Технические науки/9. Авиация и космонавтика

А.Х. Рахимов, А.С. Гишваров

Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия

Оценка и интенсификация теплоотдачи в охлаждающих каналах рабочих лопаток турбин ГТД

Основное отличие в характере течений в охлаждающих каналах рабочих и сопловых лопаток турбин определяют возникающие в роторе центробежные силы, подъемные силы и силы Кориолиса. Из-за неодинаковости массовых сил в продольных и поперечных сечениях охлаждающих каналов возникают интенсивные вторичные течения и вихри. В результате теплоотдача и гидросопротивления во вращении изменяются. Этот факт отмечен многими отечественными и зарубежными исследователями.

Средняя теплоотдача в продольных каналах при увеличении частоты вращения до значений, характерных для первых ступеней турбин авиационных ГТД, для которых критерий подобия, отражающий влияние массовых сил , увеличивается в 1,25…1,35 раза.

Наиболее нагруженной является прикорневая зона рабочих лопаток, т.е. зона начального участка охлаждающих каналов. К неблагоприятным особенностям прикорневого участка относятся повышенная теплоотдача от газа (из-за парного вихря) и высокое термосопротивление стенки (лопатки выполняют утоняющимися от корня к периферии). Это заставляет особо тщательно определять теплоотдачу охлаждающего воздуха именно на начальных участках охлаждающих каналов рабочих лопаток. В статических условиях применительно к цилиндрическим каналам вопрос определения теплоотдачи достаточно изучен.

Экспериментальное исследование влияния частоты вращения на теплоотдачу на начальных участках охлаждающих каналов, показало, что степень турбулентности на входе в охлаждающие каналы составляет приблизительно 6 %.

Для первых ступеней реальных турбин ГТД множитель коэффициент интенсификации теплоотдачи за счет вращения для начального участка равен 1,1 – 1,3. В условиях вращения теплоотдача на начальных участках охлаждающих каналов интенсифицируется меньше, чем на средних. Последнее объясняется возмущающим действием условий на входе.

На участках с центростремительным течением охлаждающего воздуха (например, в петлевых каналах) также наблюдается увеличение теплоотдачи в среднем на 20 … 30 % с увеличением частоты вращения. Это объясняется наличием подъемной силы, приводящей к дроблению парного вихря на множество более мелких вихрей.

В охлаждающих каналах со сложной комбинированной схемой течения, для которых нет рекомендаций по учету влияния вращения на теплоотдачу, следует вести расчет по рекомендациям для статических условий, что ведет к увеличению оценки запасов прочности.

При конструировании охлаждаемых лопаток большое внимание уделяют интенсификации теплообмена во внутренних каналах сложной формы.

Проблема интенсификации теплообмена аналогична той, которую рассматривают при проектировании теплообменных аппаратов, так как охлаждаемые лопатки — это тоже, по сути, теплообменные аппараты. Однако основные цели интенсификации теплообмена в них разные: в теплообмен – это обеспечение минимальных размеров и массы, минимальных гидравлических потерь при заданных расходах теплоносителей при заданном тепловом потоке. В охлаждаемых лопатках цель – это обеспечить приемлемую температуру стенки: тепловые потоки в них значительно более интенсивны; глубина охлаждения существенно большая; лопатки работают при значительно больших

напряжениях; размеры лопаток значительно меньшие, что вызывает трудности при размещении в них охлаждающих каналов. Частично по вышеуказанным причинам, а также из-за того, что материалом охлаждаемых лопаток служат трудно обрабатываемые, высокожаропрочные и жаростойкие сплавы, изготовление внутренних каналов затруднено. Тем не менее, интенсификацию теплообмена в охлаждающих каналах лопаток широко применяют, для чего используют высокие технологии.

Эффективность охлаждения лопаток турбины принято характеризовать величиной безразмерной температуры:

, (7)

где – температура торможения газа, омывающего лопатку;

температура лопатки; – соответственно температуры торможения воздуха на выходе и входе в охлаждающие каналы

Повысить значения можно интенсификацией внутренней теплоотдачи, чтобы (при внутреннем конвективном охлаждении) или при (при конвективно-пленочном охлаждении).

Одним из мероприятий по интенсификации теплоотдачи в охлаждающих каналах лопаток турбин является установка внутрь полых лопаток специальных вставок-дефлекторов, которые обеспечивают протекание охлаждающего воздуха по узким каналам между самим дефлектором и внутренней стенкой лопатки. Установка дефлектора позволяет более полно использовать хладоресурс воздуха, так как при прочих равных условиях воздух успевает нагреваться до более высокой температуры, прежде чем вытечет из лопатки.