3 Распределение температуры в сечении лопатки с пленочно-конвективным охлаждением .3.2 Лопатки с конвективно-заградительным охлаждением

П

Лопатка с пленочно-конвективным охлаждением

ри среднемассовой температуре газа перед турбиной выше 1600К и степени повышения давления в компрессоре больше 20 применяют лопатки, в которых внутреннее конвективное охлаждение дополняется внешним заградительным (пленочным) охлаждением. Воздух выдувается через отверстия, выполненные в стенке лопатки, и создает защитный слой между газом и поверхностью лопатки. Для создания на защищаемой поверхности сплошной пелены воздуха применяют несколько рядов отверстий, а расстояние между рядами подбирают так, чтобы вытекающий из них воздух еще не полностью был размыт потоком газа.

К

Рисунок 3.13 - Развитие схем охлаждения рабочих лопаток фирмы Rolls-Royce

ак видно из рис. 3.5, введение заградительного охлаждения увеличивает интенсивность теплообмена, особенно на участках, подверженных наиболее сильному тепловому воздействию, или наиболее трудно охлаждаемых изнутри.

На рис. 3.13 представлено развитие схем охлаждения рабочих лопаток фирмы Rolls-Royce: конвективная система с радиальным течением (1); система с одноходовым течением и пленочным охлаждением входной и выходной кромок (2) и система с многоходовым течением и интенсивным пленочным охлаждением.

3.3.3 Лопатки с пористым охлаждением

Наибольший эффект от увеличения поверхности теплообмена может быть достигнут при пористом охлаждении лопаток. Пористая стенка имеет большую внутреннюю поверхность охлаждения и обеспечивает создание равномерной пленки охлаждающего воздуха на наружной поверхности (рис. 3.14). Реализация стенки с мелкими порами затрудняется технологическими причинами, а также опасностью засорения частицами пыли, размер которых даже при фильтрации охлаждающего воздуха составляет 15…30 мкм.

Поэтому в настоящее время реализуются более простые варианты перистого охлаждения – «ламиллой» (Rolls-Royce-Allison) и проникающее охлаждение, представленное на рис. 3.15 (Rolls-Royce) и 3.16 (ЦИАМ).

Рисунок 3.14 - Схема лопатки с пористым охлаждением:

1  несущий стержень;

2 пористая (проницаемая) оболочка

Распределение температуры в сечении лопатки с транспирационным охлаждением

Конструктивная реализация материала «Ламиллой»

Рисунок 3.15 - Перспективная схема охлаждения «лопатка с охлаждаемыми стенками» фирмы Rolls-Royce

Рисунок 3.16 - Поперечное сечение лопатки, разработанной в ЦИАМ с использованием так называемой технологии «гибких стержней». Снизу – распределение относительной эффективности охлаждения по сечению

Примеры современных охлаждаемых турбин

Типичный вид турбины высокого давления с сопловой и рабочей лопатками

Пример конструкции рабочей лопатки

Охлаждение периферийной части лопатки

Рабочая лопатка

Передняя кромка рабочей лопатки с пленочным охлаждением (вставка – сменная для исследования различных отверстий

Сопловая лопатка с фрагментом струйного охлаждения передней кромки

Облегченная рабочая лопатка с гидравлическим профилем вогнутой части

4 ПОРЯДОК РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ОХЛАЖДАЕМЫХ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК

Снижение температуры охлаждаемых лопаток относительно температуры газа обуславливается теплообменом между лопаткой и газом, теплообменом между лопаткой и охлаждающим воздухом, а также распространением тепла в самой лопатке. Различные условия подвода тепла и отвода его в охлаждающий воздух через поверхность приводят к значительной неравномерности поля температур в теле лопатки. Для определения поля температур необходимо решать пространственную задачу теплообмена в многосвязной области с граничными условиями, переменными в пространстве и времени.

В общем случае, температура в любой точке лопатки является функцией трех координат и времени: .

Распространение тепла внутри лопатки описывается уравнением Фурье-Кирхгофа

(4.1)

где с  удельная теплоемкость;

  плотность;

  коэффициент теплопроводности;

  интенсивность внутренних источников тепла.

(4.1) – нелинейное дифференциальное уравнение в частных производных. Его решением является температура как функция координат и времени.

Аналитическое решение этого уравнения имеется только для тел простой формы. Поэтому для лопатки оно решается численными методами – например, методом конечных элементов. Для предварительных расчетов целесообразно принять предложение, что . Тогда задача становится двумерной и сводится к рассмотрению поперечного сечения лопатки.

На установившемся режиме работы двигателя . Учитывая отсутствие внутренних источников тепла, можно упростить уравнение (4.1):

, (4.2)

где – коэффициент температуропроводности (в общем случае зависящий от температуры).

Для решения уравнения (4.1) необходимо задать начальные и граничные условия, а для решения уравнения (4.2) – граничные условия.

Начальные условия задают распределение температуры в некоторый начальный момент времени:

(4.3)

Различают четыре вида граничных условий.

Граничные условия первого рода задают распределение температуры на всей поверхности лопатки, в общем случае переменное во времени:

, (4.4)

где «пов» координаты поверхности (внутренней и наружой).

Граничные условия второго рода задают распределение плотности теплового потока

. (4.5)

Граничные условия третьего рода задают распределение температуры наружного потока и коэффициента теплопроводности:

;

;

; (4.6)

,

где  температура газа на наружной поверхности лопатки (греющая температура);

 температура воздуха на внутренней поверхности (охлаждающая температура);

и  коэффициенты теплоотдачи на наружной и внутренней поверхностях.

Граничные условия четвертого рода используются при контактном теплообмене (например, лопатки с диском через замок).

Задается температура контактирующей детали и коэффициент теплообмена.

При определении температурного поля в охлаждаемых лопатках используют граничные условия 3-го рода.

Форма и размеры лопатки, в том числе наружного профиля и внутренних каналов, задаются выбранной конструктивной схемой, которая определяет и направление течения охладителя.

Параметры газа, обтекающего решетки профилей, и охлаждающего воздуха, определяются из газодинамического расчета двигателя и турбины. Определение коэффициентов теплоотдачи от газа к лопатке и от лопатки к охлаждающему ее воздуху является одной из центральных задач, решаемых в процессе теоретических и экспериментальных исследований.