5.3 Теплообмен лопаток с газовым потоком

5.3.1 Определение температуры газа

5.3.1.1 Определение температуры газа на входе в лопатку

На выходе из камеры сгорания поток газа имеет большую температурную неоднородность в окружном и радиальном направлениях. Поэтому сопловые лопатки первой ступени турбины высокого давления работают в газовом потоке с существенной температурной неравномерностью. Расчет сопловых лопаток выполняют, используя максимальную температуру газа в выходном сечении камеры сгорания:

, (5.4)

где - среднемассовая температура газа на выходе из камеры сгорания;

- температура на выходе из компрессора;

η - коэффициент температурной неравномерности, значение которого обычно находится в диапазоне 0,25…0,35.

При прохождении газа через первую ступень неравномерность температуры существенно уменьшается. Поэтому при расчете сопловой лопатки второй ступени поправку на температурную неравномерность не делают.

Для рабочих лопаток неравномерность температуры в окружном направлении несущественна, так как эти лопатки вращаются и воспринимают среднее по окружности значение температуры, Поэтому необходимо учитывать только радиальную неравномерность. Для среднего сечения лопатки используют значение η = 0,05, для корневого сечения η = -0,15, для периферийного η = -0,08. При этом в приведенную выше формулу вместо следует подставить - среднемассовую температуру торможения газа в относительном движении на входе в рабочую лопатку.

5.3.1.2 Учет сегрегации потока в канале рабочего колеса

Холодный воздух, охлаждающий сопловые лопатки турбины, выходит в проточную часть в основном через выходную кромку. Он не успевает смешаться с потоком газа. Из-за того, что имеет меньшую скорость, чем газовый поток, он меньше отклоняется в межлопаточном канале рабочего колеса и поступает в основном на спинку рабочей лопатки. Вследствие этого при вращении турбины на корыто лопатки действует в основном горячий газ, а спинка лопатки оказывается под переменным действием газового потока и воздуха. Это явление получило название сегрегация (разделение) потока в межлопаточном канале.

Существенное влияние на структуру этого неоднородного потока оказывают также вторичные течения (парные вихри) в корневом и периферийном сечениях межлопаточного канала.

Поэтому при расчете системы охлаждения можно считать, что «греющая» температура на спинке равна температуре газа, рассчитанной с учетом неравномерности по формуле (5.4)

, (5.5)

где - среднемассовая температура газа в относительном движении на входе в рабочее коле, рассчитанная с учетом смешения потока газа с воздухом, охлаждающим сопловой аппарат;

= 0,05.

Температура со стороны корыта лопатки вследствие сегрегации имеет большее значение:

, (5.6)

где q - отношение расхода воздуха, охлаждающего сопловой аппарат, к расходу газа на входе в турбину.

Эксперименты, проведенные в Запорожском конструкторском бюро «Ивченко-Прогресс», показали, что разница между температурами газа возле корыта и спинки достигает 150 К в корневом, 50 К в среднем и 250 К в периферийном сечениях.