Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Кроме того, так как обработка экспериментальных данных проводилась по температуре воздуха на входе в лопатку Т,", то при пользовании этими графиками предполагается подобие по подогреву воздуха в испытанных лопатках и рассчитываемых, а также независимость этого подогрева от количества охлаждающего воздуха, протекающего через лопатку. Испытания достаточно большого количества лопаток, отличающихся по своим размерам более чем в 2,5 раза, показывают, что эти допущения не вносят существенной погрешности при расчете температуры дефлекторных лопаток, работающих при удельных тепловых потоках д=(12 —:15) 10' и относительном количестве охлаждающего воздуха 6,„,=1,5 — 3,0о)о. Пользуясь этими графиками, можно при проектировании высокотемпературной турбины выбрать для заданных условий размеры каналов для охлаждающего воздуха и определить температуру лопатки на различных режимах работы двигателя. Разумеется, ири этом необходимо знать относительный расход охлаждающего воздуха.
2.5. Теплообмен в лопатках с радиальным течением охлаждающего воздуха Охлаждаемые лопатки с радиальными каналами имеют более сложную конфигурацию в поперечном сечении, чем рассмотренные выше пустотелые лопатки с дефлектором. Различные условия подвода тепла от газа по наружному контуру лопатки и отвода его в охлаждающий воздух через поверхность внутренних каналов, различное размещение каналов в лопатке приводят к значительной неравномерности в ней поля температур. Для определения этого поля температур необходимо решать многомерное нелинейное дифференциальное уравнение д(р,с,Т)l !дт=-г((ч(ХзьмТ), описывающее распространение тепла в теле любой формы с йеременными граничными условиями.
Эту задачу, как известно, решить невозможно из-за ее сложности. Она существенно упрощается, если рассматривать установившийся процесс теплообмена, протекающий при постоянных теплофизических свойствах тела. У рассматриваемых лопаток продольные тепловые потоки малы по сравнению с поперечными потоками, поэтому ими можно пренебречь. Тогда задача становится двумерной и распределение температуры по профилю лопатки будет удовлетворять уравнению Лапласа д'Т7дх'+д'Т~ду'=0 (2.27) и граничным условиям третьего рода по наружному контуру профиля и внутренним каналам в рассматриваемом сечении сс„(҄— Т„') =Х(дТ(дп), а, (Т вЂ” Т,) = — Х (дТ!ди), (2.21) где и„и а, — коэффициенты теплоотдачи определяются по критериальным уравнениям; Т„Т, и ҄— температура газа, воздуха и лопатки.
Эта задача, как и подавляющее большинство задач теплопроводности, решается численным методом с использованием ЭВМ. Однако подготовка данных для вычисления, в частности, геометрических характеристик поперечного сечения лопатки — наружного контура профиля и внутренних каналов охлаждения, является довольно трудоемким процессом. Необходимо располагать координатами профиля и внутренних каналов, по которым можно было бы в необходимом (увелнченном) масштабе вычертить поперечное сечение лопатки. Это означает, что лопаточная решетка должна быть уже спрофилирована.
Только тогда можно производить разбивку контуров и сечения лопатки на участки и графическим ну~ем определять необходимые для расчета величины. Поэтому описанным методом пользуются при окончательных или поверочных расчетах температурного поля спроектированной лопатки. На ранней стадии проектирования двигателя, когда формируется схема проточной части турбины, обосновывается допустимая величина температуры газа на входе в турбину и всвязи с этим выбирается число, форма и взаимное расположение радиальных каналов 43 по сечению лопатки, материал и способ ее изготовления, необходимо знать температуру на наиболее нагруженном участке, определяющем минимальный запас прочности. Обычно это корневые или близкие к ним сечения лопатки.
На этом этапе проектирования необходим несложный, но достаточно надежный метод, пользуясь которым можно было бы определить напряжения в лопатке и ее температуру в этих сечениях (34). Что касается температуры лопатки, то, пренебрегая растеканием тепла по длине ее, в том числе и теплоотводом в замковую часть, можно найти ее на характерных участках профиля в определяющих прочность лопатки сечениях, пользуясь выражением (2. 22) Для корневых сечений лопатки подогревом охлаждающего воздуха можно пренебречь и температуру его принимать равной температуре на входе в лопатку.
