СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК F01D5/18 F28F13/10 

Изобретение относится к способам интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах, используемых в различных отраслях промышленности, например высокотемпературных роторных машинах. Именно на авиационных двигателях, где максимальный режим работы двигателя по мощности кратковременный, а крейсерские долговременные режимы требуют интенсивного охлаждения рабочих лопаток турбин.

Известна система охлаждения турбины ТРД (Патент РФ 2159335, МКИ F01D 25/12, опубл. 2000 г.) содержащая последовательно установленные коллектор с управляемыми клапанами на выходе, сообщенный своим входом с воздушной полостью камеры сгорания, многоканальный воздуховод, проходящий через внутренние полости сопловых лопаток, сопловой аппарат закрутки и каналы охлаждения рабочего колеса.

В указанной конструкции элементы турбины охлаждаются воздухом, отобранным за последней ступенью компрессора, который имеет очень высокий уровень температуры в газовоздушном тракте двигателя. Этот воздух подается на охлаждение рабочих лопаток через диск рабочего колеса в его средней и периферийных зонах. С другой стороны, теплоподвод к диску происходит из газовоздушного тракта турбины через рабочие лопатки и их замковую часть. Высокая температура элементов рабочего колеса приводит к значительным температурным расширениям рабочих лопаток, вследствие чего уменьшается радиальный зазор между статором и рабочим колесом и повышается к.п.д. турбины. Однако высокая температура охлаждающего воздуха приводит к росту температуры периферийной и средней зоны при относительно «холодной» ступице диска. Такая неравномерность температур в диске приводит к высокому уровню напряжений в нем, что уменьшает ресурс двигателя на максимальных режимах.

Известен способ интенсификации теплообмена путем сообщения потоку теплоносителя в теплообменном канале вынужденных колебаний наложением периодических возмущающих импульсов (Авторское свидетельство СССР 1368612, МКИ F28F 13/10, опубл. 1988 г.). Здесь для привода пульсатора используется автономный электродвигатель. Недостатком такой конструкции является наличие громоздкого источника колебаний только для одного неподвижного канала теплоносителя.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является способ охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя и устройство для его реализации (Патент РФ 2387846, МПК F01D 5/18, опубл. 2006 г.).

В соответствии с техническим решением по прототипу способ охлаждения рабочих лопаток турбины двухконтурного газотурбинного двигателя включает отбор охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку в аппарат закрутки и последующий подвод охлаждающего воздуха из аппарата закрутки в канал рабочей лопатки.

В прототипе повышается экономичность газотурбинного двигателя с высокотемпературной турбиной за счет оптимизации расхода охлаждающего воздуха в рабочих лопатках турбины высокого давления при одновременном сохранении надежности и ресурса работы двигателя. Однако в этом техническом решении не полностью использованы возможности интенсификации теплообмена между охлаждающим воздухом в канале и рабочей лопаткой.

В основу изобретения положено решение задач повышения экономичности газотурбинных двигателей с высокотемпературными турбинами за счет интенсификации теплообмена путем сообщения потоку охлаждающего воздуха в теплообменном канале каждой рабочей лопатки турбины вынужденных колебаний путем наложения периодических возмущающих импульсов при одновременным сохранении надежности и увеличении ресурса двигателя.

Поставленные задачи решаются тем, что способ охлаждения рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя включает отбор охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку в аппарат закрутки, выполненный на статоре напротив диска турбины и последующий подвод охлаждающего воздуха из аппарата закрутки во вращающийся канал каждой рабочей лопатки.

Новым в способе охлаждения рабочей лопатки турбины является то, что через сопла кольцевого аппарата закрутки, равнорасположенные по окружности тангенциально с поворотом в направлении вращения турбины соосно входу в гладкий канал каждой рабочей лопатки, осуществляют прерывистый подвод охлаждающего воздуха. В результате периодического движения ударных волн из сопел аппарата закрутки возбуждают в канале лопатки вынужденные колебания охлаждающего воздуха с частотой первой резонансной гармоники. Причем колебания охлаждаемого воздуха создают с частотой, обусловленной условиями резонанса , скоростью звука и длиной волны , определяемой соотношением ,

