Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 7
Текст из файла (страница 7)
27 Имея широкие возможности для обеспечения высокой эффективности охлаждения, в том числе и в малоразмерных лопатках, при малом абсолютном и относительном расходе охлаждающего воздуха, составные лопатки открывают широкие возможности для использования направленной кристаллизации при их отливке, применения нелитейных материалов, в том числе и получаемых методом порошковой металлургии, и существенно упростить технологию изготовления вплоть до ее автоматизации 1691. Действительно, части лопатки можно получать штамповкой с последующей механической. злектроискровой или электрохимической обработкой или, как указывалось, отливкой.
У отлитых частей контролируется чистота поверхности и толщина стенки пера. Они не требуют никакой обработки, в том числе поверхностей соединения и контроля наружных обводов, образующих после их соединения профильную часть лопатки. Они и в дальнейшем не подлежат контролю, так как при пайке происходит термофиксация соединенных частей, обеспечивающая с высокой точностью получение размеров, заданных чертежом.
Дефлектор может быть изготовлен штамповкой из трубки или специальной заготовки из двух частей, которые затем соединяются между собой или каждая в отдельности при помощи пайки с внутренней поверхностью соответствующей части лопатки. Лопатки, изготовленные из двух частей, соединенных между собой пайкой, имеют по сравнению с цельнолитыми меньшую массу, лучшие азродинамические характеристики и, по данным фирмы Пратт-Уитни, увеличенный в 2 раза ресурс 1691. К концу 1979 г. их наработка на первой ступени турбины авиадвигателя Р-100 в стендовых условиях гоптавила 1500 часов.
Глава 2 Теплообмен в охлаждаемых лопатках Снижение температуры охлаждаемых лопаток относительно температуры омывающего их газа обусловливается процессами тепло- обмена между газом и лопаткой, с одной стороны, между лопаткой и охлаждающим воздухом, протекающим по каналам лопатки,— с другой, и распространением тепла в теле самой лопатки. В связи с этим для определения поля температур в охлаждаемых лопатках требуется решать пространственную задачу теплообмена в многосвязной области с переменными граничными условиями по контуру.
Аналитическое решение такой задачи (в общем виде) имеется только для тел простейшей формы. Поэтому температурное поле охлаждаемой лопатки определяется, как правило, приближенными методами, в которых при определенных допущениях задача сводится к двумерной или даже к одномерной. Приближенные методы решения, а также методы электро- или гидротепловой аналогии дают достаточную для практических целей точность, если известны граничные условия третьего рода, т. е. достаточно обоснованно заданы коэффициенты теплоотдачи с газовой и воздушной стороны. 2Л .
Теплоотдача от газа к лопатке Известен ряд методов расчетного определения значения коэффициента теплоотдачи от газа к лопатке при известных режимах течения в пограничном слое на поверхности лопатки, Одним из наиболее доведенных до практического применения является метод Зысиной-Моложен, который основан на приближенном решении уравнения сохранения энергии для несжимаемого пограничного слоя по обводу профиля и ряде других допущений е26!. При всех режимах течения (ламинарном, переходном и турбулентном) пограничный слой рассчитывается единообразно, что является несомненным преимуществом данного метода.
Тем не менее полученные зависимости в форме подобия по числу Рейнольдса для трех режимов течения в ряде случаев все же нуждаются в ведении поправок, для того чтобы подсчитанные по ним значения а, были близки к реальным. Однако следует отметить, что метод ЗысинойМоложен весьма перспективен и, судя по непрерывному его развитию и совершенствованию *, есть основания полагать, что по мере ч РТМ 108.020.02-75: Расчет теплоотдачи в охлаекдаемых лопатках высокотемпературных турбин. Лл ЦКТИ, 1975.
29 накопления экспериментальных данных по теплообмену в охлаждаемых лопатках турбины и опыта практического применения этого метода для определения значений а„он будет широко использован при проектировании высокотемпературных газовых турбин. Пока же значения коэффициентов теплоотдачи от газа к лопатке приходится определять опытным путем.
Обрабатывая результаты экспериментов и проводя обобщение их в соответствии с теорией подобия, получают критериальные зависимости теплообмена, пользуясь которыми можно определять коэффициенты теплоотдачи от газа к лопатке даже на самой ранней стадии проектирования двигателя, когда проведен газодинамический расчет турбины и выявлены лишь основные геометрические характеристики лопаток. Несмотря на то что изменение значений локальных коэффициентов теплоотдачи по обводу профиля лопатки непрерывно, его обычно разделяют на участки (рис. 2.1), вдоль которых можно принимать коэффициенты теплоотдачи практически постоянными и подсчитывать их, пользуясь упомянутыми критериальнымн зависимостями, получаемыми из опыта.
Широкое распространение в практике проектирования охлаждаемых лопаток получила методика, по которой определяется среднее значение коэффициента теплоотдачи от газа к лопатке на входной кромке а, средней части профиля а„ и выходной кромке и,,п, ! "!! пользуясь крнтериальными зависимостями вида 1чн=АКе". Здесь Хи=а,дй„— критерий Нуссельта, г1 — характерный размер, по которому подсчитывается число Ке, и Х, — коэффициент теплопроводности газа. Для каждого характерного участка лопатки коэффициенты А и и приобретают свои значения, определяемые из эксперимента.
Так, средний коэффициент теплоотдачи на участке входной кромки с достаточной для практических расчетов точностью можно определять по экспериментальным данным, полученным при поперечном обтекании цилиндра с радиусом, равным радиусу входной кромки. Коэффициент Ао по данным различных авторов, колеблется в пределах 0,635 — 0,82 в диапазоне чисел Ке„, =2,5 1О' — 4.10' и при дозвуковых скоростях на входе.
