Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели

Подождите немного. Документ загружается.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

440

Ðèñóíîê 8.3.1.1_2 – Îòíîñèòåëüíàÿ ýôôåêòèâ-

íîñòü îõëàæäåíèÿ äëÿ ñðåäíåãî

ñå÷åíèÿ ðàáî÷åé ëîïàòêè

1 – êîíâåêòèâíîå îõëàæäåíèå;

2 – êîíâåêòèâíî-ïëåíî÷íîå îõ-

ëàæäåíèå

ìà ðåàëèçóåòñÿ ñ òðóäîì (èç-çà îãðàíè÷åíèé ïî

ïðîïóñêíîé ñïîñîáíîñòè ëîïàòêè). Ïðè ìàëûõ ðàñ-

õîäàõ âîçäóõà òðóäíî ðåàëèçîâàòü ïëåíî÷íîå îõ-

ëàæäåíèå (èç-çà íåõâàòêè âîçäóõà íà ïëåíêó).

Äëÿ îðèåíòèðîâî÷íûõ ðàñ÷åòîâ ìîæåò áûòü

èñïîëüçîâàíà îáîáùàþùàÿ ôîðìóëà äëÿ îöåíêè

ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ ëîïàòêè â çàâèñèìîñ-

òè îò ðàñõîäà îõëàæäàþùåãî âîçäóõà:

θ θ

= G

ÂÎ

/ (G

ÂÎ

+ 3.5),

ãäå G

ÂÎ

– ðàñõîä îõëàæäàþùåãî âîçäóõà, %.

Îòíîñèòåëüíàÿ ýôôåêòèâíîñòü îõëàæäåíèÿ

ìîæåò îïðåäåëÿòüñÿ äëÿ ëþáîãî ìåñòà ïðîôèëÿ (íà-

ïðèìåð, äëÿ âõîäíîé êðîìêè) èëè êàê ñðåäíÿÿ âå-

ëè÷èíà ïî ñå÷åíèþ ïðîôèëÿ ëîïàòêè.

θ θ

îïðåäåëÿ-

åòñÿ ñîîòíîøåíèåì êîýôôèöèåíòîâ òåïëîîòäà÷è îò

ãàçà ê ëîïàòêå è îò ëîïàòêè ê îõëàæäàþùåìó âîç-

äóõó.

Íà êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è îò ãàçà ïîâëè-

ÿòü äîâîëüíî ñëîæíî, õîòÿ ïîâûøåíèå àýðîäèíàìè-

÷åñêîãî ñîâåðøåíñòâà ëîïàòîê ïîçâîëÿåò ñíèçèòü

óðîâåíü ñêîðîñòåé íà ïðîôèëå è êîýôôèöèåíò òåï-

ëîîòäà÷è ê íåìó. Îäíàêî ðåøàþùåå âëèÿíèå íà îò-

íîñèòåëüíóþ ýôôåêòèâíîñòü îõëàæäåíèÿ îêàçûâà-

åò èíòåíñèâíîñòü âíóòðåííåé òåïëîîòäà÷è ëîïàòêè

– îò ìåòàëëà ê îõëàæäàþùåìó âîçäóõó.

Ðàñõîä îõëàæäàþùåãî âîçäóõà â ëîïàòêó (êàê

è íà äðóãèå äåòàëè òóðáèíû) îáû÷íî èçìåðÿåòñÿ

â îòíîñèòåëüíûõ âåëè÷èíàõ – â ïðîöåíòàõ îò ðàñ-

õîäà âîçäóõà íà âõîäå â ÊÂÄ. Ñðàâíåíèå ðàçëè÷-

íûõ êîíñòðóêöèé ëîïàòîê íàèáîëåå èíôîðìàòèâ-

íî ïî îòíîñèòåëüíîé ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ

ïðè îäèíàêîâîì îòíîñèòåëüíîì ðàñõîäå îõëàæäà-

þùåãî âîçäóõà.

Îäíàêî, âñåãäà áîëåå âûñîêàÿ èíòåíñèâíîñòü

âíóòðåííåé òåïëîîòäà÷è (êîòîðàÿ îáåñïå÷èâàåò

áîëåå âûñîêóþ ýôôåêòèâíîñòü îõëàæäåíèÿ) äîñ-

òèãàåòñÿ çà ñ÷åò áîëåå âûñîêèõ ïîòåðü ïîëíîãî äàâ-

ëåíèÿ â ñàìîé ëîïàòêå. À óâåëè÷åíèå äàâëåíèÿ íà

âõîäå â ëîïàòêó âñåãäà ñâÿçàíî ñ óâåëè÷åíèåì ïà-

ðàçèòíûõ óòå÷åê îõëàæäàþùåãî âîçäóõà â ñèñòå-

ìå ïîäâîäà.

