Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 3
Текст из файла (страница 3)
!.3. Впутреппнн структура пропю[асмого материала типа «лвмиллой» Рис. 1.4. Сопловая лопатка 1 ступени туманны двигателя КВ. 211 †5 возможность выпускать на поверхность лопатки на нужном ее участке необходимое количество воздуха под некоторым к ней углом и тем самым создавать защитную завесу. Лопатки, изготовленные из многослойных материалов, уступают по эффективности охлаждения лопаткам, имеющим пористую оболочку, но.все же лучше применяемых в настоящее время И41. Зто способствует сосредоточению усилий на преодоление конструктивных и технологических трудностей, возникающих при их внедрении.
Высокая эффективность проникающего способа охлаждения лопаток газовых турбин и возможность предохранения их поверхности от непосредственного соприкосновения с высокотемпературными продуктами сгорания делают его весьма перспективным, особенно для двигателей большого ресурса с высокими параметрами цикла— температурой газа и его давления на входе в турбину. Лопатки конвективно-заградительного охлаждения. При конвективно-заградительном охлаждении воздух выдувается через специально выполненные прорези (щели) или отверстия в стенке лопатки, создавая защитный слой между газом и поверхностью лопатки.
Слой охлаждающего воздуха, обтекая некоторый участок профиля лопатки, по пути размывается газом, поэтому ряды подобных прорезей или отверстий, через которые вводятся новые порции охлаждающего воздуха, располагают в тех местах профилей, где он еще не размыт. Относительный расход охлаждающего воздуха у таких лопаток при прочих равных условиях примерно в 3 раза больше, чем у лопаток с проникающим охлаждением. Очевидно, что заградительному охлаждению предшествует конвективное, ибо прежде чем попасть на поверхность лопатки, охлаждающий воздухтечетповнутреннимканалам, отнимая отлопатки теплоту.
Поэтомувтакихлопаткахроль конвективного охлаждения соизмерима с заградительным. Так как давление газа, обтекающего лопатки, неодинаково по обводу профиля, то для требуемого условиями охлаждения распределения охлаждающего воздуха по поверхности лопатки организуют отделенные друг от друга полости, через которые подводят воздух к различным участкам профиля примерно так, как и в лопатках пористого охлаждения. С целью экономии расхода воздух высокого давления на охлаждение лопаток в полость, примыкающую к выходной кромке, иногда подают воздух, отбираемый из промежуточной ступени компрессора.
У сопловой лопатки 1 ступени турбины двигателя английской фирмы Роллс-Ройс КВ. 211-524 с конвективно-заградительным охлаждением (рис. 1.4) имеется пять отделенных друг от друга полостей для подвода охлаждающего воздуха к различным участкам поверхности.
В переднюю полость 1 и заднюю 2 вставлены дефлекторы 5, которые герметично соединены с верхней и нижней полками лопатки. Опорной поверхностью для дефлектора являются поперечные ребра 8, расположенные на внутренней поверхности лопатки в обеих полостях. Кроме того, пространство между дефлектором и внутренней поверхностью лопатки разделено на пять продольных изолированных друг от друга полостей выступами 7 и трубками 9, которые на участках, где имеются ребра, располагаются в специально сделанных продольных пазах.
Трубки обжимают при установке для создания герметичного уплотнения между этими полостями. Полость 2 переходит в продольную щель б, обе стороны которой соединены цилиндрическими перемычками (штырьками) 10 различного диаметра. Воздух, вытекающий через отверстия в дефлекторах 5, охлаждает внутреннюю поверхность лопатки струйным натеканием и далее через отверстия 4 попадает на внешнюю поверхность лопатки, образуя вдоль нее заградительный слой. Поскольку секции изолированы между собой, то размеры отверстий 5 в дефлекторах выбраны таким образом, чтобы создавать различное давление на входе в каждый ряд отверстий 4. Величина этого давления устанзвливается сообразно с тем внешним давлением газа на лопатку на участке соответствующего ряда отверстий 4, при котором подводится необходимое для охлаждения данного участка количество воздуха.
У такой сопловой лопатки температура стенки 1741 не превышает 1210 К при температуре газа на входе 1543 К, что обеспечивает ее надежную работу в эксплуатации. Введение заградительного охлаждения увеличивает интенсивность теплообмена в конвективно охлаждаемых лопатках любых схем, особенно на участках, подверженных более сильному тепловому воздействию или наиболее трудно охлаждаемых изнутри. Этим и объясняется его относительно широкое распространение, ибо достаточно в перегреваемом месте выпустить определенное количество воздуха на поверхность лопатки, чтобы спасти это место, а следовательно, и лопатку от разрушения.
