Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Чем большее число ступеней турбины с неохлаждаемыми лопатками приходится на ступень с охлаждаемыми сопловымн и рабочими лопатками, тем это влияние будет меньше. Прн этом также будет уменьшаться влияние на основные параметры двигателя ухудшения КПД охлаждаемой ступени из-за различного рода утечек охлаждающего воздуха в проточную часть через неплотностн в системе его подвода. Поэтому желательно выявить влияние на КПД собственно ступени турбины с охлаждаемыми лопатками относительно расхода воздуха, затрачиваемого на ее охлаждение. Выявить это влияние из приведенного исследования, в котором испытывалась двухступенчатая турбина с тремя охлаждаемыми лопаточными венцами, не представляется возможным.
Кроме того, оно не дает возможности провести сравнение в одинаковых условиях КПД турбин с неохлаждаемыми и охлаждаемыми лопатками и определить влияние этих турбин на характеристики двигателя. Действительно, прн полном отключении подачи воздуха в охлаждаемые лопатки, в частности в сопловые, может происходить перетекание газа через внутреннюю (воздушную) полость лопатки с наружного диаметра к внутреннему из-за разности давлений в осевом зазоре между сопловымн и рабочими лопатками. Отсутствие выдува охлаждающего воздуха из щелей в выходной кромке охлаждаемых лопаток при его полном отключении способствует увеличению кромочных потерь.
И, наконец, в таких исследованиях не выявляется влияние различия в геометрических параметрах охлаждаемых и не охлаждаемых лопаточных решеток профилей. Для того чтобы определить величину потерь, обусловленных введением охлаждения лопаток и других деталей турбины, в реальных условиях, нужно было бы провести экспериментальное исследование в системе двигателя двух одпоступенчатых турбин, спроектированных на одни и те же условия, по у одной из которых были бы охлаждаемые лопатки со всей связанной с их применением системой охлаждения, а у другой — псохлаждаемые лопатки с 111 обычной для таких турбин продувкой воздухом ротора и статора.
Но и в этом случае сравнение было бы неполным, поскольку турбины с неохлаждаемыми лопатками не могли бы работать при высокой температуре газа, на которую спроектирована турбина с охлаждаемыми лопатками. Следовательно, сравнение производилось бы в нерасчетных условиях для последней.
Для того чтобы провести такое сравнение при температуре газа, если не совсем равной, то хотя бы близкой к расчетной для турбины с охлаждаемыми лопатками, нужно так их спроектировать, чтобы они были работоспособными в этих условиях, пусть даже на самое короткое время, но достаточное для снятия характеристик. Именно так были спроектированы два варианта одноступенчатой турбины, изготовлены и испытаны в экспериментальном газотурбинном двигателе. Они позволяли производить их взаимную замену на двигателе без его полной разборки и снятия с испытательного стенда и сохранять при этом одинаковые монтажные радиальные зазоры над рабочими лопатками.
Сопловой аппарат не менялся. Так и проводилось их сравнительное исследование. По своим геометрическим характеристикам решетки профилей охлаждаемых и неохлаждаемых рабочих лопаток практически одинаковы и имели одинаковую суммарную площадь узких сечений межлопаточных каналов. Они отличались числом входящих в них лопаток: охлаждаемых — 39 и неохлаждаемых — 37. При этом суммарная масса ротора с охлаждаемыми лопатками, включая вес покрывного диска, была на 5% больше. Турбины были оснащены средствами замера параметров воздуха в системе его подвода к охлаждаемым лопаткам, в том числе и во внутренней полости сопловых лопаток (внутри дефлектора).
Располагая данными по этим замерам и расходными характеристиками охлаждаемых лопаток и ротора в целом, а также зная площади проходных сечений на пути подвода охлаждающего воздуха, определяли его расход, Максимальное значение температуры газа перед турбиной во время испытания не превышало Т*„=1260 К. Так как температура ротора с охлаждаемыми лопатками ниже, чем с неохлаждаемыми, то при одинаковых монтажных радиальных зазорах над рабочими лопатками у сравниваемых роторов в процессе испытания они будут разные.
Это означает, что на результатах испытания, целью которых является исследование влияния введения охлаждения лопаток на КПД турбины и на основные параметры двигателя, будет еще сказываться разница в потерях из-за разных радиальных зазоров. Это различие в радиальных зазорах при испытании с одинаковой Т„' охлаждаемых и неохлаждаемых роторов практически нельзя избежать. Поэтому потребовалось провести специальные исследования изменения радиального зазора и влияния его на изменение КПД турбины и удельного расхода топлива двигателя применительно к данным конкретным условиям сравнительных испытаний. 112 У, лл зе У Рве.4.13.
Измевеввестпосвтельвого удельного расхода топлива осйЯ в относительного радиального зазора пад рабочими лопатками 6 (2) в зависимости от времени работы ва птах л уз' ю г;иви Рис. 4.14. Относительное изменение КПД турбины Ьпт (!) в удельного расхода топлива Ься 12,8) па пжах при неизменной тяге, развиваемой двигателем, в завпсимоств от относительного расхода воздуха, подаваемого на ох- "ле лаждеиие ротора а — ротор с неохлаждаемыми лопат кама; б — ротор с охлаждаеммми ло пачками и частичной подачей воздуха на охлаждение; 3 — ротор с Оклаждаеммми лопаткамн и полной подачей воздуха иа охлаждение; 8 — изменение ЬСя=дзвФт1 ж .лах бт, Рй б с.
