-пленочным охлаждением и подводом воздуха через дефлектор. Применение вставной между полками 2 и 3 трубки б 1рнс. 4.36,а) кроме организации двухстороннего подвода охлаждзкяцего воздуха н поперечного его движения внутри профиля дает возмож- 177 Рис. 4.33. Сопловые охлаждаемые лопатки: а — лопатки первой ступени ТРДД «Коиувй»; б — напитки первой ступени ТРДД Ютйп-7 ность обеспечить струйное охлаждение наиболее теплонапряженной входной кромки профиля лопатки.
У выходной кромки со стороны корыта 1 воздух, вытекая через щели 7, образует защитную пленку, снижая тем самым поступление тепла от протекающего газа. Однако столь простой конструкции лопатки сопутствует и большая неравномерность температуры металла стенок, приводящая к дополнительным термическим напряжениям. Схема комбинированной охлаждаемой сопловой лопатки, в передней части которой реализуется пленочное охлаждение, показана на рис. 4.36, б. Воздух из продольного канала дефлектора 12 выходит в проточную часть через отверстия 8 в области входной кромки, создавая воздушную пелену на поверхности корыта и спинки профиля. Средняя и задняя части лопатки охлаждаются воздухом при конвективной схеме охлаждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
