5.9. Охлаждение турбин

Целью охлаждения элементов конструкции турбины является:

- поддержание в заданных пределах температуры деталей, обес­печивающей их длительную механическую прочность;

- повышение ресурса двигателя;

- замена дорогостоящих материалов на основе никеля, кобальта, хрома и т.д. более дешевыми материалами;

- снижение градиентов температур по объему деталей, для уменьшения термических напряжений;

- обеспечение возможности повышения температуры газов перед турбиной;

- уменьшение и поддержание радиальных зазоров обеспечиваю­щих повышение КПД.

Система охлаждения должна отвечать следующим требованиям:

- обладать высокой эффективностью - малым расходом охладителя, небольшими затратами мощности, малыми потерями тепла цикла, высоким КПД турбины;

- существенно не усложнять конструкцию, технологию изготовления, ремонта и обслуживания; иметь малые габариты, массу и стоимость;

-высокую надежность.

В современных высокотемпературных турбинах охлаждение элементов осуществляется сжатым воздухом из компрессора по от­крытой схеме, при которой используемый для охлаждения воздух выбрасывается в проточную часть двигателя. В некоторых двигате­лях (АИ-24, НК-12..,) охлаждение корпуса турбины осуществляется набегающим потоком атмосферного воздуха.

В турбине могут охлаждаться сопловые и рабочие лопатки, дис­ки, корпусные детали, опоры и элементы конструкций опор, сило­вых связей трубопроводов маслосистем и др.

При уровне температуры газа перед турбиной = 1600...1700К суммарная величина расхода воздуха на охлаждения может состав­лять 0,1...0,15 от расхода воздуха через двигатель. При этом, чтобы обеспечить температуру лопаток не выше 1100...1300К, на охлажде­ние рабочих лопаток первой ступени тратится 0,025-0,035, сопло­вого аппарата первой ступени - 0,06... 0,09, лопаток рабочего колеса второй ступени - 0,01...0,03, СА второй ступени до 0,02 и дисков до 0,01 всего расхода воздуха через двигатель.

Увеличение количества охлаждающего воздуха положительно сказывается на долговечности газовых турбин, однако при этом происходит значительное снижение КПД турбин. Например, на одном из отечественных двигателей планировалось получить расчёт­ные параметры при Т_г* = 1550К, = 90,5%, = 6%. Однако в процессе доводки двигателя было получено = 0,82...0,84, что при­вело к необходимости увеличить температуру до = 1620К и расхо­да воздуха на её охлаждения до = (12...13)%.

Поэтому считается, что примерно 30% прироста температуры газа перед турбиной является "паразитным", так как идет на компен­сацию падения КПД турбины из-за необходимости увеличения рас­хода воздуха на её охлаждение.

Следовательно, существует оптимальное соотношение между потребной температурой газов перед турбиной и расходом воздуха на её охлаждение при существующей эффективно­сти использования охлаждающего воздуха. Повышение температу­ры свыше при данной схеме охлаждения будет только ухуд­шать параметры двигателя.

Эффективность охлаждения осложняется тем, что воздух за компрессором имеет высокую температуру, возрастая с увеличени­ем степени повышения давления в компрессоре . Так у двигателей с =15, 25, 30 температура воздуха за компрессором соответствен­но составляет Т_В* = 625, 815, 900К (Н=0, Т_Н=293К). Для снижения Т_В^* разрабатываются перспективные двигатели с теплообменниками, расположенными во втором контуре ТРДД. Однако при этом ус­ложняется конструкция двигателя и увеличиваются гидравлические потери в проточной части второго контура.

В системах подвода воздуха для охлаждения рабочих лопаток воздух к диску подводится под некоторым углом и при торможении несколько подогревается. При окружных скоростях вращения 350 м/с нагрев может составлять более 50К. Для снижения величины подогрева применяются специальные конструктивные мероприятия, например, обеспечивается закрутка воздуха для его безударного входа без торможения. При этом за счет снижения температуры охлаждающего воздуха улучшается теплосъем с лопатки либо уменьшается количество воздуха на охлаждение.

Конструктивные решения по обеспечению безударного входа воздуха в полость диска приведены на рис. 5.35.

Рис. 5.35. Схемы подвода воздуха для охлаждения рабочих лопаток

Эффективность снижения температуры за счет безударного входа в полость вращающегося диска может составить 70…80К. Борьба с перегревом опор расположенных в зоне действия горячих газов, осуществляется с помощью экранирования теплозащитными кожухами, продувкой охлаждающего воздуха стыков вала с дисками, посадочных мест подшипников, снижением площадей контакта подшипников с корпусом и валом, уменьшением объема масляных полостей, теплоизоляцией полостей и др.

Конструктивное решение защиты опоры от действия горячих газов приведено на рис. 5.36.

Рис.5.36. Охлаждение элементов газовой турбины и задней опоры: 1- атмосферный воздух; 2- кольцевой воздухозаборник; 3 , 4 – каналы для прохода воздуха; 5 - подшипник роликовый; 6- отверстия; 7- полость суфлирования; 8- полость вторичного потока; 9,10,11,12 – отверстия и кольцевые зазоры для прохода воздуха на охлаждение

Тем не менее при температурах гага на входе в турбину = 1650К температуры элементов опор могут составлять:

- масла на выходе из полости опор (453…473)К;

- колец подшипников (453…513)К;

- корпуса масляной полости (473…673)К;

- масляных трубопроводов (473…513)К.