2. Способы охлаждения лопаток газовых турбин воздухом.
Различают три способа воздушного охлаждения сопловых и рабочих лопаток турбин:
1) путем внутреннего конвективного теплообмена;
2) путем пленочно-заградительного охлаждения;
3) путем проникающего (пористого) охлаждения.
Возможно также сочетание нескольких способов охлаждения.
При конвективном охлаждении охлаждающий воздух подводится через корневую часть лопатки, проходит по специально выполненным каналам внутри лопатки и затем выпускается в проточную часть турбины. По внутренним каналам воздух может растекаться в различных направлениях.
В зависимости от характера движения охлаждающего воздуха лопатки выполняются с продольными, поперечными и смешанными охлаждающими каналами. Типичными конструкциями лопаток с продольными охлаждающими каналами являются рабочие лопатки первых ступеней ТРД «Олимп» и ТРДД «Спей», показанные на рис. 4.13. Охлаждающий воздух входит со стороны замковой части лопатки во все каналы, протекает по продольным каналам и выбрасывается в радиальный зазор. Лопатки данной схемы (см. рис. 4.13, а и б) обеспечивают работу турбины при температурах газа перед турбиной соответственно до 1400 К и 1360 К при расходе охлаждающего воздуха примерно 2% расхода газа через турбину, понижая температуру лопатки в ее средней части на 220. 260 К.
Основным достоинством продольной схемы охлаждения лопаток является более простая технология их изготовления. Эффективность охлаждения таких лопаток довольно высокая, однако наблюдается значительная неравномерность температурного поля как по высоте, так и по профилю лопатки, которая доходит до 150…200 К и более. При этом наиболее нагретыми оказываются входная и выходная кромки.
Рис. 4.13. Схемы охлаждения лопаток турбин двигателей:
Стремление повысить эффективность охлаждения и снизить неравномерность температурного поля лопатки привело к появлению петлевых схем (рис. 4.14, а), дефлекторных лопаток с поперечным течением охладителя и развитой внутренней поверхностью теплообмена, введению оребрения внутренней поверхности входной и выходной кромок и лопаток с комбинированным (конвективно-пленочным) охлаждением. Примером конструкции лопатки с дефлектором и с поперечным течением охладителя является рабочая лопатка, предложенная С. К. Туманским (рис. 4.14, б).
Рис. 4.14. Схемы охлаждения лопаток:
а – петлевая схема; б – лопатка с внутренним дефлектором и поперечными ребрами на внутренней поверхности; в – схема лопатки турбины ТРДД; 1 – отверстия для удаления пыли
На рис. 4.15 приведены некоторые из конструктивных схем лопаток с продольным и смешанным течением охлаждающего воздуха, с цилиндрическими штырьками (перемычками), соединяющими спинку и вогнутую поверхность профильной части лопатки, с перегородками различной формы, отклоняющими поток охлаждающего воздуха в заданном направлении.
Лопатки с дефлектором и оребрениями в зоне входной и выходной кромок имеют большую эффективность охлаждения и обеспечивают большую равномерность температурного поля лопатки (
), но они имеют и недостатки: большие конструктивные и технологические трудности, связанные с размещением дефлектора и обеспечением прочности таких лопаток.
Рис. 4.15. Лопатки с продольным и смешанным течением охлаждающего воздуха:
Существенного повышения эффективности внутреннего конвективного охлаждения лопаток можно добиться за счет различных интенсификаторов: закручивателей потока, волнистых каналов, штырьков турбулизаторов и т.п.
Рассмотренные схемы внутреннего конвективного охлаждения могут обеспечить длительную работу лопаток при температурах газа не более 1450. 1500 К. При более высоких температурах газа необходимо применять более сложные комбинированные схемы охлаждения, где наряду с внутренним используется также внешнее, так называемое пленочное (заградительное) охлаждение (рис. 4.16).
При пленочном охлаждении вокруг лопатки за счет вдувания охлаждающего воздуха создается заградительная пленка, которая уменьшает теплоотдачу от горячих газов к лопаткам. При этом необходимо иметь в виду, что пленочное охлаждение сопровождается и конвективным теплообменом.
Рис. 4.16. Схемы лопаток с конвективно-пленочным (а) и пленочным (б) охлаждением:
Так, например, лопатки с комбинированным конвективно-пленочным охлаждением турбины ТРДД TF-39, по данным фирмы «Дженерал электрик», обеспечивают ресурс 15000 ч при температуре газа 
=1580 К и расходе охлаждающего воздуха на эту решетку приблизительно 3%. Литые из кобальтового сплава рабочие лопатки турбины ТРДД JT9D с продольными каналами волнообразной формы и извитой внутренней поверхностью теплообмена предназначены для работы при 
= 1620…1640 К.
Наиболее эффективным является пористое охлаждение. Лопатка с таким охлаждением (рис. 4.17) состоит из внутреннего несущего стержня 1 с профилированными ребрами и пористой оболочки 2, образующей профильную часть. Оболочка лопатки выполняется из проницаемых материалов (пористых, многослойных перфорированных, сеток). Ребра на стрежне служат для подкрепления оболочки и образуют продольные каналы, по которым проходит охлаждающий воздух.
Рис. 4.17. Схема лопатки с пористым охлаждением:
Пористое охлаждение отличается от пленочного более мелкими размерами отверстий (пор) и меньшей упорядоченностью их расположения. Сущность пористого охлаждения заключается в том, что воздух, проходя через мелкие отверстия (поры или перфорации) в стенке лопатки, отбирает от нее тепло и образует сплошной теплозащитный слой на ее наружной поверхности.
Наилучший результат пористой схемы охлаждения дает оболочка, выполненная из многослойного перфорированного материала (рис. 4.18).
Рис. 4.18. Схема многослойного перфорированного материала:
1 – многослойный материал; 2 – охлаждающий воздух
Исследования таких лопаток показывают, что при рациональном расположении отверстий в слоях материала можно повысить эффективность охлаждения в 1,5. 1,6 раза по сравнению с лопатками канальной конструкции; практически сохранить аэродинамическое совершенство профилей на уровне современных охлаждаемых турбин и устранить недостаток пористых оболочек заключающийся в быстрой засоряемости пор пылью и окалиной. Это достигается выполнением в листовом материале отверстий диаметром 100. 200 мкм, тогда как предельные размеры частиц пыли в очищенном воздухе составляют 15. 30 мкм.
В заключение можно отметить, что недостаточная жаропрочность материала пористых оболочек не дает возможности полностью реализовать эффект от повышения температуры. При длительной эксплуатации двигателя происходит засорение пор оболочки твердыми частицами пыли и продуктов сгорания, что также ухудшает надежность работы системы охлаждения. Наконец, шероховатая поверхность лопаток вызывает некоторое снижение КПД турбины.
Источник
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
