книги / Основы проектирования турбин авиадвигаделей

контролировать качество литья наружной и внутренней поверхности; исключить контроль размеров наружных обводов ее частей после их

отливки; получать высокую точность размеров профиля окончательно изготов­

ленной лопатки благодаря термофиксации в процессе соединения частей лопатки.

Наряду с возможностью обеспечения высокой эффективности охлаж­ дения лопаток (в том числе и в малоразмерных) при малом абсолютном и относительном расходах охлаждающего воздуха применение составных лопаток позволяет использовать направленную кристаллизацию при их отливке, нелитейные материалы, в том числе и получаемые методом порош­ ковой металлургии, и существенно упростить технологию изготовления вплоть до ее автоматизации.

Действительно, части лопатки можно получать штамповкой с после­ дующей механической, электроискровой или электрохимической обработ­ кой или, как указывалось, отливкой.

Дефлектор может быть изготовлен штамповкой из трубки или спе­ циальной заготовки из двух частей, которые затем соединяются между собой или каждая в отдельности при помощи пайки соединяется с внутрен­ ней поверхностью соответствующей части лопатки.

Лопатки, изготовленные из двух частей, соединенных между собой пайкой, имеют, по сравнению с цельнолитыми, меньшую массу, лучшие аэродинамические характеристики и, по данным фирмы Пратт-Уитни, увеличенный в два раза ресурс. К концу 1979 г. их наработка на первой ступени турбины авиадвигателя F-100 в стендовых условиях составила 1500 ч.

А-А

131

Рис. 4.13. Сварная лопатка, состоящая из пяти отлитых частей

Фирма Моторен-унд турбинен унион разработала охлаждаемую рабо­ чую лопатку, состоящую из пяти отлитых частей (рис. 4.13), подвергае­ мых затем диффузионной сварке и чистовой механической обработке. Такие лопатки проходят испытания при температуре газа на входе в тур­ бину 1850 К. Фирма исследует также возможность выполнения охлаждаю­ щих каналов в контактирующих друг с другом деталях посредством электро­ искровой обработки.

Лопатки конвективно-заградительного охлаждения

При конвективно-заградительном охлаждении воздух выдувается через специально выполненные прорези (щели) или отверстия в стенке лопатки, создавая защитный слой между газом и поверхностью лопатки.

Слой охлаждающего воздуха, обтекая некоторый участок профиля лопатки, по пути размывается газом, поэтому ряды подобных прорезей или отверстий, через которые вводятся новые порции охлаждающего воз­ духа, располагают в тех местах вдоль профиля, где он еще не размыт. Относительный расход охлаждающего воздуха у таких лопаток при прочих равных условиях несколько больший, чем у лопаток с конвективным ох­ лаждением. Очевидно, что заградительному охлаждению предшествует конвективное, ибо прежде чем попасть на поверхность лопатки, охлаж­ дающий воздух течет по внутренним каналам, отнимая от лопатки теплоту.

132

4.3. ТЕПЛООБМЕН В ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТКАХ

Теплоотдача от газа к лопатке конвективного охлаждения

Существует ряд методов расчетного определения значения коэффи­ циента теплоотдачи от газа к лопатке при известных режимах течения в пограничном слое на ее поверхности. Однако в практике проектирования охлаждаемых лопаток нашли повсеместное использование коэффициенты теплоотдачи от газа к лопатке, определяемые опытным путем. Обрабаты­ вая результаты экспериментов и проводя обобщение их в соответствии с теорией подобия, получают критериальные соотношения (зависимости) теплообмена, пользуясь которыми подсчитывают коэффициенты теплоот­ дачи от газа к лопатке на стадии проектирования двигателя, когда проведен газодинамический расчет турбины и выявлены основные геометрические характеристики лопаточных решеток профилей.

Несмотря на то, что изменение значений локальных коэффициентов теплоотдачи непрерывно по обводу профиля лопатки, профиль обычно разделяют на участки (рис. 4.15), вдоль которых можно (у турбинных решеток высокого аэродинамического совершенства с безотрывным обте­ канием лопаток) принимать эти коэффициенты практически постоянными и подсчитывать их, пользуясь упомянутыми эмпирическими критериаль­ ными зависимостями.

Широкое распространение получила методика, по которой определяют среднее значение коэффициента теплоотдачи от газа к лопатке на входной

= A Re ". Здесь Nu = ard / \ r —критерий Нусельта, d —характерный размер, по которому подсчитывается число Re, и аг —коэффициент теплопровод­ ности газа.

Рис. 4.15. Участки профиля лопатки

134

Для каждого характерного участка лопатки коэффициенты А и п приобретают значения, определяемые из эксперимента. Так, коэффициентA j, по данным различных авторов колеблется в пределах 0,635...0,820 в диапа­ зоне чисел Rer i = 2 ,5 *1 0 3...4 ,0 *1 0 4 и при дозвуковых скоростях на входе.

1лго величина зависит и от чувствительности турбинной решетки охлаждае­ мых лопаток к изменению угла атаки. Для подавляющего большинства охлаждаемых лопаток и встречающихся в практике диапазонов изменения угла атаки на первых ступенях турбины, где и применяются охлаждаемые лопатки, на участке 1, ограниченном углами 70...75° от средней линии про­ филя у входной кромки, и в диапазоне изменения 2 ,8 *1 0 3 < Rerj < 2 ,8 * ДО4

можно принять A j = 0,74.

