Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 19
Текст из файла (страница 19)
По данным других работ, например (1], неравномерность температуры в потоке газа на выходе из камеры сгорания, характерная 8В для современных газотурбинных двигателей, практически не оказывает влияния на КПД турбины. Неравномерность температурного поля в движущемся потоке создает неравномерность поля полных напоров, которое эквивалентно переменной силе, действующей на рабочую лопатку, что может возбуждать резонансные колебания рабочих лопаток. Тензометрирование рабочих лопаток одноступенчатой турбины экспериментального ТРД показало, что с уменьшением неравномерности температурного поля уровень вибрационных напряжений снижается.
Так, при уменьшении степени неравномерности температурного поля с 39 до 23'l» средние динамические напряжения при колебаниях по основному тону снизились на 20 †25 . Повышение температуры газа способствует повышению уровня турбулентности в потоке на входе в турбину, что влияет на профильные потери и коэффициент теплопередачн от газа к лопатке. Все эти явления принимаются во внимание н учитываются прн проектировании высокотемпературных турбин авиационных двигателей. 4.2. Потери, связанные с охлаждением элементов турбины Использование в качестве охладителя элементов турбины воздуха, отбираемого за последней или за одной из промежуточных ступеней компрессора, и сброс этого воздуха в проточную часть турбины, как правило; приводит к дополнительным потерям, уменьшающим получаемый положительный эффект от повышения температуры газа перед турбиной.
Эти потери взаимосвязаны. Один вид потерь обусловливает появление другого, и раздельное рассмотрение их носит несколько условный характер. Однако это делается для удобства более подробного анализа причин возникновения дополнительных потерь. Термодинамические потери. В процессе охлаждения сопловых и рабочих лопаток происходит отвод тепла от газа, протекающего в межлопаточных каналах и в осевых зазорах между лопаточными венцами, при смешении его с охлаждающим воздухом, вытекающим .из лопаток в проточную часть турбины. Это приводит к тому, что процесс расширения газа в турбине происходит по политропе с показателем тем большим, чем больше отводится тепла. Если гидравлические потери в турбине сравнительно невелики, а количество отводимого тепла большое, например при ум *пьшенни температуры лопаток благодаря охлаждению па 500 — 550 К, то показатель политропы процесса расширения газа в турбнне может превысить значение показателя адиабаты.
Это означает, что коэффициент возврата тепла, обычно увелнчившощий располагаемую работу расширения по сравнению с нзоэптропичсской, будет иметь значение меньше единицы. Илн, как говорят, «псевдополитропический» КПД турбины становится болыпе изоэнтропического 157!. Ь7 Следовательно, отвод тепла в процессе расширения снижаеч располагаемую работу турбины и приводит к потере полезной работы при заданной величине температуры газа перед турбиной.
Эти дополнительные потери, связанные с введением охлаждения, называются термодинамическими потерями. Они будут тем большими, чем больший теплоперепад срабатывается в ступени, т. е. чем больший перепад давлений приходится на охлаждаемые лопаточные венцы и чем большее количество тепла отводится от них. При отношении абсолютных температур лопатки и газа не менее чем 0,7, потеря в изоэнтропическом КПД ступени турбины не превысит 1% 170]. У турбинных ступеней с конвективно охлаждаемыми лопатками, срабатывающих перепад давлений Р,*/Р,=2,5 — 3,0 при понижении температуры лопаток по отношению к температуре омывающего их газа на 300 — 350 К, уменьшение КПД ступени из-за термодинамическнх потерь составит 0,2 — 0,3%. Если лопатки будут выполнены с конвективно-заградительным охлаждением, при котором количество охлаждающего воздуха, как правило, больше, чем у лопатки с чисто конвективным охлаждением, и, следовательно, большее количество тепла отводится от газового потока, то увеличение термодинамических потерь может приводить к уменьшению КПД турбины до нескольких процентов 1701.
При этом заметно будут изменяться параметры газа на выходе из ступени турбины, увеличиваться их неравномерность. Наибольшее изменение будет претерпевать температура газа, которая уменьшается с ростом количества отводимого тепла при охлаждении сопловых и рабочих лопаток. Это необходимо учитывать при проектировании ступеней турбины, расположенных за охлаждаемой сту-, пенью.
