Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 8-4-Rotory_turbin

Наиболее простым элементом фиксации замка служат пластинчатые замки – двусторонние 7 и односторонние 8.

8.4.3 - Охлаждение рабочих лопаток

Схемы охлаждения лопаток отличаются большим разнообразием. В основном, выбор схемы охлаждения определяется температурой газа

âконкретной турбине. Выбор должен быть оптимизирован по расходу охлаждающего воздуха, характеристикам турбины и долговечности лопатки - с точки зрения характеристик двигателя и себестоимости конструкции.

Рабочие лопатки первой ступени ТВД

Для рабочих лопаток первой ступени турбины практически исключительное применение нашла петлевая многоходовая схема охлаждения,п- ример которой приведен на Рис. 8.98. Эта лопатка имеет два канала, по которым охлаждающий воздух подается в переднюю 1 и заднюю 2 внутренние полости. Поток из канала 1 поступает в достаточно просторный (для снижения потерь давления и равномерного распределения давления по длине) радиальный канал 3, который является раздаточным. Из канала 3 воздух через систему отверстий 4 (изготовленных литьем) реализует струйное натекание на внутреннюю поверхность входной кромки в полости 5. Из полости 5 входной кромки воздух через пять рядов отверстий 6 пленочного охлаждения выходит на поверхность, создавая так называемое «душевое» пленочное охлаждение. Принято считать, что примерно одинаковый вклад

âэффективность охлаждения входной кромки вносят конвективное струйное охлаждение внутренней поверхности; конвективный теплообмен в отверстиях пленочного охлаждения (в стенке лопатки) и само пленочное охлаждение.

Охлаждающий воздух из полости 2 поступает

âраздаточный радиальный канал 7, размеры которого обеспечивают равномерное распределение давления по длине. Часть воздуха поступает в среднюю часть лопатки в систему из 4-х радиальных каналов 8, весь воздух из которых выходит в проточ- ную часть через несколько рядов отверстий пленочного охлаждения корыта и спинки. Сечения охлаждающих каналов 8 имеют относительно малое гидравлическое сопротивление, так как охлаждающему воздуху необходим запас по давлению для выхода в проточную часть и исключения затекания газа в отверстия пленочного охлаждения.

Другая часть воздуха из радиального канала 7 проходит последовательно радиальные полости 9 и 10 через систему отверстий 11 и 12 в стенках

между ними и выходит через длинные каналы 13 на поверхность лопатки перед выходной кромкой. Система гидравлических сопротивлений управляет расходом воздуха в выходную кромку, в которую воздух уходит под действием значительной разницы давлений. Этот воздух создает пленку на поверхности корыта вблизи выходной кромки. Вверху и внизу пазы 14 увеличенных размеров – для удержания литейного стержня.

При течении воздуха в радиальных раздаточ- ных каналах 3 и 7, а также в радиальных каналах 8 организована пристеночная турбулизация пограничного слоя потока и увеличение теплообмена за счет поперечных пристеночных ребер 15.

Нижняя полка 16 лопатки тоже имеет отверстия для пленочного охлаждения. На длинной ножке 17 видны выступы 18 для удержания демпфера. Замок 19 лопатки имеет 4 зуба в «елочном» замке.

Следует отметить, что практически все лопатки первых ступеней ТВД в компаниях GE Aircraft Engines и Pratt&Whitney имеют аналогичную схему охлаждения. Изменяется только количество радиальных каналов. Расход охлаждающего воздуха для таких лопаток составляет от 4 до 6%.

Конструкция выходной кромки рабочих лопаток ТВД

Выпуск воздуха вблизи выходной кромки может быть реализован по двум схемам – в торец выходной кромки (см. Рис. 8.99) и на корыто перед выходной кромкой (см. Рис. 8.98). Выпуск на корыто является более предпочтительным вариантом с точки зрения аэродинамических потерь, если при этом удается обеспечить оптимальную геометрию кромки, так как толщина выходной кромки при этом примерно в два раза меньше. Выпуск в торец выходной кромки более предпоч- тителен с точки зрения эффективности охлаждения, простоты и работоспособности конструкции.

Выпуск воздуха осуществляется в торец 1 выходной кромки через отверстия 2, которые позволяют достаточно точно дозировать расход. Помимо рядов отверстий 3 для пленочного охлаждения входной кромки и нескольких рядов 4 для пленочного охлаждения корыта введен специальный ряд отверстий 5 вдоль профиля на корыте для пленочного охлаждения торца профильной части лопатки. Воздух из ряда 5 под действием разницы давлений между корытом и спинкой перетекает через поверхность торца и охлаждает ее.

С точки зрения эволюции охлаждаемых лопаток показательно сравнение двух лопаток первой ступени ТВД: CF6-80C2 (см. Рис. 8.99) и GE90 (см. Рис. 8.100). На лопатке ТВД GE90 применен выпуск охлаждающего воздуха на корыто перед вы-

Рисунок 8.99 – Рабочая лопатка первой ступени ТВД CF6-80C2 (GE Aircraft Engines)

1- торец выходной кромки;

2- отверстия в выходной кромке;

3- отверстия на входной кромке;

4- отверстия на корыте; 5 - отверстия около верхнего торца лопатки

èна корыте у торца 2 (ряд 5 на Рис. 8.99).

