Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Однако такие отверстия являются концентраторами напряжений и, несмотря на ряд мер технологического порядка (например, введение гидрополировки) онн все же снижают усталостную прочность лопаток. По этой причине в серийном варианте рабочих лопаток 1 ступени турбины двигателя КВ. 199Мк101 фирмы Роллс-Ройс была устранена перфорация входной кромки (рис.
1.12, а) (бй). Введение перфорации не устраняет второго недостатка — большой величины градиента температур в лопатке (рис. 1.12), что создает в ней дополнительные напряжения, достигающие значительных величин на переходных режимах работы двигателя. Зарубежная практика эксплуатации высокотемпературных авиационных двигателей, установленных на пассажирских самолетах, у которых турбины имеют охлаждаемые рабочие лопатки с радиальными каналами, показывает, что приходится увеличивать время приемистости (переход с минимальных оборотов на максимальные), для того чтобы снизить возникающие при этом температурные напряжения в лопатках и увеличить время их безотказной работы.
Действие этих дополнительных напряжений кратковременно, тем не менее вызываемые нми повреждения лопатки, постепенно накапливаясь, приводят к ее разрушению. В таких случаях говорят, что причиной разрушения лопатки является малоцикловая усталость. Разрушения лопаток от малоцикловой усталости наступают на некотором этапе эксплуатации, причем прогнозирование наработки весьма затруднительно. Малоцикловая усталость определяется в основном размахом напряжений за цикл, а также количеством циклов.
Под циклом понимается период работы двигателя, включающий перевод его с режима малого газа на полную мощность и обратно. Величина размаха напряжений зависит от температурных градиентов на нестационьрных тепловых режимах лопатки, которые при прочих рав- ных условиях будут прямо пропорциональны удельной плотности тепловых потоков. Кромки лопаток более чувствительны к изменению температуры, чем срединная часть профиля, поэтому при пуске двигателя и выходе его на установившийся режим они прогреваются быстрее, а при снятии нагрузки или остановке быстрее охлаждаются, создавая в теле лопатки знакопеременные температурные градиеНты, а, следовательно, и знакопеременные дополнительные напряжения. Из 54 зарегистрированных случаев термоусталостного разрушения турбинных лопаток двигателя Р-100 американской фирмы Пратт- Уитни, установленного на самолете Р-15, основная часть приходится на лопатки П ступени 1881. После наработки 700 циклов 50ьь охлаждаемых лопаток! ступени турбины этого же двигателя оказались поврежденными и непригодными к дальнейшей эксплуатации 1871.
По мнению специалистов фирмы, термоусталостные повреждения лопаток турбины проявляются быстрее, чем предполагалось, из-за большого числа изменения режимов работы двигателя в эксплуатации. Сказанное подтверждает необходимость устранения в лопатках большого ресурса значительных градиентов температуры, обусловленных высокими местными интенсивностями охлаждения и внедрения способов охлаждения, дающих минимальные температурные градиенты в сочетании с минимальными аэродинамическими потерями в турбнне. Последнее важно потому, что увеличение сложности и стоимости турбин при повышении температуры газа не оправдано, если при этом КПД турбины будет уменьшаться. В последнее время возрастает число исследований и разработок, цель которых заключается в применении более эффективных схем конвективного охлаждения, реализуемых, как правило, благодаря усовершенствованию технологии изготовления лопаток.
Перспективными, в частности, являются лопатки с поперечным относительно их профильной части течением охлаждающего воздуха. Лопатки с поперечнелм течением охлаждаюшрго воздуха относительно их профильной части. Типичной конструкцией таких лопаток являются лопатки с внутренним дефлектором. Они в значительной степени свободны от недостатков, присущих лопаткам с продольным и смешанным течением охлаждающего воздуха. По сравнению с ними лопатки с внутренним дефлектором обладают существенными преимуществами в части тепловых, газодинамических, прочностных и массовых характеристик, а также технологических особенностей.
Эти преимущества заключаются в том, что конструкция охлаждаемой лопатки со вставным дефлектором дает возможность: максимально сблизить распределение коэффициентов теплоотдачи по обводу профиля со стороны воздуха и газа и обеспечить равномерную температуру по сечению лопатки, что исключает возникновение дополнительных напряжений, особенно на переходных режимах работы турбины; 20 осуществлять дифференцированное охлаждение участков профиля и пера лопатки по его длине, что дает возможность в сочетании с разгрузкой центробежными силами изгибных напряжений и радиальной эпюрой распределения температуры газа обеспечить во всех участках лопатки необходимые и мало отличающиеся между собой по величине запасы прочности; в процессе доводки увеличивать глубину охлаждения (если в этом появляется необходимость) путем увеличения расхода охлаждающего воздуха с помощью небольших доделок, например увеличения щели в выходной кромке; увеличивать поверхность теплообмена на воздушной стороне и вводить дополнительные турбулизаторы охлаждающего воздуха (ребра, перемычки, выступы); использовать дефлектор в качестве демпфера, препятствующего резонансным колебаниям рабочей лопатки.