Его величина зависит и от чувствительности турбинной решетки охлаждаемых лопаток к изменению угла атаки. Для подавляющего большинства охлаждаемых лопаток и встречающихся в практике диапазонов изменения угла атаки на первых ступенях турбины, где и применяются охлаждаемые лопатки, можно принимать А,=0,74 на участке, ограниченном углами 70 — 75' от средней линии профиля у входной кромки, и в диапазоне изменения 2,8. 10'<Ке„,<2,8 10'.
При определении числа Хц„и Ке, в качестве геометрического "1 ! размера принят удвоенный радиус входной кромки, скорости— скорость набегающего потока, а коэффициенты вязкости и теплопроводности определены по параметрам заторможенного потока на входе в лопатку. Показатель степени при числе Ке л=0,5, так как 30 Рис.
2.!. Участки профили лопатки как Рис. 2.2. Зависимость коэффипи- К!гЮ сита Ац от угла поворота ач обтекание участка входной кромки характеризуется ламинарным течением в пограничном слое. Таким образом, зависимость для определения среднего значения коэффициента теплоотдачи на участке входной кромки будет иметь вид а„,=0,74(»!„,/с(!) $' Ке„,. (2.1) Для срединной части профиля (корыта и спинки) средний коэффициент теплоотдачи можно определить, пользуясь достаточно апробированной в практике проектирования авиационных газовых турбин критериальной зависимостью, полученной О. И. Голубевой (при 0,5 10'<йегп(2 10'): !хг =Ац (».г !Ь) кео,чв (2.
2) Здесь число Гсе„ц отнесено к узкому сечению на выходе из решетки, коэффициент теплопроводности»,„определен по темпера- ц туре изоэнтропически заторможенного потока газа, вязкость — по температуре потока газа в узком сечении, в качестве геометрического размера принята хорда лопатки Ь, а величина коэффициента 31 агш = 0 0263 (Х, !Ь) Кео.
! (2.3) В качестве определяющих параметров принята температура торможения, за характерный размер — хорда. При Ке„п(2 10' коэффициент теплоотдачи на участке выходной кромки определяется из критериальной зависимости, характерной для ламинарного течения: а, =0,66(Х„!Ь)Кеэ'. !и (2.4) Здесь в качестве определяющих параметров также приняты температура торможения, за характерный размер — хорда профиля. В ряде работ предлагаются критериальные зависимости для определения средних значений коэффициента теплоотдачи а„по участкам профиля, отличные от приведенных. Некоторые из них отражают более широкий диапазон изменения геометрических характеристик решеток профилей, иногда не типичных для охлаждаемых лопаточных венцов, н режимных параметров, в том числе влияние степени турбулентности в потоке на входе в решетку,.
а некоторые— отличия условий, при которых проводился эксперимент. Так, для моделей лопаток с утолщенной входной кромкой (г,„„. =7,5 мм при ширине хорды 100 м) в диапазоне изменения чисел Рейнольдса 2.104(Ке„(3 10' и для степени турбулентности набегающего пог!- тока е=0,6% получена зависимость Кц„,=0,925 Ке,' 127). В работах 1451 и (501 получены зависимости (без ограничения в размерах входной кромки) соответственно Ь(ц„ =0,263 Ке„"" и Хц„ = ! ! "! ==0,23Ке„'". Для определения среднего значения коэффициента теплоотдачи от газа к лопатке на срединном участке профиля в работе (291 предлагается в критериальной зависимости Хц=СКе" подсчитывать входящие в нее величины следующим образом: Ке Яг Ь!ч и 1 206!10,зьз, о,!авбо,йт! С=165 10 'т1-'"'у-'"'6-"", Ап определяется по графику рис. 2.2 в зависимости от угла поворота потока в решетке а=180 — (р!+р,).
Теплообмен между газом и лопаткой на участке выходной кромки определяется состоянием пограничного слоя, которое в значительной степени зависит от всей предыстории образования его на предыдущих участках профиля. В предположении, что начало'перехода от ламинарного режима течения в пограничном слое к турбулентному находится на расстоянии примерно 0,7 хорды лопатки от входной кромки, коэффициент теплоотдачи от газа к лопатке а„ с удовлетворительной для и! практики точностью (при Ке„п)3 10') определяется по критериальной зависимости, характерной для турбулентного режима обтекания пластины: где Ь вЂ” хорда профиля лопатки; у=з)п ))вlз(пр! - - степень конфузорности межлопаточного канала; 8=!/Ь вЂ” относительный шаг решетки профилей; т) =Ь7Ь вЂ” средняя относительная кривизна профиля; Ь вЂ” максимальный прогиб скелетной линии профиля; Я7,р —— 0,5. (%'!+Ю'в) — средняя скорость потока, обтекающего лопатку.
Физические параметры отнесены к средней температуре потока и среднему давлению. Для определения коэффициента теплоотдачи на участке выходной кромки протяженностью 0,15 длины дуги профиля в работе (501 получены две зависимости. Со стороны спинки Ь(п, оп! =0,057 Ке„'" и с вогнутой стороны Хц„ =0,051 Кее". П1 1П !и Аналогичные зависимости имеются и в других работах, например, в (45) и (58). Их сравнение в значительной степени уже сделано в работах (13, 27, 291. Температура охлаждаемой лопатки определяется не только внешними граничными условиями теплообмена, т. е. со стороны газа, но и внутренними — со стороны воздуха. Значение коэффициента теплоотдачи от лопатки к охлаждающему воздуху а, определяется одним из методов решения обратной задачи стационарной теплопроводности по результатам измерений температуры в теле натурных лопаток на различных участках профиля Т,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