Âслучае плоского торца бесполочной лопатки наиболее часто реализуемым вариантом конструкции является так называемая «прирабатываемая пара»: лопатки с нанесенными (пайкой или другим способом) на поверхность торца абразивными износостойкими частицами и вставки над рабочей лопаткой с керамическим слоем. Износостойкие частицы 1 (см. Рис. 8.103) «вырабатывают» соответствующую дорожку в керамическом покрытии корпуса, исключая влияние отклонений формы корпуса от идеальной и приводя величину радиального зазора на расчетном режиме к минимально

возможной. Отверстия 2 обеспечивают пленочное охлаждение торца.

Рабочие лопатки первой ступени ТВД с бандажной полкой

Несмотря на то, что большинство рабочих лопаток ТВД в настоящее время не имеют бандажной полки, существует одно успешное направление в конструкции рабочих лопаток первой ступени ТВД с бандажной полкой – это лопатки фирмы Rolls-Royce. Преимущества бандажной полки оче- видны – это значительное уменьшение перетеканий газа через радиальный зазор и, соответственно, увеличенное к.п.д. Однако дополнительные затраты воздуха на охлаждение полки и охлаждение самой лопатки – для увеличения несущей способности профиля (который должен выдерживать дополнительную нагрузку от полки) – не должны превышать выигрыша от полки. Эту же дополнительную нагрузку должны выдержать замковое соединение лопатки и диска, а также сам диск.

На Рис. 8.104 приведена схема охлаждения рабочей лопатки ТВД Trent 800 – самого мощного в семействе трехвальных двигателей Trent [8.2]. В дополнение к уже рассмотренным конструкциям рабочих лопаток первой ступени ТВД в этой полочной лопатке есть особенности:

-отсутствие контактных граней на бандажной полке для зацепления с соседними лопатками;

-система охлаждения полки;

-использование двух потоков воздуха для охлаждения лопатки: основного потока воздуха высокого давления из-за КВД и потока более низкого давления (с соответственно более низкой – на 100îÑ

–температурой).

Эти особенности существенно усложняют конструкцию лопатки, но повышают ее эффективность в системе двигателя – за счет уменьшения перетеканий в радиальном зазоре и за счет использования менее дорогого для двигателя воздуха.

Воздух высокого давления поступает в лопатку через основной канал 1 в замке, а воздух низкого давления – в дополнительный канал 2 под полку с передней стороны лопатки. Из канала 1 часть воздуха поступает в полость входной кромки 3, из которой выходит через три ряда отверстий пленоч- ного охлаждения на входную кромку и спинку, а также на охлаждение бандажной полки. Через отверстие 4 и поперечный канал 5 в полке эта часть воздуха выходит в проточную часть.

Основная часть воздуха поступает в радиальный канал 6, поворачивает вниз по радиальному каналу 7 и снова вверх в радиальный канал 8, откуда через отверстия 9 на корыте перед выходной кромкой выходит в проточную часть. Часть возду-

Рисунок 8.103 - Торец рабочей лопатки ТВД из «прирабатываемой пары» 1 – абразивные частицы; 2 – отвер-

стия пленочного охлаждения.

Отверстия в этих лопатках обычно наклонены к - поверхности профиля под углом 30…45 градусов

âвертикальной плоскости. Для наклона к поверхности в горизонтальной плоскости (в направлении движения потока) недостаточно места для размещения инструмента снаружи и существует опасность повреждения внутренних стенок. Наклон

âвертикальной плоскости дает возможность улуч- шить прилегание пленки и увеличить поверхность охлаждения даже в условиях крайне ограниченного пространства в плоскости сечения лопатки.

Еще одним способом улучшения эффективности системы пленочного охлаждения лопатки является выполнение конусообразного расширения на выходе из отверстий. Обычно это делается для тех мест выпуска, в которых достаточно велико отношение давлений воздуха и газа. Этот прием позволяет существенно повысить эффективность пленки за счет уменьшения скорости воздуха на

выходе из отверстий и увеличения площади прикрываемой струей поверхности. Технология выполнения отверстий расширяющейся формы достаточ- но сложная и дорогостоящая.

На Рис. 8.105 показано сечение рабочей лопатки первой ступени ТВД с пленочным охлаждением. На входной кромке лопатки (в месте минимального отношения давлений) из радиального канала 1 три ряда отверстий 2 на входной кромке и один ряд 3 на спинку выполнены в виде обыч- ных круглых отверстий. Из вертикального канала 4 в области более низкого давления воздух выходит уже через ряды отверстий 5 и 6 с расширением. Далее ряды отверстий 7 и 8 тоже выполнены с расширением. Однако отверстия 9 из канала 10 перед выходной кромкой – обычные круглые, так как давление воздуха в канале 10 уже значительно понижено для контролируемого выпуска в выходную кромку.

