Конструкция и методы охлаждения лопаток высокотемпературных турбин

Повышение параметров рабочих процессов современных высокотемпературных газовых турбин требует глубокого анализа теплового состояния их проточной части. Для поддержания температурных напряжений и ресурса деталей на допустимом уровне в авиационных ГТД и энергетических газотурбинных установках применяется комплексная организация охладительных трактов.

1. Способы охлаждения сопловых лопаток. При охлаждении сопловых лопаток газовых турбин используют конвективное и конвективно-пленочное охлаждение (рис. 2.5.14).

Для организации оптимального движения потока охлаждающего воздуха внутри профиля устанавливают дефлекторы. Дефлектор 1 изготавливают из листового жаропрочного материала толщиной 0,4…0,5 мм и приваривают отбортованной выступающей из лопатки частью к ее полке. Для обеспечения необходимого технологического зазора дефлектор дистанцируют от внутренних стенок лопатки посредством специальных выступов либо ребер, выполненных поперечно ее перу.

При конвективном способе хладагент поступает в полость дефлектора 1 (рис. 2.5.14, а), вытекает через перфорированные отверстия на внутреннюю поверхность входной кромки 2 (реализуя эффект лобового струйного натекания) и обеспечивает ее предельно интенсивное охлаждение. Пройдя по каналам между стенкой лопатки и дефлектором, воздух сбрасывается в проточную часть через щели или отверстия в выходной кромке 3. В ряде конструкций часть хладагента выводится на промежуточные участки профиля.

Рис. 2.5.14. Охлаждаемые сопловые лопатки: а — конвективное охлаждение; б — конвективно-пленочное; 1 — дефлектор; 2 — входная кромка; 3 — выходная кромка; 4 — перегородка

Для интенсификации конвективного теплообмена в области выходной кромки применяют:
- Матрицы цилиндрических элементов (штыри), связывающие противоположные стенки лопатки. Они увеличивают теплоотдачу до 5 раз по сравнению с гладким каналом, однако вызывают существенный рост гидравлического сопротивления.

- Вихревые матрицы, представляющие собой пересекающиеся ребра на стенках лопатки высотой порядка 1/2 расстояния между стенками, расположенные под углом к продольной оси пера. Они обеспечивают умеренный рост гидравлических потерь.

Защита полок сопловых лопаток от высокой температуры газа достигается выдувом воздуха из вторичной зоны камеры сгорания на их поверхность, а также использованием душирования (струйного натекания).

Определяющим фактором для выбора схемы является температура газа перед турбиной Tг*:

2. Конструктивные схемы охлаждения рабочих лопаток. Охлаждение рабочих лопаток первой ступени представляет собой сложнейшую научно-техническую задачу из-за высокого уровня термических и центробежных напряжений.

2.1. Дефлекторные и радиальные схемы. В дефлекторных рабочих лопатках (рис. 2.5.15, а) хладагент из дефлектора 1 подается на входную кромку 2 и удаляется через выходную кромку 3. Однако из-за значительной закрутки профиля пера по высоте установка дефлектора в серийном производстве крайне затруднена, что привело к отказу от этой схемы для большинства рабочих лопаток.

Рис. 2.5.15. Рабочие лопатки с конвективным охлаждением: а — дефлекторного типа; б, в — с радиальными охлаждающими каналами; б — многоканальная; в — одноканальная; г — с полупетлевой схемой течения; д — с многопетлевой схемой течения; 1 — дефлектор; 2 — входная кромка; 3 — выходная кромка; 4 — перегородка; 5 — радиальные каналы

Лопатки с радиальными каналами 5 (рис. 2.5.15, б, в) просты в изготовлении, но обладают ограниченной поверхностью теплообмена и плохо охлаждают входную и выходную кромки. В настоящее время они применяются преимущественно во вторых ступенях турбин. Для предотвращения засорения каналов пылью в торце лопатки выполняются специализированные пылесбрасывающие отверстия.

2.2. Петлевые и многопетлевые тракты. Для повышения теплоотдачи применяются петлевые схемы:
- Полупетлевая схема (рис. 2.5.15, г): воздух из передней полости через верхнее соединение перетекает в заднюю полость и выдувается через выходную кромку.
- Многопетлевая схема (рис. 2.5.15, д): за счет внутренних перегородок 4 формируется зигзагообразный тракт. Уменьшение проходных сечений повышает скорость хладагента и коэффициент теплоотдачи α при минимальных гидравлических потерях.

Для интенсификации теплообмена в каналах монтируют ребра высотой 0,3…1 мм, расположенные под углом к потоку. Оптимальное соотношение шага к высоте ребер составляет l/h = 10, что позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи в 2 раза при рациональном соотношении коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи (Cf / α).

3. Перспективные системы охлаждения и проникающие технологии. При высоких температурах газа Tг* > 1700…1800 K традиционное конвективное охлаждение не обеспечивает требуемой защиты кромок лопаток. В высокотемпературных турбинах рабочие лопатки изготавливаются из жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой и оснащаются конвективно-пленочным или проникающим охлаждением.

При конвективно-пленочном охлаждении отверстия перфорации выполняют под углом 45…60° к образующей на входной кромке и под углом 30…60° к касательной поверхности на профильной части. Минимальный относительный шаг отверстий составляет l/d ≈ 3 при их диаметре d = 0,3…1 мм. Отверстия изготавливаются методами лазерной, электроэрозионной или электрохимической обработки.

Рис. 2.5.16. Лопатки с проникающей системой охлаждения: а — с каналами в стенке спинки и корыта; б — с каналами в стенке корыта; 1 — охлаждающий канал

Проникающая (транспирационная) система охлаждения (рис. 2.5.16) является наиболее передовой. Охлаждающие микроканалы 1 выполняются непосредственно в толще стенок профиля. Это позволяет максимально использовать хладоресурс воздуха и снизить его суммарный расход на 15…30% по сравнению с классическими конвективно-пленочными схемами, что крайне важно для перспективных двигателей с температурой газа выше 1900…2000 K. Изготовление таких деталей стало возможным благодаря внедрению точного литья с использованием точных керамических стержней.