где n - число оборотов ротора турбины на установившемся режиме работы, при котором ГТД может работать неограниченное время, причем n выбирается из условия n=(0,7-0,9)n_(макс);

n_(макс) - число оборотов ротора турбины на режиме максимальной мощности;

- число воздухоподводящих сопел к каналам охлаждения рабочих лопаток турбины в аппарате закрутки статора;

λ - длина волны колебаний потока охлаждающего воздуха в канале;

К - показатель адиабаты для воздуха;

g - ускорение свободного падения;

R - газовая постоянная;

Т_{ох.возд} - температура охлаждающего воздуха на входе в канал рабочей лопатки;

ι - длина канала лопатки.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:

- осуществление прерывистого подвода охлаждающего воздуха через сопла кольцевого аппарата закрутки, расположенные по окружности тангенциально с поворотом в направлении вращения турбины соосно входу в канал каждой лопатки за счет цикличного совпадения осей каналов сопел аппарата закрутки с входом в канал каждой рабочей лопатки, расположенный тангенциально с поворотом на переднем торце хвостовика лопатки, в результате периодического движения ударных волн в канале охлаждения каждой рабочей лопатки обеспечивает деформацию пограничного слоя в канале и интенсифицирует теплообмен между нагретой лопаткой и воздушным потоком, что сокращает расход охлаждающего воздуха и повышает экономичность двигателя;

- возбуждение в канале каждой лопатки вынужденных колебаний охлаждающего воздуха с частотой первой резонансной гармоники за счет периодического движения ударных волн из сопел аппарата закрутки турбулизируют течение воздуха в канале, что усиливает теплообмен между лопаткой и охлаждающим воздухом и понижает температуру лопатки, сохраняя надежность и увеличивая ресурс двигателя;

- создание колебаний охлаждаемого воздуха с частотой, определяемой условиями резонанса , скоростью звука и длиной волны , определяемой соотношением , обеспечивает понижение температуры в средней части рабочей лопатки, то есть в поле максимальной температуры потока газа из камеры сгорания. Это также сохраняет надежность и увеличивает ресурс двигателя.

Существенные признаки по способу охлаждения рабочей лопатки турбины могут иметь развитие и дополнения.

Осуществление подвода охлаждающего воздуха из сопел аппарата закрутки соосно на вход в канал каждой рабочей лопатки, расположенный тангенциально с поворотом относительно продольной оси двигателя на переднем торце хвостовика лопатки, повышает надежность двигателя.

Таким образом, решены поставленные задачи повышения экономичности газотурбинных двигателей с высокотемпературными турбинами за счет интенсификации теплообмена путем сообщения потоку охлаждающего воздуха в теплообменном канале каждой рабочей лопатки турбины вынужденных колебаний наложением периодических возмущающих импульсов при одновременном сохранении надежности и увеличении ресурса двигателя.

Настоящее изобретение поясняется последующим описанием способа охлаждения рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя, представленного на чертежах фиг. 1-10, где:

на фиг. 1 представлен продольный разрез турбины, реализующей способ охлаждения рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя;

на фиг. 2 - вид А на передний торец кольцевого аппарата закрутки;

на фиг. 3 - распределение относительной теплоотдачи по длине канала охлаждения;

на фиг. 4 - осциллограмма пульсации скорости воздушного потока на входе в рабочую лопатку при возбуждении в каналах рабочих лопаток резонансных колебаний;

на фиг. 5 - осциллограмма пульсации скорости воздушного потока на входе в рабочую лопатку при отсутствии в каналах рабочих лопаток резонансных колебаний;

на фиг. 6 - схема термометрирования газотурбинного двигателя;

на фиг. 7 - схема расположения точек измерения температуры поверхности профиля рабочей лопатки в среднем сечении по высоте лопатки;

на фиг. 8 - схема измерения температуры газа на вращающейся лопатке;

на фиг. 9 - схема расположения точки измерения температуры охлаждающего воздуха на входе в канал рабочей лопатки;

на фиг. 10 - вид В на фиг. 6 переднего торца хвостовика рабочей лопатки.

