Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 8
Текст из файла (страница 8)
При этом удельная плотность теплового потока в лопатку подсчитывается по формуле !7=а„(Т„' — Т,), а коэффициент теплоотдачи от газа к лопатке се, находится по одному нз критериальных уравнений (2.1), (2.2) или (2.3). В этом случае принимаются меры по выравниванию поля температур газа и лопатки, чтобы свести к минимуму погрешность, связанную с перетеканием тепла нз-за теплопроводности материала лопатки. Значение температуры лопатки на внутренней ее поверхности, которое также необходимо для определения а„находится из решения уравнения теплопроводности для плоской стенки, а на участке входной кромки — для цилиндрической, так как конфигурация входных кромок охлаждаемых лопаток позволяет с достаточной степенью точности аппроксимировать их двумя концентрическими окружностями. При проведении таких экспериментов выдерживается необходимый диапазон изменения геометрических и режимных параметров, включая и степень турбулентности основного потока. Полученные таким образом критериальные зависимости для а„ будучи использованными совместно с зависимостями (2.1) — (2.3), обеспечивают при определении температуры лопатки достаточную достоверность.
2.2. Экспериментальное исследование охлаждаемых лопаток Моделирование процессов теплообмена у охлаждаемых лопаток высокотемпературных турбин сопряжено со значительными трудностями, особенно в реализации граничных условий. Поэтому для 2 С. 3. копелев зз Рис.
2.3. Схема установки для испытания натурных охлаждаемых лопаток достижения большей достоверности полученных результатов экспериментальные исследования желательно проводить на натурных лопатках, несмотря на технологические трудности, связанные с оснащением нх необходимыми измерениями. Схема установки для испытания натурных охлаждаемых лопаток соплового аппарата и рабочего колеса (рис. 2.3) состоит из камеры сгорания, в которую подводится сжатый воздух, пакета испытуемых лопаток, собранных с шагом, равным их шагу в лопаточном венце турбины, системы газового подогрева и подвода к лопаткам охлаждающего воздуха и выхлопного тракта, имеющего два дросселя, посредством которых поток газа, вышедший из лопаток, может отводиться на вход в эксгаустер либо в атмосферу, имея, если это нужно по условиям испытания, давление больше атмосферного.
Установка позволяет реализовать режимы испытаний, при которых давление газа перед пакетом лопаток н охлаждающего воздуха могут достигать 8 бар, на выходе из пакета от 3 до 0,15 бар, температура газа и охлаждающего воздуха 1350 и до 900 К соответственно. Система дросселей на выходе дает возможность исследовать раздельное влияние чисел Маха и Рейнольдса на процесс теплообмена в лопатках и в сочетании с изменением температуры газа и охлаждающего воздуха обеспечить при проведении испытаний газодинамическое и тепловое подобие в соответствии с условиями, имеющими место в турбине. Использование в установке натурной камеры сгорания, подогревающей газ до температуры равной или близкой к температуре перед турбиной, создает в потоке на входе в лопатки степень турбулентности такую же, как и в натурных условиях.
Из практики авиационного газотурбостроения известно, что степень турбулентности в потоке газа на выходе нз камеры сгорания колеблется в пределах 8 — 10% и в сильно теплонапряженных камерах достигает 12%. Следовательно, и для рабочих лопаток, которые испытываются без расположенного перед ними соплового 34 аппарата, такой уровень степени турбулентности достаточен, чтобы проявилось ее влияние на процесс теплообмена. Поскольку у рабочих лопаток угол входа р, переменный по высоте, их устанавливают под углом, равным его значению в среднем сечении.
Этим достигается безударное обтекание сечения лопатки, в котором производится измерение температуры. Температура газа, обтекающего лопатку, измеряется теми же термопарами, что и температура испытуемой лопатки, но без подачи охлаждающего воздуха. Одну из лопаток пакета, препарированную термопарой, установленной в среднем сечении на входной кромке, не охлаждают в течение всего времени эксперимента, и по ее показаниям устанавливают и поддерживают постоянной температуру газа при изменении режима работы установки. Неизбежные при продолжительной работе на одном и том же режиме отклонения температуры газа учитываются при обработке экспериментальных данных сравнением значений локальной температуры газа на испытуемой лопатке с температурой лопатки, не охлаждаемой в течение всего эксперимента.
