Файл: Зысина-Моложен, Л. М. Теплообмен в турбомашинах.pdf

неравномерности температур, связанная с возникновением прин­ ципиально различных условий теплообмена, обусловленных се­ парацией влаги. Применение данного метода охлаждения тре­ бует введения специальных мер, обеспечивающих равномерные условия сепарации для вогнутой и выпуклой сторон профиля. Исследования, выполненные на ХТГЗ [65], показали, что опреде­ ленных успехов можно достичь применением специальных распыливающих устройств.

41. Заградительное охлаждение

Заградительное охлаждение, целью которого является созда­ ние изолирующей прослойки между высокотемпературным газом и поверхностью лопатки, в настоящее время является предметом широких обсуждений в литературе, особенно зарубежной, и рас­ сматривается как один из наиболее перспективных принципов охлаждения для высокотемпературных газовых турбин. В этой проблеме есть два аспекта: 1) эффективность понижения темпе­ ратуры металла лопатки и возможность создания равномерного поля температур в ее теле; 2) оценка влияния системы охлаждения на к. п. д. ступени.

С точки зрения к. п. д. ступени твердые покрытия поверх­ ности обладают тем преимуществом, что они не требуют допол­ нительного расхода воздуха на охлаждение, однако применение их связано с трудностями. Очевидно, что покрытие является эф­ фективным в том случае, если оно обладает достаточно большой толщиной и малой теплопроводностью. Выполнение этих требо­ ваний приводит к ухудшению сопротивляемости покрытия и теп­ ловым скачкам. Многочисленные исследования керамических покрытий показывают, что увеличение толщины покрытия при­ водит после испытаний при переменных режимах или к растрески­ ванию наружной поверхности керамики, или к отделению керами­ ческого покрытия от основного материала. Эти обстоятельства заставляют переходить от чисто керамических покрытий к метал­ локерамическим. Фирма «Дженерал моторе» [187] рекомендует два типа металлокерамических покрытий.

Первый тип представляет собой соты из сплава Hastelloy-X (Ni-Cr-Mo), заполненные керамикой и покрытые керамической оболочкой. Проведены исследования серий высокоплотных и низкоплотных керамик.

Второй тип представляет собой композицию из слоев металло­ керамики различного состава. Описана композиция, хорошо себя зарекомендовавшая в условиях высокотемпературных газовых турбин (1100—1670° С). На защищаемую поверхность наносится пять слоев, отличающихся процентным содержанием металла и керамики. В слое, прилегающем к поверхности, содержится 100% металла, во втором слое — 75% металла и 25% керамики, в третьем — 50% металла и 50% керамики, в четвертом — 25%

лет уделяется большое внимание. Необходимость теоретического расчета эффективности таких систем была одним из стимулов для развития теории теплового пограничного слоя при наличии по­ перечного потока вещества.

Широкий цикл работ по исследованию конкретных конструк­ ций этих систем охлаждения проводится рядом английских и американских фирм. Одним из центров этих исследований яв­ ляется NASA [83].

Обычно пленочное охлаждение применяется для локального охлаждения передних и задних кромок лопаток. Современные методы технологии позволяют изготовить лопатку с большим ко­ личеством отверстий, и в связи с этим становится возможным применять пленочное охлаждение для всей поверхности лопатки. В исследовательском центре им. Льюиса [83] ведутся исследова­ ния, связанные с изучением свойств охлаждающей воздушной пленки в газовых потоках больших скоростей. Показано, что наиболее эффективным является вдув охлаждающего воздуха под острым углом к направлению потока.

В ряде работ рассматриваются конструктивные вопросы, свя­ занные с расположением, количеством и типом охлаждающих отверстий.

В работе [219] приведены результаты экспериментального исследования эффективности охлаждения турбинной лопатки при выпуске охладителя через щели вблизи задней кромки. Иссле­ дованы два типа отверстий: 1) сплошная щель по всей высоте лопатки с выпуском охладителя под различными углами р к на­ правлению потока; 2) цепочка цилиндрических сверлений с осями, расположенными под углом р к направлению основного потока. В эксперименте варьировались: ширина щели (s), диаметр отвер­ стий и расстояние между ними (с), относительный расход охлади­ теля Ь. Показано, что отношение Ф количества теплоты фвд, по­ ступающей в лопатку при наличии вдува, к соответствующему количеству теплоты Q6. вд при тех же условиях, но без вдува, практически не зависит от числа R и Рг, а зависит в основном от значений b и 0, от отношения длины охлаждаемой поверхности к ширине щели Us, от геометрических характеристик. Более эффективным оказалось охлаждение при вдуве через сплошную щель.

