2.1.2 Тепловое состояние лопаток
Тепловое состояние лопаток определяется изменением температуры по высоте и сечению. Это распределение температуры зависит от интенсивности поступления тепла в лопатку от газового потока и интенсивности отвода тепла в охлаждающий воздух.
Неоднородность поля температур в лопатке приводит к двум особенностям охлаждаемых лопаток:
- неоднородность предела прочности;
- возникновение термических напряжений.
Эти особенности иногда проявляются в получении неожиданных (на первый взгляд) результатов.
Так, например, не всегда в точке с меньшим напряжением запас прочности выше. Охлаждение не всегда приводит к улучшению работоспособности (повышению запасов прочности), так как рост термических напряжений может превзойти рост предела прочности, обусловленный снижением температуры.
2.1.3 Нагрузки, действующие на лопатки
1). Для рабочих лопаток турбин (особенно охлаждаемых) наибольшими являются растягивающие центробежные нагрузки.
Это определяется следующими причинами:
- лопатки турбин имеют большую относительную толщину профиля (отклонение максимальной толщины к хорде), что повышает жесткость сечений и снижает напряжения изгиба и кручения;
- для газогенератора средний радиус турбины обычно больше среднего радиуса соответствующего каскада компрессора;
- лопатки турбин обычно оснащаются бандажными полками, расположенными на наружном радиусе; эти полки создают дополнительную нагрузку.
2). Изгибающий момент от газовых сил.
Как известно, вследствие неоднородности локальных скоростей на асимметричном профиле, помещенном в поток, возникает неоднородное поле статистического давления, взаимодействие которого с профилем приводит к появлению в каждом поперечном сечении суммарной аэродинамической силы. Эта распределенная по высоте лопатки нагрузка приводит к ее изгибу.
3). Крутящий момент от центробежных сил.
4). Крутящий момент от газовых сил.
5). Переменные нагрузки вследствие нестационарных воздействий:
- со стороны потока вследствие его неоднородности;
- со стороны дисков, передающих через замковую часть колебания ротора;
- со стороны соседних лопаток через бандажную полку.
6). Термические напряжения.
Долговечность охлаждаемых лопаток турбин определяется совместным действием повреждений, вызванных длительным статическим нагружением и малоцикловой усталостью.
Повреждения от действия длительного статического нагружения накапливаются при работе двигателя на стационарных режимах.
Малоцикловая усталость лопаток определяется размахом напряжений за цикл нагружения. Как правило, его значение определяется работой лопаток на переходных режимах. На этих режимах температурные градиенты в поперечных сечениях лопаток существенно повышаются, что обуславливает рост термических и суммарных напряжений. Вследствие кратковременного действия они не вызывают заметного повреждения лопатки. Однако, когда размах напряжений за цикл работы двигателя достаточно большой, в лопатке в каждом цикле накапливаются усталостные повреждения.
2.2 Диски газовых турбин
2.2.1 Назначение и особенности конструкции
2.2.2 Тепловое состояние дисков
2.2.3 Нагрузки, действующие на диски
3 СХЕМЫ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИН И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
3.1 Классификация систем охлаждения
1). По виду охладителя |
|
воздушная |
Комбинированная |
|
|
паровая |
|||
|
жидкостная |
|||
вода |
топливо |
|||
2). По схеме течения охладителя |
|
открытая |
с выводом охладителя в атмосферу |
|
замкнутая |
с выводом охладителя в проточную часть |
3). По способу охлаждения |
|
конвективная |
|
заградительное (пленочное) |
|
|
пористое |
Рисунок
3.2 - Воздушная система охлаждения
открытого типа с выводом охладителя
в проточную часть
Рисунок
3.3 - Жидкостная замкнутая система
охлаждения: Б – бак с запасом охлаждающей
жидкости; ПН – подкачивающий насос;
Н – основной насос; ТО – теплообменник
Рисунок
3.1 - Воздушная система охлаждения
открытого типа с выводом охладителя в
атмосферу
Замкнутые системы обеспечивают большую эффективность охлаждения, то есть меньшие затраты энергии на охлаждение и большее снижение температуры охлаждаемых деталей. Однако они сложны по конструкции и имеют большую массу.
В качестве перспективной системы замкнутого типа можно рассматривать двухфазную систему, в которой теплоноситель подается к охлаждаемым деталям в жидком виде насосом, и на охлаждаемых поверхностях испаряется и в виде двухфазной смеси поступает в теплообменник-конденсатор, где пар конденсируется. Схема такой системы – такая же, как на рис. 3.3, однако вместо обычного теплообменника в ней используется теплообменник-конденсатор.
Из всех известных в настоящее время способов охлаждения лопаток газовых турбин существенными преимуществами (в первую очередь – простотой и эксплуатационной надежностью) обладает открытая схемы воздушного охлаждения. Однако, как было показано ранее, с ростом температуры газа растет потребный расход охлаждающего воздуха и снижается положительный эффект от повышения температуры газа. Поэтому одной из основных задач является повышение интенсивности охлаждения лопаток, с целью снижения расхода охлаждающего воздуха.
При проектировании высокотемпературных газотурбинных двигателей приходится решать вопрос о целесообразности той или иной конструкции охлаждаемых лопаток. При этом учитываются требования экономичности, ограничения габаритных размеров, удельной массы двигателя, а также обеспечения его надежности.
Важнейшими являются также технологические ограничения, особенно в условиях крупносерийного производства.
Тем не менее, практика создания высокотемпературных ГТД показывает, что связанное с введением охлаждения усложнение конструкции и технологии с избытком компенсируется повышением экономичности и увеличением удельной тяги. Чем эффективней система охлаждения, тем больше эта компенсация.
Развитие способов охлаждения позволяет проанализировать историю развития охлаждаемых лопаток.