Дополнительные турбулизаторы охлаждающего воздуха на участке выходной кромки лопатки в виде прерывистых выступов 1 и зигзагообразных 2 или профилированных 3 перемычек показаны на рис. 1.13. Форму перемычек выбирают такой, чтобы интенсивность охлаждения достигалась практически без увеличения гидравлического сопротивления щелей в выходной кромке. Толщина перемычек делается равновеликой толщине стенки лопатки, что позволяет уменьшить концентрацию напряжений в местах сопряжения их с телом лопатки. Распрямленные участки перемычек на выходе дают возможность уменьшить гидравлические потери при смешении потоков воздуха с газом за лопатками. Как видно на рис. 1.13, у сопловых и рабочих лопаток перемычки изогнуты по-разному.
У сопловых лопаток они направляют поток охлаждающего воздуха к наружному диаметру турбины, а у рабочих — к внутреннему. Таким образом создается вынужденное течение воздуха в первом случае в направлении, противоположном распределению статического давления в газовом потоке на выходе из сопловых лопаток, что в значительной степени устраняет перетекание воздуха в область низкого давления, т.
е. от периферийных сечений лопатки к корневым, а во втором — в направлении, противоположном действию центробежных сил, возникающих при вращении лопатки. И то и другое наряду с прерывистыми выступами способствует усилению турбулизации воздуха, который протекает по узким и относительно длинным щелям в выходной кромке (И=10 — 20), будучи предварительно подогретым от соприкосновения со стенками на предыдущих участках лопатки. Применение таких зигзагообразных перемычек в сочетании с прерывистыми продольными выступами на внутренних поверхностях (вогнутой и выпуклой) профиля лопатки увеличивает интенсивность охлаждения на выходной кромке на 20%.
Упомянутые конструктивные изменения лопаток, способствующие интенсификации их охлаждения, несколько усложняют литейную оснастку. Однако в целом, как показывает практика, они не вносят 21 л б-Г а,' Рпс. 1.13. Изогнутые перемычки и турбулпззторы во внутреннем канале выходпай кромки лопаток а — сопловой; б — рабочей яг О б ст Д, б б гт т б бтз, '/ Рпс. 1.14. Зффектпвпость охлаждения в среднем по длине лопатки сечении а — входная кромка; б — выходная кромка; а — средняя для всего сечения 7 — 3 — варианты лопаток (Пес=7 )О' та'17'„= О 5) заметных трудностей в процессе прецизионного литья лопаток и практически не влияют на стоимость изготовления лопаток.
Получаемый же от их введения эффект охлаждения весьма существенный. Это подтверждается испытаниями, проведенными на пакетных установках и в натурных условиях на турбине. Полученные в этих испытаниях интенсивности охлаждения отдельных участков профиля лопатки показыпают, что при относительном расходе охлаждающего воздуха 6,=2,5 — 3%и его температуре 750 — 850 К достигается понижение температуры лопатки по отношению к температуре натекающего на нее газа на 350 — 550 К. Сравнение эффективности охлаждения различных конструктивных схем рабочих лопаток с внутренним конвективным охлаждением приведено в работе 1621.
Сравнивались лопатки, отличавшиеся только направлением течения охлаждающего воздуха, т. е. с разными внутренними каналами. Они собирались в пакеты и испытывались на стенде в следующих условиях: числа Маха и Рейнольдса основного потока, подсчитанные по параметрам на выходе из решетки, составляли М,=0,8 и Ке,=(3,25 — 7,0) 10', температура газа изменялась от 600 до 1200 К; отношением температуры охлаждаю- 22 щего воздуха при входе в лопатку к температуре газа изменялось от 0,25 до 0,75; относительный расход охлаждающего воздуха доходил до 10%. Ширина хорды и относительный шаг решетки у всех лопаток были одинаковы и составляли соответственно 82,5 и 0,712 мм. На рнс, 1.14 представлены графики эффективности охлаждения только трех вариантов испытанных лопаток.
1-й вариант — лопатка с радиальными внутренними каналами малого диаметра, расположенными у поверхности профильной части, за исключением одного канала овального сечения, прилегающего к выходной кромке. Охлаждающий воздух, который подводится в этот канал через замковую часть лопатки, выпускается из отверстий в выходной кромке, расположенных с шагом в два диаметра. 2-й вариант — лопатка с турбулизаторами во внутренней полости в виде цилиндрической формы перемычек (штырьков), соединяющих спинку и вогнутую поверхности пера лопатки с течением охлаждающего воздуха только в радиальном направлении. 3-й вариант — лопатка дефлекторного типа со струйным охлаждением входной кромки, с шахматным расположением двух рядов штырьков у выходной кромки и с выпуском всего охлаждающего воздуха через отверстия с шагом в два диаметра, расположенные на вогнутой части профиля вблизи выходной кромки.
Наилучшую эффективность охлаждения и наиболее равномерную температуру в поперечном сечении лопатки при установившемся тепловом режиме имеет 3-й вариант. У лопатки 2-го варианта при температуре газа 1400 К, охлаждающего воздуха 600 К и относительном его расходе 2% на установившемся тепловом режиме температура на срединном участке профиля будет отличаться от температуры выходной кромки. на 120 К. Дефлекторные лопатки позволяют также интенсифицировать теплообмен с внутренней воздушной стороны путем струйного натекания не только на входную кромку, но и на срединный участок профиля лопатки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
