Настоящее и будущее авиационных двигателей Б.А. Пономарёв (1014179), страница 10
Текст из файла (страница 10)
е. воздуха, может существенно увеличить эффективность системы конвективного охлаждения лопаток. Рнс. ЗК Турбинная лопатка со штырьками и рсбрамн в качеств" иптепсяфакаторов теплообмена (рабочая лопатка второп ступени турби- ны двигателя ЛТ91)-7) В охлаждаемых лопатках турбин применяются различные способы интенсификации теплообмепа. Одним из таких способов является струйное иатекание охлаждающего воздуха на внутреннюю поверхность лопатки. При такой конструкции охлаждающий воздух поступает внутрь пустотелой детали — дефлектора, помещенного в полость лопатки, откуда через профилированные отверстия струйки воздуха направляются к наиболее теплонапряженным участкам (рис. 30).
Такой способ очень широко применяется в сопловых лопатках (практически на всех двигателях), а также в рабочих лопатках (двигатели г)00, дТ91) и некоторые другие). Другим способом интенсификации теплообмена является дополнительная турбулизация охлаждающего воздуха с помощью различного рода турбулнзаторов — цилиндрических штырьков, профилированных перемычек, ребер и т. п. (рис. 3!). При этом одновременно происходит и увеличение поверхности охлаждения.
С увеличением температуры газа перед турбиной возможности внутреннего конвектнвного охлаждения оказываются недостаточными и приход1пся переходить к системам с выпуском воздуха на поверхность охлаждаемых элементов турбины, Вследствие этого начиная с Т„'=1550 —:1600 К применяется пленочное охлаж- дение, при котором на поверхности лопатки создается защитный слой охлагкдающего воздуха, отделяющи11 поток газа от наруж- ной поверхности лопатки. В этой конструкции охлаждающий воз. дух выводится на поверхность лопатки через отверстия малого диаметра 1около 0,5 мм).
Вследствие размывания газом защит- ного присте~очпого слоя его необходимо подпитывать, дополни- тельно подавая воздух через отверстия, расположенные вдоль движения газового потока, т. е. сзенка лопатки оказывается пер- форированной. Пленочное охлаждение в сочетании с конвективным позволяет увеличить эффективность охлаждения прп умеренных расходах охлаждающего воздуха и широко применяется для наиболее на- гретых частей сопловых и рабочих лопаток высокотемпературных турбин, в частности входных кромок и вогнутых поверхностей ло- паток, а также торцевых поверхностей межлопаточных каналов (Рис. 32), Наибольший эффект можно получить, пРименяя пористое охлаждение, при котором воздух пз внутренней полости лопатки проникаег через ее порисзые стенки и создает непрерывный теп- лоизолирующий слой воздуха между газом и поверхностью лопат- ки.
При такой схеме охлаждения можно получить температуру материала лопатки, близкую к температуре охлаждающего воз- духа. Однако сложность и дороговизна изготовления пористых материалов и лопаток из них, а также трудности обеспечения экономичной работы такой системы препятствуют ее применению в авиационных турбпнах. Кроме того, достижение высокой на- дежности такой системы затруднительно вследствие засорения пор частицами пыли, содержащимися в воздухе. Следует отметить, что температура материала охлаждаемой лопатки неодинакова по ее контуру и зависит от формы лопатки, ее размеров и параметров газового потока, что объясняется сле- дующими причинами: — поле температур газового потока на выходе из камеры сгорания неравномерно в окружном и радиальном направлениях; — охлаждающий воздух, продвигаясь в лопатке, нагревается и постепенно становится все менее эффективным охладптелем; — в средней части профиля лопатки нз-за его относительно большой толщины размещается больше охлаждающих каналов, чем во входной и выходной кромках; — интенсивность теплоотдачи от газа к лопатке на внешней поверхности различная вследствие различия режимов течения в пограничном слое вблизи поверхности лопатки.
В лопатке наиболее трудно обеспечить охлаждение входной и выходной кромок. Обычно для охлаждения входной кромки осу- ществляется интенсивное оребрение внутренней поверхности этой части лопатки. В других случаях оказывается возможным распо- ложить радиальные каналы для прохода охлаждающего воздуха 67 Рнс. 32. Турбинкые лопатки с конвективно-пленочной схемой охлаждения первой ступени турбины двигателя СР6-50А: а — ооллоаые лооаткв: б — рабочие лоааткв вблизи входной кромки, чем обеспечивается ее необходимое охлаждение. Кроме того, применяется и схема охлаждения со струйным натеканием (дефлекторная).
Наконец, для охлаждения входной кромки в наиболее высокотемпературных двигателях применяется пленочное охлаждение. Особенно трудно охладить выходную кромку лопатки вследствие ее малой абсолютной толщины. Трудность охлаждения выходной кромки заключается еще и в том, что хладоресурс воздуха, применяемого для ее охлаждения, обычно уже бывает использован для охлаждения других поверхностей этой же лопатки. Размещение радиальных охлаждающих каналов в таких кромках чрезвычайно затруднено, хотя при умеренных Т,".
