Охлаждение рабочих и сопловых лопаток турбины.
Разработаны следующие способы защиты лопаток турбины от перегрева:
– покрытия термозащитными эмалями;
– отводом тепла в диск, продувкой воздухом зазоров в замках и удлиненной ножки лопатки;
– конвективное охлаждение (продольное, поперечное, продольно-поперечное);
– жидкостное (выпотеванием и испарительные);
– с жидкими металлическими теплоносителями.
Покрытие пера лопатки специальными эмалями на основе окиси хрома, циркония, кремнийорганическими или специальными керамиками снижает температуру металла лопатки на 110…120 0 С по сравнению с незащищенной лопаткой.
Охлаждение рабочей лопатки отводом тепла в дискприменяется при 
до 1150…1200 К. При этом температура лопатки в максимально нагретом сечении (приблизительно на 2/3 длины пера от корня) на 140…160 0 ниже температуры газов перед сопловым аппаратом. За счет отвода тепла в диск температура корневой трети пера на 50…80 0 ниже, чем была бы у неохлаждаемой лопатки, что способствует повышению прочностных свойств материала в опасном корневом сечении пера.
При продувке замковых зазоров и удлиненных ножек лопаток воздухом такой способ охлаждения можно использовать до = 1250…1300 К.
При конвективном (внутреннем) охлаждении охлаждающий воздух поступает внутрь пера лопатки через отверстия в замке, проходит по охлаждающим каналам, отбирает тепло от стенок лопатки и выходит в проточную часть турбины. Такой способ охлаждения в зависимости от конструктивного исполнения применим до = 1400…1500 К.
В зависимости от схемы течения охлаждающего воздуха различают лопатки с продольным, поперечным и смешанным (продольно-поперечным) конвективным охлаждением.
В лопатке с продольным (радиальным) течением воздух движется вдоль пера лопатки от корня к периферии и выходит в проточную часть турбины через отверстия в торце лопатки (ДВ2, ТВД Д-36, Д-136). Конструкция лопатки достаточно проста, но при тонком профиле возникает трудность размещения выходного канала в тонком периферийном сечении, которое плохо охлаждается из-за нагрева охлаждающего воздуха при его течении от корня лопатки к периферии.
Интенсивность охлаждения повышается при поперечном направлении течения охлаждающего воздуха. Такие лопатки применяются с дефлектором – тонкостенной вставкой, размещаемой внутри пустотелой лопатки. Охлаждающий воздух поступает внутрь дефлектора и через ряд отверстий в передней кромке дефлектора подается к внутренней стороне входной кромки лопатки («лобовое» натекание), при этом температура охлаждающего воздуха по длине пера лопатки остается почти постоянной. Затем воздух проходит через зазор между дефлектором и стенкой лопатки и выходит в проточную часть турбины через щель в задней кромке пера лопатки. Для повышения интенсивности охлаждения на внутренней поверхности стенок лопатки выполняют мелкие ребра и турбулизирующие бугорки. При таком типе охлаждения может быть увеличена на 30…50 0 по сравнению с продольным конвективным охлаждением (Р25-Ф-300, Р29-Ф-300).
В лопатке со смешанным направлением движения охлаждающего воздуха дефлектора нет, а внутренние каналы располагают так, чтобы одна часть воздуха перемещалась вдоль пера лопатки от корня к периферии, а другая часть – в поперечном направлении. Для отклонения воздуха в заданном направлении и турбулизации потока (повышения коэффициента теплоотдачи от горячей стенки к охлаждающему воздуху) служат перегородки, перемычки и турбулизирующие гребешки. Такие лопатки изготавливают вакуумным литьем по выплавляемым моделям (АЛ-21).
