книги / Основы проектирования турбин авиадвигаделей

в) поперек пера лопатки с выходом через отверстия или щели* распо­ ложенные в выходной кромке или на вогнутой стороне профиля лопатки вблизи нее.

Лопатки с продольным и смешанным течением охлаждающего воздуха

Внутренняя полость рабочих лопаток с продольным и смешанным течением охлаждающего воздуха пересечена цилиндрическими перемыч­ ками (штырьками), соединяющими спинку и вогнутую поверхность про­ фильной части лопатки, или прерывистыми и наклонными перегородками различной формы, отклоняющими поток воздуха от течения только в радиальном направлении, или сочетанием того и другого. Некоторые из таких лопаток и их конструктивные схемы показаны на рис. 4.4.

Турбулизаторы, которые вводятся для интенсификации теплообмена между охлаждающим воздухом и внутренней стенкой лопатки, не яв­ ляются несущими в прочностном смысле элементами, а, наоборот, сами нагружают замковое соединение и лопатку (особенно ее прикорневые сечения), увеличивая в них напряжения от действия центробежных сил. Поэтому введение различного рода турбулизаторов во внутреннюю поиость лопатки оправдывается в тех случаях, когда возросшие при этом напряжения в ней компенсируются снижением ее температуры благодаря увеличению интенсивности охлаждения настолько, чтобы запас прочности возрастал. Только при этом условии могут быть оправданы усложнения технологического процесса и увеличение трудоемкости при изготовлении таких лопаток.

1*ис. 4.4. Лопатки с продольным и смешанным течением охлаждающего воздуха (стрелками показано направление течения воздуха) :

»/, б - без перфорации; в, г - с перфорацией; 1 - выступы в виде ребер; 2 - штырьки

121

Будучи расположенными в узких каналах, например у выходной кромки, штырьки могут уменьшать поверхность теплообмена со стороны воздушного потока. Это происходит, когда их диаметр больше двойного размера щели, через которую они проходят даже в предположении, что вся поверхность штырьков одинаково интенсивно участвует в теплообмене. Турбулизаторы в местах сопряжения с внутренней поверхностью лопаток имеют галтели*

Радиусы этих галтелей соизмеримы с толщиной перемычек и с шири­ ной внутренних каналов. Делаются они для уменьшения концентраций напряжений, возникающих из-за температурных градиентов и действия рас­ тягивающих и изгибающих сил.

Поперечные перегородки и штырьки зачастую существенно увеличи­ вают гидравлическое сопротивление внутренних каналов, и располагае­ мый перепад давлений, который в ГТД всегда ограничен, может оказаться недостаточным, чтобы обеспечить потребный для охлаждения лопатки расход воздуха. Кроме того, гидравлическое сопротивление внутренних каналов охлаждения (если его не снизить) может препятствовать введению предварительной закрутки охлаждающего воздуха в направлении вращения диска турбины. Этим исключается возможность за счет срабатывания в ’’подкручивающей” решетке части располагаемого перепада давления сни­ зить температуру охлаждающего воздуха и благодаря этому уменьшить его количество, расходуемое на охлаждение рабочих лопаток. Конструктивная схема ступени турбины с подкручивающей решеткой показана на рис. 4.5,

При непосредственном подводе воздуха к рабочим лопаткам температура его возрастает по сравнению с температурой в месте отбора на ве­

i

где расположены отверстия подвода, этот подогрев составляет 40...70 К. В схеме с предварительной закруткой охлаждающего воздуха в направ­ лении вращения ротора (см. рис. 4.5) происходит снижение его темпера­ туры торможения, которая в абсо­

лютном движении составляет

к - 1 2

т*=т+ -------- С

2 k R

Рис. 4.5. Ступень турбины с подкручими ющей решеткой (стрелками показано нмправление течения воздуха):

1 - подкручивающая решетка; 2 - лопат ки, подкручивающие воздух

122

а в относительном

\

где w2 = с2 — 2нсcosа + и 2 и а —угол выхода потока из подкручиваю­ щей решетки.

