Системы охлаждения элементов турбин: конструктивные схемы и моделирование

В современной газотурбинной технике повышение эффективности рабочего процесса напрямую связано с ростом температуры газа перед турбиной. Это предъявляет экстремально высокие требования к жаропрочности и надежности конструктивных узлов проточной части. Для обеспечения статической прочности и долговечности деталей применяется комплексное воздушное охлаждение.

1. Основные требования к системам охлаждения турбин. Основными охлаждаемыми элементами конструкции турбины являются:
- сопловые и рабочие лопатки турбины высокого давления (ТВД) и турбины низкого давления (ТНД);
- диски;
- элементы корпусов.

Системы охлаждения газовых турбин должны строго удовлетворять следующим научно-техническим требованиям:

1. Обеспечение охлаждения элемента до допустимой температуры при минимальном расходе воздуха и минимальных потерях давления в системе его подвода.

2. Минимизация утечек воздуха в проточную часть турбины на всем тракте подвода.

3. Выпуск охлаждающего воздуха в проточную часть с минимальными газодинамическими потерями при смешении воздуха с основным газовым потоком.

Этими требованиями в каждой турбине определяется конкретное место отбора воздуха на охлаждение, организация его подвода к охлаждаемому элементу и место его последующего вытекания в проточную часть. Одновременное удовлетворение всех представленных критериев является сложной инженерной задачей.

2. Конструктивные схемы охлаждения лопаточных аппаратов и корпусных деталей. 2.1. Системы охлаждения лопаток сопловых аппаратов (СА) первой ступеней ТВД. Лопатки соплового аппарата (СА) первой ступени ТВД охлаждаются воздухом, отбираемым из вторичной зоны камеры сгорания. В большинстве реализованных конструкций внутренняя полость лопатки делится поперечной перегородкой 1 на две самостоятельные полости (рис. 2.5.10, а). В одних исполнениях воздух в переднюю полость подается со стороны одной из полок лопатки, в других — реализуется двухсторонний подвод (рис. 2.5.10, б).

Рис. 2.5.10. Схемы подвода воздуха к лопаткам СА первой ступени ТВД: а — со стороны одной из полок; б — двухсторонний

В лопатках с конвективно-пленочной системой охлаждения потери давления воздуха до входа в переднюю полость лопатки не должны превышать 2…2,5% полного давления воздуха в месте отбора. Только при выполнении этого условия удается реализовать эффективное заградительное охлаждение на входной кромке пера. Суммарный расход воздуха на охлаждение пера лопатки и полок при температуре газа перед турбиной Tг* > 1700…1800 K достигает 10…12% расхода на входе в компрессор высокого давления (КВД).

Полки лопаток СА охлаждаются путем отвода теплоты от внутренней поверхности конвективным способом — воздухом, поступающим на охлаждение пера лопатки, а также заградительным охлаждением — выдувом части воздуха через специальную систему отверстий в полке на ее горячую поверхность.

2.2. Системы охлаждения рабочих лопаток (РК) первой ступени ТВД. Охлаждение рабочих лопаток (РК) первой ступени ТВД осуществляется воздухом, отбираемым из вторичной зоны камеры сгорания. В высокоперепадных ступенях турбин с степенью понижения давления π_т* > 4,5…5 появляется техническая возможность производить отбор воздуха не за последней, а за предпоследней ступенью компрессора.

Наибольшее влияние на характеристики турбины и двигателя в целом оказывает охлаждение рабочей лопатки первой ступени ТВД. На нее расходуется относительно большое количество воздуха с максимально возможным давлением, необходимым на входе в рабочий канал. Это давление в значительной степени зависит от организации участка подвода. Для подачи воздуха к рабочим лопаткам применяются как безнапорные, так и напорные системы (рис. 2.5.11).

Рис. 2.5.11. Схемы подвода воздуха к лопаткам РК первой ступени ТВД: а, б — безнапорные; в — напорная

Широкое применение получили безнапорные системы, в канал которых на участке до входа в лопатку РК не подводится энергия от колеса для дополнительного повышения давления. При этом температура воздуха несколько снижается за счет спутной закрутки в окружном направлении при входе в преддисковую полость. Воздуху придается окружная составляющая скорости посредством установленного на статоре аппарата закрутки в виде лопаточных сопел (рис. 2.5.11, а) или системы отверстий, выполненных под углом к поверхности диска (рис. 2.5.11, б).

В ряде турбин необходимое давление на входе в лопатку обеспечивается при условии, что срабатываемый перепад давлений в аппарате закрутки близок к критическому, а статическое давление за ним незначительно отличается от давления в осевом зазоре проточной части между статором и ротором. При таком конструктивном решении отсутствует необходимость в установке развитой системы лабиринтных уплотнений для уменьшения протечек. Воздух входит в лопатку под дефлектором (покрывным диском), установленным на диске РК. При течении воздуха по радиусу окружная составляющая скорости снижается (на радиусе входа она близка к окружной скорости диска), а статическое давление воздуха повышается по сравнению с давлением за аппаратом закрутки.