8.3.2 - Êîíâåêòèâíîå, ïëåíî÷íîå

è ïîðèñòîå îõëàæäåíèå

Êîíâåêòèâíîå îõëàæäåíèå äåòàëåé òóðáèíû

ðåàëèçóåòñÿ ïóòåì ñúåìà òåïëà ïîòîêîì âîçäóõà

ñ âíóòðåííèõ ïîâåðõíîñòåé îõëàæäàþùèõ êàíàëîâ

â ëîïàòêàõ è äðóãèõ äåòàëÿõ ñ ïîñëåäóþùèì âûïóñ-

êîì âîçäóõà â ïðîòî÷íóþ ÷àñòü. Â

îçäóõ îáû÷íî âû-

ïóñêàåòñÿ â ïðîòî÷íóþ ÷àñòü â çîíû ñ îòíîñèòåëüíî

íèçêèì äàâëåíèåì ãàçà (â îáëàñòè âûõîäíîé êðîìêè

èëè â îáëàñòü âåðõíåãî òîðöà ëîïàòêè çà ãðåáåøêà-

ìè óïëîòíåíèÿ). Ïîýòîìó êîíâåêòèâíàÿ ñõåìà äîïóñ-

êàåò äîñòàòî÷íî èíòåíñèâíîå èñïîëüçîâàíèå çàïàñà

ïî äàâëåíèþ âî âíóòðåííèõ êàíàëàõ äåòàëåé è ïðè-

ìåíåíèå äîñòàòî÷íî çíà÷èòåëüíûõ ãèäðàâëè÷åñêèõ

ñîïðîòèâëåíèé äëÿ èíòåíñèôèêàöèè òåïëîîòäà÷è íà

âíóòðåííèõ ïîâåðõíîñòÿõ äåòàëåé.

Êîíâåêòèâíûé òåïëîîáìåí âíîñèò âàæíåéøèé

âêëàä â ýôôåêòèâíîñòü ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ ëþ-

áîé ëîïàòêè ñ èíòåíñèâíûì èñïîëüçîâàíèåì ïëåí-

êè íà íàðóæíîé ïîâåðõíîñòè (ñì. Ðèñ. 8.3.2_1,

8.3.2_3, 8.3.2_4).

Íàèáîëåå ýôôåêòèâíûé ìåòîä êîíâåêòèâíîãî

îõëàæäåíèÿ – ñòðóéíûé – êîãäà ñòðóè èç îòâåðñòèé

â ïðîìåæóòî÷íîé ñòåíêå èëè äåôëåêòîðå íàòåêàþò

íà ïðîòèâîñòîÿùóþ ïîâåðõíîñòü è îáåñïå÷èâàþò

î÷åíü âûñîêóþ òåïëîîòäà÷ó â ïÿòíå êîíòàêòà. Õîòÿ

ñ óäàëåíèåì îò öåíòðà ñòðóè òåïëîîòäà÷à áûñòðî

ïàäàåò, â öåëîì ñòðóéíîå îõëàæäåíèå ñ÷èòàåòñÿ íàè-

áîëåå ýôôåêòèâíûì ïî ñðàâíåíèþ

ñ äðóãèìè ñïî-

ñîáàìè êîíâåêòèâíîãî îõëàæäåíèÿ.

Íà Ðèñ. 8.3.2_1

ïîêàçàíà òèïè÷íàÿ ñèñòåìà îõëàæäåíèÿ ñîïëîâîé

ëîïàòêè, â êîòîðîé èñïîëüçóþòñÿ âñå îñíîâíûå

âèäû îõëàæäåíèÿ.

Âîçäóõ, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç îòâåðñòèÿ 1 â äåô-

ëåêòîðå 2, îáåñïå÷èâàåò ñòðóéíîå îõëàæäåíèå

âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè ñòåíêè ëîïàòêè 3. Îñòàâ-

øèéñÿ ïîòåíöèàë ïî äàâëåíèþ âîçäóõà èñïîëüçó-

åòñÿ äëÿ îðãàíèçàöèè ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ ñòåí-

êè ÷åðåç îòâåðñòèÿ 4. Âûñòóïû 5 íà äåôëåêòîðå

óäåðæèâàþò åãî íà òðåáóåìîì ðàññòîÿíèè îò ñòå-

íîê ëîïàòêè è îäíîâðåìåííî ñîçäàþò øòûðüêîâóþ

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

441

ìàòðèöó äëÿ òóðáóëèçàöèè ïîòîêà è óâåëè÷åíèÿ

êîíâåêòèâíîãî ñúåìà òåïëà ñî ñòåíêè â ïîëîñòè

ìåæäó äåôëåêòîðîì è ñòåíêîé.

Óâåëè÷åíèå èíòåíñèâíîñòè òåïëîîòäà÷è çà ñ÷åò

òóðáóëèçàöèè ïîòîêà â êàíàëå ñ ïîìîùüþ ìàññèâà

øòûðüêîâ (ñì. Ðèñ. 8.3.2_1, 8.3.2_3) ïðèìåíÿåòñÿ êàê

â ñîïëîâîé, òàê è â ðàáî÷åé ëîïàòêàõ.

Íåäîñòàòêîì

øòûðüêîâîé ìàòðèöû ÿâëÿåòñÿ îòíîñèòåëüíî âû-

Ðèñóíîê 8.3.2_1 - Ñõåìà êîíâåêòèâíî-ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ ñòåíêè ñîïëîâîé ëîïàòêè

1 – îòâåðñòèÿ â äåôëåêòîðå; 2 – äåôëåêòîð; 3 – ñòåíêà ëîïàòêè; 4 – îòâåðñòèÿ â ñòåíêå

ëîïàòêè; 5 – øòûðüêè

Ðèñóíîê 8.3.2_2 – Èíòåíñèôèêàöèÿ òåïëîîáìåíà

ñ ïîìîùüþ òóðáóëèçèðóþùèõ ðå-

áåð

1 - ñòåíêà; 2 - ðåáðî; 3 - òî÷êà

îòðûâà; 4 - çîíà âîçâðàòíîãî òå-

÷åíèÿ; 5 - òî÷êà ïðèñîåäèíåíèÿ

ñîêîå ãèäðàâëè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå, òàê êàê îíà

îáåñïå÷èâàþò âûñîêóþ òåïëîîòäà÷ó çà ñ÷åò ñîçäà-

íèÿ ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äëÿ âñåãî ïî-

òîêà â îõëàæäàþùåì êàíàëå.

