Файл: 1. Общая характеристика двигателя 5 1 Конструктивнокомпоновочная схема двигателя 5.docx

Рисунок 3.7 – 1- отверстия в стенке для прохода охлаждающего воздуха; 2-сопловая лопатка: 3-рабочая лопатка; 5- отверстия в бурте диска; диск второй ступени турбины компрессора



Рисунок 3.8 – Схемы охлаждения турбинных лопаток

а – наружная открытая система; б, в, г – внутренние открытые системы охлаждения



Рисунок 3.9 – Сопловая лопатка

1 – вертикальный канал входной кромки; 2 – отверстия на входной кромке; 3 – отверстия на спинку; 4 – вертикальный канал; 5 – отверстия с расширением на спинку; 6 – отверстия с расширением на корыто; 7, 8 – отверстия с расширением на корыто; 9 – отверстия на корыто; 10 – вертикальный канал выходной кромки

Охлаждение осуществляется за счет циркуляции воздуха через полости между корпусом турбины и наружными бандажами сопловых аппаратов, внутренние каналы сопловых лопаток, также через полости, замкнутыми покрывающими дисками рабочих колес. Покрывающие диски омываются охлаждающим воздухом и снаружи.

Охлаждение рабочей лопатки осуществляется по принципу вихревой системы охлаждения.



1-перфорация; 2- входная кромка; 3- вихревая матрица; 4-оребрение

выходной кромки
Рисунок 3.10 – Охлаждение рабочих лопаток
Внутренняя полость рабочей лопатки разделена на две полости. Применение данной конструкции рабочей лопатки позволило повысить эффективность охлаждения до ???? = 0,5.

Сопловые лопатки второй ступени турбины компрессора охлаждаются аналогично. Конструкция данных лопаток аналогична сопловым лопаткам первой ступени турбины.

К рабочему колесу второй ступени

---

турбины компрессора охлаждающий воздух поступает из передней полости сопловых лопаток первой ступени турбины и через отверстия в бурте диска охлаждает ступицы дисков первой и второй ступеней.

Далее через отверстия в бурте диска воздух поступает в полость между дефлектором и диском и идет на охлаждение рабочих лопаток второй ступени.

Охлаждение рабочих лопаток второй ступени так же сделано по циклонно- вихревой схеме охлаждения.

С целью повышения надежности сопловых лопаток первой ступени они ^{покрываются теплозащитным покрытием на основе керамики Ζ}5^????2^{, с} пористостью, составляющей 14-18%, и являющейся самой оптимальной.

Керамика имеет форму столбчатых кристаллов, толщиной 0,0002мм, по нормам, направленным к поверхности лопатки.

Такая структура создана при использовании электронно-лучевой технологии. Слой покрытия, наносимого на лопатки, выполняет здесь также функции покрытия, которые защищают лопатку от газовой коррозии, молекулы газа, содержащие кислород, прилипают к поверхности покрытия и окисляют её, не принося вреда сплаву лопатки.

В результате постановки этого покрытия происходит прирост дополнительного теплового потока и приводит к снижению температуры стенки. Так как температура газа перед свободной турбиной равна 1174,2 К, то необходимость охлаждения элементов газовой турбины отпадает. Однако для повышения надежности рабочих лопаток свободной турбины они выполняются с удлиненной ножкой.

3. 
   Оценка конструктивного совершенства предлагаемой конструкции рабочей лопатки и эффективности охлаждения
   

---

Оценку влияния предлагаемого защитного покрытия на величину теплового потока проведем при следующих допущениях:

− стенка считается плоской;

− не учитывается уменьшение температуры стенки за счет мер, применяемых в конструкции лопатки, увеличивающих эффективность охлаждения.

Плотность теплового потока в стенке лопатки прототипа при Т_Г* = 1248К г определяется по следующей зависимости:



Плотность теплового потока в стенке лопатки проекта при Т^* = 1350К.



Где: ????_п толщина покрытия, м;

????  коэффициент теплопроводности теплозащитного покрытия, Вт/(м×К).

Таким образом, несмотря на увеличение температуры газа перед турбиной в проектируемом двигателе плотность теплового потока несколько снизилась за счет применения теплозащитного покрытия.

Оценим величину коэффициента теплоотдачи по профилю лопатки соплового аппарата и температуру лопатки турбины компрессора.

Расчет производим для определения наиболее теплонапряженного участка охлаждаемой поверхности лопатки [4]:


Где: ????_г коэффициент теплопроводности газа;

в хорда лопатки;

????_г=288Дж/кг×К  газовая постоянная.

Где: ????b????  радиус входной кромки лопатки.

^{Где: ????}1 ^{ скорость потока на выходе из решётки.}







Теперь необходимо рассчитать потребное количество охлаждающего воздуха для самого теплонапряженного участка лопатки.

---

Для начала определим расход воздуха на охлаждение сопловых лопаток

первой ступени:

= 0,029 * 0,98 * ⁽1350 − 1200⁾/⁽1200 − 634,7⁾ = 0,04

Re = 2392100,8.  число Рейнольдса;

Тогда для одной лопатки ????_охлбудет определяться как:


Где: ????_са1  число сопловых лопаток в решётке.

Действительный расход воздуха будет равен:

????_охл= ????_охл× ????_в= 0,00139 × 4,9 = 0,0068кг/с,

Теперь нужно произвести проверочный расчет, который покажет, обеспечивает ли данный расход воздуха охлаждение и работоспособность сопловой лопатки. Для этого нужно определить температуру охлаждаемой лопатки и сравнить её с допустимой температурой материала лопатки. Для этого находим коэффициент теплоотдачи охлаждающего воздуха:



Где: ???? - площадь охлаждаемого канала;

????_в- коэффициент кинематической вязкости;

???? - периметр охлаждаемого канала;

Т_ст- температура стенки лопатки допустимая;

С_твохл- расход охладителя на одну сопловую лопатку.

Определяем эффективность конвективно-пленочного охлаждения:



где ???? - координата вдоль обвода профиля;

????_щ- ширина эквивалентной щели;

Коэффициент вдува;




Находим суммарную эффективность охлаждения;

????_∑ = ????_К+ ????_ПЛ− ????_К×

---

????_ПЛ= 0,361 + 0,07 − 0,361 × 0,07 = 0,405,

Где: ????_???? = 0,361;

????_ПЛ= ????_ПЛхор= 0,07.

Определим температуру лопатки:

Т_ЛОП= Т_г^∗ − ???? ^∑× ⁽Т_г^∗ − Т_охл^{∗ )} = 1350 − 0,405 × ⁽1350 − 634,7⁾ =1060К;
^ТЛОП^{< Т}доп^.
Из этого следует, что расход воздуха, идущий на охлаждение сопловой лопатки 1-ой ступени турбины компрессора, обеспечивает её охлаждение и работоспособность.

Выводы по разделу:

1. Проведен анализ систем охлаждения газовой турбины двигателя.

2. Разработана вихревая система охлаждения рабочих и сопловых лопаток турбины. Проведен проверочный расчет системы охлаждения.

---