Охлаждение турбин

1.

ОХЛАЖДЕНИЕ ТУРБИН
Цель охлаждения – снизить температуру конструкции до уровня,
при котором механические характеристики материала
обеспечивают заданный уровень прочности, надежности и ресурса.
В турбине охлаждаются следующие основные элементы:
Лопатки (сопловые и рабочие) Диски Опоры
ОХЛАЖДЕНИЕ ЛОПАТОК
Тг,оК
1600
ьн
нт а л
1400
1200
Без
охлаждения
ые
име
р
е
п
е
эк с
н ны и е
е
о
В
нс к
а
д
ж
Гра
1000
800
1950
60
70
80
90
00 годы
Высокие значения Тг достигаются
Увеличением жаропрочности
материала
Получением литой
монокристаллической лопатки
Применением покрытий
Применением охлаждения
НЕДОСТАТКИ ОХЛАЖДЕНИЯ
Однако воздушное охлаждение деталей турбин сопровождается
дополнительными потерями, вызываемыми выпуском
охлаждающего воздуха в проточную часть турбины,
особенно его утечками, а также конструктивными изменениями
проточной части (утолщение профиля лопатки СА и РК,
введение коммуникаций подвода и т.д.).

2.

ТЕМПЕРАТУРА ГАЗА ПЕРЕД ТУРБИНОЙ
ГТД РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
ТГ, К
Д-103
2100
Д-102К
Р-29-Б300
АЛ-21Ф-3
700
1940
НК-12МК
ТВ3-117ВМ
ТВ2-117А
ПС-90П
ПС-90А-12
Д-436Т2
ПС-90АМ
ПС-90А-76
ПС-90А-154
Серийные
Опытные
АИ-222-25
Д-110
НК-44
Д-27
РД-33(3С)
НК-93
НК-110
Р195
ТВД-10Б
Д-436ТП
Д-30КУ-90
Д-30-3С
Р95Ш
РД-38А
ТВ7-117В
Проектные
ВК-1500
НК-8-2У
ТВ7-117К
ТВ7-117ВМА-СБМ
АИ-25
РУ19-300
РД36-35Т
Р11Ф2С-300
РД-7М2
Р11К-300
Р11Ф-300, НК-8
ГТД-3Ф
АИ-20, ГТД-350
Р13-300
Р15Б-300
ВД-19
ТВ3-117
ТВ-0-100
НК-86А
Двигатели:
АИ-222-28
Д-436Т1
Д-30КП-2С
ВКС-800В
НК-86
НК-8-4К
Д-30КУ-154
АЛ-21Ф
Х-27-2005А
Д-727М
ТВ7-117ВК
РД-41
РД-38
НК-123ВР
Уравнение тренда
2
4
4
y a b x
ТВ2-117
АИ-24
ВД-7Б
АЛ-7Ф-1, Р-11-300
АЛ-7Ф-2
Д-25В
ВД-7
АИ-20
РД-3М
ВД-7
ВК-7
ВД-5
НК-8-5И
АИ-25ТЛ
АЛ-7ПБ
ВК-3
НК-8-4
Р21Ф-300
ВКС-800 РД36-41
Д-30КУ-2С
РД36-51В
АИ-20М
НК-4
РД-9Б
НК-12
ВК-1Ф
АМ-3
АМ-5
РД36-51
НК-144А
Д-20
НК-4А
ТР-3
ВК-2
ТВ-2Ф
РД-10
ТР-1
012Б
АЛ-5
РД-1
АШ-РД-100
900
АЛ-31Ф
РД-33
ДВ-2
003С
С-18
РД-38
НК-23
НК-12МВ
АМРД-020
1100
ТВ-022
ВК-1
РД-45
РД-500
АМТКРД-01
Д-18Т
Д-136
Д-20П
1300
ПС-90А
НК-114
Д-100
НК-104А
ТВ7-117
НК-144В
Р27В-300
ВК-15Б
НК-6
НК-22М
1500
Д-36
Д-21
ВК-13
Д-30КП-1С
КР-7-300
НК-108
Д-30КУ-1С
Р25-300, Р11Ф2С-300
Р35-300
ТВа-3000
НК-25
Д-30-1С
НК-56
Р79В-300
Р29-300
1700
Д-30Ф6
НК-144-22
НК-32
НК-22
РД36-35РВ
АЛ-37Ф
Р-27ФМ-300, Д-30-2С, Рд-36-51А
АИ-22
1900
a4=-7,2738·103
b4=2,2119358·10-3
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
годы

3.

ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ ОХЛАЖДЕНИЯ
Тг
*
1.Достаточная эффективность
Т охл
*
Тл
Т Тл
*
Т Т охл
*
г
*
г
*
г
Т ,Т л ,Т
*
охл
- соответственно температура газа перед
ступенью, материала лопатки и
охлаждающего воздуха
2 Стабильность и надежность охлаждения в течение всего ресурса
3 Минимальная разность температуры по профилю лопатки.
Сложная форма профиля не позволяет охлаждать его равномерно.
Поэтому на кромках появляются термонапряжения,
особенно на переходных режимах. Стремятся, чтобы Т 150…200К.
4 Минимальный расход воздуха на охлаждение.
5 Минимальная температура охладителя.
6 Минимальные потери давления и хладоресурса
при транспортировке охлаждающего воздуха.

4.

СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Существуют два способа охлаждения
• Конвективный
• Заградительный (пленочный)
Конвективное охлаждение заключается в отборе тепла с окружающей
поверхности. Реализуется пропусканием воздуха по каналам внутри
тела лопаток. При этом увеличивается скорость протекания охладителя.
Эффективность такого охлаждения можно поднять за счет
Увеличения площади охлаждающей поверхности
2 Применением
ребер
1 Штырьками
1,5...2
Такие схемы увеличивают глубину охлаждения,
но возрастает неравномерность температур
по профилю лопатки до 200 градусов

5.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВСТАВНОГО
ДЕФЛЕКТОРА
Достоинства
• Обеспечение равномерной температуры
по сечению лопатки
• Возможность дифференцированного охлаждения
участков лопатки по длине
• Используется как демпфер
Недостатки
• Форма дефлектора зависит лимитируется
размерами хвостовика лопатки
• Износ по контактирующим поверхностям

6.

КАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
Достоинства
Петлевая схема
Простая
технология
Недостатки
Значительная
неравномерность
температуры
Схемы отличаются выходом охлаждающего воздуха

7.

ВИХРЕВАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
Является наиболее эффективной
для современных двигателей. Здесь в качестве
поверхности теплообмена внутри лопатки
использованы вихревые матрицы
с перекрещивающимися каналами.
Одно направление движения воздуха организовано
между внутренними ребрами на спинке лопатки,
а перекрестное – между ребрами на внутренней
стороне корытца лопатки.
Глубокое охлаждение стенок лопатки
достигается за счет:
• образования вихрей на свободной поверхности
перекрещивающихся потоков
охлаждающего воздуха
• использования каналов
с малым гидравлическим диаметром
• развитой поверхности теплообмена

8.

КОНВЕКТИВНО-ПЛЕНОЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
Конвективно-пленочное (заградительное охлаждение) заключается в
создании слоя воздуха, обтекающего поверхность лопатки и постоянно
подпитываемого через отверстия или каналы в теле лопатки. При этом
на пути теплового потока образуется барьер в виде пленки воздуха с
пониженной температурой. достоинства
• повышенная равномерность распределения температуры в лопатке
при одновременном увеличении глубины охлаждения.
• удобство реализации –выполняется перфорацией
на существующей конструкции
Недостатки
• отверстия снижают усталостную прочность
• ухудшение теплотехнических и гидравлических характеристики
из-за засорения перфораций в процессе длительной эксплуатации

9.

СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК

10.

11.

