ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Охлаждение турбинных лопаток из "Аэродинамика решеток турбомашин " Исследования рабочего цикла турбореактивных двигателей показывают, что, вероятно, наиболее важным его рабочим параметром является температура газа на входе в турбину [9.37]. [c.267] Максимальная температура горения большинства современных горючих достигается при стехиометрическом соотношении компонентов. При высоких давлениях в камере эта температура составляет около 2500 К- Поверхности камеры сгорания также нуждаются в охлаждении, так что в результате подмешивания охлаждающего воздуха температура газа снижается до 2300 К. Однако в целях обеспечения работоспособности лопаток пока приходится снижать эту температуру дополнительно. Некоторые демонстрационные двигатели в течение коротких промежутков времени уже работают при температурах газа на входе в турбину свыше 1800 К. На рис. 9.6 представлены температуры на входе в турбину для трех семейств двигателей, до некоторой степени отражающие различную технологию, используемую при создании этих двигателей. Может показаться, что двигатели с большой степенью двухконтурности недостаточно форсированы по сравнению с некоторыми двигателями фирмы Роллс-Ройс предыдущего поколения. Однако следует учитывать, что двигатели с большой степенью двухконтурности работают при максимальной температуре газа на входе в турбину в течение всего полета, а в большинстве двигателей предыдущего поколения эта максимальная температура достигается лишь на взлетном режиме. При проектировании новых двигателей следует уделять внимание параметрам как на крейсерском, так и на взлетном режимах полета применительно к тому самолету, для которого предназначается двигатель. [c.269] Большие расходы охлаждающего воздуха дорогой ценой сказываются на эффективности цикла работы двигателя, так что весьма желательно снижение расхода охлаждающего воздуха в дозвуковых двигателях для гражданской авиации. По этой причине при проектировании турбовентиляторных и новых вин-Товентиляторных двигателей для гражданской авиации наблюдается тенденция к оптимизации расхода охлаждающего воздуха из соображений обеспечения заданного ресурса работы лопаток и экономии горючего. [c.269] Соображения экономичности не так важны для боевой авиации, где часто используются сверхзвуковые турбореактивные двигатели. Выигрыш в удельном импульсе здесь важнее, чем снижение удельного-расхода горючего, поэтому следует ожидать, что температура газа на входе в турбину в двигателях для боевой авиации будет увеличиваться намного быстрее, чем в двигателях пассажирских самолетов. Технология разработки двигателей как для боевой, так и для гражданской авиации имеет много общих черт. Однако эта общность быстро уменьшается, как только более резко начинает проявляться их специализация. [c.269] Из всех известных систем охлаждения лопаток жидкостное охлаждение, вероятно, имеет наибольший охлаждаюш,ий потенциал и, конечно, лучше всего подходит для использования в стационарных высокотемпературных силовых установках. Однако хранить и транспортировать большое количество жидкого охладителя на большие расстояния неэкономично, так что при использовании жидкостного охлаждения на судовых и даже стационарных силовых установках могут возникнуть существенные проблемы. [c.270] Обзор развития технологии жидкостного охлаждения рабочих лопаток турбин дан в работе [9.39], причем основное внимание здесь уделялось проблемам внутренней теплопередачи. Использование выпуска пара для охлаждения лобовым натеканием и пленочного охлаждения предложено в работе [9.40]. Фирма Дженерал электрик в течение некоторого времени работала над водяным охлаждением стационарных газотурбинных установок, а в настоящее время основное внимание уделяет схеме комбинированного охлаждения, в которой водяное охлаждение используется лишь в сопловом аппарате первой ступени турбины, а все последующие лопаточные венцы охлаждаются воздухом. Основная проблема водяного охлаждения, сопловых лопаток первой ступени состоит в том, чтобы свести к минимуму высокотемпературную коррозию и образование накипи на стенках проточной части системы охлаждения. Комбинированное водо-воздушное охлаждение позволяет снизить температуру газа на поверхности лопаток с 1500 до — 700 К. [c.270] Основными способами воздушного охлаждения, использующими воздух высокого давления, являются охлаждение лобовым натеканием, конвективное охлаждение, транспирационное охлаждение, выпуск воздуха через выходные кромки лопаток и пленочное охлаждение с выдувом воздуха через отверстия на поверхности лопаток. [c.270] Конвективное охлаждение лопаток используется наиболее широко. В этом способе охлаждения воздух высокого давления, отобранный за одной из последних ступеней компрессора, проходит в радиальном направлении по каналам внутри лопатки, снимая тепло с внутренних поверхностей стенок, а затем выбрасывается либо в радиальный зазор, либо, если возможно, через выходную кромку. [c.271] Турбинные лопатки изготовляются из различных сплавов с использованием разнообразных технологий. Лопатки с конвективным охлаждением могут изготавливаться штамповкой или литьем. Отверстия в штампованных лопатках проделываются обычно электрохимическими методами. Технология точного литья с разрушающимися стержнями предоставляет широкие возможности для изготовления каналов системы охлаждения самой различной формы можно использовать керамические стержни и