Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 23
Текст из файла (страница 23)
В работе (36) получена зависимость и(й +)) 11' Н а,я ! — (С)С,) оЧ ьо ' ! С1 1 ~ Г 6 ' (У/С )~ — 2 ((/)С )созх~+ ! ' (4.5) которая позволяет определить приращение коэффициента потерь (6з„) в решетке рабочего колеса в реальных условиях периодически нестационарного обтекания в области автомодельности по числу Ке по сравнению с коэффициентами профильных потерь в этих же решетках, измеренными (рассчитанными) в стационарных условиях ($,, и $ „) при тех же числах Ке, )! и степени турбулентности зо.
Зависимость (4.5) была использована при обработке результатов экспериментального исследования влияния конвективнозаградительного охлаждения лопаток соплового аппарата на КПД одноступенчатой турбины с охлаждаемыми лопатками 135). Испытывались две компоновки, отличавшиеся только конструктивным выполнением сопловых аппаратов. Оба сопловых аппарата были собраны с лопатками, имевшими одинаковый внешний профиль. В одном сопловом аппарате лопатки охлаждались по чисто конвективной схеме с выпуском охлаждающего воздуха в заднюю кромку, в другом — двухполостные лопатки конвективно-заградительного охлаждения с выпуском охлаждающего воздуха как через заднюю кромку, так и через ряды перфорации.
Перфорация представляла собой пять рядов отверстий на входной кромке и по два ряда иа корыте и спинке лопатки вблизи входной кромки. На рабочем режиме относительные расходы охладителя через заднюю кромку для обеих лопаток составляли 2,2%, через ряды перфорации— 4,5%. Сравнительные испытания обоих типов лопаток на пакетной установке дали следующие результаты: на рабочем режиме козф- фициент профильных потерь в решетках с лопатками конвектив- ного охлаждения составил $„р — — 0,028 — 0,030, конвективно-за- градительного — $„р —— 0,042 †,044. Полученное увеличение ко- зффициента профильных потерь в решетках с лопатками коивек- тивно-заградительного охлаждения на М„р — — 0,014 или Л$„𠆆=0,0031 на 1 % выпускаемого воздуха хорошо согласуется с дан- ными работы [88[., Уменьшение КПД ступени с лопатками конвективно-загради- тельного охлаждения только из-за увеличения потерь в сопловом аппарате должно было составлять бт[,*= — (1,6 — 1,7)%.
Если гке учесть влияние увеличения неравномерности поля скоростей иа входе в рабочее колесо из-за наличия заградительного охлаждения на величину потерь в рабочем колесе в соответствии с выражением (4.5) при $„,,=0,032, снижение КПД ступени составит Ь1,*= = — (2,9 — 3,1)%. По данным испытаний получено бт1,"= — (3,2-~-0,3)%, что со- гласуется с результатами расчета. Таким образом, на каждый процент воздуха, расходуемого на пленочное охлаждение, умень- шение КПД турбины составляет 0,5 — 0,7%.
Такие же результаты получены в работе [65). По данным работы [63) и других, каждый процент воздуха, идущего на охлаждение ротора турбины, подавляющее количество которого расходуется на рабочие лопатки коивективно-загради- тельного охлаждения, примерно на столько же снижают КПД турбины. Например, сопоставление результатов испытаний двух вариантов турбины, у одной из которых лопатки конвективиого охлаждения (сопловые с внутренним дефлектором и выпуском 3% воздуха через выходную кромку и рабочие с радиальными кана- лами и закромочным выпуском 2,5% воздуха), у другой — ло- патки конвективио-заградительного охлаждения с теми же наруж- ными обводами и относительным расходом охлаждающего воздуха на сопловые лопатки на 0,4% большим, показали ухудшение КПД у последней на 3%.
Потери, вызванные втеканием охлаждающего воздуха в проточ- ную часть турбины. Подвод охлаждающего воздуха к рабочим ло- паткам зачастую приводит к необходимости иметь перед диском давление, значительно большее, чем это требуется для разгрузки упорных подшипников от действия осевых снл, возникающих в роторе турбокомпрессора. Иными словами, применение охлажда- емых лопаток, требующих подвода воздуха повышенного давле- ния, для обеспечения нужных перепадов давления в системе ох- лаждающих каналов приводит к необходимости повышать давление во внутренних полостях турбины. Таким образом, увеличивается перепад давления между подводимым воздухом и газом, текущим у внутреннего диаметра проточной части, а следовательно, увеличи- ваются утечки охлаждающего воздуха в проточную часть.