Одним из видов конвективного охлаждения является циклонно-вихревое охлаждение. В лопатке выполняется специальная матрица с наклонными каналами и резкими поворотами потока охлаждающего воздуха. Циклонно-вихревое охлаждение в совокупности с монокристаллической лопаткой может применяться при до 1650…1700 К, но для него требуется охлаждающий воздух с повышенным давлением для преодоления большого гидравлического сопротивления при течении по сложным каналам внутри пера лопатки (РД-33).
При конвективно-пленочном (заградительном) охлаждении воздух протекает сначала по внутренним каналам, а затем часть его выходит через щели или ряды отверстий на поверхность пера лопатки, создавая тонкую защитную воздушную пленку между горячим газом и поверхностью лопатки. Так как воздушная завеса размывается потоком горячего газа, то ряды отверстий располагают таким образом, чтобы струйки воздуха не успели разрушиться до следующего ряда отверстий. Отверстия диаметром 0,3…0,4 мм располагают в 2-3 ряда по 70…100 отверстий в ряду. Такое охлаждение эффективно при до 1550…1650 К, а в совокупности с монокристаллической лопаткой может применяться при до 1700 К. Однако оно требует высокого давления охлаждающего воздуха, ослабляет за счет отверстий сечения пера лопатки и создает в пере лопатки концентраторы напряжений (Д-30Ф6, Д-18).
Пористое охлаждение является перспективным при увеличении более 1600…1800 К. Стенка лопатки изготавливается проницаемой (пористой), например, методом порошковой металлургии. Охлаждающий воздух, протекая внутри лопатки, сначала отбирает тепло от стенки конвекцией, а затем, после выхода через поры стенки на наружные обводы профиля, образует тонкий охлаждающий слой, примыкающий к поверхности профиля лопатки. Такое охлаждение весьма эффективно, так как при =1800 К на поверхности пористой лопатки сохраняется температура не выше 1200 К при общем расходе охлаждающего воздуха не более 3…4 %.
Принципиальной проблемой пористого охлаждения является склонность пористых материалов к снижению проницаемости в результате окисления и зашлаковывания пор.
Промежуточным между конвективно-пленочным и пористым охлаждением является транспирационное охлаждение. При таком способе охлаждения стенка лопатки выполняется двухслойной с большим количеством мелких косых отверстий по всей поверхности профиля. Монокристаллические лопатки с транспирационным охлаждением, изготовленные из сплава ЖС-47 (легированного рением до 10 %) работоспособны при до 2000 К.
Повысить эффективность перечисленных видов охлаждения лопаток можно, используя предварительно охлажденный воздух, например, в специальных теплообменниках, расположенных во втором контуре ТРДД (АЛ-31) Однако установка теплообменников во втором контуре ухудшает его гидравлические характеристики и в итоге увеличивает удельный расход топлива. Кроме того, подача холодного воздуха на нагретые поверхности может вызвать значительные термические напряжения из-за больших перепадов температур.
Жидкостное охлаждение выпотеванием было разработано и испытано в 30-х годах прошлого столетия на турбинах проф. В.В. Уварова. В настоящее время разрабатываются и способы охлаждения с использованием жидких металлических теплоносителей – легкоплавких металлов лития, натрия, калия. Такие системы охлаждения позволят повысить до предельных значений, которые могут быть получены при сжигании углеводородных топлив (2200…2300 К).
Охлаждение сухим перегретым насыщенным водяным паромдостаточно эффективно. Удельная теплоемкость сухого насыщенного пара составляет 3560 Дж/кг·К, что в три с лишним раза больше, чем у воздуха. Кроме того, вязкость сухого водяного пара в три раза меньше, чем у воздуха. Перегретый пар можно получить за счет отбора небольшого количества тепла от газа за турбиной. Поэтому можно при небольших расходах охладителя и небольших проходных сечениях каналов охлаждения получить достаточно эффективное охлаждение. Недостатком метода является необходимость иметь на борту летательного аппарата дополнительный расходный бак для воды. Поэтому в ближайших перспективах применение такого охлаждения возможно в конструкциях ГТД наземного применения.