получать каналы змеевидной формы. Хотя литые лопатки предпочтительны в случае более высоких температур и использования усложненной конфигурации каналов системы охлаждения, очень трудно добиться, чтобы материал, из которого они изготовлены, имел необходимый предел усталости. В решении этой проблемы технологи добились существенных успехов. Примерами этого могут служить использование моно-кристаллических сплавов для изготовления лопаток, что позволяет значительно повысить их пластичность, а также применение эвтектических сплавов с направленной кристаллизацией. [c.271] Конвективное охлаждение обычно используется в турбинных лопатках с толстыми скругленными кромками. На рис. 9.7, заимствованном из работы [9.47], показано поперечное сечение турбинной лопатки с линиями постоянных значений температур. Ясно, что наиболее трудным для охлаждения участком является область выходной кромки. [c.271] Опыт показал, что при Г1 1650 К все способы охлаждения турбинных лопаток турбовентиляторного двигателя приблизительно равнозначны. Техника конвективного охлаждения, по-видимому, исчерпала свои возможности, и требуются крупные технологические достижения для дальнейшего существенного повышения температуры газа на входе в турбину. [c.272] Вполне вероятно, что таким шагом вперед будет переход на транспирационное (пористое) охлаждение, при котором лопатка изготавливается из пористого материала. Охлаждающий воздух проникает через капиллярные каналы из внутренней полости на поверхность лопатки, в результате чего создается идеальная ситуация, когда лопатка изолируется от горячих газов тонким и довольно однородным облаком охладителя. Эффект охлаждения усиливается в связи с тем, что, помимо изоляции лопатки от горячих газов, охлаждающий воздух поглощает тепло стенок при движении по порам. Основными трудностями, препятствующими широкому внедрению транспирационного охлаждения, являются проблемы технологии изготовления и прочности пористых материалов, а также коррозия и загрязнение пор. [c.272] Однако это не все трудности транспирационного охлаждения. При испытаниях некоторых решеток в МА8А исследовалось влияние конфигурации щелей в выходных кромках и пористых покрытий на газодинамику охлаждаемых турбин. На рис. 9.8 показано влияние способа охлаждения на газодинамический КПД решетки. Результаты исследования показывают, что влияние щели в выходной кромке на газодинамику течения ограничивается областью закромочного следа, тогда как пористое покрытие на поверхности лопаток существенно изменяет структуру потока через решетку. Вредное влияние на газодинамику потока выпуска охлаждающего воздуха через поры лопаток было подтверждено также испытаниями турбинной ступени [9.42]. [c.272] проблемы транспирационного охлаждения непросты. Если их удастся решить, то появится возможность значительного повышения температуры газа на входе в турбину. [c.272] Как уже отмечалось, выходные кромки турбинных лопаток особенно трудно охлаждать, и по этой причине выпуск охлаждающего воздуха через щели в них или через ряды отверстий на поверхности лопаток по соседству с выходными кромками особеиио привлекателен. В идеальном случае выпуск охлаждающего воздуха через щель в выходной кромке не должен требовать ее существенного утолщения, поскольку это может привести к увеличению потерь в решетке. [c.273] При испытаниях турбинной решетки с очень толстыми выходными кромками лопаток было обнаружено [9.43], что даже простое наличие щели (без выпуска охлаждающего воздуха) приводит к заметному повышению эффективности решетки. Это связано с замедлением образования вихревого следа и, тем самым, с ослаблением интенсивности вихревых течений. В работах [8.21] и [8.22] имеется более подробная информация относительно структуры течения в закромочных следах при различных расходах охлаждающего воздуха и соответствующих изменениях донного давления. [c.273] Таким образом, конвективное охлаждение представляет собой всесторонне изученный способ охлаждения, имеющий определенные ограничения, а транспирационное охлаждение при своих многообещающих возможностях не всегда удовлетворяет всем требованиям. В этой ситуации наиболее заманчивым выглядит использование пленочного охлаждения. [c.274] При таком способе охлаждения воздух выпускается через ряд небольших отверстий, расположенных на поверхности лопатки. В первых, но впоследствии оказавшихся наиболее удачными системах пленочного охлаждения воздух выпускался через один ряд отверстий, расположенный на корытце профиля непосредственно перед выходной кромкой. [c.274] Наиболее обещающим средством дальнейшего повышения температуры газа на входе в турбину выглядит использование термостойких покрытий в совокупности с пленочным охлаждением. С помощью лазерной техники можно пробивать отверстия калибром порядка 0,25 мм с любой формой сечения, не обязательно круглой. [c.274] Хотя пленочное охлаждение в течение некоторого времени использовалось в серийных двигателях, выпуск охлаждающего воздуха обычно приводит к снижению КПД турбины и всего двигателя. Для того чтобы свести к минимуму расход охлажда-рощего воздуха и определить оптимальное местоположение отверстий на поверхности лопатки, необходимо точно знать распределение коэффициента теплопередачи по профилю. В настоящее время интенсивные исследования в этой области продолжаются, что отражает тот факт, что процессы пленочного охлаждения изучены еще не достаточно фундаментально. [c.274] Вернуться к основной статье