Îäíàêî íàèáîëüøåå ñîïðîòèâëåíèå òåïëîîáìå-

íó âîçäóõà ñî ñòåíêîé ëîïàòêè îêàçûâàåò ïîãðàíè÷-

íûé ñëîé, êîòîðûé èìååò íàèìåíüøóþ ñêîðîñòü çà

ñ÷åò òîðìîæåíèÿ ó ñòåíêè

è, ñ

îîòâåòñòâåííî, íàè-

áîëüøåå òåðìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå. Ïîýòîìó

ñòîëü øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå â ëîïàòêàõ ïîëó-

÷èë òàêîé ñïîñîá óâåëè÷åíèÿ èíòåíñèâíîñòè êîí-

âåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà, êàê ðàçðóøåíèå ïîãðàíè÷-

íîãî ñëîÿ ñ ïîìîùüþ

ïðèñòåíî÷íûõ ïîïåðå÷íûõ

ðåáåð (ñì. Ðèñ. 8.3.2_2). Ïîòîê âîçäóõà âäîëü ñòåí-

êè 1 îõëàæäàþùåãî êàíàëà íàòåêàåò íà ðåáðà-òóð-

áóëèçàòîðû 2 ñ îòðûâîì ïîòîêà â òî÷êå 3 è îáðàçî-

âàíèåì çîíû âîçâðàòíîãî òå÷åíèÿ 4. Ïîòîê âíîâü

ïðèñîåäèíÿåòñÿ ê ñòåíêå â òî÷êå 5 è ïîâòîðÿåò öèêë

îòðûâà íà ñëåäóþùåì ðåáðå. Ýêñïåðèìåíòàëüíî

óñòàíîâëåíû îïòèìàëüíûå ñîîòíîøåíèÿ âûñîòû

ðåáåð h è øàãà ðåáåð t äëÿ ðàçëè÷íîé âûñîòû êàíà-

ëà è ïàðàìåòðîâ ïîòîêà (÷èñëà Ðåéíîëüäñà).

Îñíîâíîé ïîòîê ïðè ýòîì íå çàòðàãèâàåòñÿ

è óâåëè÷åíèå ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äëÿ

âñåãî ïîòîêà âïîëíå ïðèåìëåìî. Ìàêñèìàëüíî

(ñóäÿ ïî ýêñïåðèìåíòàì íà êðóãëûõ òðóáàõ) êîýô-

ôèöèåíò òåïëîîòäà÷è ìîæåò âîçðàñòè â 3 ðàçà çà

ñ÷åò ïðèñòåíî÷íîé èíòåíñèôèêàöèè. Ñëåäóåò

èìåòü â âèäó, ÷òî âî âñåõ ñëó÷àÿõ êîýôôèöèåíò

ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äëÿ ïîòîêà â êà-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

442

Ðèñóíîê 8.3.2_3 – Ñõåìà êîíâåêòèâíî-ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ ñîïëîâîé ëîïàòêè 1 ñòóïåíè RB211-535E4

Rolls-Royce [8.3.2]. (Ïå÷àòàåòñÿ ñ ðàçðåøåíèÿ Rolls-Royce plc)

1 - äåôëåêòîðû; 2 - øòûðüêîâàÿ ìàòðèöà; 3 - ïðèñòåíî÷íûå ðåáðà; 4 - âõîäíàÿ êðîìêà;

5 - êîðûòî; 6 - íèæíÿÿ ïîëêà

íàëå âîçðàñòåò â áîëüøåé ñòåïåíè, ÷åì êîýôôèöè-

åíò òåïëîîòäà÷è.

Ðåáðà îáû÷íî âûïîëíÿþò ïîä óãëîì 30…45

ãðàäóñîâ ê íàïðàâëåíèþ ïîòîêà äëÿ óìåíüøåíèÿ

êîýôôèöèåíòà ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ

(ïðè ýòîì ðåàëèçóåòñÿ íàèáîëåå âûãîäíîå ñîîòíî-

øåíèå ìåæäó óâåëè÷åíèåì òåïëîîòäà÷è è óâåëè-

÷åíèåì ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ). Ñóùå-

ñòâóþò îïòèìàëüíûå âåëè÷èíû âûñîòû è øàãà

ðåáåð äëÿ ðàçëè÷íîé âûñîòû êàíàëà è ðàçëè÷íûõ

÷èñåë Ðåéíîëüäñà.

Â îñíîâíîé íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ñõåìå îõ-

ëàæäåíèÿ ðàáî÷èõ ëîïàòîê – ïåòëåâîé ñ ìíîãî÷èñ-

ëåííûìè «õîäàìè» îõëàæäàþùåãî âîçäóõà (ïîä-

ðîáíî ðàññìîòðåííûìè â ñëåäóþùåì ðàçäåëå)

èñïîëüçóþòñÿ îáà îñíîâíûõ ñïîñîáà êîíâåêòèâíî-

ãî îõëàæäåíèÿ. Ýòî ñòðóéíîå îõëàæäåíèå âíóòðåí-

íåé ïîâåðõíîñòè âõîäíîé êðîìêè ÷åðåç ëèòûå îò-

âåðñòèÿ âî âíóòðåííåé ñòåíêå è òå÷åíèå â äëèííûõ

(ñ ìíîãî÷èñëåííûìè ïîâîðîòàìè íà 180 ãðàäóñîâ)

âíóòðåííèõ êàíàëàõ (ñì. Ðèñ. 8.3.2_4) ñ ïîïåðå÷-

íûìè ïðèñòåíî÷íûìè ðåáðàìè.

