Лопатки турбины с воздушным охлаждением

Лопатки турбины с воздушным охлаждением применялись в пер­вых ТРД, когда жаропрочные качества материалов были низкими и обойтись без охлаждения лопаток было невозможно. С улучшением жаропрочности материалов потребность в охлаждении лопаток отпала. Однако стремление к повышению температуры газов перед турбиной вызвано тем, что тяга в ТРД и мощность в ТВД при этом по­вышаются. В то же время снижается удельная масса двигателей и их диаметральные размеры. Возникает снова задача создания лопаток с воздушным охлаждением, так как существующие жаропрочные материа­лы ограничивают максимальную температуру газа перед турбиной 870— 980° С.

На рис. 5.16, а показана лопатка турбины с воздушным охлаждением одного из первых ТРД. Лопатка изготовлялась из листовой хромомарганцовистой стали. Внутрь лопатки до сварки задней кромки атомно-водородной сваркой вставлялся профилированный дефлектор 3, штам­пованный из тонкого стального листа. Дефлектор не только направлял воздух вдоль горячих стенок лопатки, но, уменьшая проходное сечение, увеличивал скорость движения воздуха, интенсифицируя теплопередачу и улучшая охлаждение. На конце лопатки 1 вваривается донышко 2 из листовой стали с отверстием для выхода охлаждающего воздуха.

Основание лопатки вместе с дефлектором обжималось для получе­ния цилиндрического профиля ножки, после чего проводилась сварка лопатки. Отверстие 4 для шпильки калибровалось. Полученная таким образом ножка лопатки шлифовалась и подвергалась упрочнению обдув­кой дробью. Крепление лопатки к диску показано на рис. 5.16, а. Охлаж­дающий воздух из полостей между диском турбины и крышками, при­крепленными к нему, поступает внутрь лопатки через отверстия, обра­зованные в ножке лопатки. Расход воздуха через лопатку определяется площадью выходного отверстия в донышке на конце лопатки. Дефлектор несколько увеличивает жесткость и частоту собственных колебаний ло­патки.

На рис. 5.16, б показана штампованная лопатка с пятью каналами для охлаждения ее воздухом. Для этого в заготовке электроискровой обработкой получают отверстия, куда вставляются пробки-заполнители лз стали; после штамповки заполнители вытравливаются. На рис. 5.16, в показана литая лопатка с 18-ю каналами диаметром около 1,25 мм каждый. Отверстия получаются в литье, для чего в модель укрепляют 18 кварцевых трубочек, которые после изготовления отливки вытравли­ваются плавиковой кислотой. На рис. 5.16, г показана литая лопатка с полкой, с 20-ю круглыми каналами диаметром 1,5 мм каждый.

На рис. 5.17 показаны схемы конструкции охлаждаемых рабочих лопаток английских ГТД фирмы Роллс-Ройс, уровень охлаждения их по высоте и хорде лопатки. Охлаждение с петлевым движением воз­духа (см. рис. 5.17, а) выполнено в кованой лопатке. Охлаждающий воздух поступает в канал у выходной кромки, опускается по среднему каналу и проходит по каналу у входной кромки, вытекая в радиальный зазор. Расход воздуха составляет —0,8% от общего расхода газа через турбину. Температура средней части лопатки снижается на 40° С, а срок службы возрастает с 2000 ч (без охлаждения) до 7000 ч. Охлаждение с «двойным ходом» воздуха (см. рис. 5.17, б) осуществляется с помощью двух каналов у входной и выходной кромок, куда воздух подается со стороны корытца, далее охлаждающий воздух попадает в средний канал и выходит у основания лопатки со стороны ее спинки. Расход воздуха составляет ~1,4%, снижение температуры лопатки в ее средней части ~120°. Срок службы лопатки без охлаждения составлял 75 ч, с охлаж­дением 15000 ч. Охлаждение с «одноходовым» течением воздуха вы­полнено с помощью движения воздуха по радиальным каналам — воз­дух вытекает через радиальный зазор. При этом достигается, наиболь­ший эффект охлаждения, на что затрачивается ~2% охлаждающего воздуха от основного расхода газа через турбину. Снижение темпера­туры лопатки в ее средней части ~220°С. Срок службы без охлажде­ния ~ 12 ч, с охлаждением 10 000 ч. На рис. 5.18 показано сравнение различных способов охлаждения лопаток в зависимости от количества охлаждающего воздуха.

По оси ординат отложена эффективность охлаждения q, выраженная через температуру газа на лопатках t_г, температуру воз­духа на входе в лопатку t_в и температуру лопатки t_л. По оси абсцисс отложено количество охлаждающего воздуха G_OXJI в процентах к обще­му расходу газа через турбины.

Как видно, наименьшую эффективность охлаждения имеет лопатка с тремя каналами и петлевой схемой движения воздуха (кривая д). Несколько лучшую эффективность охлаждения имеет лопатка с ради­альными отверстиями диаметром ~1,25 мм (кривая, г). Еще лучшей (кривая в) является литая лопатка с дефлектором (рис. 5.19) (авторское свидетельство на лопатку с внутренними ребрами и вставным дефлек­тором, из которого воздух подается к ребрам по сверлениям, было по­лучено в 1947 г. С.К. Туманским). Кривая б (см. рис. 5.18) соответст­вует сварной штампованной лопатке с электрохимической обработкой внутренней полости. Сварная лопатка с ребрами и де­флектором характеризуется кривой а. Наилучший эф­фект получается в турбинных лопатках с пористым охлаждением (кривая е), когда охлаждающий воздух проходит через поры на профильной поверхности ло­патки, являющейся (рис. 5. 20) оболочкой лопатки, ко­торая прикреплена к силовому литому или кованому стержню. Охлаждающий воздух, проходя через поры оболочки лопатки, образует пограничную пелену с относительно низкой температурой, которая изолирует поверхность профиля от потока горячих газов. Мате­риал оболочки должен при этом обладать хорошими антикоррозионными свойствами при температуре свы­ше 980° С. Пористая поверхность профиля лопатки выполняется из трубчатой заготовки одним из двух способов.

При первом способе предусматривается навивка проволоки из жа­ропрочного сплава на оправку, прессование ее до получения заданной пористости и соединение отдельных проволок между собой спеканием при температуре, соответствующей 90% температуры плавления, до по­лучения связанной структуры.

При втором способе из проволоки предварительно ткут плоские сетчатые листы, используемые в качестве отдельных слоев, и наклады­вают их один на другой. Раскатывая листы до получения нужной пори­стости, добиваются соединения слоев между собой. Из тканой сетки затем изготавливают трубу.

Масса диска турбины с охлаждаемыми воздухом рабочими лопат­ками меньше, чем диска с неохлаждаемыми лопатками, лишь в том слу­чае, если толщина профиля обеих лопаток в корневом сечении одина­кова и число лопаток неизменно. Обычно охлаждаемая лопатка в кор­невом сечении имеет большую толщину профиля и разместить на диске прежнее число лопаток невозможно. Число лопаток приходится умень­шить, а для сохранения прежней густоты решетки приходится увеличи­вать ширину хорды профиля, отчего возрастает размер диска, колеса и увеличивается его масса. По нашим прикидкам масса колеса турби­ны с охлаждаемыми лопатками возрастает примерно на 20% по срав­нению с неохлаждаемыми.