Тогда снижение температуры охлаждающего воздуха при расширении ого в подкручивающей решетке составит

г

Обычно это снижение температуры составляет 60...90 К, а по сравне- \ пию со схемой без подкручивающей решетки, т.е. когда охлаждающий * воздух непосредственно подводится к рабочим лопаткам, может дости- / гать АГ2 = АГЦ + АТр = 90...160 К, где ДГЦ - подогрев воздуха при/ иоджатии его центробежными силами. -—L-

Наиболее простые по схеме течения охлаждающего воздуха —лопатки! I' радиальным течением —в связи с необходимостью размещения большего числа каналов неизбежно имеют более утолщенные профили и, следоваюльно, увеличенные газодинамические потери в лопаточной решетке. Несмотря на это, интенсивность охлаждения кромок таких лопаток все асе низка и неравномерность температуры по профилю велика (рис. 4.6) (Д7\, А Т2 — разность между максимальным и минимальным значениями температуры в сечении лопаток в установившемся и переходном режимих соответственно).

Первый недостаток в значительной степени устраняется введением отверстий небольшого диаметра (перфорации), соединяющих с поверх-"^ костью лопатки внутренние каналы, прилегающие к кромкам, как это показано на рис. 4.6, б и в. Благодаря этим отверстиям увеличивается йоЛ иорхность охлаждения и вытекающее через них дополнительное коли-J •юство воздуха охлаждает кромки и прилегающие к ним участки лопатки. Практика авиационного газбтурбостроения показывает, что при среднемассовой температуре газа перед турбиной (Гр)ср м> 1500 К и достигнутой

hit'. 4.6. Неравномерность температуры в поперечном сечении профильной части ло-

мнгки [22]:

123

внастоящее время степени неравномерности температурного поля на вы­ ходе из камеры сгорания, применение изготовляемых из сплавов на нике­ левой основе лопаток первых ступеней турбин с продольным или смешан­ ным течением охлаждающего воздуха приводит к необходимости введе­ ния в них перфорации входной кромки несколькими рядами отверстий,

вбольшинстве случаев наклоненных к продольной поверхности лопатки,

/f Однако такие отверстия являются концентраторами напряжений и, несмот­ ря на ряд технологических мер, например введение' гидрополировки, все же снижают сопротивление усталости лопаток. По этой причине фирма Роллс-Ройс в серийном варианте рабочих лопаток первой ступени турбины двигателя RB.199MK 101 устранила перфорацию входной кромки и пред-

тючла первоначальный вариант (рис. 4.6, а) .

Введение перфорации не устраняет второго недостатка — градиент температур в лопатке зачастую остается существенным (рис. 4.6), что создает в ней дополнительные напряжения, достигающие значительных величин на переходных режимах работы двигателя. Зарубежная практика эксплуатации высокотемпературных авиационных двигателей, у которых турбины имеют охлаждаемые рабочие лопатки с радиальными каналами, показывает, что иногда приходится увеличивать время приемистости (пере­ ход с минимальной на максимальную частоту вращения) для того, чтобы снизить возникающие при этом температурные напряжения в лопатках и увеличить время их безотказной работы.

Действие этих дополнительных напряжений кратковременно, тем не менее вызываемые ими повреждения лопатки, постепенно накапливаясь,

. приводят к ее разрушению. В таких случаях считают, что причиной разруходения лопатки является малоцикловая усталость. Разрушения лопаток от малоцикловой усталости наступают на некотором этапе эксплуатации,

причем прогнозирование наработки весьма затруднительно.

Малоцикловая усталость определяется, в основном, размахом напря­ жений за цикл, а также количеством циклов. Под циклом понимается период работы двигателя, включающий перевод его с режима малого газа на полную мощность и обратно. Величина размаха напряжений зависит от температурных градиентов на нестационарных тепловых режимах лопатки, которые при прочих равных условиях будут прямо пропорциональны удель­ ной плотности тепловых потоков.

124

лопаток турбины проявляются быстрее, чем предполагалось, из-за большо­

того ресурса значительных градиентов температуры, обуслощ ещ м^ дьх-. / сокими местными интёнсйвнбстйми^ охлаждения и внедрения способов | охлаждения, дающих минимальные температурные градиенты в сочетании! с минимальными аэродинамическими потерями в турбине. Последнее важно/ потому, что увеличение сложности и стоимости турбин при повышенш/ температуры газа не оправдано, если при этом КПД турбины будет уменьшаться. Л

В последнее время возрастает число исследований и разработок,, целъ) которых заключается в применении более эффективных схем конвектив­ ного охлаждения, реализуемых, как правило, благодаря совершенство-3 ианию технологии изготовления лопаток. '