3. Копелев 113 Оно заключалось в том, что в самом начале испытания двигатель по режиму прнемистости выводился на максимальные обороты, а следовательно, и на максимальную температуру газа перед турбиной. С этого момента через небольшие промежутки времени (2 — 5 мин) замеряли его основные параметры и величину радиального зазора, который изменялся за счет прогрева ротора с неохлаждаемымн лопатками.
Радиальный зазор 6 измерялся прибором (электрощупом), установленным на корпусе турбины. Результаты этих испытаний представлены на рис. 4.13, где 6= (6 Ьн)100% — отношение величи,'с — с ны радиального зазора к высоте рабочей лопатки: ЛСя — — '(ч ' 'у) ' .100% — изменение удельног расхода топлива по отношению к его значению при минимальном радиальном зазоре; а т — время работы двигателя на максимальной частоте вращения (п,х) и при максимальной температуре газа.
Разница, полученная л резу,пьтате замеров зазора при испытании двигателя с одним, а затем с другим ротором, составляла 0,55% от высоты рабочей лопатки. Замеренные относительные значения уменьшения К1!Д турбшпй и увеличения удельного расхода топлива на п,„п при одипак<н1ой тяге, развиваемой двигателем (п,„=сопз1 н к=-.сопз1) с ротором, имевшим охлаждаемые рабочие лопатки, в зависимости от количества воздуха, расходуемого на его охлаждение, сравнивались с данными, полученными с ротором с неохлаждаемыми лопатками (рис. 4.14). При этом отражалось так же влияние увеличения радиального зазора по сравнению с его значением на расчетной для охлаждаемого ротора температуре газа перед турбиной.
Здесь Лт1, = "' „"' ) 100%— чт / относительное изменение КПД турбины по отношению к его зна- ГС,, Сл~ чению при неохлаждаемых лопатках; ЛСн = ( ' ) 100% — отса носительное изменение удельного расхода топлива по отношению к его значению прн неохлаждаемых лопатках и 6,= (6,/6„)100%— расход воздуха, идущего на охлаждение ротора турбины по отношению к расходу газа через турбину. Чтобы выделить влияние на изменение удельного расхода топлива двигателя относительного количества воздуха, расходуемого на охлаждение лопаток, нужно внести поправки к этим данным, пользуясь приведенными на рис.
4.13 зависимостями ЛСл и б. В результате была получена пунктирная кривая (рис. 4.14), отражающая ухудшение экономичности двигателя в зависимости от расхода воздуха на охлаждение лопаток. На графиках Лг1.'=0 и ЛСя — — 1 соответствуют ротору с неохлаждаемыми лопатками и относительному расходу охлаждающего воздуха 6,=0,2%, который протекает через монтажные зазоры в замковом соединении и через отверстия в полотне диска на его охлаждение, Часть этого воздуха уходит через лабиринтные уплотнения в суфлирующую полость масляной системы н в осевой зазор между сопловыми и рабочими лопатками.
При постановке ротора с охлаждаемыми лопатками это количество воздуха практически остается неизменным, благодаря тому что давление в полости перед торцевым уплотнением осевого зазора несколько уменьшается постановкой лабиринтного уплотнения между опорой соплового аппарата и покрывным диском, что компенсирует некоторое увеличение утечек через лабиринтное уплотнение подшипника с ростом давления перед ним, а воздух, протекавший ранее через монтажные зазоры замкового соединения, подводится под покрывной диск.
Так ухудшение экономичности экспериментального двигателя в связи с введением охлаждения рабочих лопаток оказалось связанным главным образом с подводом закомпрессорного воздуха на их охлаждение, и тем это ухудшение больше, чем больше его расход. Если бы при введении охлаждаемых лопаток не увеличивать отбор воздуха из компрессора для их охлаждения по сравнению с обычно существующим отбором у турбин с неохлаждаемыми лопатками, то экономичность двигателя не ухудшалась бы. Можно считать, что если размер турбины и выбранная конструктивная схема охлаждаемых лопаток позволяют применить их 114 без ухудшения аэродинамических характеристик лопаточных решеток по сравнению с неохлаждаемыми лопатками, то при сохранении неизменной величины относительного расхода охлаждающего воздуха экономичность двигателя практически не изменится.
Это, конечно, будет еще зависеть от количества расходуемого воздуха и от конкретного выполнения схемы подвода его к турбине с неохлаждаемыми лопатками. Так, например, если в рассматриваемом экспериментальном двигателе заменить целиком ступень турбины с неохлаждаемыми лопатками ступенью с охлаждаемыми лопат. ками и при этом сохранить неизменным относительный расход охлаждающего воздуха в каждой из этих ступеней, то характеристики двигателя также останутся неизменными. И тогда удельный расход топлива при одинаковой тяге двигателя, замеренный при испытании его с охлаждаемой и неохлаждаемой ступенями турбины, не изменится.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
