Характеристика различных способов воздушного охлаждения лопаток турбины.

Основным способом охлаждения турбин современных авиационных ГТД является способ открытого воздушного охлаждения. В качестве охлаждающего агента в этом случае используется воздух, отбираемый за последней (или промежуточной) ступенью компрессора и в некоторых случаях – вентилятора. После охлаждения горячих частей турбины (рис. 1.5), подогретый воздух выпускается в проточную часть турбины, где смешивается с основным газовым потоком и участвует в дальнейшем рабочем процессе двигателя.

Системы открытого воздушного охлаждения могут классифицироваться как по основным конструктивным признакам, так и по способу отвода тепла от охлаждаемой лопатки или по способу ее тепловой защиты. По способу реализации тепловой защиты различают лопатки с конвективным, пленочным (заградительным) и пористым охлаждением, хотя в реальной лопатке обычно сочетаются несколько способов теплоотвода. В лопатках с конвективным охлаждением передача тепла осуществляется к воздуху при его движении во внутренних каналах или полостях охлаждаемой лопатки. Лопатки с конвективным охлаждением, в свою очередь, можно подразделить на две большие группы в зависимости от направления движения охлаждающего воздуха по перу лопатки. В лопатках с продольным направлением движения охлаждающего воздуха он движется главным образом в радиальном направлении. Необходимость интенсификации охлаждения привела к появлению петлевых лопаток, в которых поток меняет направление на обратное и может выпускаться в радиальном направлении (например, в радиальный зазор) и в выходную кромку, т.е. в поперечном направлении (рис. 8.41).

Рис. 8.41. Конструктивная схема рабочей лопатки со смешанным продольно-поперечным направлением движения охлаждающего воздуха и петлевым движением в продольном направлении.

Однако наиболее полно поперечное движение охлаждающего воздуха, как более целесообразное с точки зрения эффективности охлаждения, реализуется в лопатках с внутренним вставным дефлектором (или направляющей трубкой). Как показано, например, на рис. 8.42 применение вставной трубки кроме двустороннего подвода и поперечного направления потока охлаждающего воздуха дает возможность обеспечить также ударное (струйное) охлаждение наиболее теплонапряженной входной кромки лопатки. Основным недостатком лопаток с внутренним конвективным охлаждением является то, что снижение температуры материала лопатки при интенсификации охлаждения, например, за счет предварительного снижения температуры охлаждающего воздуха, происходит при возрастании теплового потока через стенку лопатки (возрастает «транзит» тепла).

Рис. 8.42. Конструктивные схемы турбинных лопаток с дефлекторными вставками, обеспечивающими поперечное движение охлаждающего воздуха и струйное натекание:

а – сопловая лопатка I ступени турбины двигателя «Конуэй»; б – рабочая первой ступени – JT9D-7 [38]

Рис. 8.43. Конструктивная схема комбинированной сопловой лопатки с пленочным охлаждением входной части и конвективным охлаждением остальной части лопатки с помощью вставного дефлектора для организации поперечного течения воздуха (I ступень JT9D-7 [38])

Кроме того, в лопатках такой схемы существует большая неравномерность температур металла стенок лопаток, приводящая к дополнительным термическим напряжениям.

Этого недостатка лишены лопатки с пленочным (заградительным) охлаждением, при котором воздух из внутренних полостей выпускается на обтекаемую газом поверхность лопатки и, образуя защитную пленку, снижает температуру материала лопатки.

Схема комбинированной лопатки, в передней части которой реализуется пленочное охлаждение, и в задней – конвективное, показана на рис. 8.43. Воздух в переднюю полость лопатки подводится сверху и выходит в проточную часть через отверстия в области входной кромки, создавая воздушную пелену на поверхностях спинки и корыта лопатки. В заднюю полость лопатки воздух подводится вначале в дефлектор, а затем через отверстия в дефлекторе поступает на внутреннюю поверхность полости лопатки, течет поперек спинки и корыта и выходит через щелевые каналы в выходной кромке. Величины проходных сечений охлаждающих каналов должны меняться таким образом, чтобы скорости истечения в каналах обеспечивали по возможности равномерное распределение глубины охлаждения по сечению лопатки.

Естественно, что при прохождении воздуха через каналы перфорации происходит также и конвективное охлаждение. Поэтому более точно называть этот способ – способом конвективно-пленочного охлаждения, особенно в случае, если доля конвективного тепло-съема соизмерима с эффектом собственно заградительного охлаждения.

Особенностью пленочного охлаждения является то, что его эффективность, значительная у места выпуска охлаждающего воздуха, быстро убывает по мере размыва и прогрева защитной пелены основным потоком газа. Поэтому в настоящее время в высокотемпературных ступенях турбин используются лопатки с развитой перфорацией, т. е. с выпуском воздуха по всей поверхности лопатки через многорядные системы отверстий.

При пористом охлаждении воздух выпускается на поверхность профиля для организации защитного эффекта через систему малых отверстий (пор), пронизывающих всю толщу специального материала лопатки, образуя воздушный теплозащитный слой. Как показано на рис. 8.44, пористая лопатка может быть реализована, например, в виде несущего стержня, с окружающей его оболочкой (чехлом) из пористого материала, образующей требуемый аэродинамический профиль лопатки.

Форма несущего стержня и оболочки, а следовательно, размеры отдельных каналов между стрежнем и проницаемой оболочкой могут быть подобраны так, чтобы обеспечить требуемое оптимальное распределение расхода охлаждающего воздуха по обводу профиля. Это одно из существенных достоинств проникающего охлаждения. Недостатком такого охлаждения является прежде всего нестабильность размеров проходных каналов и отверстий для прохода охлаждающего воздуха, вследствие чего после нескольких часов работы они «забиваются» посторонними частицами и эффект охлаждения ухудшается. Кроме того, недостаточная жаропрочность материала оболочки ограничивает возможность реализации высоких .

Конструкторы и технологи рассматривают различные типы проницаемых материалов, способы их получения и создания из них работоспособной лопатки и, в частности, многослойные проницаемые материалы, приближающиеся по своим характеристикам охлаждения пористым материалам.

Охлаждаемые лопатки современных турбин представляют собой устройства, обычно комбинирующие в различных сочетаних рассмотренные выше различные способы и схемы охлаждения. Их конструктивное разнообразие увеличивается еще и в связи с использованием различных способов интенсификации теплообмена. Поэтому рассмотренные схемы представляют собой по существу расчетные схемы (модели) основных способов охлаждения отдельных участков лопатки, необходимые для оценки ее теплового состояния.