Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Здесь Т, — температура лопатки. Величину 0 еще называго«' тгноо<шгсльн<н<, величиной охлаждения или безразмерной глцбг<но<г охлио>адан<и<. с(см интенсивнее процесс темплообмена, тем прн меньшем <>тпосптслып>м расходе воздуха достигается охлаждение лопатки в заданных температурных условиях. Значение 9 при заданном относительном расходе охлаждающего воздуха будет тем болыпес, чем совершеннее конструкция лопатки и формы обводов ее профильной части, чем больше отношение поверхностей теплообмена с воздушной стороны к газовой и чем эффективнее способы интенсификации теплообмена с воздушной стороны (турбулизаторы, струйное охлаждение и др.), примененные в ней.
Если воспользоваться тем положением теории подобия, что прн изменении условий теплообмена температура лопатки изменяется подобно температуре тонкой плоской стенки Т„ „, находящейся в тех же условиях воздействия, то для каждого рассматриваемого участка лопатки можно написать (т» — т»)1(т„'— т») 1 — (т„„— т»у(т» — т») где Кь — коэффициент формы, учитывающий отлично тсмператуп- лопатки от температуры тонкой плоской стенки. Характерная особенность коэффициента формы состоит в том, что он весьма слабо зависит от условий теплообмена и для тел простых геометрических форм легко может быть определен аналитически.
Из условия теплового баланса между газом и охлаждающим воздухом следует, что количество теплоты, переданное плоской стенкой охлаждающему воздуху, равно отнятому от газа, !г. е. Я,=Я, или а„(Т„„— Т;) Р, = а, (Т„*— Т„) Р„. (1.3) При Р,=Р, получим (Т„"— Т, „)/(Т„„— Т;) = а,/а . (1.4) Тогда выражение для 0 с учетом равенств (1.2) и (1.4) можно привести к виду 0=(҄— Т.)/(҄— Т,)— К,а./ас (1.5) Каап/ас+ 1 Для плоской стенки и толстостенного цилиндра Кэ определяется зависимостями 1 .п.сс 1 + сспзп.сс/Хп.сс и К Г 1 А' 1+(а,с/х„) 1п (/1/~) ' !.6 где б„ „ — толщина плоской стенки, г и Я вЂ” внутренний и наружный радиусы цилиндра.
В условиях теплообмена, характерных для охлаждаемых лопаток турбин, величина коэффициента теплоотдачи весьма слабо влияет на изменение Кэ и для рассматриваемой конструкции лопатки оп является практически постоянным. Тогда, как следует из равенства (1.5), О=/(а,/а„). Безразмерное выражение для О удобно для сравнения интенсивности охлаждения различных лопаток. Оно позволяет определять температуру рассматриваемого участка лопатки для заданного режима работы турбины.
Чем выше коэффициент О, тем температура лопатки меньше отличается от температуры охлаждающего воздуха, следовательно, тем лучше она охлаждается. Так как при мало изменяющихся физических свойствах газовой и воздушной среды в условиях теплообмена и заданных режимом работы турбины температурах газа и охлаждающего воздуха для определенной геометрии решетки профилей и внутренних каналов правая часть уравнения (!.7) зависит от величины относительного расхода воздуха, то коэффициент О обычно графически представляют функцией отношения массовых расходов охлаждающего воздуха 6, и газа 6,.
Это следует из того, что так как а, и а„определяются числами ке, и Йе„т. е. а,/а,=ЦКе,/Ке„), а для рассматриваемых условий ке,/Ке,.=/с(6,/6,), то и 0=/,(6,/6,). На рис. 1.2. представлены графики для сравнения эффективности охлаждения серединного участка профиля некоторых конструкций рабочих лопаток газовых турбин. Пользуясь зависимостью О=Т(6,)б,), можно на самой ранней стадии проектирования проводить предварительные расчеты охлаждаемых лопаток подобных конструкций. Из расчета двигателя и турбины известны температуры газа Т"„, обтекающего лопатку, и охлаждающего воздуха Т;, а также предполагаемое (принятое при газодинамическом расчете турбины) количество этого воздуха в процентном отношении к расхост я а Г(,,Лл ДУ Гаэа.