Подвод и измерения расхода охлаждающего воздуха осуществляются отдельно для каждой лопатки в пакете. Эксперименты планируются таким образом, чтобы определенный комплекс испытаний проводился без переборки пакета лопаток, что исключает возможные погрешности, возникающие при повторном препарировании лопаток термопарами и монтаже. Препарирование лопаток выполняется пленочными термопарами, микротермопарами или кабельными, обеспечивающими измерение температуры до 1350 К.
Экспериментальные данные по тепловым и гидравлическим характеристикам охлаждаемых лопаток с внутренним дефлектором получены при их испытании на описанной установке. 2.3. Теплоотдача от лопатки к охлаждающему воздуху Величина коэффициента теплоотдачи от лопатки к охлаждающему воздуху определяется геометрией (формой и размерами) внутренних каналов и характером течения в них. Течение воздуха в каналах обусловлено перепадом давления между входом и выходом из них, а в рабочих лопатках — еще и воздействием центробежных сил. Поэтому по своему характеру оно, как правило, турбулентное, за исключением некоторых режимов, реализуемых в авиационных газотурбинных двигателях при больших высотах полета.
В охлаждаемых лопатках с поперечным относительно пара течением охлаждающего воздуха и струйным натеканием его на входную кромку величину коэффициента теплоотдачн от лопатки к воздуху а, определяют (по аналогии с а ) для трех участков внутреннего обвода профиля. Примером такой лопатки является полая тонкостенная лопатка с внутренним дефлектором (см. рис. 1.15). В ней охлаждающий воз- 35 дух подается в полость дефлектора и через отверстия в нем натекает на внутреннюю поверхность входной кромки лопатки; далее, совершив поворот на 180', он поступает в каналы между дефлектором и внутренней поверхностью лопатки, омывая вогнутый и выпуклый участки ее, и через щели или отверстия в выходной кромке выходит в проточную часть турбины. Коэффициент теплоотдачн а,, на участке входной кромки лопатки, согласно работе 17), определяется по критериальному соотношению, полученному С.
В. Гуровым для 1,7 10'<Ке,,<6.10'! Г !! Ч!и!Р '1 о ввв ! (2.5) (!! — а!) 2 !( ! вкв.р,) т1)' + !! «!!р! !в (в!!к ) вкв. р где и!=)/2ав /а!Хвв;г,„, р — — Ьвкк р(п; Ьвкв.р — часть оребренной длив! ! с! вкв. р вкв. р ны окружности по внутреннему радиусу входной кромки (рис. 2.4); 7, и 7! — функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка соответственно; )в„— коэффициент теплопроводностн стенки лопатки, тогда (2.
7) Внутренние каналы в подавляющем большинстве конструкций (2.ба) 36 откуда а,, = Хи,,Х,,/дв, (2.б) Здесь число Ке,, подсчитано по параметрам воздуха на выходе из отверстий в носике дефлектора; в(, =4Т, !П вЂ” гидравлический ! ! диаметр, принятый в качестве характерного размера; е!=-)(Т,(Т;, Т;1сопз() — коэффициент, учитывающий влияние первого и второго' температурных факторов при Тк)1000 К е,=1,0171; Щ,— наибольшее относи .льное расстояние от выхода из отверстий дефлектора до внутв пней поверхности кромки лопатки; Р,,и Р,ш— площади отверстгй в дефлекторе и в выходной кромке лопатки; !р! и !рп! — коэффициент расхода при течении воздуха через отверстия в дефлекторе и !рели в выходной кромке; ) — коэффициент ! теплопроводности воздуха при температуре его на входе в лопатку.
Если отверстия в дефлекторе выполнять, как это обычно делается, по типу сужнвающих сопел, а в щелях в выходной кромке не делать специальных устройств (например, турбулнзаторов в виде штырьков и др.), существенно увеличивающих их гидравлическое сопротивление, то можно принимать коэффициенты расхода равными, иными словами, !рп!1<~!=1,0. Для улучшения охлаждения входной кромки лопатки ее внутреннюю поверхностьвыполняют оребренной (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