ВЫБОР МЕСТА ОТБОРА ВОЗДУХА
И ЕГО СПОСОБА ЕГО ТРАНСПОРТИРОВКИ
При этом должно выполняться условие, при котором
давление Р с учетом потерь было бы на 5…8% больше давления Рл
на поверхности лопаток в месте расположения выходных каналов:
Р Рл на 5…8%
Желательно, чтобы температура
охлаждающего воздуха была
минимальной. Выбор номера
ступени компрессора для
отбора воздуха на охлаждение
производится именно
из этих соображений.
Поэтому лопатки турбины ВД
охлаждаются вторичным воздухом
камеры сгорания.
ПОДВОД ВТОРИЧНОГО ВОЗДУХА
ЧЕРЕЗ СОПЛОВОЙ АППАРАТ

12.

ОХЛАЖДЕНИЕ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА
Снижение температуры охлаждающего воздуха позволяет
поднять эффективность системы охлаждения
Используются три основных способа
Подвод через теплообменник
Использование подкручивающей решетки
Впрыск воды
Подвод через теплообменник
Он применяется в тех случаях, когда двигатели эксплуатируются
на больших сверзвуковых скоростях полета и температура воздуха,
используемого для охлаждения, значительно возрастает.
Для снижения этой температуры и используется теплообменник.
Охладитель в теплообменнике – воздух от воздухозаборника, из-за
вентилятора или топливо. Если скорость полета М 2,2, то необходимо
применение специального турбодетандера для охлаждения воздуха.

13.

ТЕПЛООБМЕННИК ТРДДФ АЛ-31Ф
ВОЗДУХ ВТОРОГО
КОНТУРА
ВХОД ВОЗДУХА
В ТЕПЛООБМЕННИК
ПОДАЧА
ОХЛАЖДЕННОГО
ВОЗДУХА В СА

14.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ПОДКРУЧИВАЮЩИХ РЕШЕТОК
В последнее время нашли широкое применение
специальные подкручивающие решетки для охлаждения
охлаждающего воздуха. В них используются суживающие каналы,
в которых происходит ускорение потока воздуха,
за счет чего и повышается эффективность охлаждения
ПОДКРУЧИВАЮЩАЯ
РЕШЕТКА
СУЖИВАЮЩИЙСЯ
КАНАЛ РЕШЕТКИ

15.

ВПРЫСК ВОДЫ
Снижение температуры воздуха происходит за счет ее испарения.
Воздух можно охладить не менее, чем на 30 градусов.
Метод перспективен, но требует иметь на борту летательного аппарата
достаточный запас дистиллированной воды.
Частичное отключение подачи охлаждающего воздуха
На высотах 11-18 км, где двигатели транспортной авиации вырабатывают
Основную часть своего ресурса, температура воздуха находится в
диапазоне от минус 40 до минус 60 градусов Цельсия, поэтому
может быть произведено частичное отключение подачи воздуха.
Однако для этого необходимо иметь клапана различной конструкции
С соответствующими приводами.

16.

ОХЛАЖДЕНИЕ ДИСКОВ
Диски турбины во время работы подвергаются действию центробежных
сил от собственных масс и масс лопаток, крутящего момента,
перепада давлений и неравномерности нагрева.
При организации охлаждения дисков
решаются две задачи:
• Отвод тепла от тела диска
• Уменьшение неравномерности нагрева,
снижение теплоперепада между
ободом и ступицей, который определяет
уровень термических деформаций
и напряжений диске
Диски первых ступеней турбины
имеют температуру обода
600-900 градусов Цельсия и ступицы
300-600. градиент температур может
составлять 200-300 градусов.
При запуске двигателя обод нагревается быстрее, чем массивная ступица
и для достижения стационарного градиента температур (прогрев диска),
необходимо достаточно длительное время. Так рабочие лопатки и обод
прогреваются в течение 2-6 секунд, а массивная ступица прогревается
за 20-40минут, за счет чего и возникают дополнительные
термические деформации.

17.

СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
В ОБОД ДИСКА
достигается
• продувкой охлаждающего воздуха через зазоры в замках елочного типа;
• теплоизоляцией обода путем введения в конструкцию рабочей
лопатки полки хвостовика и ножки

18.

СХЕМЫ ПОДВОДА
ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА К ДИСКУ
подвод
с дефлектором на диске
(НК-8)
подвод
подвод
с двумя дефлекторами с невращающимся
на диске (НК-56)
дефлектором (RB432)
Вращающиеся дефлекторы
Невращающийся
дефлектор