Последнее весьма важно при наличии на выходе из камеры сгорания большой температурной неравномерности. Именно в связи с этим первые ступени турбин двигателей, у которых температура газа на входе 1500 К или больше, обычно имеют сопловые лопатки с конвективно-заградительным охлаждением. Опыт эксплуатации и многочисленные экспериментальные исследования таких турбин показывают, что для организации конвективно-заградительного охлаждения необходимо затратить большее количество воздуха, чем для чисто конвективного.
Конвективно-заградительное охлаждение лопаток из-за значительно большей интенсивности охлаждения участков, где производится выдув, не избавляет их от все еще значительных градиентов температуры. При частых пусках, остановках и резких изменениях режима работы двигателя вследствие термической усталости на поверхности пера появляются трещины, начинающиеся от отверстий. Такие дефекты, встречаясь практически повсеместно, ограничивают ресурс двигателей.
Именно это заставило ряд зарубежных фирм разработать специальную технологию для ремонта сопловых лопаток 1 ступени турбины, когда число трещин и их размер превышают определенную величину [67, 68). Интенсивность конвективно-заградительного охлаждения входной кромки лопаток чувствительна к изменению расхода охлаждающего воздуха, определяемого перепадом его давления на входе в отверстия и давлением в месте выпуска этого воздуха на поверхность лопатки, На рис. 1.5 показаны опытные зависимости интенсивности охлаждения входной кромки рабочей лопатки, перфорированной двумя рядами отверстий диаметром 0,8 мм, по сравнению с дефлекторной, имеющей струйное натекание охлаждающего воздуха на внутреннюю поверхность входной кромки, полученные при испытании их на стенде.
Снижение относительного расхода воздуха 12 Рис. 1.5. Интенсивность охлажде- ния входной кромки рабочих ло- патох т — со вставным дефнекторои: 2 — со штырьиамн и двумя рядами отверстий оа входной кромке Рис. 1.б. Попер ной сопловой градительного охлаждения турбины ступени 13 Рис. 1.7. Конвективная и заградительная составляющие эффективности охлаждения в зависимости от относительного расхода охлаждающего воздуха Рис. !.8. Суммарная эффективность охлаждения в зависимости от относительного расхода охлаждающего воздуха для различных ба т-О; т — 1,з; 3 — 4,0 в пределах 0,6% от расчетного значения (6, р„„—— 2%) из-за производственных отклонений или по эксплуатационным причинам (например, падения давления в системе охлаждения) снижает интенсивность охлаждения В у первой лопатки на 0,1, а у второй— лишь на 0,05.
Эффективность конвективно-заградительного способа охлаждения лопаток характеризуется тремя факторами: эффективностью ее слагаемых (внутреиней — коивективной н внешней — заградительной), равномерностью охлаждения различных участков лопатки и количеством затрачиваемого воздуха. Последнее обстоятельство часто имеет решающее значение, поскольку введение заградительного охлаждения неизбежно связано со значительным увеличением расхода воздуха.
Поэтому в лопатках коивектнвно-заградительного охлаждения не только не снижаются требования к внутреннему конвективному охлаждению,. но и продолжается непрерывное дальнейшее его совершенствование. По аналогии с конвективным охлаждением (1.1) безразмерная адиабатическая температура стенки при заградительном охлаждении может быть записана в виде 8э (Тсоб тадУ (Тем Тв) (1. 8) где Т, "— температура вдуваемого воздуха; Т„з — температура смеси воздуха и газа, обтекающего защищаемую поверхность лопатки; Т„, — температура идеально изолированной (адиабатической) поверхности лопатки при завесном охлаждении (тепловой поток в нее равен нулю).
В отсутствии вдува Т„=Т„м т. е. эквивалентна температуре восстановления. В тех случаях,*когда коэффициент восстановления температуры равен единице [34), вместо температуры восстановления Т„, может быть взята температура изоэнтропически заторможенного основного потока газа Т„", тогда в,= (т„*— т, у((т„"— т,"). (1.9) Так как уравнение энергии при постоянных теплофизических свойствах газа линейно относительно температуры, то В, зависит только от расходов воздуха и газа и от местонахождения рассматриваемой точки на поверхности лопатки. Суммирование полезного эффекта внутреннего конвективного и наружного заградительного охлаждения может быть выполнено следующим образом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