Ïëåíî÷íîå îõëàæäåíèå äåòàëåé ïîäðàçóìå-

âàåò âòîðè÷íîå èñïîëüçîâàíèå âîçäóõà ïîñëå êîí-

âåêòèâíîãî îõëàæäåíèÿ – âûïóñê åãî íà îìûâàå-

ìóþ ãàçîì ïîâåðõíîñòü ëîïàòêè äëÿ ñîçäàíèÿ

çàùèòíîé ïëåíêè ìåæäó ãàçîì è ìåòàëëîì. Ïëå-

íî÷íîå îõëàæäåíèå íàèáîëåå ýôôåêòèâíî ïðè

âûïóñêå âîçäóõà íà íàèáîëåå íàãðåòûå ïîâåðõíî-

ñòè ëîïàòêè – âõîäíóþ êðîìêó, âîãíóòóþ ïîâåðõ-

íîñòü ðàáî÷åé ëîïàòêè è òàê äàëåå. Âûïóñê âîç-

äóõà â ýòè çîíû òðåáóåò ñîõðàíåíèÿ äîñòàòî÷íî

âûñîêîãî ïîòåíöèàëà ïî äàâëåíèþ, ò.å. óìåðåííîãî

èñïîëüçîâàíèÿ åãî çàïàñà ïî äàâëåíèþ êîíâåêòèâ-

íîãî îõëàæäåíèÿ.

Ñîïëîâûå ëîïàòêè 1 ñòóïåíè ÒÂÄ îáëàäàþò

íàèáîëåå ðàçâèòîé ñèñòåìîé êîíâåêòèâíî-ïëåíî÷-

íîãî îõëàæäåíèÿ. Â êîíñòðóêöèè ñîïëîâîé ëîïàò-

êè èñïîëüçîâàíû âñå òèïû êîíâåêòèâíîãî îõëàæ-

äåíèÿ (ñì. Ðèñ. 8.3.2_3):

- ñòðóéíîå îõëàæäåíèå ñòåíîê ÷åðåç äåôëåê-

òîðû 1 â ïåðåäíåé è çàäíåé ïîëîñòÿõ;

- øòûðüêîâàÿ ìàòðèöà 2 â ðàéîíå âûõîäíîé

êðîìêè;

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

443

- ïîïåðå÷íûå ïðèñòåíî÷íûå ðåáðà 3 â öåíò-

ðàëüíîì êàíàëå;

à òàêæå ïëåíî÷íîå îõëàæäåíèå âõîäíîé êðîì-

êè 4, êîðûòà 5 è íèæíèõ ïîëîê 6.

Íà Ðèñ. 8.3.2_4 ïîêàçàíî ðàçâèòèå ñèñòåìû

îõëàæäåíèÿ ðàáî÷èõ ëîïàòîê Rolls-Royce îò îä-

íîõîäîâîé êîíâåêòèâíîé ñõåìû 1 ê îäíîõîäîâîé

êîíâåêòèâíî-ïëåíî÷íîé 2 (ñ ïëåíêîé íà âõîäíîé

êðîìêå è íà êîðûòå âûõîäíîé êðîìêè)

è çàòåì

ê ìíîãîõîäîâîé êîíâåêòèâíîé 3 ñ èíòåíñèâíûì

ïëåíî÷íûì îõëàæäåíèåì.

Ïëåíî÷íîå îõëàæäåíèå äîïîëíèòåëüíî èí-

òåíñèôèöèðóåò îòâîä òåïëà îò ìåòàëëà çà ñ÷åò

ñîçäàíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ ïîâåðõíîñòåé îõëàæ-

äåíèÿ â îòâåðñòèÿõ äëÿ âûïóñêà

âîçäóõà íà ïî-

âåðõíîñòü ëîïàòêè. Â ñîïëîâûõ ëîïàòêàõ ïåðâûõ

ñòóïåíåé âûñîêîòåìïåðàòóðíûõ òóðáèí ïðèìå-

íÿåòñÿ ïðàêòè÷åñêè ñïëîøíîå ïëåíî÷íîå îõëàæ-

äåíèå. Ïðè ýòîì äîïîëíèòåëüíûé ýôôåêò îò óâå-

ëè÷åíèÿ ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà çà ñ÷åò

îòâåðñòèé ïëåíî÷íîãî îõëàæäåíèÿ ìîæåò áûòü

î÷åíü çíà÷èòåëüíûì (ñíèæåíèå òåìïåðàòóðû çà

ñ÷åò ýòîãî ôàêòîðà äîñòèãàåò 100

Ñ è áîëåå).

Íàèáîëüøèé ýôôåêò îò óâåëè÷åíèÿ ïîâåðõíî-

ñòè òåïëîîáìåíà òåîðåòè÷åñêè ìîæåò áûòü äîñòèã-

íóò ïðè ïîðèñòîì îõëàæäåíèè ëîïàòîê. Ïîðèñòàÿ

ñòåíêà ïîäðàçóìåâàåò áîëüøóþ âíóòðåííþþ ïî-

âåðõíîñòü îõëàæäåíèÿ è ñîçäàíèå ðàâíîìåðíîé

ïëåíêè íà íàðóæíîé ïîâåðõíîñòè. Ðåàëèçàöèÿ òà-

êîé ñõåìû â åå êëàññè÷åñêîì ïîíèìàíèè âðÿä ëè

âîçìîæíà èç-çà òðóäíîñòåé èçãîòîâëåíèÿ è áîëåå

÷åì âåðîÿòíîãî çàñîðåíèÿ ðàáî÷èõ êàíàëîâ â ñòåí-

êàõ ëîïàòêè.