Затрата энергии на сжатие охлаждающего воздуха. Работа, затрачиваемая на сжатие охлаждающего воздуха в компрессоре, уменьшает выходную мощность турбины. Это уменьшение тем большее, чем больший расход охлаждающего воздуха и чем выше дав. ление в месте отбора его из компрессора. Эквивалентные потери в КПД турбины могут достигать 1 — 2% [701. Однако относить эти потери за счет процессов, происходящих собственно в ступени с охлаждающими лопатками, можно только условно. При определении оптимальной степени нагруженности охлаждаемой ступени турбины в процессе проектирования учитывают дополнительную работу, затрачиваемую на сжатие в компрессоре воздуха, отбираемого на охлаждение.
Это может привести к увеличению диаметра ступени для достижения требуемого значения окружной скорости при сохранении неизменной частоты вращения, а КПД турбины в этих условиях будет определяться, как обычно, гидравлическим совершенством проточной части ступени и кинематикой потока в ней. Потери, обусловленные затратой дополнительной работы на сжатие охлаждающего воздуха, скорее относятся к потерям термодинамического цикла газотурбинного двигателя.
Так как онн про- являются в ухудшении удельных параметров газотурбинного двигателя, то их и учитывают при определении удельной мощности и удельного расхода топлива. При этом принимается во внимание, что охлаждающий воздух, сбрасываемый в проточную часть турбины, возвращает часть работы, затраченной на его сжатие, и исполь.зуется в ступенях турбины, следующих за рассматриваемой охлаждаемой ступенью.
Влияние рассматриваемых потерь на основные удельные параметры газотурбинного двигателя для различных его схем будет различное. Затрата работы на прокачку охлаждающего воздуха. Потери на прокачку охлаждающего воздуха обусловлены затратой работы на разгон этого воздуха до окружной скорости, соответствующей месту выхода его из рабочей лопатки. Они прямо пропорциональны квадрату этой скорости и секундному расходу воздуха. Поэтому ступени турбины, у рабочих лопаток которых преобладает радиальное течение охлаждающего воздуха и выпуск его осуществляется из верхнего торца, будут иметь наибольшие потери на прокачку при прочих равных условиях. Однако у таких ступеней некоторую часть потерь на прокачку можно компенсировать за счет уменьшения обычно имеющих место потерь в радиальном зазоре между рабочей лопаткой и наружным обводом.
Так, при выпуске охлаждающего воздуха из периферийного торца рабочих лопаток, не имеющих верхнего бандажа, в количестве 2% от расхода газа, КПД испытанной ступени турбины снизился всего лишь на 0,6'т0, в то время как потери мощности только на прокачку воздуха через внутренние каналы лопатки составили бы 1,6'4 161. При выпуске охлаждающего воздуха через выходную кромку лопаток потери на прокачку также могут быть частично скомпенсированы за счет полезного реактивного эффекта этого воздуха. Однако величина этой компенсации, как правило, чрезвычайно мала, и при относительно большом гидравлическом сопротивлении внутренних каналов, характерном для интенсивно охлаждаемых лопаток, может иметь и отрицательное значение. Это будет означать, что охлаждающий воздух не только создает положительный эффект реактивного выпуска, но и тормозит колесо.
У рабочих лопаток конвективно-заградительного охлаждения воздух, выпускаемый из отверстий, расположенных на входной части профиля, создает реактивные силы, направленные против движения лопаток и, следовательно, еще дополнительно уменьшает полезную работу турбины. Потери при смешении охлаждающего воздуха с основным потоком таза. Охлаждающий воздух, выпускаемый в проточную часть турбины, смешивается с основным потоком газа в местах выпуска его из лопатки в начале или внутри межлопаточпого канала при заградительном охлаждении, в осевом зазоре, при выпуске его из щелей или отверстий в выходной кромке или вблизи ее и в радиальном зазоре.
Потери смешения в радиальном зазоре, как и потери на ей прокачку, частично компенсируются уменьшением потерь в радиальном зазоре. Процесс смешения охлаждающего воздуха, выходящего из задней кромки лопатоки основного потока, происходящий в осевом зазоре, неизбежно приводит к потере полного давления основного потока и может изменить его направление.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