При необходимости создания более высокого давления на входе в лопатку в аппарате закрутки срабатывается меньший перепад давлений. Вследствие этого в преддисковой полости устанавливают несколько лабиринтных уплотнений. В напорных системах к воздуху подводится работа сжатия от РК (рис. 2.5.11, в). В частности, при установке на дефлекторе с покрывным диском радиальных ребер (по типу центробежного компрессора) на входе в лопатку получают существенно большее давление, чем в безнапорных конфигурациях.

2.3. Охлаждение последующих ступеней, надроторных вставок и корпусов. Для ступеней, следующих за первой ступенью турбины (лопаток ТНД), используется воздух, отбираемый из промежуточных ступеней КВД. Воздух по системе труб подводится в полость над сопловой лопаткой. Одна часть расходуется на охлаждение сопловой лопатки, другая — поступает в междисковую полость для охлаждения рабочей лопатки и обдува дисков турбины (рис. 2.5.12).

Рис. 2.5.12. Схема охлаждения сопловых и рабочих лопаток и дисков, следующих за первой ступенью турбины

В некоторых конструкциях ТНД для охлаждения рабочих лопаток используется воздух из наружного контура двигателя, подводимый с тыльной стороны диска через специальное входное устройство на его ободной части.

Охлаждение надроторных вставок осуществляется воздухом, подводимым к сопловым лопаткам соответствующей ступени (рис. 2.5.13). В первой ступени применяется более интенсивное (лобовое конвективное) охлаждение с вытеканием воздуха через систему отверстий на холодную поверхность. Для создания заградительного охлаждения часть воздуха подают из соплового аппарата (рис. 2.5.13, а). В ступенях с относительно низкой температурой газа вставки над РК охлаждают воздухом из полости над сопловой лопаткой (рис. 2.5.13, б).

Рис. 2.5.13. Схемы охлаждения надроторных вставок

Охлаждение корпусов: в двухконтурных двигателях силовая часть корпусов турбины интенсивно обдувается воздухом наружного контура. В одноконтурных схемах допустимый температурный режим обеспечивается теплоизоляцией от горячего газа и продувкой воздуха по корпусам.

Охлаждение дисков: диски ступеней турбины с охлаждаемыми рабочими лопатками охлаждаются воздухом из системы подвода к РК либо частью воздуха от сопловой лопатки следующей ступени. Диски без охлаждаемых лопаток обдуваются воздухом из промежуточных ступеней компрессора.

3. Математическое моделирование теплового и газодинамического состояния. Основой для определения статической прочности и циклической долговечности элементов турбины являются расчетные поля температур. Сопряженная задача теплообмена включает гидравлический расчет систем подвода воздуха, расчет граничных условий и интегрирование уравнений теплопроводности методом конечных элементов (МКЭ).

3.1. Основные уравнения теплопроводности и граничные условия. Математическая модель сопряженного теплообмена описывается базовым уравнением теплопроводности:

где:

· T — температура расчетной области;

· cp, ρ, λ — удельная теплоемкость, плотность и теплопроводность материала соответственно;

· α — коэффициент конвективной теплоотдачи;

· Tст — температура стенки;

· Tср — температура окружающей среды;

· w — объемная плотность тепловых источников;

· αк — коэффициент контактной теплопередачи;

· индексы 1 и 2 относятся к первой и второй стенкам на границе контакта.

3.2. Моделирование течения воздуха в охлаждаемых каналах. Течение воздуха в охладительных полостях лопатки моделируют набором одномерных задач гидродинамики с учетом сжимаемости, сил трения, вращения канала и сверхкритических перепадов давления. Изменение давления на участке ветви i - j выражается соотношением:

где:

· G — расход воздуха на ветви;

· Δpiц.б* — изменение полного давления за счет механической энергии, подводимой к вращающимся радиальным каналам (центробежный эффект);

· k — показатель адиабаты;

· pi, pj — статическое давление на входе и выходе ветви;

· T — статическая температура;

· ΔT — величина подогрева воздуха на рассматриваемом участке.

3.3. Применение 3D-моделирования и пространственных сеток. Использование квазитрехмерной модели теплового состояния пера лопатки и осесимметричной модели диска позволяет получить расчетные поля температур с достаточной для инженерной практики точностью.

Однако определение локального теплового состояния полок сопловых и рабочих лопаток, замкового соединения («елочного» типа), обода диска, а также зон вблизи отверстий, ребер и интенсификаторов теплообмена возможно исключительно с применением полнообъемных 3D-моделей. Для решения таких задач привлекаются специализированные программные комплексы пространственного геометрического моделирования и прочностного МКЭ-анализа, позволяющие интегрировать нелинейные нестационарные уравнения теплопроводности в сложных составных конструкциях.