Некоторые результаты исследования эффективности охлаждения

В

Рис. 4. Эффективность различных схем воздушного охлаждения:

1 – конвективное охлаждение с продольным течением охлаждающего воздуха; 2 – то же с поперечным течением охладителя; 3 – конвективно-пленочное (комбинированное) охлаждение; 4 – пористое (эффузионное) охлаждение.

авиационных ГТД и ГТД наземного применения используется открытая воздушная система охлаждения турбинных лопаток и дисков. В открытой системе охлаждения использованный воздух выпускается в проточную часть турбины. Это обеспечивает конструктивную простоту системы охлаждения.

Широкое применение нашли два основных способа охлаждения: внутреннее конвективное охлаждение и заградительное, при котором воздух не просто выпускается в проточную часть, а образует специальную защитную пленку из относительно холодного воздуха на наружной поверхности лопатки. Способ охлаждения и конкретное место выпуска охлаждающего воздуха определяются при детальном проектировании из соображений максимальной эффективности охлаждения и минимальных потерь на охлаждение.

На рис. 4 представлены примерные осредненные характеристики различных схем охлаждения в виде зависимости коэффициента эффективности охлаждения

от относительного расхода охлаждающего воздуха , затрачиваемого на охлаждение всего лопаточного венца. В этих формулах для рабочего колеса вместо полной температуры газав абсолютном движении необходимо использовать температуру торможенияв относительном движении. Примеры заградительного (комбинированного и пористого) охлаждения представлены на рис. 5 и рис. 6 (схема 3 с поперечным течением охладителя и конвективно-пленочным охлаждением выходной кромки). Примером организации конвективного охлаждения с продольным течением могут служить схемы 1 и 2 на рис. 6.

К

1 2 3

Рис. 6. Некоторые схемы конвективного охлаждения:

1 – многоканальная лопатка; 2 – штырьковая лопатка; 3 – лопатка с дефлектором.

а б

Рис. 5. Схемы заградительного охлаждения:

а – конвективно-пленочное; б – пористое

омбинированное охлаждение (см. рис. 5а) является широко распространенным на первых ступенях высокотемпературных турбин высокого давления. По этой схеме воздух сначала прокачивается по внутренним полостям рабочих и сопловых лопаток, обеспечивая внутреннее конвективное охлаждение. Схемы внутренних течений отли­чаются большим разнообразием. Сопловые лопатки, как правило, имеют дефлектор, повышаю­щий эффективность конвективного охлаждения при умеренном значении расхода охлаждающего воздуха. Затем воздух выпускается через систему отверстий малого диаметра на наружную поверхность лопатки, образуя воздушную завесу, которая изолирует эту поверхность от прямого контакта с горячим газом. Следует отметить, что для наиболее нуждающейся в защите передней кромки пленочное охлаждение дает вторичный эффект: основным в ряде случаев является существенное увеличение за счет большого числа отверстий поверхности охлаждения. Этот механизм приближается по своей сути к пористому охлаждению.

При пористом охлаждении (см. рис. 5б) воздух равномерно (или по заданному закону распределения по поверхности) выпускается через поры внешней защитной оболочки на наружную поверхность, покрывая ее сплошной пленкой. Суммарная омываемая поверхность пористого слоя очень велика, что обеспечивает большой отбор тепла от материала оболочки и, соответственно, резкое снижение теплового потока к центральной несущей части лопатки, особенно в сочетании с тепловым барьером в виде воздушной защитной пленки.

Различные схемы внутренних течений обеспечивают различную эффективность конвективного охлаждения. Охладитель может двигаться либо вдоль внутренней полости лопатки (см. рис. 6, схемы 1 и 2), либо поперек (схема 3). Направление течения может быть разным в разных частях внутренней полости.

В представленной на рис. 6 многоканальной лопатке радиальные отверстия малого диаметра расположены у поверхности лопатки. Выходная кромка в силу малой ее толщины охлаждается с помощью одного канала большого поперечного сечения. Выпуск охлаждающего воздуха из этого канала через выходную кромку не только увеличивает эффективность охлаждения, но и снижает величину кромочных потерь.

В

а б в

Рис. 7. Эффективность охлаждения в среднем по длине лопатки сечении:

а – входная кромка; б – средняя часть профиля лопатки; в – выходная кромка; 1…3 – варианты лопаток по рис. 6.

штырьковой лопатке для увеличения интенсивности теплообмена используются турбулизирующие поток штырьки различных конфигурации и расположения. Дополнительный эффект дает и увеличение за счет штырьков внутренней поверхности охлаждения. Однако в силу большого поперечного сечения внутреннего канала для достижения необходимой эффективности охлаждения может потребоваться излишне большой расход охлаждающего воздуха.

Постановка внутрь лопатки дефлектора позволяет целенаправленно распределить охлаждающий воздух, что снижает его потребное количество и повышает эффективность охлаждения. В представленной на рис. 6 лопатке воздух из внутренней полости дефлектора сначала обдувает два ряда штырьков у входной кромки. Затем он продувается в поперечном направлении по зазору между дефлектором и внутренней поверхностью лопатки. Воздух выпускается через ряд мелких отверстий у выходной кромки на наружную вогнутую поверхность. Разместить внутри рабочей лопатки дефлектор достаточно сложно. Кроме того, в отличие от сопловых лопаток, дефлектор рабочих лопаток испытывает центробежную и повышенную (вместе с пером лопатки) вибрационную нагрузки.

На рис. 7 представлены [3] графики эффективности охлаждения рассмотренных трех вариантов лопаток. Результаты получены при , скорости истеченияM₂ = 0,8 и числе РейнольдсаRe₂=710⁵. Наилучшую эффективность охлаждения и наиболее равномерное распределение температур по сечению лопатки при установившемся температурном режиме обеспечивает третий вариант. Наихудшее поле температур наблюдается у второго варианта: при температуре газа 1400 К, охлаждающего воздуха 600 К и относительном его расходе 2% на установившемся тепловом режиме температура среднего участка профиля будет отличаться от температуры выходной кромки на 120 К. Это может быть объяснено неравномерным распределением расхода воздуха по сечению внутреннего канала из-за повышенного сопротивления штырьков в узкой части канала у выходной кромки.

Дефлекторная лопатка позволяет также интенсифицировать теплообмен путем струйного натекания не только на входную кромку, но и на любую часть профиля, требующую усиленного обдува. Для этого в соответствующем месте дефлектора должны быть выполнены щели или отверстия необходимой конфигурации.