Лопатки с внутренним конвективным охлаждением

При внутреннем конвективном охлаждении охлаждающий воздух, протекающий по специально выполненным каналам внутри лопатки, отводит тепло от нее и поступает в проточную часть турбины.

Лопатки внутреннего конвективного охлаждения можно разделить на группы, отличающиеся направлением течения воздуха:

- продольное течение;

- продольно - поперечное (смешанное) течение;

- поперечное течение.

Система охлаждения с односторонним продольным течением через один ряд мелких отверстий (рис. 3.5, поз. 8) является самой простой, но наименее эффективной. Пример – двигатель АИ-25ТЛ.

Совершенствование системы с продольным течением шло по четырем направлениям:

1) использование турбулизаторов потока во внутренних каналах (рис. 3.5, поз. 1; рис. 3.6);

2) применение петлевого движения воздуха (рис. 3.5, поз.3; рис. 3.7); пример – вторая ступень TF-39 (General Eleсtric);

3) двухрядное расположение каналов (рис. 3.5, поз.2; рис. 3.8); пример – «Olympys», «Spey».

4) продольное оребрение каналов с целью увеличения внутренней поверхности теплообмена (рис. 3.9); пример – Д-36.

Недостатками продольной схемы охлаждения являются:

- значительный расход охлаждающего воздуха;

- ограниченная глубина охлаждения;

- значительная температурная неравномерность вдоль лопатки и в ее поперечных сечениях.

Разность температуры по профилю лопатки создает условия для накопления повреждений от малоцикловой усталости. Поэтому такая схема охлаждения в настоящее время практически не применяется.

Ко второй группе конвективно охлаждаемых лопаток относятся лопатки со смешанной продольно-поперечной схемой течения. Основная задача этой схемы – улучшить охлаждение выходных кромок и тем самым уменьшить температурную неравномерность. Схемы таких лопаток представлены на рис. 3.5, поз. 5, а также на рис. 3.10. Примеры: RB211 (Rolls-Royce, первая ступень TF-39 (General Eleсtric).

Одним из способов интенсификации теплообмена является применение матрицы с перекрещивающимися каналами (рис. 3.11), получивших название «вихревая матрица».

К третьей группе конвективно охлаждаемых лопаток относятся лопатки с поперечным относительно пера течением воздуха. Типичной конструкцией являются полые лопатки, внутри которых располагается дефлектор (рис. 3.5, поз. 7,10; рис. 3.12).

Они обладают рядом преимуществ по сравнению с лопатками с продольным и смешанным течением. Одно из них заключается в том, что дефлекторные лопатки позволяют управлять распределением интенсивности теплообмена во внутренних каналах, изменяя профиль дефлектора, и обеспечивать таким образом необходимые запасы прочности.

Известна технология, при которой лопатка изготавливается из двух половин, которые соединяются пайкой. Дефлектор также припаивается и становится частью конструкции лопатки, демпфирующей колебания.

3.3.2 Лопатки с конвективно-заградительным охлаждением

При среднемассовой температуре газа перед турбиной выше 1600К и степени повышения давления в компрессоре больше 20 применяют лопатки, в которых внутреннее конвективное охлаждение дополняется внешним заградительным (пленочным) охлаждением. Воздух выдувается через отверстия, выполненные в стенке лопатки, и создает защитный слой между газом и поверхностью лопатки. Для создания на защищаемой поверхности сплошной пелены воздуха применяют несколько рядов отверстий, а расстояние между рядами подбирают так, чтобы вытекающий из них воздух еще не полностью был размыт потоком газа.

Как видно из рис. 3.5, введение заградительного охлаждения увеличивает интенсивность теплообмена, особенно на участках, подверженных наиболее сильному тепловому воздействию, или наиболее трудно охлаждаемых изнутри.

На рис. 3.13 представлено развитие схем охлаждения рабочих лопаток фирмы Rolls-Royce: конвективная система с радиальным течением (1); система с одноходовым течением и пленочным охлаждением входной и выходной кромок (2) и система с многоходовым течением и интенсивным пленочным охлаждением.

Дата добавления: 2015-08-26