Перспективными, в частности, являются конструкции лопаток с попе­ речным относительно их профщьшйлд.сти. теч.ением охлаждаемош воздуха. ^

Лопатки с поперечным течением охлаждающего воздуха относительно их профильной части

Типичной конструкцией лопаток с поперечным течением охлаждающего ноздуха относительно их профильной части являются лопатки с внутренним дефлектором. Они в значительной степени свободны от недостатков, прису­ щих лопаткам с продольным и смешанным течением охлаждающего возду­ ха. По сравнению с ними лопатки с внутренним дефлектором имеют лучшие тепловые, газодинамические, прочностные и массовые характеристики.

Конструкция охлаждаемой лопатки со вставным дефлектором дает иозможность:

максимально сблизить по уровню величин распределение коэффициен­ тов теплоотдачи по обводу профиля со стороны потоков воздуха и газа и обеспечить небольшую разность температур по сечению лопатки, благо­ даря этому практически исключить возникновение дополнительных напря­ жений, особенно на переходных режимах работы турбины;

осуществлять дифференцированное охлаждение участков профиля и пера лопатки по его длине, что дает возможность обеспечить во всех учистках лопатки необходимые и мало отличающиеся друг от друга по нсличине запасы прочности;

в процессе доводки увеличивать глубину охлаждения (если в этом появляется необходимость) путем увеличения расхода охлаждающего ноздуха с помощью небольших доделок, например увеличения щели в иыходной кромке введением частичной (местной) перфораций дефлекюра и др.;

увеличивать поверхность теплообмена на воздушной стороне и вводить чополнительные турбулизаторы охлаждающего воздуха (ребра, перемычки, иыступы);

использовать дефлектор в качестве демпфера, препятствующего реишансным колебаниям рабочей Лопатки.

125

1 2 J Рис. 4.7. Изогнутые перемычки и турбулизаторы во внутреннем канале выходной кромки лопатки (а - сопловой; б - ра­ бочей)

а

Дополнительные турбулизаторы охлаждающего воздуха на участке выходной кромки лопатки в виде прерывистых выступов 2 и зигзагооб­ разных 3 или профилированных 1 перемычек показаны на рис. 4.7.

Форму перемычек выбирают такой, чтобы интенсивность охлаждения достигалась практически без увеличения гидравлического сопротивления щелей в выходной кромке. Толщина перемычек делается равновеликой толщине стенки лопатки, что позволяет уменьшить концентрацию напряжений в местах сопряжения их с телом лопатки. Распрямленные участки персмычек на выходе дают возможность уменьшить гидравлические потери при смешении потоков воздуха с газом за лопатками. Как видно из рис. 4.7, у сопловых и рабочих лопаток перемычки изогнуты по-разному. У сопло­ вых лопаток они направляют поток охлаждающего воздуха к наружному диаметру турбины, а у рабочих —к внутреннему. Таким образом создается вынужденное течение воздуха в первом случае в направлении, противо­ положном распределению статического давления в газовом потоке на выходе из сопловых лопаток, что в значительной степени устраняет пере­ текание воздуха в область низкого давления, т.е. от периферийных сечений лопатки к корневым, а во втором — в направлении, противоположном действию центробежных сил, возникающих при вращении лопатки. При­ менение таких зигзагообразных перемычек в сочетании с прерывистыми продольными выступами на внутренних поверхностях (вогнутой и выпук­ лой) профиля лопатки увеличивает интенсивность охлаждения на выходной кромке примерно на 20 %. Упомянутые конструктивные изменения лопа­ ток, способствующие интенсификации их охлаждения, несколько услож­ няют литейную оснастку. Однако, в целом, как показывает практика, они не вносят заметных трудностей в процесс прецизионного литья лопаток

ипрактически не влияют на стоимость их изготовления.

-Получаемый же от их введения эффект охлаждения весьма существен, Это подтверждается испытаниями, проведенными на пакетных установках

ив натурных условиях на турбине. Полученные в этих испытаниях значения интенсивности охлаждения отдельных участков профиля лопатки показы­ вают, что при относительном расходе охлаждающего воздухаGB= 2,5...3,0%

иего температуре 750...850 К достигается понижение температуры лопат­ ки по отношению к температуре натекающего на нее газа на 350...550 К.