По силовой схеме охлаждаемые лопатки могут быть выполнены:
– с несущей силовой стенкой;
– с несущим силовым стержнем.
В первой схеме все нагрузки воспринимаются стенкой, которая образует профиль лопатки и выполняется заодно с замком. Дефлектор, если он есть, нагружается центробежной силой и дополнительно догружает стенку лопатки.
Во второй схеме несущий силовой стержень изготовлен за одно целое с замком и воспринимает все силы, действующие на лопатку. Наружный экран, образующий профиль лопатки, воспринимает газовые силы и передает их на силовой стержень.
Лопатки сопловых аппаратов охлаждаются теми же способами, что и рабочие лопатки турбины.
Источник
Охлаждение лопаток и дисков турбин.
В настоящее время в высокотемпературных турбинах ГТД наибольшее применение нашли охлаждаемые рабочие лопатки, где используются два основных принципа охлаждения — лопатки с внутренним (конвективным) воздушным охлаждением (рис.2.4.2.1, а и б) и лопатки с пленочным охлаждением (рис.2.4.2.1,в). Возможны также лопатки с проникающим охлаждением, в которых по всей поверхности полого пера расположены поры или отверстия для выпуска воздуха, образующего защитный слой на поверхности лопатки. Однако такие лопатки не нашли в настоящее время реального конструктивного воплощения.
Рисунок 2.4.2.1Лопатки с внутренним воздушным охлаждением могут иметь радиальное (рис. 2.4.2.1,а) петлевое или полупетлевое (рис. 2.4.2.1,б) течение охлаждающего воздуха. Для осуществления заданного по скорости и направлению течения воздуха во внутреннюю полость пера лопатки часто помещается дефлектор, который может быть перфорированным. Для изменения направления течения воздуха во внутренней полости пера охлаждаемой лопатки размещаются направляющие перегородки (рис. 2.4.2.1,а и 2.4.2.1, в).
Пленочное охлаждение лопаток турбины более эффективно, чем внутреннее воздушное, однако, выпуск большого количества охлаждающего воздуха для создания защитной пелены на поверхности лопатки приводит к заметному увеличению потерь и снижению КПД турбины.
При дальнейшем повышении температуры газа перед рабочим колесом турбины для сохранения температуры поверхности лопатки и интенсивности ее охлаждения на прежнем уровне необходимо понижение температуры воздуха, используемого для охлаждения турбины. Это можно выполнить в топливовоздушном или воздухо-воздушном теплообменниках, или за счет предварительной закрутки охлаждающего воздуха в направлении вращения рабочего колеса турбины.
Схема подвода воздуха с предварительной закруткой, в зависимости от окружной скорости и угла потока на выходе из сопел , позволяет снизить температуру охлаждающего воздуха на 100. 170 °С, и при возбуждении резонансных колебаний потока в охлаждающих каналах лопатки возможна существенная интенсификация охлаждения.
Вследствие большого преимущества схема с предварительной закруткой получила широкое распространение в ГТД.
Диски турбин.Диски турбин служат для размещения рабочих лопаток и передачи от них на вал крутящего момента и осевой силы.
Диск состоит из трех основных частей: обода, полотна диска и ступица.
Охлаждение дисков турбины преследует следующие цели:
1. Общее снижение температуры дисков, то есть снижение термических напряжений в них.
2. Получение приемлемой разницы температур между ободом и ступицей, особенно на переходных режимах работы двигателя.
3. Стабилизацию радиального зазора турбины на переходных режимах.
Воздух для охлаждения дисков обычно отбирается от компрессора двигателя или из камеры сгорания (смесительный воздух).
В настоящее время применяются в основном две схемы охлаждения:
а) с радиальным течением воздуха от центра к периферии диска (или наоборот);
б) струйная подача из сопел, равномерно расположенных по окружности.
