Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf

Принципиальная схема струйного охлаждения изображена на рис. 23. Охлаждающий агент подается по специальному трубопро­ воду / в статоре и через форсунки 2 на охлаждаемый диск газовой турбины. Такая же система охлаждения (рис. 24) была предложена фирмой Дженерал Электрик [109].

Охлаждающий воздух подается иа диск 1 колеса отдельными струями через сопла 2, которые расположены по спирали, проходя­ щей от центра к периферии колеса. В отличие от обычных условий струйного охлаждения, когда воздух подводится к центральной части диска колеса турбины п на его поверхности создается погра-

1 ?

ничный слой, препятствующий теплообмену, отдельные струи воз­

шесть раз. При расположении сопел по спирали создаются зоны дей­ ствия струй, перекрывающие одна другую.

Струйное охлаждение используют при охлаждении рабочих ло­ паток. В этом случае охлаждающий агент подводится либо в меж­

В качестве охлаждающего агента можно использовать воду. Недо­ статком такой системы охлаждения является большой расход охла­ ждающей воды, которая должна быть высокого качества. Примене­ ние жидкостного струйного охлаждения, по-видимому, уместно при кратковременном форсировании двигателя.

Разновидность струйного охлаждения — парциальное охлажде­ ние. В этом случае охлаждающий воздух подводится по части дуги соплового аппарата на рабочие лопатки. При этом наиболее интен­ сивно обдувается передняя кромка профиля рабочей лопатки, что

создает значительную неравномерность поля температур в ее сечении. Потери мощности при парциальном охлаждении очень велики, так как значительный эффект достигается только при большой парциаль­ ное™ (50%), т. е. при больших расходах воздуха, с давлением, близ­

ным охлаждением не нашли применения в практике газотурбо­ строения.

Охлаждение при помощи воздушных и водяных экранов (рис. 26) применяют при снижении температуры дисков газовых турбин. Охла­

Как видно, рассмотренные наружные открытые системы исполь­ зуются сейчас на существующих двигателях и являются основой для создания более сложных и эффективных систем охлаждения.

§7. Открытые внутренние системы охлаждения

Первые и наиболее детальные исследования вну­ тренней открытой системы охлаждения были проведены в Британском газотурбинном институте. Конструкция опытной высокотемператур­

проходящим через отверстие 2. Опытная турбина выполнена из жаро­ прочных материалов с интенсивным охлаждением. При общем р?с-

охлаждающего воздуха установлены матерчатые фильтры. После испытаний не было обнаружено загрязнения каналов.

Несмотря на высокую эффективность данный способ охлаждения имеет ряд отрицательных качеств: сложность технологического про­ цесса изготовления лопаток из спекающегося сплава с внутренними охлаждающими каналами, значительное сопротивление охлаждаю­ щих каналов малого диаметра, большая затрата охлаждающего

в настоящее время общее признание, хотя и в несколько другом исполнении.

Рис. 28. Конструкция опытной высокотемпературной охлаокдаемой турбины.

Отличием применяемых систем охлаждения является более эф­ фективная организация движения охлаждающего агента (рис. 29).

Охлаждаемые лопатки могут быть выполнены с радиальным вы­ ходом охлаждающего агента в проточную часть (рис. 29, а) и с осе­ вым выходом (рис. 29, б).

На рис. 30 показана конструкция полой лопатки с дефлектором в виде массивного стержня, который повышает эффективность охла­ ждения и является несущей частью лопатки. Профильная часть вы­ полнена из тонкого листового материала, соединенного с хвостови­ ком и дефлектором посредством сварки или пайки. Дефлектор хорошо охлаждается и остается всегда холодным.

Охлаждающий воздух подводится через замковую часть, проте­ кает в продольном направлении, охлаждает силовой стержень 2, оболочку-экран / и выходит через торцевую часть лопатки. Основные

растягивающие силы и изгибные усилия воспринимаются внутрен­ ним несущим стержнем, который защищен от действия горячих га­ зов оболочкой. Оболочка имеет небольшую нагрузку, но значитель­ ную температуру. Газовые усилия передаются оболочкой стержню.

Такая конструкция лопатки была впервые применена на экспе­ риментальной английской турбине «Дарт».

В настоящее время получили широкое распространение оболоч­ ковые охлаждаемые лопатки с поперечным протоком охлаждающего агента и осевым выходом его в проточную часть (рис. 31). Лопатка состоит из оболочки 1 и внутреннего дефлектора 2. В случае исполь­

вляют стержень. Охлаждающий агент поступает из общего коллектора в дефлектор и да­ лее через специальные отвер-

стия 3 к носику лопатки, откуда; растекаясь на две стороны, проходит по зазорам между оболочкой и дефлектором и попадает из кромки в проточную часть. Теплоотдача оболочки может быть увеличена путем оребрения ее внутренней поверхности. Выравни­ вание температурного поля по профилю можно осуществить приме­ нением переменного зазора охлаждения. Рассмотренная лопатка проста в устройстве и изготовлении, а главное, не требует больших экономических затрат на ее производство и освоение.

Указанный способ охлаждения имеет существенные недостатки, основные из которых следующие: значительный расход охлаждаю­ щего агента; трудность выравнивания температурного поля по кон­ туру охлаждаемой лопатки; значительное нарушение аэродинамики потока при выходе охлаждающего воздуха в проточную часть.

Применение полых охлаждаемых лопаток для судовых газотур­ бинных установок имеет особенно важное значение, так как масса

ротора уменьшается в результате уменьшения толщины диска, рас­ считанного, как диск равного сопротивления. Поданным работы [36], толщина охлаждаемого диска с полыми лопатками уменьшается по сравнению с неохлаждаемым при равным условиях на 30%, что значительно снижает массу ротора.

На рис. 32 изображены лопатки с внутренней перегородкой (а) и с внутренним дефлектором (б).

Лопатку (рис. 32,а) изготовляют из листового материала 7. Внутри лопатки вдоль ее оси располагают плоский экран 2, образующий со спинкой лопатки канал для прохода охлаждающего воздуха. В месте стыка экрана с внутренней стороной передней кромки лопатки по высоте экрана выполнен ряд отверстий. Воздух через корневую

часть лопатки проходит в канал и, выходя через отверстия, омывает внутреннюю поверхность кромки п корытце по всей высоте лопатки, после чего поступает в проточную часть турбины частично через щель в задней кромке лопатки, а частично через открытый верхний торец.

На рис. 32, б представлена лопатка с дефлектором 2, который образует каналы для прохода охлаждающего воздуха. Воздух вы­ ходит через верхний торец лопатки. Однако применение охлаждае­ мых лопаток с газообразным охлаждающим агентом требует созда­ ния надежной системы уплотнения в местах подвода охлаждающего агента. В этой связи интересной конструкцией является система уплотнения тракта охлаждения, изображенная на рис. 33 [104]. Лопатка, охлаждаемая воздухом, закрепляется на диске ротора тур­ бины обычным образом (елочный замок). В диске турбины имеется полость, сообщающаяся с источником воздуха. Лопатка турбины состоит из внутреннего кованого сердечника с хвостовиком 2 и внеш­ ней оболочки 1 из листового материала. Несколько выше хвостовика расположена прямоугольная платформа. На поверхности пера ло­ патки сделаны продольные каналы 3. Нижняя часть внешней обо­ лочки коробчатого сечения и платформа сердечника образуют зам­ кнутое пространство, соединенное с каналом 4 в диске для подвода воздуха. Продолжением канала 4 является трубка 5. При работе турбины под действием центробежных сил трубки входят в отверстия