Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Топливная экономичность газотурбинных двигателей и перспективы их широкого применения в Энергетике в значительной степени определяется повышением начальных параметров цикла, прежде всего температуры газа перед турбиной.
Несмотря на достижения в создании жаропрочных материалов, охлаждение высокотемпературных газовых турбин и, в первую очередь сопловых и рабочих лопаток, как деталей, подверженных наибольшему тепловому и силовому воздействию, является главным направлением в освоении высоких температур в газотурбинных двигателях, большой вклад в развитие данного научного направления внесли работы АПО 'СОЮЗ". ВТИ, ГНПП "ТРУД", КАИ, ЛНПО, ЛПИ, МАИ, МЭИ, РКБМ, ТМКБ "Союз", ЦИАМ, ЦКТИ и других организаций.
В находящихся в эксплуатации ГТД охлаждение лопаток преимущественно осуществляется воздухом, отбираемым из компрессора, который проходит по системе внутренних каналов и выходит в проточную часть турбины.
Применение такой системы заставляет заботиться о рациональном использовании охлаждающего воздуха, так как, чем больше его расход, тем меньше выгода от повышения температуры газа, поступающего в турбину. Эта выгода также будет уменьшаться с увеличением гидравлических потерь, вызванных введением охлаждения. Поэтому одной из основных задач, возникающих при увеличении температуры газа перед турбиной, является создание такой высокоэффективной конструкции лопатки, на охлаждение которой расход воздуха при прочих равных условиях был бы наименьший, а ее аэродинамическое совершенство наибольшим, т.е. приближалось или не уступало бы достигнутому в неохлаждаемых лопатках.
При проектировании высокотемпературного ГТД приходится решать вопрос о целесообразности применения той или иной из известных конструкций охлаждаемых лопаток или разрабатывать новую. Естественно, при этом учитываются требования, предъявляемые к двигателю, его назначению, условиям эксплуатации и экономичности при требуемых габаритах и удельной массе. Это заставляет искать оптимальные конструкции охлаждаемых лопаток в соответствии с требованиями минимальных гидравлических потерь, максимальной эффективности охлаждения и запасов прочности, обеспечивающих их надежную работу в пределах заданного ресурса.
Проектирование и отработка конструкции охлаждаемых лопаток ба-
зируется как правило, на результатах обширных экспериментальных исследований, играющих важнейшую роль в достижении заданных характеристик системы охлаждения.
Экспериментальные исследования расширяют представления об особенностях процессов теплообмена, происходящих в охлаждаемых лопатках, являются источником получения данных, необходимых для совершенствования этих процессов, а также преследуют цель определения фактического теплового состояния лопаток, для оценки запасов прочности , характеризующих их эксплуатационную надежность. Кроме того, они являются основой для совершенствования методов расчетного определения температуры лопаток.
Широкое внедрение в практику газотурбостроения расчетов на ПЭВМ позволило, путем численного моделирования теплогидравлических процессов, исследовать характеристики различных схем охлаждения лопаток, проводить выбор их конструктивных параметров. Например, успешно решаются двумерные и трехмерные задачи нестационарной теплопроводности при заданных краевых условиях. Однако, точность получаемых
решений определяется не столько точностью решений уравнений, сколько точностью задания условий однозначности. При этом система уравнений, иногда чрезвычайно сложная, решается практически точно, а полученные результаты при грубом задании граничных условий приходится рассматривать лишь как качественные при анализе температурного состояния лопатки.
Таким образом, одной из актуальных проблем совершенствования схем воздушного охлаждения лопаток является создание новых высокоинформативных методов экспериментального исследования тепловых характеристик, позволяющих дополнить имеющиеся численные алгоритмы достоверными данными о граничных условиях теплообмена.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование и разработка высокоинформативного метода калориметрирования в жидкометаллическом термостате для определения локальных коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения лопаток газовых турбин.
Совершенствование с использованием данного метода систем охлаждения рабочих лопаток высокотемпературных газовых турбин авиационных двигателей и стационарных ГТУ.
Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Разработаны теоретические основы метода калориметрирования лопаток турбины в жидкометаллическом термостате,
основанного на эффекте фазового перехода высокотеплопроводных, химически чистых металлов.
-
Разработаны методики и программные средства для определения локальных коэффициентов теплоотдачи во внутренних каналах охлаждаемых лопаток по результатам их калориметрических испытаний.
