Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Из анализа рассмотренных видов потерь, вызываемых введением охлаждения элементов турбины — дисков, лопаток и корпуса, следует, что все они в той или иной степени пропорциональны относительному количеству воздуха, расходуемого на охлаждение. Следовательно, уменьшение этого расхода воздуха путем выбора рациональной схемы его подвода, применения наиболее совершенных конструкций охлаждаемых лопаток, тщательного уплотнения проточной части турбины, относятся к важнейшим требованиям при проектировании высокотемпературных газотурбинных двигателей. Снижение температуры охлаждающего воздуха в теплообменниках (топливо-воздушных, воздухо-воздушных или воздухо-водяных), особенно у двигателей с высокой степенью повышения давления в компрессоре, может в свою очередь явиться действенным средством для уменьшения его количества, поступающего в турбину.
Глава 5 Профилирование лопаток турбины 5.1. Требования к профилированию охлаждаемых лопаток Профилирование лопаток турбины сводится к построению ряда сечений, которые определяют собой форму профильной части лопатки. Лопатки турбины должны обеспечивать получение заданных газодинамическим расчетом скорости и направления потока на выходе из решетки с минимальными гидравлическими потерями и удовлетворять требованиям, необходимым для обеспечения заданных запасов прочности. Вместе с тем форма профильной части лопаток должна быть такой, чтобы можно было обеспечить высокую производительность прн их изготовлении в серийном производстве.
При профилировании охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток необходимо одновременно с отысканием формы и размеров наружных обводов профилей в различных сечениях вдоль длины лопатки еще решать задачу размещения внутри лопатки каналов, по которым течет охлаждающая среда. Количество этих каналов, их форма и размеры определяются выбранной конструкцией охлаждаемой лопатки и требованиями обеспечения высокой эффективности охлаждения. При этом должны приниматься во внимание применяемые при изготовлении лопаток технологические процессы.
Возможности того или иного способа изготовления лопаток, обеспечивающего' требуемую точность, высокую производительность и надежные методы контроля, а также и жаропрочность применяемых материалов, имеют одно из решающих значений при выборе конструктивной схемы охлаждения лопатки. Расположение охлаждающих каналов внутри лопатки затрудняет получение требуемого условиями прочности закона изменения площади поперечных сечений вдоль длины лопатки и наиболее рационального расположения центров тяжести отдельных сечений для компенсации изгибных напряжений. Наличие в охлаждающих каналах лопатки конструктивных элементов, предназначенных для увеличения поверхности, соприкасающейся с охлаждающим воздухом, и интенсификации теплообмена в виде поперечных ребер, турбулизаторов, выступов и т. п. усложняет профилирование охлаждаемых лопаток по сравнению с неохлаждаемыми. При размещении внутри лопатки каналов заданной условиями теплообмена формы и для обеспечения требований прочности и технологии приходится вносить изменения в общепринятую форму внешнего обвода профилей, характерную для неохлаждаемых 116 лопаток, нередко при одновременном увеличении потерь в них.
Поэтому охлаждаемые лопатки, для которых характерны большие углы поворота потока, поскольку они применяются на первых ступенях турбины, как правило, имеют утолщенные входные кромки, несколько большую относительную толщину профиля С,„Й, большие углы заострения входной и выходной кромки в, н 1а,. Так, если для решеток из неохлаждаемых сопловых и рабочих лопаток отношение толщины входной кромки к хорде в корневых сечениях находится в пределах 5 — 7О4, а в средних 3 — 4О4, то у охлаждаемых лопаток соответственно 8 — 12 и 7 — 8О4, а иногда!2О4. Наличие относительно толстых входных кромок позволяет без заметного увеличения гидравлических потерь допускать положительные углы атаки в прнкорневых сечениях, где еще и густота решеток достаточно большая.
Это дает возможность сделать профили менее изогнутыми, уменьшить градиент изменения входного угла вдоль длины лопатки, благодаря чему упрощается процесс изготовления лопаток и размещение вставного дефлектора внутри лопатки, если он имеется.