Теплонапряженные детали турбины (диски, хвостовики и бандажные полки рабочих лопаток) охлаждаются смесительным воздухом камеры сгорания на двигателе АИ-25. К диску турбины высокого давления (ТВД) воздух поступает через отверстие во внутреннем корпусе соплового аппарата. Через отверстие в контровочном кольце воздух попадает в полость между диском ТВД и диском турбины низкого давления (ТНД), затем через зазор между валом ТНД и диском второй ступени ТНД воздух попадает с полость между дисками второй и третьей ступеней турбины, со стороны реактивного сопла диск третьей ступени турбины охлаждается воздухом, поступающим от третьей ступени компрессора высокого давления через трубопровод, проходящий внутри обоймы корпуса задней опоры. На различных режимах работы двигателя требуется разное количество охладителя. В этих целях в ряде двигателей используются системы охлаждения, в которых сечение проходного канала изменяется с помощью подвижной диафрагмы в зависимости от режима работы двигателя.
Для лучшей организации радиального течения охлаждающего воздуха по радиусу диска и улучшения теплообмена между охладителем и диском турбина высокого давления (а иногда и последующие диски) снабжаются дефлекторами, которые могут быть вращающимися или неподвижными.
Струйная подача охладителя из сопел позволяет снизить температуру и давление охладителя, то есть повысить эффективность теплообмена на кольцевом элементе диска в месте выхода струй из сопел. Струйная подача позволяет в какой-то степени влиять на температурное поле по радиусу диска. Применение закрутки охлаждающего воздуха по вращению диска или против в зависимости от радиуса и окружных скоростей позволяет оптимизировать схему охлаждения диска.
28 Крепление сопловых лопаток.
В сопловых аппаратах стремятся осуществить двухопорное крепление сопловых лопаток в кольцевых деталях корпуса, желая обеспечить значительную изгибную жесткость и прочность. Однако такой вид крепления применим только для коротких лопаток, и позволяет избежать термических напряжений и короблений вследствие неодинаковости нагрева соединяемых в узел СА деталей.
Сопловые лопатки из-за их теплопряженности в качестве силовой связи между силовыми корпусами, как правило, не используются. Конструктивные элементы силовой связи размещаются внутри пустотелых охлаждаемых лопаток 1 (рис. 1, е, ж).
Для предотвращения появления температурных (термических) напряжений и короблений деталей СА лопатки закрепляются, как правило, в наружном силовом корпусе и соединяются с внутренним корпусом, обеспечивая либо свободу температурных деформаций деталей СА, либо незначительный уровень термических напряжений, а это возможно при соединении лопаток СА с внутренним корпусом, обладающим малой жесткостью, либо через податливый конструктивный элемент.
Устанавливают лопатки СА в корпусах таким образом, чтобы между наружными полками и внутренней поверхностью силового корпуса имел место зазор, по которому для предупреждения перегрева корпусных деталей будет продуваться охлаждающий корпус воздух. Часть этого воздуха в ряде случаев используется и на охлаждение лопаток СА как первой, так и последующих ступеней.
Распространенным конструктивно-схемным решением является консольное крепление лопаток на наружном корпусе и подвижное соединение расположенных встык внутренних полок лопаток с внутренним кольцом (бандажом). Разнообразие конструктивных решений показано на рис. 1
Рис. 1. Крепление сопловых лопаток в корпусах: а- ТРДФ Р11-30, б- ТРДД
Д-30КУ, в- ТРДД АИ-25
Бандажное кольцо 22 может быть как цельным, с отверстиями под цилиндрические цапфы 21, выполненные на внутренних полках (рис. 1, а), так и составным из двух частей с плоскостью разъема в плоскости осей цилиндрических цапф. Цапфы 21 выполняют роль радиально-расположенных штифтов 22, а, следовательно, обеспечивают соосность бандажного кольца 22 и наружного корпуса 20, что необходимо при наличии лабиринтного уплотнения ротор-корпус, не препятствуя свободе расширений наружного корпуса 20, лопаток 1, бандажного кольца 22 и других элементов уплотнений 8 ( см. рис.1, б, в, д).
