Комбинированная система охлаждения входной кромки турбинной лопатки

Комбинированная система охлаждения входной кромки турбинной лопатки

Яковлев М.М., Такмовцев В.В., Ильинков А.В., Щукин А.В., Ерзиков А.М.

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ), Казань, Россия

Рассмотрена конструкция сопловой турбинной лопатки, входная кромка которой эффективно защищается от высоких температур комбинированным воздушным циклонным охлаждением, образованным одновременным воздействием центробежных массовых сил и интенсификацией теплоотдачи поперечными плавно очерченными выступами.

Ключевые слова: турбинная лопатка, входная кромка, циклонное охлаждение, поперечные выступы, интенсификация теплообмена.

 

Развитие современного авиадвигателестроения идет по пути повышения температуры газа перед турбиной, величина которой в перспективных двигателях достигает 1950 К [1]. Под действием такой высокой температуры в материале турбинных лопаток возникают температурные напряжения, превышающие максимальные допустимые значения. Наиболее нагретыми участками лопаток турбин, где возникают прогары, являются входные кромки и верхние полки лопаток.

В данной работе рассматривается циклонное охлаждение входных кромок лопаток турбин. Разработаны различные схемы его применения [2]. Анализ этих схем показывает, что смерчевой эффект вращающегося вихря возникает только в продольном пустотелом цилиндрическом канале внутри входной кромки, куда через тангенциально расположенные каналы подается охладитель. Практика использования циклонного охлаждения входных кромок лопаток позволила повысить в 3…4,6 раза эффективность их охлаждения за счет интенсификации теплообмена по сравнению с гладким каналом.

Несомненные преимущества использования циклонного охлаждения сопровождаются и рядом недостатков. Во-первых, возрастает гидравлическое сопротивление при движении охладителя в 6,2…13 раз, что требует дополнительных затрат энергии на его прокачку. Во-вторых, происходит определенное уменьшение хладозапаса охладителя из-за его многократного вращательного движения внутри цилиндрического канала. В-третьих, не обеспечивается требуемое охлаждение наружных полок лопаток.

Возможным вариантом устранения этих недостатков является предложенная авторами конструкция сопловой лопатки турбины (рис. 1).

Рисунок 1. 3D-модель охлаждаемого участка входной кромки турбинной лопатки:

1 – входные каналы для подачи воздуха для охлаждения входной кромки;

2 – транзитный трубопровод; 3 – вогнутая поверхность участка входной кромки;

4 – поперечные плавно очерченные выступы; 5 – отверстия для пленочного охлаждения

Особенности предлагаемой конструкции заключаются в следующем. Внутри цилиндрического канала, выполненного во входной кромке, размещается с зазором транзитный трубопровод 2, через который от компрессора двигателя подается воздух для охлаждения наружной полки (на рис. 1 не показана) лопатки турбины. При этом, транзитный трубопровод 2 внутри цилиндрического канала устанавливается со смещением к разделительной стенке, в которой выполнены входные каналы 1 для подачи охладителя к внутренней стенке 3 входной кромки лопатки. В результате этого между внутренней стенкой 3 цилиндрического канала и наружной стенкой транзитного трубопровода 2 образуется система из диффузорного и конфузорного каналов. Диффузорный канал соединяется с выходными отверстиями 5, с помощью которых создается пленочное охлаждение выпуклой поверхности лопатки, а на внутренней поверхности этого канала в зоне вогнутой поверхности входной кромки 3 выполнены поперечные плавно очерченные выступы 4. Конфузорный канал начинается от зоны выходных отверстий 5 и заканчивается соединением с входными отверстиями 1.

Комбинированное циклонное охлаждение в предлагаемой конструкции сопловой лопатки турбины осуществляется в результате интенсификации воздушного охлаждения под действием центробежных массовых сил и при обтекании плавно очерченных выступов 4, выполненных на внутренней стенке 3 входной кромки в диффузорном канале с положительным градиентом давления [3]. Наличие транзитного трубопровода обеспечивает не только охлаждение наружной полки лопатки, но и формирует заданную форму канала внутри входной кромки. Применение комбинированного циклонного охлаждения позволит в 2,3…2,7 раза увеличить теплоотдачу между стенкой входной кромки и охладителем и снизить температурные напряжения по сравнению с традиционным циклонным охлаждением при 50% уменьшении гидравлического сопротивления.

В результате этого открывается возможность повышения температуры газа перед турбиной, увеличения ее рабочих параметров при требуемом ресурсе лопаток.

Список цитируемой литературы

  1. Иноземцев, А.А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. / А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. – М.: Машиностроение, 2008. – Т. 2. – 368 с.
  2. Халатов, А.А. Теплообмен и гидродинамика при циклонном охлаждении лопаток газовых турбин / А.А. Халатов, В.В. Романов, И.И. Борисов, Ю.Я. Дашевский, С.Д. Северин / Институт технической теплофизики НАН Украины. – Киев, 2010. – 317 с.
  3. Щукин, А.В. Интенсификация теплообмена поперечными выступами на вогнутой поверхности/ А.В. Щукин, Р.Р. Габдрахманов, Р.С. Агачев // Изв. вузов Авиационная техника. 2002. №3. С. 27-30.

COMBINED COOLING SYSTEM OF TURBINE BLADE’S LEADING EDGE

Yakovlev M.M., Takmovtsev V.V., Il’inkov A.V.,

Shchukin A.V., Erzikov A.M.

Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev – KAI (KNRTU–KAI), Kazan, Russia

 

The design of a turbine nozzle blade, the leading edge of which is effectively protected from high temperatures by combined air cyclonic cooling formed by the simultaneous action of centrifugal mass forces and intensification of heat transfer by transverse smoothly outlined protrusions, is considered.

Key words: turbine blade, leading edge, cyclonic cooling, transverse protrusions, intensification of heat transfer

Back to Top