Устройство охлаждения рабочей лопатки 1 турбины 2 газотурбинного двигателя (см. фиг. 1, 2) имеет воздушную полость 3 в камере сгорания 4 и гладкий канал 5 в каждой лопатке 1. Устройство также содержит кольцевой аппарат 6 закрутки воздуха, расположенный на статоре напротив турбины 2. Аппарат 6 закрутки воздуха снабжен равномерно расположенными по окружности соплами 7. Сопла 7 размещены тангенциально с поворотом в направлении вращения турбины 2 соосно входу 8 в канал 5 каждой лопатки 1. Вход 8 в канал 5 каждой рабочей лопатки 1 расположен тангенциально с поворотом относительно продольной оси двигателя на переднем торце хвостовика лопатки 1.

Охлаждение каждой рабочей лопатки газотурбинного двигателя по предлагаемому способу осуществляют в следующем порядке. При работе двигателя из воздушной полости 3 в камере сгорания 4 отбирают охлаждающий воздух и транспортируют его в аппарат закрутки 6. Через сопла 7 из аппарата 6 закрутки воздуха осуществляют прерывистый подвод охлаждающего воздуха на вход 8 в канал 5 каждой рабочей лопатки 1 турбины 2. В результате периодического движения ударных волн из сопел 7 аппарата 6 закрутки возбуждают в каждом канале 5 лопатки 1 вынужденные колебания охлаждающего воздуха с частотой первой резонансной гармоники. Колебания охлаждаемого воздуха создают с частотой, определяемой условиями резонанса, скоростью звука и длиной волны по заданным соотношениям. Тем самым интенсифицируют теплообмен в канале 5 между лопаткой 1 и охлаждающим воздухом, обеспечивая экономичность ГТД при одновременном сохранения надежности и увеличении ресурса газотурбинного двигателя.

Для проверки и обоснования предложенного технического решения были проведены экспериментальные исследования.

По данным автора и других источников, как отечественных, так и иностранных (SU 699314, 909564, 1368612, 1605129, 1740957; US 5397217), следует, что при колебании давления в гладких каналах коэффициент теплообмена претерпевает изменения, в частности, имеет место увеличение коэффициента теплоотдачи.

Результаты экспериментов при продольных колебаниях воздушного потока в канале были представлены в виде зависимости относительного коэффициента теплоотдачи от длины канала (см. фиг. 3:

где N_u, N_uo - число Нуссельта при пульсации воздушного потока и при отсутствии пульсации соответственно;

x - текущая длина канала охлаждения рабочей лопатки турбины;

d - диаметр канала охлаждения рабочей лопатки турбины.

При постоянной скорости воздушного потока, фиксированной амплитуде колебаний давления и частоте изменение местного коэффициента теплоотдачи вдоль канала приведены на фиг. 3. Откуда следует, что по длине канала при частоте колебаний, соответствующей первой резонансной гармонике для

где - средняя амплитуда колебаний давления в трубопроводе,

$$\overline{P}$$ - среднее давление в трубопроводе, коэффициент теплоотдачи может возрастать до двух раз по сравнению с условием, когда резонансные колебания воздушного потока отсутствуют.

Из фиг. 3 также следует, что когда на длине канала 5 укладывается половина длины волны, а максимум теплоотдачи приходится на середину канала 5. Результаты статических исследований теплообмена пульсирующего потока воздуха в канале были перенесены в каналы вращающихся рабочих лопаток.

С целью оценки характера колебаний и их интенсивности на входе в каналы охлаждения выполнялось измерение пульсаций скорости охлаждающего воздуха. Измерения потока воздуха с пульсаций скорости сравнивались со случаем течения воздуха, когда в каналах рабочих лопаток не возбуждались резонансные колебания.

При взаимодействии струй с приемными отверстиями рабочих лопаток на входе в каналы охлаждения возникают колебания с частотой

где, например, - число воздухоподводящих сопел;

n=8800 об/мин - число оборотов ротора на крейсерском режиме.

Чтобы на длине канала охлаждения воздухом рабочей лопатки турбины укладывалась половина длины волны, количество воздухоподводящих сопел необходимо рассчитать исходя из выражения где

При этом С - скорость звука, f - частота колебаний, Т_охл≅618,2К - температура охлаждающего воздуха на входе в рабочие лопатки, имеем λ=120 мм., что соответствует λ/2=L, где L - длина рабочей лопатки.