Пример. Пусть Т„=1400 К, Т»= Рис. 1.2. Эффрктивность охлаж- 800 ~:, и 0 =18айа, По нг.1.2 (к иная 2 денна срединного участка профиля лопаток при ба=1,8ай, 0=0,32. Тогда Тл —.҄— 1 — лопатка с тремя радиальными — 0(Тг — Та)=1400 — 032(1400 — 600).=1144К. каналами; Х вЂ” лопатка с пятью радиальными каналамн; а — полая ло- ЕСЛИ Найдсивая тЕМПЕратура ЛО- натки ирены(пает ее допустимое значение по условиям прочности, которое не должно быть больше, скажем, 1080 К, то, подсчитав соответствующее заданной температуре лопатки значение 0= — 0,4, находим необходимую величину О,.
В рассмотренном примере она будет составлять 3%. В условиях теплообмена, характерных для охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей, физические свойства воздуха и газа не остаются постоянными. Их изменение является степенной функцией от абсолютной температуры. Поэтому пользоваться коэффициентом 0 для определения температуры какого-либо участка лопатки можно при одинаковом отношении температуры газа и воздуха.
1.2. Способы охлаждения лопаток воздухом Лопатки проникающего (пористого) охлаждения. В ннх воздух, проходя через мелк ие отверстия (поры) в стенке лопатки, отбирает от нее теплоту и, вытекая на наружную поверхность, омываемую газом, образует теплозащитный слой. Благодаря этому для охлаждения лопатки до заданной температуры требуется израсходовать значительно меньшее количество воздуха, чем при конвективном или конвективно-заградительном способах охлаждения.
Чем выше температура газа, обтекающего лопатку, тем эта разница больше. Так, при температуре газа Т„'=1900 К лопатки, имеющие проника(ощее охлаждение, прн прочих одинаковых условиях требуют относительный расход воздуха, почти в 3 раза меньший по сравнению с завесным охлаждением, организованным посредством крупномасштабной перфорации стенки лопатки. Однако недостаточная пока жаропрочность материалов, применяемых для лояаток с проникающим охлаждением (по сравнению со сплавами, применяемыми для лопаток с конвективным охлаждением), не дает возможности полностью реализовать эффект от снижения температуры рабочих лопаток.
Еще одним серьезным препятствием на пути реализации этого способа охлаждения является необходимость предохранения при длительной эксплуатации двигателя от засорения пор частицами пыли, содержащейся в охлаждающем воздухе и твердыми частицами в продуктах сгорания. По мнению ряда исследователей (14), наилучшим сочетанием прочностных и теплофизических характеристик обладают пористые сетчатые материалы (плетеные или витые), создаваемые из жаропрочной проволоки.
Тем не менее в таких материалах, получаемых горячей прокаткой проволочных сеток, образующиеся в них поры имеют нестабильную по объему материала форму поперечного и продольного сечений, а часть образующихся ими каналов оказываются несквозными. Это создает резкие повороты и тупики на пути течения запыленного воздуха и может приводить к закупорке оставшихся каналов.
То же самое имеет место и в пористых материалах, получаемых методами порошковой металлургии 114). В работе 115) предложены способы фильтрации для очистки воздуха от пыли с целью устранения закупорки пор. Наряду с этим существует точка зрения, что проникающее охлаждение может защитить лопатку не только от воздействия высоких температур, но и от эрозии и отложений пыли. Материалы для оболоч " охлаждаемой лопатки с упорядоченной внутренней структурой могут быть получены с помощью создания многослойных листов.
Эти материалы, получившие название «лэмиллой», с различным расположением и размерами отверстий, позволяют заранее подобрать местную проницаемость. Применение многослойных листов в качестве материала для оболочки охлаждаемой лопатки устраняет еще один существенный недостаток, присущий сетчатым материалам,— это присущее им уменьшение проницаемости из-за окисления после нагрева и в результате значительное уменьшение расхода охлаждающего воздуха. Лист лэмиллоя (рис.
1.3) состоит из двух нижних слоев с фасон- ными поверхностями, полученными фототравлением, которые образуют в соединении систему внутренних каналов строго определенной формы и размеров, и верхнего слоя с системой отверстий для подвода воздуха к охлаждаемой 'поверхности (78). Аналогичные отверстия располагаются и в нижних слоях для транспортировки воздуха от одного слоя к другому. Процесс фототравления позволяет варьировать в широких пределах размерами и формой охлаждающих каналов, их наклоном к охлаждаемой поверхности, а следовательно, получать при последующей штамповке пера лопатки из листа лэмиллоя переменную вдоль профиля проницаемость материала. Это дает Рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
