2. Охлаждение лопаток газовых турбин и его влияние на кпд ступени

Способы (схемы ) охлаждения лопаток турбин

Развитие авиационных ГТД характеризуется непрерывным (от поколения к поколению) увеличением температуры газов перед турбиной , которая в настоящее время достигает у серийных двигателей 1600 — 1700 К, в ближайшей перспективе достигнет 1800  1900 К, а в последующем 2000  2200 К. Одним из путей создания высокотемпературных турбин является интенсивное охлаждение сопловых и рабочих ло­паток.

В настоящее время используется два основных способа воз­душного охлаждения лопаток:

 внутреннее конвективное охлаждение, при котором охлаждающий воздух (отбираемый из компрессора) проходит по каналам внутри лопатки и выпускается затем в про­точную часть турбины через радиальный зазор или через заднюю кромку лопатки ;

 заградительное охлаждение, при котором воздух через сис­тему щелей или отверстий выпускается на поверхность лопатки и создает пленку, защищающую лопатку от непосредственного со­прикосновения с горячими газами.

Второй способ обычно применяется в комбинации с первым

На рис. 6.10 показаны некоторые схемы организации охлажде­ния рабочих лопаток. (Охлаждение сопловых лопаток организуй­ся аналогично). Схемы 1 и 2 относятся к внутреннему конвективному охлаждению и различаются только тем, что в схеме 1 воздух течет по каналам, направ­ленным вдоль пера лопатки, а в схеме 2 организуется поперечное течение охладителя, позволяющее интенсифицировать охлаждение наиболее нагретых элементов лопаток и, в частности, их передних кромок. Схема 3 представляет пример комбинированного конвективно-пленочного охлаждения, при котором часть воздуха пропус­кается через отверстия в передней кромке, образуя “завесу” в этой части лопаток. Количество таких отверстий и их расположение могут быть различны. Перспективной является также схема 4, в которой оболочка лопатки выполняется перфорированной со множеством отверстий или изготавливается из пористого материала, что позволяет осуществить пропуск охлаждающего воздуха через поры на всю омываемую газовым потоком поверхность лопатки (проникающее или пористое охлаждение).

Потери, связанные с охлаждением лопаток

В общем случае охлажде­ние лопаток связано с появле­нием потерь трех видов:

— затраты мощности на прокачку охладителя через систему ох­лаждения;

— уменьшение работы расширения газа вследствие отвода теп­лоты в процессе расширения;

— увеличение гидравлических потерь в охлаждаемых решетках профилей.

Затраты мощности на прокачку охлаждающего воздуха обычно не относят к потерям в ступенях газовой турбины, а учитывают от­дельно при определении параметров двигателя в целом.

Уменьшение работы расширения газа в результате отвода теплоты в охлаждаемые лопатки в авиационных турбинах пренебрежимо мало.

Более существенно увеличение гидравлических потерь в охлаж­даемых турбинных решетках. Оно может быть вызвано следующими причинами.

а) Отвод теплоты из пограничного слоя увеличивает (хотя и в малой степени) коэффициент трения и при­водит к увеличению интенсивности радиальных перетеканий во вращающихся лопаточных венцах (вследствие роста плотности газа в охлажденном слое).

б) Не­обходимость размещения охлажда­ющих каналов в теле лопатки и стремление уменьшить поверхность лопаток, омываемую горячими га­зами, приводит к применению в ох­лаждаемых турбинных решетках более толстых профилей с увеличен­ным в 1,5…2 раза радиусом скругления передних кромок, увеличен­ной толщиной задних кромок и с увеличенным на 15—20% (по срав­нению с оптимальным) шагом лопа­ток, что ведет к увеличению про­фильных потерь.

в) Заметную роль играют потери, возникающие при выпуске охлаждающего возду­ха в проточную часть турбины. Эти потери мало ощутимы при выпуске воздуха в радиальный зазор (через торец лопатки), несколько более ощутимы при выпуске его через зад­нюю кромку и наиболее существенны при выпуске через щели или от­верстия на поверхности лопатки (в особенности на спинке).

Но в то же время воздух, поступивший в проточную часть, например из каналов охлаждения сопловых лопаток, совершает не­которую работу в расположенном за ними рабочем колесе, а вы­пуск воздуха через щели в задних кромках лопаток существенно уменьшает, как уже отмечалось, кромочные потери. Поэтому в целом различие между КПД охлаждаемой и неохлаж­даемой ступени не превышает обычно 2…3 %.

1