Это следует из осциллограммы пульсаций скорости (см. фиг. 4), полученной на входе 8 в канал 5 рабочей лопатки 1 (см. фиг. 1).

При условии, когда в каналах рабочих лопаток не возбуждались резонансные колебания, описанный выше эффект обнаружен не был (см. фиг. 5).

При резонансных колебаниях охлаждающего воздуха в каналах рабочих лопаток необходимо, чтобы на длине канала укладывалось половина длины волны (λ/2), тогда теплообмен претерпевает существенное изменение по сравнению с условием, когда таковое отсутствовало (см. таблицу ).

Экспериментальные исследования температурного состояния рабочих лопаток ГТД были проведены на одновальном турбокомпрессоре, который представлял собой узел газогенератора (см. фиг. 6). Для большей достоверности экспериментальных результатов испытаний оценка эффективности охлаждения проводилась при одинаковых условиях: исходный вариант (без пульсирующей подачи охлаждающего воздуха) и вариант при пульсирующем потоке воздуха. В общей сложности газогенератор испытывался 3 раза.

Два раза испытания проводились с пульсирующим подводом (первая и вторая сборка) и с исходной системой воздухоподвода (третья сборка при отсутствии пульсации).

Для определения относительной глубины охлаждения рабочие лопатки ГТД дорабатывались и препарировались «хромель - алюмелевыми» термопарами. Измерение температуры на поверхности профиля штатной рабочей лопатки выполнялось в среднем сечении по высоте вращающейся лопатки (см. фиг. 7). Измерение температуры газа на вращающейся лопатке выполнялось по схеме, представленной на фиг. 8. Температура охлаждающего воздуха измерялась термопарами на входе в каналы лопаток (см. фиг. 9).

ЭДС от термопар рабочих лопаток передавалась по изолированным проводам 9 (см. фиг. 6), проложенным по диску, и далее через трубопровод, установленный в вале турбокомпрессора, к токосъемному устройству 10 (см. фиг. 6), расположенному во ВНА компрессора высокого давления, и далее через медные провода к приборам измерения температуры типа ЭПП-09.

Для сравнения эффективности охлаждения лопаток пульсирующим потоком при возбуждении в каналах рабочих лопаток резонансных колебаний с вариантом, когда резонансные колебания отсутствовали, сборки подбирались таким образом, чтобы режимы работы для трех сборок газогенератора были одинаковыми.

Результаты термометрирования рабочих лопаток газогенератора для различных участков профиля по всем трем сборкам представлены в безразмерном виде θ в таблице 1:

,

где - температура газа на вращающейся лопатке,

t_л - температура лопатки,

t_в - температура охлаждающего воздуха.

На основании проведенного экспериментального исследования можно сделать вывод, что при резонансных колебаниях охлаждающего воздуха в каналах рабочих лопаток необходимо, чтобы на длине канала укладывалась половина длины волны (λ/2), тогда теплообмен претерпевает существенное увеличение по сравнению с условием, когда отсутствуют такие колебания.

Для подтверждения возникновения резонансных колебаний потока воздуха в охлаждающих каналах рабочих лопаток при различных способах подвода охлаждающего воздуха выполнялось измерение пульсации скорости на входе 8 в канал 5 рабочей лопатки 1 (см. фиг. 1). Измерение производилось при помощи датчика 11 термоанемометра (см. фиг. 10), рабочий элемент которого представлял собой вольфрамовую или платиновую нить диаметром 10-15 мкм и длиной L=3-3,5 мм. На фиг. 10 представлена схема установки нити датчика 11 на входе 8 в канал 5 рабочей лопатки.

Нагреваемая током нить датчика 11 (фиг. 10) включена в электрическую цепь термоанемометра (не показано) через токосъемник, усилитель-преобразователь сигналов и переключатель (патент RU №137610). Блок ввода первичных данных, датчик частоты вращения и термоанемометр подключены установочными проводами 12 (см. фиг. 6) к блоку программирования и обработки сигналов. Выход блока программирования и обработки сигналов соединен с входом индикатора (не показано). Вход канала охлаждения выполнен со стороны переднего торца хвостовика лопатки, а нагреваемая током нить датчика 11 установлена в нем радиально (см. фиг. 10) на входе 8 в канал 5 охлаждения лопатки (см. фиг. 1).