Сравнение эффективности охлаждения лопаток различных конструк­ тивных схем с внутренним конвективным охлаждением приведено в рабо-

126

0 1 2 3 4- 5 GBl%

a

Рис. 4.8. Эффективность охлаждения в среднем по длине лопатки сечении:

ге [20] . Лопатки, отличавшиеся только направлением течения охлаждаю­ щего воздуха (т.е. с разными внутренними каналами) испытывались на стенде при М2 = 0,8 и Re2 = (3,25...7,00) • 105; температура газа изменялась от 600 до 1200 К; отношение температуры охлаждающего воздуха при вхо­ де в лопатку к температуре газа изменялось от 0,25 до 0,75; относитель­ ный расход охлаждающего воздуха доходил до 10 % от расхода газа.

Ширина хорды (/) и относительный шаг (t/l) решетки у всех лопаток Пыли одинаковы и составляли соответственно 82,5 мм и 0,712.

На рис. 4.8 представлены графики, характеризующие эффективность охлаждения только трех вариантов испытанных лопаток. Первый вариант — нопатка с радиальными внутренними каналами малого диаметра, располо­ женными у поверхности профильной части, за исключением одного канала овального сечения, прилегающего к выходной кромке. Охлаждающий воз­ дух, который подводится в этот канал через замковую часть лопатки, выпускается из отверстий в выходной кромке, расположенных с шагом в два диаметра.

Второй вариант — лопатка с турбулизаторами во внутренней полости в виде цилиндрических перемычек (штырьков), соединяющих спинку в вогнутую поверхность пера лопатки, с течением охлаждающего воздуха юлько в радиальном направлении.

Третий вариант — лопатка дефлекторного типа со струйным охлаж­ дением входной кромки, с двумя рядами штырьков, расположенных в шахматном порядке у входной кромки и с выпуском всего охлаждающего воздуха через отверстия с шагом в два диаметра, расположенные на вогнутй части профиля вблизи выходной кромки.

Наилучшую эффективность охлаждения и наиболее равномерную юмпературу в поперечном сечении лопатки при установившемся тепловом режиме дает третий вариант. У лопатки второго варианта при температуре пиа 1400 К, охлаждающего воздуха 600 К и относительном его расходе *% на установившемся тепловом режиме температура на срединном участ­ ке профиля будет отличаться от температуры выходной кромки на 120 К.

127

Дефлекторные лопатки позволяют также интенсифицировать тепло­ обмен с внутренней воздушной стороны путем струйного натекания нс только на входную кромку, но и на средний участок профиля лопатки. Для этого необходимо сделать щели нужной формы или отверстия на соответствующем месте дефлектора.

На рис. 4.9 показаны охлаждаемые лопатки с внутренним дефлек­ тором и элементы их конструкции.

Как видно из этого рисунка, на внутренней поверхности срединного участка профиля сопловой лопатки имеются поперечные ребра, увеличи­ вающие поверхность охлаждения, а на рабочей лопатке они отсутствуют. Объясняется это тем, что достигаемое уменьшение температуры лопатки при относительном расходе охлаждающего воздуха около 2,5 % и современ­ ном уровне прочностных свойств материала лопатки не компенсирует добавляемые поперечными ребрами дополнительные напряжения растя­ жения, и минимальное значение коэффициента запаса прочности в соот­ ветствующем сечении на высоте рабочей лопатки остается неизменным. Иными словами, усложнение конструкции лопатки и технологии ее изго­ товления не оправдывается достигаемым эффектом охлаждения, который применительно к сопловой лопатке показан на рис. 4.10. Эти зависимости получены в результате испытания двух пакетов, каждый из которых сос-

Рис. 4.9. Конструктивная схема охлаждаемых лопаток с внутренним дефлектором! а - сопловой; б - рабочей;

1 - щели подвода воздуха в дефлекторе; 2 - оребрение входной кромки; 3 - впу i

рсннееоребрение срединного участка профиля; 4 - отверстие в дефлекторе (перфори ция); 5 - продольные прерывистые ребра (турбулизаторы); 6 - перемычки

128

тоял из пяти лопаток, проведенных при температуре газа 1100 К, темпе­ ратуре охлаждающего воздуха 320 К, атмосферном давлении, безразмер­ ной скорости на выходе из лопаток Х2 = 0 ,8 и Re2 = (3,50...6,10) • 1 0 5.

