Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Таким образом, методика расчета интенсивности конвективнозаградительного охлаждения при проектировании сопловых лопаток первых ступеней газовых турбин сводится к следующему: 1. Из газодинамического расчета турбины на заданном режиме ее работы определяются величины газодинамических и термодинамических параметров газа и охлаждающего воздуха. 2. 'Исходя из обеспечения работоспособности сопловой лопатки, определяются потребные интенсивности охлаждения отдельных ее участков.
3. По изложенным ранее методикам рассчитывается интенсивность конвективного охлаждения указанных участков лопатки. 4. Если не представляется возможным обеспечить требуемую интенсивность охлаждения выходной кромки лопатки только конвективным способом, то с помощью зависимости (1.10) определяется требуемая интенсивность завесного охлаждения. 5. По зависимостям (2.46), (2.47) для участка выходной кромки (раздельно с выпуклой и вогнутой стороны профиля) определяется величина относительного расхода охлаждающего воздуха через отверстия перфорации, обеспечивающая необходимую интенсивность завесного охлаждения, как функция места расположения рядов перфорации на поверхности профиля Выбор места расположения последних может, в частности, осуществляться исходя из условия обеспечения минимума дополнительных потерь в ступени турбины из-за введения заградительного охлаждения сопловых лопаток.
60 Глава 3 Определение температуры лопатки с поперечным течением охлаждающего воздуха 3.1. Расчетное определение температуры охлаждаемой лопатки с дефлектором По мере увеличения температуры газа на входе в турбину и повышения эффективности охлаждения лопаток подогрев охлаждающего воздуха в них возрастает. При интенсификации процесса теплообмена на отдельных наиболее нагруженных в тепловом и механическом отношении участках лопатки изменяется и величина подогрева воздуха на каждом из них.
Кроме того, изменение общего подогрева воздуха и перераспределение величины его по участкам лопатки при изменении режимов работы двигателя может достигать таких значений, при которых точность определения темней-"уры лопатки при помощи обобщающих зависимостей (рис. 2.6) окажется недостаточной. В таких случаях температуру лопатки определяют с учетом изменения величины подогрева воздуха на каждом из ее участков. Это изменение находится по известному соотношению е "=- Т„ "— Т,"~ (Т'„ — Т;,, которое применительно к трем участкам лопатки записывается в виде Т, '=Т„*— (Т„'— Т,*)е '!, Т,п=Т„'— (Т; — Т,,)е '!!, Т,,п — — Т„*— (Т„*— Т, *)е 'и, (3.1) и где Т„'— температура заторможенного потока газа, обтекающего* лопатку; Т,*, Т,, Т и Т„п — температура охлаждающего воздуха на входе в лопатку, на выходе из участков входной кромки, срединной части профиля и выходной кромки соответственно;.
кэ хш — — Я,, (3.2) где Я,= )чп,!Рг,це,; (3.2а) Рг в~ср (Л (3.2б): Л, — коэффициент теплопроводности воздуха; ср — удельная теплоемкость воздуха; Р, — коэффициент динамической вязкости воздуха. Значения величин, входящих в выражения (3.2) и в критерии б1 (3.2д) для конца выходной кромки Ош — — е 'шКэшавп,!а„ш((Кэп,а,,п~ат,п+ 1).
(3.2е) Как видно, расчетное определение температуры лопаток предполагает определенные размеры ее внешних обводов и внутренних каналов. Они обычно выбираются в соответствии с конструктивными, газодинамическими, прочностными и технологическими требованиями. Последние, как правило, являются решающими при создании охлаждаемой лопатки, приемлемой в массовом производ- подобия, берутся для каждого участка лопатки из зависимостей, приведенных в равд. 2.3. Если внутренняя поверхность лопатки на участке входной кромки и на срединном участке профиля имеет ребра, то в уравнения (3.2) вместо а,, и а „должны входить а,,р —— =с», »)р, а =а, т)р, и соответственно коэффициенты фоРмы в р| Вв «вкв К.= — "-1~+ 1п - 1 (3.2в) ~твкв Ь вст «вкв» К»,, =(а, Ьп/)м,+1) (3.2г) где К,„,=-Е,„,Ъ, «,„,=1„,Ъ (см.
рис, 2.4); в«ти .«„и и т„,ив площади поверхности участков лопатки, по которой подводится тепло от газа (для входной кромки (г'„,=г".,Й„где Й, — длина пера лопатки, а С, — протяженность участка входной кромки, см. рис. 2.4); Р,, Р.п и Р,п, — площадь поперечного сечения каналов, !' по которым течет охлаждающий воздух на трех участках лопатки: Р,,=Ь,Йк (Йк — суммарная длина щелей во входной кромке дефлектора), Р,п=йпй„, Р,,п=йшй, к (Й,,р — суммарная длина щелей в выходной кромке лопатки). Определяющей температурой при подсчете а „принимается температура воздуха в середине участка.