Относительная толщина профиля у охлаждаемых лопаток обычно болыпе, чем у неохлаждаемых, в 1,2 — 1,3 раза (по среднему сечению). Величина угла заострения выходной кромки у охлаждаемых лопаток бывает 8 — 10' и иногда доходит до 12'. Это объясняется стремлением улучшить охлаждение выходной кромки, упростить т хнологию изготовления лопатки или и то и другое вместе. Действительно, в охлаждаемой лопатке радиальные охлаждающие каналы цилиндрической формы могут быть тем ближе расположены к выходной кромке, чем она толще и чем больше угол заострения. В лопатке с выпуском охлаждающего воздуха через щели в выходной кромке чем больше угол 1зм тем при минимально возможном по технологическим причинам радиусе закругления внутренней полости меньше протяженность участка щели, выполняемой электроэрозией.
И наконец, чем больше угол заострения выходной кромки в лопатке такой же схемы, тем при заданном выходном размере щели для выпуска охлаждающего воздуха внутренний стержень будет иметь большую жесткость и отливать такую лопатку будет проще. Относительное загромождение межлопаточных каналов решетки профилей выходными кромками 2гма при выпуске охлаждающего воздуха через щели, расположенные внутри кромок, составляет 10 †1, а в решетках, составленных из профилей малоразмерных лопаток (Ь(40 мм), доходит до 15О4.
Однако при этом кромочные потери не столь велики и пе прямо пропорциональны относительному загромождению, как это имеет место у неохлаждаемых лопаток. Происходит это потому, что при смешении выдуваемого через щели в выходной кромке воздуха с основным потоком выравнивается закромочная неравномерность и уменьшается закромочный след. Если количество воздуха, вытскак1щсго пз щели в выходной кромке, будет составлять более 1'4~ от основного потока, то кромочные потери у таких лопаток существенно уменыпаются (38). При определении величины кромочных потерь у решеток из охлаждаемых лопаток с расходом воздуха через щели в выходной кромке ие менее 1% от расхода газа через решетку можно пользоваться формулой ь, =0,2(2г,— 6), где б — ширина щели.
В силу указанных причин значительное большинство конструкций охлаждаемых лопаточных решеток все же уступает в своем гидравлическом совершенстве неохлаждаемым лопаткам. Однако повышение эффективности охлаждения и особенно внедрение в производство новых технологических процессов, обеспечивающих требуемую точность и надежные методы контроля лопаток, позволяют создавать охлаждаемые лопаточные решетки без заметного ухудшения их гидравлических характеристик по сравнению с неохлаждаемыми. 5.2. Построение профилей лопаток Для построения профилей сопловых и рабочих лопаток разбивают длину лопатки на несколько сечений, находящихся на различных радиусах (рис. 5.1). Корневое сечение выбирается на расстоянии 2 — 3 мм от начала переходной галтели от пера лопатки к полке.
Это делается для того, чтобы можно было проконтролировать точность изготовления профиля. Величина переходной галтели берется в зависимости от способа изготовления лопатки и ее размеров. Графиком зависимости радиуса галтели от длины лопатки для некоторых выполненных лопаток (рис. 5.2) можно пользоваться при профилировании лопаток. Верхнее сечение! (рис. 5.1) выбирается на 2 — 3 мм ниже обреза лопатки. Остальные сечения располагаются между нижним и верхним на одинаковом расстоянии друг от друга (на соответствующих радиусах). Для сопловых лопаток берется три или пять сечений, для рабочих — не менее пяти.
Опыт показывает, что для надежного контроля точности изготовленных рабочих лопаток максимальное расстояние между двумя соседними сечениями не должно превышать 25 мм. Это же относится и к сравнительно длинным (закрученным) с переменным сечением по высоте лопаткам сопловых аппаратов последних ступеней. Поэтому при профилировании длинных лопаток (й)100 мм) число сечений, для которых нужно задавать размеры профилей, бывает больше пяти.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