Ïîýòîìó â íàñòîÿùåå âðåìÿ ðåàëèçóþòñÿ áî-

ëåå ïðîñòûå âàðèàíòû ïîðèñòîãî îõëàæäåíèÿ – òàê

íàçûâàåìûé «ëàìèëëîé» (Rolls-Royce-Allison)

è òàê íàçûâàåìàÿ ñõåìà ïðîíèêàþùåãî îõëàæäåíèÿ

èëè «ëîïàòêà ñ îõëàæäàåìûìè ñòåíêàìè» (ñõåìû

òàêèõ ëîïàòîê îïóáëèêîâàíû, íàïðèìåð, Rolls-

Royce [8.3.6.1] - Ðèñ. 8.3.2_5 è ÖÈÀÌ [8.3.6.2] -

Ðèñ. 8.3.2_6).

Ðèñóíîê 8.3.2_4 - Ðàçâèòèå ñõåì îõëàæäåíèÿ ðàáî÷èõ ëîïàòîê ÒÂÄ ôèðìû Rolls-Royce [8.3.2].

(Ïå÷àòàåòñÿ ñ ðàçðåøåíèÿ Rolls-Royce plc)

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

444

Ðèñóíîê 8.3.2_5 – Ïåðñïåêòèâíàÿ ñõåìà îõëàæäåíèÿ «ëîïàòêà ñ îõëàæäàåìûìè ñòåíêàìè»

ôèðìû Rolls-Royce [8.3.3]

8.3.3 - Ãèäðàâëè÷åñêèé ðàñ÷åò

ñèñòåì îõëàæäåíèÿ

Ýôôåêòèâíîñòü è íàäåæíîñòü ñèñòåìû îõ-

ëàæäåíèÿ òóðáèíû ìîæåò áûòü îáåñïå÷åíà òîëü-

êî ïðèìåíåíèåì äîñòîâåðíûõ èäåíòèôèöèðîâàí-

íûõ ìåòîäîâ àíàëèòè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ åå

ãèäðàâëè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê.

Ðàñ÷åò ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ ñâîäèòñÿ ê îïðå-

äåëåíèþ ðàñõîäîâ, äàâëåíèé è òåìïåðàòóð îõëàæ-

äàþùåãî âîçäóõà âî âñåõ ýëåìåíòàõ ñèñòåìû. Íà

ñòàäèè ïðîåêòèðîâî÷íûõ ðàñ÷åòîâ ðåøàåòñÿ îáðàò-

íàÿ çàäà÷à, çàêëþ÷àþùàÿñÿ â âûáîðå ãåîìåòðè÷åñ-

êèõ ðàçìåðîâ êàíàëîâ îõëàæäåíèÿ, îáåñïå÷èâàþ-

ùèõ òðåáóåìûå ðàñõîäû è äàâëåíèÿ è íàèáîëåå

ðàöèîíàëüíîå èõ ðàñïðåäåëåíèå ïî ýëåìåíòàì ñè-

ñòåìû îõëàæäåíèÿ.

Îñíîâíûå ðàñ÷åòíûå ìåòîäû îñíîâàíû íà

ïîëîæåíèÿõ ãèäðàâëèêè, â êîòîðîé äâèæåíèå ñðå-

äû ðàññìàòðèâàåòñÿ â îäíîìåðíîé ïîñòàíîâêå,

áåç ó÷åòà ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðû òå÷åíèÿ,

è â êà÷åñòâå ðàñ÷åòíûõ ïàðàìåòðîâ ôèãóðèðóþò

èíòåãðàëüíûå ïàðàìåòðû ïîòîêà.

Ñèñòåìà îõëàæäåíèÿ ãàçîâîé òóðáèíû ñîñòî-

èò èç ðàçâåòâëåííîé ñåòè êàíàëîâ, ïî êîòîðûì ïðî-

òåêàåò îõëàæäàþùèé âîçäóõ. Ïîýòîìó åå ìîæíî

ïðåäñòàâèòü â âèäå ãðàôà, âåòâè êîòîðîãî ñîîòâåò-

ñòâóþò õàðàêòåðíûì ÷àñòÿì îõëàæäàþùèõ êàíà-

ëîâ, à óçëû – ìåñòàì ñîåäèíåíèÿ îòäåëüíûõ êàíà-

ëîâ â åäèíóþ ñèñòåìó.

Íà Ðèñ. 8.3.3_1 ïîêàçàí ïðèìåð ïîñòðîåíèÿ

ãðàôà äëÿ ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ êîðïóñà ÒÂÄ. Êàæ-

äûé êðóæîê îçíà÷àåò ïîëîñòü â ñèñòåìå âîçäóø-

íûõ êîììóíèêàöèé, ñîåäèíåííóþ ðÿäîì ãèäðàâ-

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

445

Ðèñóíîê 8.3.2_6 – Ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ëîïàòêè, ðàçðàáîòàííîé â ÖÈÀÌ ñ èñïîëüçîâàíèåì òàê íàçûâàåìîé

òåõíîëîãèè «ãèáêèõ ñòåðæíåé» [8.3.4]. Ñíèçó – ðàñïðåäåëåíèå îòíîñèòåëüíîé ýôôåêòèâ-

íîñòè îõëàæäåíèÿ ïî ñå÷åíèþ

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

446

ëè÷åñêèõ ñîïðîòèâëåíèé ñ ñîñåäíèìè ïîëîñòÿìè.