Коэффициент формы для различных участков профиля лопатки будет зависеть от расположения радиальных каналов по отношению к внешнему контуру профиля и от их размеров в значительно большей степени, чем от отношения коэффициентов теплоотдачи (и,lя„) и теплопроводности (Х) материала лопатки. Поэтому значение коэффициента формы лопатки можно определить для наиболее характерных и чаще всего встречающихся форм и сочетаний радиальных каналов и пользоваться этими значениями в предварительных расчетах температуры лопатки. В табл.
1 приведены величины коэффициентов формы на участках входной (Кэ,) и выходной (Кф,п) кромок, вогнутой и выпуклой части профиля (Кэп) для лопаток с различной геометрией поперечного сечения. Эти значения Кэ получены в результате расчета температурного поля этих лопаток по изложенной выше методике. Несмотря на то, что диапазон изменения коэффициентов формы на каждом из участков мал (не более ~5%) представленные величины соответствуют максимальным значениям температуры лопатки. Расход воздуха через внутренние продольные каналы в охлаждаемой рабочей лопатке зависит от его параметров на входе, отношения давлений и гидравлических сопротивлений на входе и выхо'де из каналов, гидравлического и теплового сопротивления в каналах и от влияния центробежных сил при вращении лопатки.
Параметры охлаждающего воздуха на входе в лопатку опреде'ляются местом отбора его из компрессора, гидравлическим сопротивлением тракта подвода к вращающемуся лопаточному венцу подогревом за счет работы центробежных сил и степенью охлажде'ния воздуха в теплообменнике, если он имеется.
Отношение давлений и гидравлическое сопротивление на входе и выходе из каналов зависят в значительной степени от конструктивных особенностей лопатки. Например, подвод воздуха собствен.но в каналы осуществляется из общей полости в каждый канал не'посредственно из системы подвода к венцу или в группы каналов.
Таблица 1 Важно, на каком участке верхнего торца лопатки расположены каналы и какая абсолютная величина радиального зазора между лопаткой и корпусом турбины; имеется ли у лопатки бандажная полка и как по отношению к радиальным выступам на ней (уплотняющим гребням) располагаются каналы; каковы величины окружной скорости верхнего .торца лопатки или бандажной полки и т. п. Гидравлическое сопротивление собственно каналов зависит от их формы, режима течения и степени шероховатости поверхности, а тепловое сопротивление — от распределения тепловых потоков по длине и периметру и от величины подогрева воздуха при течении его вдоль канала.
Влияние вращения на расходные характеристики внутренних радиальных каналов охлаждаемых лопаток незначительно. По данным, приведенным в работах 145, 58 и др.), коэффициент расхода во вращении лишь на 5 — 8% больше, чем в статических условиях. В лопатках со смешанным направлением течения охлаждающего воздуха, в которых располагаются перегородки и различной формы турбулизаторы, а направление течения воздуха может изменяться иа 180', определение расходных характеристик для реальных условий их работы в турбине является сложной задачей.
Она решается для каждой конкретной конструкции лопатки и условий ее работы, как правило, экспериментальным путем. лб 2.6. Теплообмен в лопатках конвективно-заградительного охлаждения Как отмечалось, при увеличении среднемассовой температуры газа перед турбиной и при применении только конвективного охлаждения в ряде случаев не удается обеспечить работоспособность турбинных лопаток, в первую очередь сопловых аппаратов первых ступеней, так как они воспринимают максимальные местные температуры. Это обусловливает необходимость использования комбинированного конвективно-заградительного охлаждения, которое, несмотря на снижение КПД ступени турбины, связанное с появлением дополнительных потерь, вызванных выпуском охлаждающего воздуха иа поверхность профиля, может обеспечить суммарный положительный эффект от повышения температуры газа, особенно в многоступенчатых турбин ах.
При конвективном охлаждении наибольшие трудности заключаются в организации охлаждения выходной кромки лопатки вследствие высоких тепловых потоков со стороны газа и уменьшенного хладоресурса воздуха из-за подогрева его при охлаждении предыдущих участков профиля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