Лопатки 1 крепятся к наружному сопловому корпусу 20, например, с помощью болтов23, ввернутых в резьбовые отверстия наружной полки 2 лопатки 1 (см. рис. 1, а). Во многих двигателях используется установка лопаток 1 во внешнем силовом корпусе 20 по цилиндрическим пояскам (бортикам) с фиксацией от перемещений под действием осевых и окружных газодинамических сил радиальными штифтами 24 (см. рис. 1, б, в, г) либо специальными фиксаторами 6 (рис. 1, д).
Штифты 24 после запрессовки их в отверстия сами фиксируются от смещения обжатием кромок отверстий шариком, например, как показано на рис. 1, в.
Внутреннее бандажное кольцо 22 может удерживаться соосно наружному корпусу 20 и при установке на концах профильных частей лопаток 1, пропущенных в его профильные пазы (см. рис. 1, в). При этом также обеспечивается соосность кольца 8 лабиринтного уплотнения, а перетеканию газа через зазоры лопатка 1 – бандажное кольцо 22 препятствует составленное из двух половин кольцо 9. Соединение лопаток 1 с внутренним бандажном кольцом 22 такого типа используется и в случае крепления самих лопаток с наружным корпусом 20 сваркой, когда лопатки короткие и рассмотренные выше приемы соединения лопаток с наружным корпусом 20 экономически и технологически не обоснованы.
Фиксация внутреннего бандажного кольца 22 от эксцентричного смещения и проворачивания может осуществляться выступами 7 (рис. 1, г, д).
На рис. 1, е, ж показаны конструктивные решения крепления охлаждаемых лопаток, внутренние полости которых использованы для размещения силовых связей и других конструктивных элементов. Так, на рис. 1, е пустотелые лопатки 1 первой ступени двухроторного ТРДФ устанавливаются между внутренним силовым корпусом 16 и корпусом соплового аппарата 11 наружного корпуса 20 и уплотняются по торцу кольцом 19. Каждая лопатка закрепляется винтом 12 в нужном положении и имеет возможность расширения в сторону внутреннего корпуса 16. С помощью винта 12 и эксцентрика 13 («регулировочного сухаря») лопатка может поворачиваться на небольшой угол, т.е. регулируется выходное сечение СА при сборке. Внутри дефлектора 14 установлены силовые стержни 1, закрепленные винтами 10. Такая конструкция обеспечивает силовую связь и соосность корпусных деталей 11 и 16 с лабиринтным кольцом 8.
Воздух, подаваемый на охлаждение лопаток через отверстия 17, обеспечивает охлаждение лопаток 1 и силовых стержней 15.
Рис. 1. Крепление сопловых лопаток в корпусах: ж- ТРДД Д-36На рис. 1, ж показан вариант силовой связи внутреннего корпуса 16 опор одноступенчатых турбин РВД и РСД с наружным силовым корпусом 20. Эта связь выполнена через девять овальных в сечении силовых стоек 18, которые размещаются внутри дефлектора 14 средней лопатки блока трех охлаждаемых лопаток 1. Каждый блок устанавливается в наружном силовом корпусе по цилиндрическим пояскам 4 передней и задней частей верхних полок блока и удерживается от углового смещения за пазы 7 выступами на корпусных деталях, стыкуемых с блоками лопаток. Каждый блок лопаток устанавливается кольцевыми выступами 5 внутренних полок блока в кольцевые пазы внутреннего корпуса 16. Силовые стойки 18 надежно удерживаются от смещений в корпусе 20 как в окружном, так и в осевом направлении втулками 7, работающими на срез и смятие, и стягиваются с корпусом 20 болтами 23. Внутренние полости других полых лопаток всех блоков используются для размещения магистралей 25 различного назначения – масляных и воздушных.
Источник