Следует заметить, что введение развитой перфорации дефлектора, существенно повышая интенсивность охлаждения срединного участка профиля и, в значительной степени, выходной кромки, уменьшает ее на иходной кромке. Поэтому, чтобы не ухудшать охлаждение входной кром­ ки, приходится ограничивать перфорацию дефлектора и уменьшать полу­ чаемый от ее введения эффект охлаждения срединного участка, как пока­ чано на рис. 4.10.

Рабочие лопатки с внутренним дефлектором имеют ряд недостатков. Ограниченные размеры отверстия в замке лопатки, через которое обычно вставляется дефлектор, зачастую не позволяют придавать ему форму, обеспечивающую наилучший теплосъем, а наличие в ряде лопаток относи­ тельного смещения сечений по их высоте (закрутка лопатки) усугубляют тгот недостаток.

Частично он устраняется применением лопаток, у которых внутрен­ няя полость, куда вставляется дефлектор, имеет несколько изогнутую

hu\ 4.10 Интенсивность охлаждения срединного участка профиля сопловой лопатки t инутренним дефлектором:

без оребрения внутренней поверхности, дефлектор с выштамповками (по |чичетным данным, подтвержденным экспериментами) ; ------------ внутренняя поверхiiiiiTi. лопатки оребрения, дефлектор гладкий; - • - внутренняя поверхность оребре- IIIIIH I, дефлектор гладкий с перфорацией (см. рис. 4 .9); . . . частичная перфорация ич|1Лсктора

•'in', 4.11. Конструктивная схема рабочей лопаткй первой ступени турбины двигателя

Ч')Д-7

129

форму, как в лопатке первой ступени турбины авиационного двигателя Л9Д-7 фирмы Пратт-Уитни, показанной на рис. 4.11. Это облегчает поста­ новку дефлектора во внутреннюю полость лопатки, хотя и требует изго­ товления его из двух частей (по длине), соединяемых между собой свар­ кой на участке замковой части лопатки.

Применение такой лопатки вместо показанной на рис. 4.4, а позволило в этой модификации двигателя увеличить температуру газа на входе в тур­ бину примерно на 140 К при одинаковом у обеих лопаток относительном расходе воздуха, равном 2 , 1 %.

Вторым недостатком лопаток со вставным дефлектором является износ дефлектора при длительной эксплуатации в местах его прилегания к внутренней поверхности лопатки. Этот недостаток частично устраняется применением износостойких покрытий поверхностей дефлектора в местах его контакта с лопаткой и созданием при его введении внутрь лопатки натяга, гарантирующей прилегание дефлектора в работающей лопатке.

Недостатком дефлекторной лопатки является также и то, что дефлек­ тор, будучи закрепленным в замковой части рабочей лопатки, должен иметь, по условиям прочности, как правило, переменную толщину стенки, уменьшающуюся от корня к периферии.

Отмеченные недостатки в значительной степени могут быть устранены, если дефлектор вводить внутрь лопатки через ее периферийный торец. Расположение дефлектора фиксируется в двух сечениях — замковом, где он может крепиться, например штифтом цилиндрической формы, и пери­ ферийном, которое после сборки закрывается пластиной, припаянной или приваренной к лопатке по обводу профиля. Наличие в лопатке открытого верхнего торца существенно облегчает и фиксацию внутреннего стержня при ее отливке.

Схема с поперечным течением охладителя и выпуском его через выход­ ную кромку наиболее целесообразно реализуется в лопатке, состоящей из двух частей, соединяемых пайкой или сваркой (рис. 4.12). В такой лопатке практически отсутствуют какие-либо ограничения в , придании формы и расположении дефлектора.

Составная конструкция дает возможность:

изготавливать стенки лопатки с высокой точностью и надежно контро­ лировать их размеры;

создавать охлаждаемые лопатки с достаточно высоким газодинами­ ческим качеством, главным образом, благодаря малой относительной тол­ щине профиля и особенно малой толщине выходной кромки;

улучшать интенсивность теплообмена благодаря стабильности формы и размеров внутренних каналов, организации струйного охлаждения вход­ ной кромки при оптимальном расстоянии между ней и щелью в оболочке; упрощать технологию отливки, так как отпадает необходимость в изготовлении литейных стержней и их последующем удалении из каналов

сложной формы и небольших размеров. Такая лопатка позволяет:

130