В работе [222 ] показано, что эффективность охлаждения через плоскую щель с острой кромкой является максимальной при угле заострения кромки а = 5°.

В работе [213] исследовалась эффективность охлаждения лопаток с помощью выпуска охлаждающего воздуха через два

258

ряда отверстий, расположенных так, как это указано на рис. 107. Исследовалась локальная теплоотдача на различных расстояниях от линии расположения отверстий. На рис. 108 приведено измене­ ние интенсивности теплоотдачи за отверстиями для двух типов лопаток. Как видно, максимальное повышение (—50%) коэффи­ циента теплоотдачи за счет вдува а вд по сравнению с соответствую­ щим коэффициентом без вдува а достигается в непосредственной близости от отверстий; на растоянии x/s ***50 повышение оказы­ вается не больше 10%. Таким образом, видно, что поток, выходя­

а)аед/а

Эмпирическая формула для оценки интенсивности теплообмена на II участке имеет вид

На основном участке опытные данные аппроксимируются обычной формулой для расчета теплоотдачи пластины с турбулент­ ным пограничным слоем.

В работе [1771 на основе анализа различных схем и типов охлаждения лопаток газовых турбин отмечается, что наиболее эффективным в тепловом отношении является проникающее (пористое) охлаждение. Это охлаждение, как отмечалось выше, предполагает наличие стенки с множеством каналов-пор; через них проходит охлаждающий воздух, который отбирает сперва тепло от стенки, а затем, выходя из пор, изолирует охлаждаемую поверхность от непосредственного контакта с горячим газом, образуя на всем ее протяжении защитный слой сравнительно низ­

260

кой температуры. В работе [83] приведены конструкции таких пористых материалов на проволочной основе: расплющенная про­ волока наматывается на специальную оправку до необходимой толщины и проницаемости. Структурная целостность материала достигается путем последующего его спекания. Такой материал должен укрепляться на соответствующей несущей конструкции.

Принципиальной трудностью, с которой приходится сталки­ ваться при практическом использовании этого типа охлаждения, является склонность пористых материалов к понижению своей проницаемости (за счет окисления) и уменьшению проходных се­ чений (пор) с течением времени. В связи с этим возникли конструк­ ции псевдопористых стенок, представляющих собой монолитную стенку с множеством сверлений в ней. По данным [83] пористая стенка на проволочной основе из сплава Hastelloy-X (Ni-Cr-Mo) при выдержке в воздухе с температурой 980° С через 380 ч работы забивается полностью. Изготовленная из того же материала сплош­ ная стенка с мелкими отверстиями сохранила через 600 ч 75% пропускной способности. Фирмой им. Льюиса получен новый перспективный материал GE1541 (Fe-Cr-Al — 1% итрия). Стенки на проволочной основе из этого материала через 600 ч работы в тех же условиях сохранили свою пропускную способность неиз­ менной.

Некоторые успехи, достигнутые в этой области, не решили проблему охлаждения в целом. В настоящее время ведутся широ­ кие исследования ламинарного и турбулентного пограничного слоя на пористой стенке. Экспериментальные исследования обна­ ружили ряд специфических особенностей. Так, например, при обтекании пористых вставок в трубах было обнаружено [188], что при прохождении вдоль пористых стенок ламинарного потока переход к турбулентному режиму течения затягивается, а при прохождении турбулентного потока наблюдается тенденция обрат­ ного перехода к ламинарному режиму течения. Это явление су­ щественно осложняет картину течения и теплообмена на пористых стенках. Кроме того, отмечавшаяся в п. 29 зависимость внешней теплоотдачи лопатки от турбулентности потока ставит перед иссле­ дователями целый комплекс вопросов, связанных с необходимостью определения уровня турбулентности в различных турбинах и за­ кономерностей ее влияния на теплообмен и необходимую глубину охлаждения. Как видно из предыдущего, наличие вдува будет сказываться на турбулентности пограничного слоя и вносить осложнения в решение проблемы в целом.

При наличии нерешенных проблем, связанных с недостаточной изученностью механизма теплообмена при заградительном охлаж­ дении, возникают вопросы экономической эффективности систем охлаждения, т. е. влияния того или иного типа охлаждения на к.п. д. турбины. На рис. 109, построенном поданным работы [198], показана зависимость термодинамического к. п. д. турбины т]т от относительного расхода охладителя b для трех разных систем

261