Äâîéíûìè êðóæêàìè îáîçíà÷åíû èñòî÷íèêè ïîäà-

÷è îõëàæäàþùåãî âîçäóõà è êîíå÷íûå ýëåìåíòû

ãèäðàâëè÷åñêîé ñåòè (ïîëîñòè, â êîòîðûå ñáðàñû-

âàåòñÿ îõëàæäàþùèé âîçäóõ – ïðîòî÷íàÿ ÷àñòü èëè

îêðóæàþùàÿ ñðåäà).

Äëÿ ìàòåìàòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ

ðàñõîäîâ âîçäóõà ïî êàíàëàì ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ

(âåòâÿì ãðàôà) èñïîëüçóþòñÿ ñîîòíîøåíèÿ, âûòå-

êàþùèå èç ïåðâîãî è âòîðîãî çàêîíîâ Êèðõãîôà,

à òàêæå äîïîëíèòåëüíîå çàìûêàþùåå ñîîòíîøå-

íèå. Ñîãëàñíî ïåðâîìó çàêîíó Êèðõãîôà, â êàæäîì

óçëå ãðàôà äîëæíî ñîáëþäàòüñÿ óñëîâèå ìàòåðè-

àëüíîãî áàëàíñà, ò.å. àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà ðàñõî-

äîâ äîëæíà ðàâíÿòüñÿ íóëþ:

Ðèñóíîê 8.3.3_1 – Êîíñòðóêöèÿ è ðàñ÷åòíàÿ ñõåìà ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ êîðïóñà ÒÂÄ

Ñîãëàñíî âòîðîìó çàêîíó Êèðõãîôà, â êàæäîì

çàìêíóòîì êîíòóðå àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà ïåðåïà-

äîâ äàâëåíèé â âåòâÿõ äîëæíà ðàâíÿòüñÿ íóëþ:

Â êà÷åñòâå çàìûêàþùåãî ñîîòíîøåíèÿ èñïîëü-

çóåòñÿ çàâèñèìîñòü, õàðàêòåðèçóþùàÿ äëÿ êàæäîé

âåòâè ãðàôà âçàèìîñâÿçü ìåæäó ïåðåïàäîì äàâëå-

íèé, ãèäðàâëè÷åñêèì ñîïðîòèâëåíèåì è ðàñõîäîì:

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

447

Ãèäðàâëè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå îïðåäåëÿåòñÿ

ïî ôîðìóëå:

r =

ξ ξ

R T / 2 F

ãäå

ξξ

– êîýôôèöèåíò ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëå-

íèÿ;

R – óíèâåðñàëüíàÿ ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ;

F – ïëîùàäü êàíàëà;

T – ñðåäíÿÿ òåìïåðàòóðà â âåòâè;

P – ñðåäíåå äàâëåíèå â âåòâè.

Êîýôôèöèåíò ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëå-

íèÿ âû÷èñëÿåòñÿ êàê ñóììà èç íåñêîëüêèõ ñëàãàå-

ìûõ, ñîîòâåòñòâóþùèõ ñîïðîòèâëåíèþ íà âõîäå,

âûõîäå, ñîïðîòèâëåíèþ òðåíèÿ, ìåñòíîãî ñóæåíèÿ

(ðàñøèðåíèÿ), ïîâîðîòà, ïîäîãðåâà è òàê äàëåå.

Êîýôôèöèåíò ãèäðàâëè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ

êàæäîãî ó÷àñòêà âû÷èñëÿåòñÿ ÷àùå âñåãî ïî ýêñ-

ïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷åííûì îáîáùåííûì êðèòå-

ðèàëüíûì çàâèñèìîñòÿì äëÿ ðàçëè÷íûõ òèïîâ êà-

íàëîâ – íà îñíîâå çàäàâàåìûõ â èñõîäíûõ äàííûõ

ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ êàíàëîâ è âû÷èñëÿå-

ìûõ ïàðàìåòðîâ ïîòîêà.

Íà ðèñóíêå 8.3.3_2 ïîêàçàí ïðèìåð ðàñ÷åòíî-

ãî ãðàôà ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ ðîòîðà ÒÂÄ. Êðó-

æî÷êàìè îáîçíà÷àþòñÿ óçëû ãðàôà ñ óêàçàíèåì

íîìåðà óçëà è äàâëåíèÿ â íåì, ëèíèÿìè ñî ñòðåë-

êàìè – âåòâè ãðàôà ñ óêàçàíèåì ðàñõîäà è òåìïå-

ðàòóðû ñðåäû.

Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ

âêëþ÷àåò ãåîìåòðè÷åñêèå ðàçìåðû êàíàëîâ îõëàæ-

äåíèÿ, ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ (äàâëåíèå è òåìïåðàòó-

ðà ñðåäû â ãðàíè÷íûõ óçëàõ ãðàôà), òåìïåðàòóðó

îêðóæàþùèõ äåòàëåé (èòåðàöèîííî óòî÷íÿåòñÿ

ïîñëå òåïëîâûõ ðàñ÷åòîâ).

Èäåíòèôèêàöèÿ àíàëèòè÷åñêîé ìîäåëè ñèñòå-

ìû îõëàæäåíèÿ êîíêðåòíîé ëîïàòêè èëè òóðáèíû

ïðîâîäèòñÿ â äâà ýòàïà.

