3.2 Эффективность охлаждения

В качестве параметра, характеризующего эффективность различных схем охлаждения, используют величину, называемую эффективность охлаждения:

(3.1)

где  температура газа перед турбиной;

Т_л  средняя температура лопатки;

Т_в^*  температура охлаждающего воздуха в сечении отбора от компрессора.

В различных работах вместо Т_г^* может использоваться Т_w1^*  температура торможения потока газа на входе в рабочее колесо (см. рис. 2.1) в относительном движении, а вместо Т^*_в.0  температура охлаждающего воздуха на входе в лопатку.

Рассматривают локальные и средние значения   соответственно для их определения используется локальная или средняя температура лопатки.

3.3 Развитие систем охлаждения рабочих лопаток

Первым серийно производимым двигателем с охлаждаемыми рабочими лопатками турбины был ГТД Jumo-004, разработанный в 1940-1942 гг. Конструктивная схема турбины этого двигателя и рабочей лопатки представлена на рис. 3.4.

Сварные охлаждаемые лопатки изготавливались из хромомарганцовистой листовой стали. Внутрь лопатки 7 вставлен профилированный дефлектор 4, также изготовленный из тонкого стального листа. К верхнему торцу лопатки приварено донышко с отверстиями для выхода охлаждающего воздуха. Размер отверстий определяет значение расхода охлаждающего воздуха.

При   0,3 расход охлаждающего воздуха составлял 3,8%.

Внедрение никель-хромовых сплавов позволило временно обеспечить прогресс двигателестроения без охлаждения лопаток. Однако дальнейший рост температуры газа потребовал внедрения систем охлаждения.

Их характеристики представлены на рис. 3.5.

Рисунок 3.4 - Схема охлаждения турбины ГТД РД-20 (а) и ее дефлекторной сварной рабочей лопатки (б)

Рисунок 3.5 - Зависимость средних эффективностей охлаждения, реализуемых в лопатках различных схем, от относительного расхода охлаждающего воздуха

3.3.1. Лопатки с внутренним конвективным охлаждением

П

Рисунок 3.6 - Схема охлаждения рабочих лопаток с ребрами – турбулизаторами продольной продувкой воздуха (ГТД фирмы Аллисон»)

Рисунок 3.7 - Схема охлаждения рабочих лопаток с петлевым движением воздуха

Рисунок 3.8 - Схема охлаждения рабочих лопаток с двухрядным расположением каналов

ри внутреннем конвективном охлаждении охлаждающий воздух, протекающий по специально выполненным каналам внутри лопатки, отводит тепло от нее и поступает в проточную часть турбины.

Лопатки внутреннего конвективного охлаждения можно разделить на группы, отличающиеся направлением течения воздуха:

- продольное течение;

- продольно - поперечное (смешанное) течение;

- поперечное течение.

Система охлаждения с односторонним продольным течением через один ряд мелких отверстий (рис. 3.5, поз. 8) является самой простой, но наименее эффективной. Пример – двигатель АИ-25ТЛ.

Совершенствование системы с продольным течением шло по четырем направлениям:

1) использование турбулизаторов потока во внутренних каналах (рис. 3.5, поз. 1; рис. 3.6);

2) применение петлевого движения воздуха (рис. 3.5, поз.3; рис. 3.7); пример – вторая ступень TF-39 (General Eleсtric);

3) двухрядное расположение каналов (рис. 3.5, поз.2; рис. 3.8); пример – «Olympys», «Spey».

4) продольное оребрение каналов с целью увеличения внутренней поверхности теплообмена (рис. 3.9); пример – Д-36.

Недостатками продольной схемы охлаждения являются:

-

Рисунок 3.9 - Поперечное сечение рабочей лопатки двигателя Д-36

значительный расход охлаждающего воздуха;

- ограниченная глубина охлаждения;

- значительная температурная неравномерность вдоль лопатки и в ее поперечных сечениях.

Р

Рисунок 3.10 - Схема охлаждения рабочих лопаток продольно-поперечной продувкой воздуха:а – ГТД фирмы «Дженерал Электрик»; б – ГТД фирмы «Роллс-Ройс»

азность температуры по профилю лопатки создает условия для накопления повреждений от малоцикловой усталости. Поэтому такая схема охлаждения в настоящее время практически не применяется.

Ко второй группе конвективно охлаждаемых лопаток относятся лопатки со смешанной продольно-поперечной схемой течения. Основная задача этой схемы – улучшить охлаждение выходных кромок и тем самым уменьшить температурную неравномерность. Схемы таких лопаток представлены на рис. 3.5, поз. 5, а также на рис. 3.10. Примеры: RB211 (Rolls-Royce, первая ступень TF-39 (General Eleсtric).

Одним из способов интенсификации теплообмена является применение матрицы с перекрещивающимися каналами (рис. 3.11), получивших название «вихревая матрица».

Рисунок 3.11 - Рабочая лопатка с внутренними перекрещивающимися каналами: 1 – передняя полость; 2 – задняя полость; 3 – жиклер для подпитки задней полости; 4 – ребра, формирующие матрицы с перекрещивающими каналами; 5 – поворотное ребро

Рисунок 3.12 - Схема дефлекторных лопаток: а – сопловая; б – рабочая; 1 – щели подвода воздуха в дефлекторе; 2 и 3 – оребрение входной кромки и срединного участка профиля; 4 – отверстия в дефлекторе (перфорация); 5 – продольные прерывистые ребра (турбулизаторы); 6 – перемычки

К третьей группе конвективно охлаждаемых лопаток относятся лопатки с поперечным относительно пера течением воздуха. Типичной конструкцией являются полые лопатки, внутри которых располагается дефлектор (рис. 3.5, поз. 7,10; рис. 3.12).

О

Распределение температур в дефлекторной лопатке

ни обладают рядом преимуществ по сравнению с лопатками с продольным и смешанным течением. Одно из них заключается в том, что дефлекторные лопатки позволяют управлять распределением интенсивности теплообмена во внутренних каналах, изменяя профиль дефлектора, и обеспечивать таким образом необходимые запасы прочности.

Известна технология, при которой лопатка изготавливается из двух половин, которые соединяются пайкой. Дефлектор также припаивается и становится частью конструкции лопатки, демпфирующей колебания.