На основании экспериментального исследования, проведенного на газогенераторе ( n=8800об/ мин - об/мин),

где - степень понижения давления на турбине;

- температура охлаждающего воздуха на входе в канал охлаждения рабочей лопатки;

- средняя температура газа на рабочих лопатках турбины,

можно сделать следующие выводы:

- сочетание струйного подвода воздуха к рабочим лопаткам ГТД с возбуждением резонансных колебаний во внутренних каналах рабочих лопаток приводит к заметному увеличению эффективности охлаждения рабочих лопаток I и II сборки (см. таблицу 1);

- сравнительные испытания, выполненные на газогенераторе с равномерным подводом воздуха (III сборка) и пульсационной подачей воздуха (I и II сборки) при условии, когда на длине канала 5 рабочей лопатки 1 укладывается половина длины волны, показали, что при одинаковых параметрах работы относительное увеличение эффективности охлаждения θ составляет 55% (см. таблицу 1);

- влияние способа подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам на увеличение относительной эффективности охлаждения подтверждаются также прямыми измерениями пульсации скорости на входе в рабочие лопатки (см. фиг. 4).

Способ охлаждения рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя включает отбор охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку в аппарат закрутки, выполненный на статоре напротив диска турбины и последующий подвод охлаждающего воздуха из аппарата закрутки во вращающийся канал каждой рабочей лопатки. Через сопла кольцевого аппарата закрутки, равнорасположенные по окружности тангенциально с поворотом в направлении вращения турбины соосно входу в гладкий канал каждой лопатки, осуществляют прерывистый подвод охлаждающего воздуха. В результате периодического движения ударных волн из сопел аппарата закрутки возбуждают в каждом канале лопатки вынужденные колебания охлаждающего воздуха с частотой первой резонансной гармоники. Колебания охлаждаемого воздуха создают с частотой, определяемой условиями резонанса, скоростью звука и длиной волны по заданным соотношениям, интенсифицируя теплообмен в канале между лопаткой и охлаждающим воздухом. Изобретение позволяет повысить экономичность двигателя при сохранении надежности и увеличении ресурса двигателя. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ охлаждения рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя, включающий отбор охлаждающего воздуха из воздушной полости камеры сгорания, его транспортировку в аппарат закрутки, выполненный на статоре напротив диска турбины, и последующий подвод охлаждающего воздуха из аппарата закрутки во вращающийся канал каждой рабочей лопатки, отличающийся тем, что через сопла кольцевого аппарата закрутки, равнорасположенные по окружности тангенциально с поворотом в направлении вращения турбины соосно входу в гладкий канал каждой лопатки, осуществляют прерывистый подвод охлаждающего воздуха, в результате периодического движения ударных волн из сопел аппарата закрутки возбуждают в каждом канале лопатки вынужденные колебания охлаждающего воздуха с частотой первой резонансной гармоники, причем колебания охлаждаемого воздуха создают с частотой, определяемой условиями резонанса , со скоростью звука и длиной волны , определяемой соотношением ,
где n - число оборотов ротора турбины на установившемся режиме работы, при котором двигатель может работать неограниченное время, причем n выбирается из условия n=(0,7-0,9)n_(макс);
n_(макс) - число оборотов ротора турбины на режиме максимальной мощности;
Z - число воздухоподводящих сопел к каналам охлаждения рабочих лопаток турбины в аппарате закрутки статора;
λ - длина волны колебаний потока охлаждающего воздуха в канале;
К - показатель адиабаты для воздуха;
g - ускорение свободного падения;
R - газовая постоянная;
T_{ох.возд} - температура охлаждающего воздуха на входе в канал рабочей лопатки;
- длина канала лопатки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подвод охлаждающего воздуха из сопел аппарата закрутки осуществляют соосно на вход в канал каждой рабочей лопатки, расположенный тангенциально с поворотом относительно продольной оси двигателя на переднем торце хвостовика лопатки.