Íà ïåðâîì ýòàïå äëÿ óòî÷íåíèÿ ìîäåëè èñïîëü-

çóþòñÿ êîíêðåòíûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå ãèäðàâëè-

÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè êàíàëîâ îõëàæäåíèÿ ëîïà-

òîê è îòäåëüíûõ ýëåìåíòîâ êîðïóñà è ðîòîðà (â òîì

÷èñëå àïïàðàòà çàêðóòêè, öåëèêîì ñîïëîâîãî àïïà-

ðàòà èëè ðîòîðà). Ãèäðàâëè÷åñêèå èñïûòàíèÿ êîð-

ïóñîâ è ðîòîðîâ â ñîáðàííîì âèäå äàþò î÷åíü öåí-

íóþ èíôîðìàöèþ î ãèäðàâëè÷åñêîì ñîïðîòèâëåíèè

îòäåëüíûõ êàíàëîâ è îñîáåííî î âåëè÷èíå óòå÷åê,

îáóñëîâëåííûõ äîïóñêàìè, çàçîðàìè è êà÷åñòâîì

ïîâåðõíîñòåé ðåàëüíîé êîíñòðóêöèè.

Íà âòîðîì ýòàïå äëÿ èäåíòèôèêàöèè ãèäðàâ-

ëè÷åñêîé ìîäåëè ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ èñïîëüçó-

þòñÿ ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé ÒÂÄ â ñèñòåìå äâè-

ãàòåëÿ ñ èçìåðåíèåì äàâëåíèé â ïðîòî÷íîé ÷àñòè,

â îñíîâíûõ ïîëîñòÿõ ñòàòîðà è ïîëîñòÿõ, îêðóæà-

þùèõ ðîòîð. Èçìåðÿþòñÿ âñå ðàñõîäû îõëàæäà-

Ðèñóíîê 8.3.3_2 – Ãðàôè÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå ìîäåëè ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ ÒÂÄ

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

448

þùåãî âîçäóõà, ïîñòóïàþùåãî â òóðáèíó (çà èñ-

êëþ÷åíèåì 1ÑÀ,

äëÿ êîòîðîãî ýòî ñäåëàòü çàòðóä-

íèòåëüíî èç-çà îòíîñèòåëüíî ìàëûõ îòíîøåíèé äàâ-

ëåíèÿ îõëàæäàþùåãî âîçäóõà â ñèñòåìå ïîäâîäà).

Äëÿ áîëåå ïîëíîé èíôîðìàòèâíîñòè èñïûòà-

íèé ïðîâîäèòñÿ ðåãóëèðîâàíèå ðàñõîäîâ îõëàæäà-

þùåãî âîçäóõà â êîììóíèêàöèÿõ äëÿ íàñòðîéêè

ðåàêöèè ìîäåëè íà èçìåíåíèå ðàñõîäà âîçäóõà.

Ïîëó÷åííàÿ ìîäåëü äàëåå èñïîëüçóåòñÿ äëÿ äîâîä-

êè è ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ òóðáèíû â òå÷åíèå âñåãî

åå æèçíåííîãî öèêëà.

Îäíèì èç ïóòåé ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ðàñ÷åòîâ

ñèñòåì îõëàæäåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ïðîâåäåíèå ãèäðàâ-

ëè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ â íåñòàöèîíàðíîé ïîñòàíîâêå.

Íåîáõîäèìîñòü òàêèõ ðàñ÷åòîâ îáóñëîâëåíà òåì,

÷òî íà ïåðåõîäíûõ ðåæèìàõ ðàñïðåäåëåíèå ðàñõî-

äîâ è äàâëåíèé ïî ýëåìåíòàì ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ

ìîæåò ñóùåñòâåííî îòëè÷àòüñÿ îò ñòàöèîíàðíîãî,

Ðèñóíîê 8.3.3_3 - Ïîëå ñêîðîñòåé â ïîëîñòè ìåæäó äèñêàìè òóðáèíû, ïîëó÷åííîå ÷èñëåííûì ìîäåëèðîâàíè-

åì òå÷åíèÿ

â òîì ÷èñëå çà ñ÷åò èçìåíåíèÿ çàçîðîâ â ëàáèðèíò-

íûõ óïëîòíåíèÿõ. Ðåøåíèå çàäà÷è â òàêîé ïîñòà-

íîâêå òðåáóåò ïðîâåäåíèÿ ñîâìåñòíûõ ðàñ÷åòîâ

ãèäðàâëèêè ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ, òåïëîâîãî è íàï-

ðÿæåííî-äåôîðìèðîâàííîãî ñîñòîÿíèÿ ðîòîðíûõ

è ñòàòîðíûõ äåòàëåé.

Êðîìå îäíîìåðíûõ ãèäðàâëè÷åñêèõ ðàñ÷å-

òîâ ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ, âîçìîæåí ðàñ÷åò òå÷å-

íèÿ â îõëàæäàþùèõ êàíàëàõ â äâóìåðíîé è òðåõ-

ìåðíîé ïîñòàíîâêå ìåòîäàìè âû÷èñëèòåëüíîé

ãàçîâîé äèíàìèêè. Ïðè ýòîì ìîæåò áûòü ïîëó-

÷åíà íàèáîëåå ïîëíàÿ èíôîðìàöèÿ î êàðòèíå òå-

÷åíèÿ. Íà Ðèñ. 8.3.3_3 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàñ-

÷åòà ïîëîñòè ìåæäó äâóìÿ äèñêàìè â òóðáèíå.