В лобовой точке, особенно у профилей с относительно толстой входной кромкой, что не редко встречается у охлаждаемых лопаток, коэффициент А\ соответствует верхнему пределу и может несколько превышать его.

При определении чисел Nuri и Rerj принят удвоенный радиус входной

кромки, характерной скорости — скорость набегающего потока, а коэф­ фициенты вязкости и теплопроводности определены по параметрам затор­ моженного потока на входе в лопатку. Показатель степени при числе КеГ 1 п = 0,5, так как обтекание участка входной кромки характеризуется,

как правило, ламинарным течением в пограничном слое.

Таким образом, зависимость для определения среднего значения коэф­

циент теплоотдачи можно определить, пользуясь достаточно опробированиой в практике проектирования авиационных газовых турбин критериаль­

Здесь число Rern характеризует узкое сечение на выходе из решетки, коэффициент теплопроводности ХГц определен по температуре изоэнтро-

иически заторможенного потока газа, вязкость — по температуре потока I пза в узком сечении, в качестве геометрического размера принята хорда нопатки b, а величина коэффициента А п —по графику рис. 4.16 в зависи­ мости от угла поворота потока в решетке.

Теплообмен между газом и лопаткой на участке выходной кромки определяется состоянием пограничного слоя, которое в значительной

135

также необходимо для определения ав , находится из решения уравнения теплопроводности для плоской стенки, а на участке входной кромки - для цилиндрической, так как конфигурация входных кромок охлаждае­ мых лопаток позволяет с достаточной степенью точности аппроксимировать их двумя концентрическими окружностями.

При проведении экспериментов выдерживается необходимый диа­ пазон изменения геометрических и режимных параметров, включая и степень турбулентности основного потока. Полученные таким образом критериальные зависимости для а в, будучи использованными совместно с уравнениями (4.8) ...(4.11), обеспечат при определении температуры лопатки достаточную достоверность, поэтому уточнение имеющихся зави­ симостей для а г в данном случае можно не проводить.

Теплоотдача от лопатки к охлаждающему воздуху

Величина коэффициента теплоотдачи от лопатки к охлаждающему

,воздуху определяется формой и размерами внутренних каналов и характе­ ром течения в них. Течение воздуха, обусловленное перепадом давления между входом и выходом из каналов, а в рабочих лопатках еще и воздейст­ вием центробежных сил, как правило, турбулентное, за исключением некоторых режимов, реализуемых в авиационных газотурбинных двигате­ лях при больших высотах полета.

Вохлаждаемых лопатках с поперечным относительно пера течением

тэхдаждающего воздуха и струйным натеканием его на входную кромку величина коэффициента теплоотдачи от лопатки к воздуху а в определяют (по аналогии с аг) для трех участков внутреннего обвода профиля.

Примером является полая тонкостенная лопатка с внутренним дефлек­ тором (см. рис. 4.9 и рис. 4.17). В ней охлаждающий воздух подается в полость дефлектора и через отверстия натекает на внутреннюю поверхность входной кромки лопатки; далее, совершив поворот на 180°, он поступает в каналы между дефлектором и внутренней поверхностью лопатки, омывая вогнутый и выпуклый участки ее, и через щели или отверстия в выходной кромке выходит в проточную часть турбины.

Коэффициент теплоотдачи ав ^ на участке входной кромки лопатки

определяют по критериальному соотношению, полученному для 1,7*10 3 < < ReBj < 6*103:

Здесь число ReBi подсчитано по параметрам воздуха на выходе из

отверстий в носике дефлектора;

138

А - А

Рис. 4.17. Характерные размеры лопатки с дефлектором и внутренним оребрением

дефлектора до внутренней поверхности кромки лопатки; ^ в1’ ^ вш ~ площадь отверстий в дефлекторе и в выходной кромке

лопатки соответственно;

у I*, — коэффициент расхода при течении воздуха через отверстия

в дефлекторе и щели в выходной кромке;

XBl —коэффициент теплопроводности воздуха при температуре его на

входе в лопатку.

Если отверстия в дефлекторе выполнять, как это обычно делается, но типу суживающихся сопел, а в щелях в выходной кромке не делать специальных устройств (например, турбулизаторов в виде штырьков идр .), существенно увеличивающих их гидравлическое сопротивление, то можно

Для улучшения охлаждения входной кромки лопатки ее внутреннюю поверхность выполняют оребренной, как показано на рис. 4.9. В этом

1Э9

случае влияние оребрения на теплообмен учитывается коэффициентом

Внутренние каналы в подавляющем большинстве конструкций охлаж­ даемых лопаток, в том числе и в лопатках с внутренним дефлектором, имеют относительную длину / = //с/, достаточную для того, чтобы можно было пользоваться критериальными соотношениями, полученными для прямых длинных труб различного сечения. При турбулентном режиме течения воздуха

где ^Вд и Мвц —коэффициенты кинематической и динамической вязкости

140