3.7. Расход охлаждающего воздуха

Повышение начальной температуры газа в ГТУ сопровождается применением охлаждения наиболее нагруженных элементов турбины. В качестве охладителя чаще всего используется цикловой воздух ГТУ.

При анализе ГТУ с ВГТ и выборе параметров установки требуется знание расхода воздуха на охлаждение , обеспечивающего заданную температуру стенки охлаждаемой детали. Величина сильно влияет на основные характеристики ГТУ, поэтому ее уровень должен быть более или менее обоснован.

В настоящее время имеются методы расчета, позволяющие определить расход охладителя на различных участках охлаждающего тракта, например [7]. Для использования этих методов необходимо знание не только геометрии проточной части турбины, но и решение ряда конструктивных вопросов системы охлаждения. Определение может быть сделано только после детального расчета турбины и конструктивной проработки системы охлаждения.

При расчетах тепловых схем ГТУ с ВГТ обычно конструктивные проработки турбины и системы охлаждения еще отсутствуют, а знание уже необходимо. Величина расхода охладителя складывается из нескольких составляющих, предназначенных для охлаждения ротора, статора и лопа­точного аппарата. Оценим возможную величину через ее составляющие.

Расход воздуха на охлаждение ротора оказывается зна­чительным. Даже в авиационных ГТД на охлаждение диска 1-й ступени при температуре около 1300 К требуется 0,5% воздуха, а при 1450 К уже около 1%. В стационарных ГТУ эти расходы заметно выше. Так, в установке ГТК-Ю НЗЛ при температуре газа 1050 К на охлаждение ротора по расчетам подается 1,07% воздуха, а в ГТК-16 УТМЗ при 1100 К — 1,27%. Учитывая опыт эксплуатации газотурбинных установок, а также исследования вопросов охлаждения дисков и разработки эффективных методов теплообмена с использованием струйного обдува, примем, что надежная работа дисков обеспечивается при 1200 К расходом воздуха на охлаждение ротора 1,0%, а при 1500 К — 1,6%. При других температурах газа расход воздуха изменяется линейно (область I, на рис. 3.11).

Охлаждение элементов статора имеет место уже при умеренных температурах газа, а расход воздуха на охлаждение в значительной мере определяется совершенством конструкции турбины. Так, в установке ГТ-25-700 ЛМЗ при температуре газа 973 К отбор воздуха на охлаждение элементов статора равен 1,5%, а в установке ГТ-6-750 УТМЗ — 1% высоконапорного воздуха. Существенны эти расходы воздуха и в авиационных двигателях: РД-ЗМ — 0,6%, а «Дарт» фирмы «Роллс-Ройс» при температуре газа выше 1200К—1%. Более подробные данные по охлаждению статора ВГТ приведены в работе [13]. Учитывая дальнейшее совершенствование конструкции ВГТ, примем для анализа схем ГТУ следующий расход воздуха на охлаждение статора:

=1200 К — = 0,8%.

= 1500 К — = 1,2%;

при других температурах имеет место линейный закон изменения (область II на рис. 3.11).

Рис. 3.11. Расход воздуха на охлаждение высокотемпературной турбины

Наиболее значительные расходы охладителя отбираются на охлаждение лопаточного аппарата. Для определения их значений рассмотрим условия теплообмена на охлаждаемом венце. Известно, что тепловой поток к охлаждаемой поверхности . С другой стороны, можно написать, что . Решая эти уравнения, получим, что для i-го венца расход охладителя

где

— коэффициент использования хладоресурса охладителя.

Тогда расход охладителя для лопаток турбины ^лоп найдется суммированием по всем охлаждаемым венцам, т. е.

Расчеты показывают, что для среднего охлаждаемого венца составляет 0,4—0,6. Если принять =1100К, то расходу воздуха на охлаждение лопаточного аппарата соответствует область III на рис. 3.11.

В любой системе охлаждения имеются утечки, величина которых может быть значительной. Для оценки утечек в системах охлаждения ВГТ введем коэффициент , равный 1,2—1,3 (область IV на рис. 3.11).

Таким образом, общий расход воздуха на охлаждение ВГТ

(3.39 )

На рис. 3.11 построен график изменения в зависимости от температуры газа, найденный по уравнению (3.39). Здесь же нанесены опытные данные, снятые с работающих двигателей. Анализ этих данных свидетельствует о достаточной точности предлагаемого метода оценки .

Несколько заниженные расчетные значения в зоне умеренных температур объясняются, по-видимому, завышенными утечками в реальных двигателях и невысокой эффективностью их систем охлаждения.

Для расчета характеристик ГТУ рекомендуется принимать расход воздуха на охлаждение турбины по сплошной линии на рис. 3.11.