Эти утечки практически неизбежны и могут приводить к дополнитель- ным потерям, заметно снижающим КПД турбины. Величина этих потерь зависит не только от перепада давления и количества вте- кающего в проточную часть воздуха, но и от его направления (пер- пендикулярно потоку газа, параллельно ему или под некоторым углом), а также от высоты лопатки. Чем короче лопатки, тем от- носительная величина потерь будет большая и тем на большую величину снизится КПД турбины.
Первые ступени турбины с достаточно высокой степенью повы- шения давления в компрессоре имеют охлаждаемые лопатки малой высоты (40 — 60 мм), следовательно, они очень чувствительны к протечкам воздуха в проточную часть. Причем втекание в проточ- ную часть воздуха перед рабочими лопатками приводит к значи- тельно ббльшим потерям, чем втекание за ними. Испытание одноступенчатой турбины с проточной частью ци- линдрической формы, относительным диаметром й=Р,(Р,=0,73 и высотой рабочей лопатки й„=-44,5 мм показало, что при радиаль- ном выпуске 114 воздуха, охлаждающего передний торец диска, в открытый осевой зазор шириной 6= 15 мм (при хордах сопловой лопатки 33 мм и рабочей 25 мм), т.
е. перпендикулярно к направ- лению основного потока, относительная потеря КПД Ьч/т1 состав- ляет 2%; при 6=10 мм — 3% (ЗЗ). По данным работы (43) для ступени турбины с цилиндрической проточной частью ф=0,725, л,=60 мм) выпуск 1% воздуха в осе- вой зазор между ободом диска н внутренним кольцом соплового аппарата примерно такой же величины, как и в предыдущем слу- чае, но при хордах сопловой и рабочей лопаток 76 и 46 мм приводит к ЛЧ!1=1,504, Эти величины относительной потери КПД одноступенчатой тур- бины при втекании через осевой зазор охлаждающего воздуха в проточную часть согласуются с экспериментальными данными, полученными при исследовании ступеней с охлаждаемыми лопат- ками высотой от 40 до 65 мм высокотемпературных двигателей.
Применение лабиринтных уплотнений осевого зазора, направ- ляющих протекающий воздух по потоку газа, снижает относитель- ные потери КПД по сравнению с приведенными выше. Так, при высоте рабочей лопатки л„=45 мм 1М втекающего через осевой зазор охлаждающего воздуха приводит к относительной потере КПД также на 134. При подводе охлаждающего воздуха к сопловым лопаткам при- 1Об Рис. 4.8. Конструктивная схема испытанной ступени Л, Г полает»; Б з зор; В -- сопловвз лопаткз .Рис. 4.9. Межлопаточные проставки, расположенные на наружном и внутреннем диаметрах П вЂ” проставка; 2 — сопловап лопатка; Š— вырезы Рис. 4.10.
Схема охлаждения турбины двигателя ходится наддувать прилегающие к ним полости в корпусе турбины. Из этих полостей воздух проникает в проточную часть через щели, в местах соединения лопаток с корпусом нли лопаток между собой (в лопатках полочной конструкции). Влияние этих утечек на уменьшение КПД турбизы определялось путем экспериментального исследования отдельных ступеней. Так, экспериментальное исследование влияния на характеристики турбины вдува воздуха в проточную часть через щели, образованные обводом профиля сопловой лопатки н обечайкой проводилось на ступени турбины.
Наружный и внутренний обводы соплового аппарата этой ступени цилиндрической формы состоят нз отдельных межлопаточных проставок (рис 4.8 и 4.9). Между обводом профиля сопловых лопаток и прилегающими к ним проставками образуются зазоры 6, средняя величина которых на испытуемой ступени была на внутреннем диаметре 0,4 мм, а на наружном — 0,2 мм. Суммарные площади этих зазоров по всем лопаткам на внутреннем и наружном диаметрах соответственно составляли 4 и 1,8% от площади узкого сечения соплового аппарата. Между проставками и наружным и внутренним корпусами соплового аппарата образуются изолированные друг от друга полости А, сообщающиеся через зазоры с проточной частью турбины. Так как лопатки соплового аппарата полые, то полости А на наружном и внутреннем диаметрах сообщаются между собой. Вырезы Е на верхних проставках сделаны в натурной турбине для подвода воздуха на охлаждение корпуса турбины, расположенного над следующими лопаточными венцами (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