При величинах подогрева воздуха, характерных для этого участка лопатки, она мало отличается от среднеарифметической. Для определения коэффициента теплопроводности материала лопатки Х„в первом приближении принимается предполагаемая температура стенки лопатки.
Уравнения (3.1) решаются, как обычно, последовательным приближением. Определив изменение температуры воздуха на срединном участке профиля лопатки и на участке выходной кромки, можно получить зависимости для подсчета безразмерной относительной температуры, лопатки, отнесенной не к температуре охлаждающего воздуха на входе в лопатку, а к ее значению на входе в срединный участок профиля лопатки и на выходе из выходной кромки. Для середины профиля эта зависимость будет иметь вид стве. Под технологическими требованиями в данном случае понимаются требования собственно процесса изготовления лопаток и осуществления операций по контролю их качества и размеров элементов конструкции и выбор и учет свойств материалов, применяемых для лопаток, в сочетании с процессами их отливки или штамповки, термической обработки, поверхностного упрочнения, антикоррозионного или теплозащитного покрытия и др.
Практика показывает, что усовершенствование известных, разработка и освоение новых технологических процессов, а также создание методов надежного неразрушаемого контроля изготовленных лопаток были и будут определяющими при разработке конструкций охлаждаемых турбин и внедрении их в серийное производство. Поэтому создание охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателен с высокими газодинамическими, тепловыми и прочностными характеристиками неразрывно связано с разработкой и внедрением в серийное производство совершенных технологических процессов. 3.2. Определение расхода охлаждающего воздуха в лопатках поперечной схемы В газотурбинных двигателях перепад давлений между входом и выходом из охлаждаемой лопатки ограничен.
Величина его определяется перепадом давлений в потоке газа, который срабатывается на сопловой и рабочей лопатках при заданной степени повышении давления в компрессоре. В этих условиях количество воздуха, которое может быть пропущено через охлаждаемую лопатку, зависит от размеров и гидравлического сопротивления совокупности последовательно и параллельно соединенных каналов различной длины и конфигурации. Существующие методы позволяют производить гидравлические расчеты систем охлаждения практически любой сложности. Однако для их применения, в частности к дефлекторным лопаткам, необходимо располагать достоверными данными о гидравлических характеристиках отдельных элементов охлаждающего тракта и взаимном их влиянии в реальных условиях работы.
Обычно экспериментальное определение гидравлического сопротивления охлаждающих каналов производят по продувкам лопаток, препарированных для измерений. Как в тепловых, так и в гидравлических расчетах лопатку делят на три основных участка (рис. 2.1). Коэффициенты гидравлического сопротивления каждого из участков определяются по разности полных давлений на входе и выходе из него 1 = 2й)э'(Рв)р о = 2 Рк — г1 у Рв гг0 — (Р 0!Р1) (г 0(~1)'+ ) где Р„Р, — статическое давление; Р, — плотность; Р„Р, — площадь проходного сечения на входе и выходе рассматриваемого участка.
Если потери полного напора отнести к кинетической энергии потока в каком-либо другом сечении площадью Рь то коэффициент гидравлического сопротивления в этом сечении определяется зави- 63 симостью ~;=~,(рур,)'(Р;!Р,)'. Экспериментальные данные, полученные при испытании различных вариантов лопаток с внутренним дефлектором при отношении давлений охлаждающего воздуха на входе (Р,) и выходе из лопатки (Р,) до п,=2,5, показывают вполне удовлетворительное совпадение замеренных коэффициентов гидравлического сопротивления с полученными пересчетом, если при этом поправка, учитывающая изменение плотности (р,) по потоку, равна отношению Р,1Р, 1371.
Для изотермического течения эта зависимость может быть преобразована так: 1;= 1. (Р,1Р.)*(11п), (3.3) где и=Р,1Рь Эксперименты, проведенные на лопатках, отличающихся по размерам более чем в 2 раза при 1=1И,=5 — 10 (1 — наибольшее расстояние между отверстиями в носике дефлектора и внутренней поверхностью входной кромки лопатки; 4 — гидравлический диаметр) в широком диапазоне изменения режимов (Р,=20 †2 кПа, Т;=330 — 1100 К и Т,*=280 — б20 К) !37] показали следующее.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