удается использовать эту схему, как, например, в ТРДФ «Олимп». Обычно для охлаждения выходнои кромки применяют выпуск охлаждающего воздуха нз полости лопатки на вогнутую поверхность лопатки вблизи выходной кромки через ряд отверстий (щелей) или через щель в самой выходной кромке, Существенно усложняет проблему охлаждения турбины высокая температура охлаждающего воздуха.
Так, для двигателя с и"„, =25 температура воздуха за компрессором превышает 810 К на режиме взлета. В условиях сверхзвукового полета температура охлаждающего воздуха может быть еще выше. Для двигателей, устанавливаемых на высокоскоростных военных самолетах, наиболее тяжелыми для охлаждения являются три режима: взлетный, полет у земли на трансзвуковой скорости и сверхзвуковой полет на максимальной скорости.
Некоторого снижения температуры охлаждающего воздуха перед поступлением его в рабочие лопатки можно добиться благодаря предварительной закрутке воздуха. Для этого перед подводом воздуха к вращающемуся диску рабочего колеса турбины ему придается закрутка с помощью профилированных сопел, соответствующая окружной скорости колеса в месте подвода воздуха (рнс.
ЗЗ), что позволяет снизить температуру воздуха, поступающего в рабочие лопатки, на 50 — 80 К. Охлаждение высокотемпературных турбин авиационных двигателей затрагивает широкий круг вопросов, связанных не только с разработкой системы подвода воздуха, конструкции и производства охлаждаемых лопаток, но и с необходимостью учета влияния системы охлаждения на характеристики двигателя.
Отбор некоторого количества воздуха на охлаждение турбины уменьшает удельную тягу и увеличивает удельный расход топлива двигателя, вследствие чего необходимо использовать все возможности для уменьшения расхода охлаждающего воздуха. Кроме того, существенное влияние на термодинамические параметры рабочего процесса оказывает выпуск охлаждающего воздуха в проточную часть турбины. Воздух, использованный для охлаждения элементов турбины (лопаток, диска, корпуса и т.
д.), выпускается в проточную часть 59 турбины двигателя и смешивается с газовым потоком, участвуя е работе последующих ступеней турбины. При этом вследствие разности скоростей и давлений смешиваемых потоков воздуха и газа возникают гидравлические потери на смешение, Потери давления, связанные с возвратом использованного воздуха в газовый поток, в значительной мере зависят от места его выхода. В частности, эффективность работы турбины почти не изменяется при выдуве воздуха в сопловом аппарате (особенно Рис. ЗЗ. Схема охлаждения турбинных лопаток с предаарительной закруткой охлаждаюгнего воздуха (турбина дангатела ки.2! 1): у — ррааааритальнаа аакрутка; у — уалоааанаа на входной кромке), так как после этого воздух совершает по.
лезную работу, расшиРяясь в межлопаточных каналах рабочего колеса и в последующих ступенях. Выпуск воздуха производится через щели и отверстия, что не обходится без увеличения гидравлических потерь из-за возмущений в пограничном слое. Кроме того, из системы подвода охлаждающего воздуха неизбежны утечки в проточную часть турбины. Источники утечек в турбине многочисленны, несмотря на применяемые очень сложные конструктивные мероприятия (см., например, уплотнения на рпс ЗЗ). Это существенно отражается на характеристиках двигателя, так как приводит к прямому снижению КПД турбины, особенно при радиальном направлении втекания воздуха в газовый поток, Турбина с малым числом ступеней (г= 1и 2) очень чувствя. тельна к выпуску охлаждающего воздуха в проточную часть. Однако рапиональным выдувом охлаждающего воздуха можно даже несколько компенсировать потери давления, возникающие в проточной части тУрбины, например в закромочной области ло- би паток.
Утечки охлаждающего воздуха сильно влияют на КПД турбины и зависят от выбранной системы подвода воздуха. Создание конструкции турбины с малыми утечками чрезвычайно затруднено, так как даже прн рациональном проектировании повышенные давления и температуры вызывают значительные термические деформации, увеличивающие зазоры. Конструкция, оптимизирован~ная для стационарного режима работы двигателя, на переходных 'пежнмах может существенно деформироваться. Вследствие этого ля турбин современных двигателей требуется тщательная доводка по уравновешиванию термических и механических деформаций. В настоящее время большинство лопаток охлаждаемых турбин изготовляются литьем в вакууме по выплавляемым моделям с керамическими или кварцевыми стержнями. Минимальная толщина стенок лопаток достигает 0,8 — 1 мм, минимальный диаметр внутренних каналов — 0,6 мм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