Конструкция рабочих лопаток второй ступени ТВД

Система охлаждения рабочих лопаток второй ступени ТВД достаточно полно представлена лопаткой ТВД двигателя E3 GE [8.3] íà Ðèñ. 8.106.

Воздух поступает в лопатку через два больших радиальных канала 1 (в районе входной кромки) и 2 (в районе выходной кромки). Таким образом, наиболее холодный воздух охлаждает наиболее нагретые области (кромки) лопатки. Воздух из канала 1 затем движется вниз и вверх соответственно по радиальным каналам 3 и 4, выходя в проточную часть через передний паз в верхней части корыта. Воздух из радиального канала 2 совершает аналогич- ные передвижения вниз и вверх по каналам 5 и 6, выходя в проточную часть через задний паз на корыте. Шесть радиальных каналов обеспечивают значительную поверхность теплообмена и увели- ченную скорость воздуха, необходимую для эффективной теплоотдачи на внутренней поверхности лопатки.

Для интенсификации теплообмена применены пристеночные ребра 7 (на внутренней поверхности наружных стенок) и 8 (на межполостных стенках-ребрах).

Количество радиальных каналов в рабочей лопатке может составлять от 3 до 7 с расходом охлаждающего воздуха от 0.7 до 3%. Для высокотемпературных турбин может быть выполнен дополнительный радиальный канал на входной кромке, из которого обеспечивается пленочное охлаждение входной кромки.

В отличие от вышеприведенной конструкции, на внутренних стенках-ребрах интенсификаторы теплообмена часто не выполняют, так как они и так

являются относительно холодными и дополнительный отвод тепла от них к воздуху увеличивает температурные напряжения в поперечном сечении лопатки.

Типичная конструкция рабочей лопатки второй ступени ТВД приведена на Рис. 8.107.

Выпуск охлаждающего воздуха производится на корыто в пазы 1 перед выходной кромкой. Ножка лопатки 2 в основном повторяет форму профиля корневого сечения лопатки, что позволяет минимизировать массу. Под нижней полкой 3 вы-

Рисунок 8.107 – Рабочая лопатка второй ступени ТВД PW2000 (Pratt&Whitney)

1 – пазы на корыте выходной кромки; 2 – ножка; 3 – нижняя полка; 4 – выступы; 5 – демпфер

полнены два литейных выступа 4, на которые установлен демпфер 5.

Необходимой частью процесса разработки детальной конструкции охлаждаемых рабочих лопаток ТВД является оптимизация элементов конструкции методом конечных элементов на 3D-мо- дели в инженерных пакетах высокого уровня (ANSYS, NASTRAN, PATRAN). Целями оптимизации являются минимизация массы, отстройка от форм и частот потенциальных высокочастотных колебаний; обеспечение запаса по малоцикловой усталости (циклической долговечности). Ограни- чениями при этом являются:

-уровень механических напряжений в элементах лопатки и запасы прочности (которые должны быть обеспечены в пределах, установленных практикой проектирования и опытом эксплуатации);

-технологические возможности производства;

-себестоимость.

Такая оптимизация не является полной гарантией отсутствия дефектов в конструкции, так как точность определения граничных условий по тепловой, аэродинамической и динамической нагрузке, а также точность применяемых конечно-элемен- тных моделей никогда не бывает для этого достаточной. Однако только после такой оптимизации может быть радикально снижен риск разработки.

Контрольные вопросы

1.Назовите наиболее широко распространенные конструкции соединения дисков турбины с валом.

2.Какие меры принимаются для предотвращения раскрутки ротора турбины при нарушении его кинематической связи с ротором компрессора?

3.Для чего предназначены бандажные полки на рабочих лопатках турбины?

4.Для чего предназначена ножка между нижней полкой и замком рабочей лопатки?

5.Каким образом обеспечивается разгрузка профильной части лопатки от напряжений изгиба?

6.Какими соображениями определяется выбор числа пар зубьев в лопаточном замке «елочного» типа?

7.Для чего внутренняя полость охлаждаемой рабочей лопатки турбины разделяется вертикальными перегородками на отдельные каналы?

8.Благодаря чему повышается эффективность пленочного охлаждения лопаток, у которых отверстия для выхода охлаждающего воздуха имеют конусообразное расширение на выходе?

Перечень использованной литературы

8.1RB211 engine improvements boost Boeing 747 performance. The Rolls-Royce Magazine, Number 25, June 1985.

8.2Dailey, G.M. Design and Calculation Issues. AeroThermal Performance of Internal Cooling Systems in Turbomachines. Lecture Series 2000-03. Von Karman Institute for Fluid Dynamics, 2000.

8.3Halila, E.E., Lenahan, D.T., Thomas, T.T. Energy Efficient Engine. High Pressure Turbine Test Hardware Detailed Design Report, NASA CR-167955, 1982.