Ðàñ÷åòû òàêîãî ðîäà âåñüìà òðóäîåìêè è, ïðè

íàëè÷èè ïðèíèìàåìûõ â ðàñ÷åòíûõ ìîäåëÿõ äî-

ïóùåíèé, èõ ðåçóëüòàòû òðåáóþò ýêñïåðèìåí-

òàëüíîé ïðîâåðêè.

Ãëàâà 8 - Òóðáèíû ÃÒÄ

449

Äîñòàòî÷íî äîñòîâåðíûå ðåçóëüòàòû ïîëó÷à-

þòñÿ ëèøü äëÿ ïðîñòûõ êàíàëîâ, à äëÿ íàèáîëåå

ñëîæíûõ, òàêèõ, êàê êàíàëû ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ

ëîïàòîê, íàäåæíîñòü òàêèõ ðàñ÷åòîâ â íàñòîÿùèé

ìîìåíò åùå íå ñîîòâåòñòâóåò òðåáîâàíèÿì ïðàê-

òèêè è òðåáóåò äàëüíåéøåãî ðàçâèòèÿ ðàñ÷åòíûõ

ìåòîäîâ.

8.3.4 - Ìåòîäîëîãèÿ ðàñ÷åòà

òåìïåðàòóð îñíîâíûõ äåòàëåé

òóðáèí

Êîððåêòíîå îïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðíîãî ñî-

ñòîÿíèÿ äåòàëåé òóðáèíû îòíîñèòñÿ ê ÷èñëó íàè-

áîëåå âàæíûõ çàäà÷ íà ýòàïå ïðîåêòèðîâàíèÿ.

Òåìïåðàòóðíîå ñîñòîÿíèå äåòàëè òóðáèíû îï-

ðåäåëÿåòñÿ, â îñíîâíîì, êîíâåêòèâíûì òåïëîîáìå-

íîì ñ âíåøíåé ñðåäîé è êîíòàêòíûì òåïëîîáìåíîì

ñ ñîïðÿæåííûìè äåòàëÿìè. Ëó÷èñòûì òåïëîîáìå-

íîì â ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòàõ ìîæíî ïðåíåáðå÷ü

âñëåäñòâèå åãî íåçíà÷èòåëüíîñòè, êðîìå îïðåäåëå-

íèÿ òåìïåðàòóðû ñîïëîâîé ëîïàòêè ïåðâîé ñòóïå-

íè, ãäå åãî äîëÿ ìîæåò áûòü âåñüìà çíà÷èòåëüíà.

Îñíîâíûì ñïîñîáîì îïðåäåëåíèÿ òåïëîâîãî

ñîñòîÿíèÿ äåòàëåé òóðáèíû â íàñòîÿùåå âðåìÿ ÿâ-

ëÿåòñÿ ðàñ÷åò ïî ìåòîäó êîíå÷íûõ ýëåìåíòîâ

(ÌÊÝ) â äâóìåðíîé (ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ëîïàòêè

èëè îñåñèììåòðè÷íîå ñå÷åíèå ðîòîðà) è ïðîñòðàí-

ñòâåííîé ïîñòàíîâêå.

Çàäà÷à îïðåäåëåíèÿ ñòàöèîíàðíîé òåìïåðàòó-

ðû òåëà ñâîäèòñÿ ê ðåøåíèþ óðàâíåíèÿ òåïëîïðî-

âîäíîñòè (óðàâíåíèÿ Ôóðüå):

q = - l gradT

ãäå q – òåïëîâîé ïîòîê;

l - òåïëîïðîâîäíîñòü ìàòåðèàëà;

Ò – òåìïåðàòóðà.

Äëÿ òàêîãî êëàññà çàäà÷ ïðèìåíÿþòñÿ ãðàíè÷-

íûå óñëîâèÿ 2-ãî ðîäà – çàäàíèå íà ïîâåðõíîñòè

òåïëîîáìåíà êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è è òåìïå-

ðàòóðû ñðåäû. Èíòåíñèâíîñòü êîíâåêòèâíîãî òåï-

ëîîáìåíà â èíæåíåðíîé ïðàêòèêå îöåíèâàåòñÿ âå-

ëè÷èíîé êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è

α α

= q

/(T - Tf) ,

ãäå Ò - òåìïåðàòóðà;

- óäåëüíûé òåïëîâîé ïîòîê â äàííîé òî÷êå

ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà.

Âåëè÷èíà Tf äîëæíà áûòü çàäàíà ïî îïðåäå-

ëåíèþ è îáû÷íî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òåìïåðàòóðó

ñðåäû, îìûâàþùåé ïîâåðõíîñòü òåïëîîáìåíà.

Îñíîâíîé ïðîáëåìîé ïðè îïðåäåëåíèè ïîëÿ

òåìïåðàòóð â äåòàëÿõ òóðáèí ÿâëÿåòñÿ íàçíà÷åíèå

êîððåêòíûõ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé. Êîýôôèöèåíòû

Ðèñóíîê 8.3.4_1 - Ðàñ÷åòíàÿ ñõåìà ðîòîðà ÒÂÄ äëÿ ðàñ÷åòà ìåòîäîì êîíå÷íûõ ýëåìåíòîâ â îñåñèììåòðè÷-

íîé ïîñòàíîâêå è âûäåëåííàÿ èç ðîòîðà 3D ìîäåëü äèñêà 1 ñòóïåíè (ñ ñîïðÿæåííûìè

ôëàíöàìè äåôëåêòîðà è âàëà)