-
Проведено экспериментальное исследование гидравлических и тепловых характеристик внутренних каналов охлаждаемых лопаток со сложными схемами течения воздуха.
-
Разработаны научно обоснованные рекомендации по совершенствований конструкции лопаток, в том числе реализованных в промышленности.
-
Проведены исследования каналов с перспективными интен-сификаторами теплообмена и разработаны опытные лопатки- с высокоэффективными схемами охлаждения.
1. Разработаны теоретические основы метода определения лока
льных коэффициентов теплоотдачи к охлаждающему воздуху в лопатках
газовых турбин путем их испытания в кристаллизующемся цинке. Оп
ределена разрешающая способность метода в зависимости от значения
характера внутренних граничных условий, толщины стенки лопатки,
температурного напора, коэффициента теплопроводности материала
стенки.
-
Разработана методика построения адекватной теллогидравли-ческой модели тракта охлаждения конвективно охлаждаемых лопаток, основанная на комплексном физическом и математическом моделировании тепловых и гидравлических процессов. Физическое моделирование включает разработанный метод визуализации течения воздуха в каналах лопатки, необходимый для обоснованного построения расчетной Эквивалентной гидравлической сети.
-
С использованием калориметрического метода выявлены и количественно оценены влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на температурное состояние лопаток с поперечным течением охладителя.
-
Разработаны теплогидравлические модели лопаток с полупетлевым и петлевыми схемами охлаждения, имеющими различные системы интенсификаторов внутреннего теплообмена.
-
Разработан высокоэффективный метод охлаждения входных кромок бездефлекторных лопаток турбины, основанный на взаимодействии тангенциальных струй с вогнутой поверхностью при наличии сносящего
потока и специальной системы оребрения. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
-
Разработан промышленный вариант установки с жидкометал-лическим термостатом, обеспечивающий автоматизацию процесса проведения экспериментальных исследований охлаждаемых лопаток различного типа и размеров и получения высокой достоверности результатов.
-
Создан и всесторонне апробирован метод определения тепловых характеристик охлаждаемых лопаток газовых турбин по результатам их испытаний в жидкометаллическом термостате, позволяющий разработать адекватную теплогидравлическую модель каналов охлаждения лопаток.
-
Разработано программное обеспечение для автоматизированной обработки результатов экспериментов в жидкометаллическом термостате, включающее программу ввода первичной информации с помощью сканера в память ПЭВМ, автоматическое построение расчетной геометрии лопатки, программу расчета тепловых потоков
и коэффициентов теплоотдачи, а также программу проверки адекватности теплогидравлической модели.
4. Использование предложенного метода позволило:
разработать рекомендации по повышению эффективности охлаждения серийно изготавливаемых лопаток, которые были использованы предприятиями;
выполнить исследования тепловых и гидравлических характеристик лопаток с перспективными схемами охлаждения;
провести оптимизацию охлаждаемых лопаток обеспечивающую снижение температуры наиболее теплонапряженных участков их профильной части.
Апробация предложенного метода проводилась в процессе создания и отработки конструкции лопаток авиационных двигателей самолетов МИГ-29, СУ-27. ЯК-49, МИГ-23. ЯК-38. газотурбинных установок КТН-25, "Балтика".
Метод и установка для его реализации внедрены в следующих организациях: ТМК5 "Союз", АПО "Союз", ЛНПО им.В.Я. Климова. НПО ЦКТИ им. И.И.Ползунова, РКБМ, ГО "Невский завод". ГНПП "Труд", ХЛИ, ПО "Машпроект".
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации доложены и обсуждены: на Всесоюзных, Межотраслевых, отраслевых и республиканских конференциях, совещаниях, семинарах; на научно-технических семи-
нарах отраслевых и учебных институтах; сессии комиссии "Газовых турбин" РАН.
Установка и технология калориметрических испытаний демонстрировалась на ВДНХ СССР. Соискатель награжден тремя серебряными и одной бронзовой медалью.
ПУБЛИКАЦИИ. Материалы диссертации изложены в монографии "Тепловые и гидравлические характеристики охлаждаемых лопаток газовых турбин"; в 23 статьях. Получено 12 авторских свидетельств на изобретение, относящихся к теме диссертации.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав текста, общих выводов, списка литературы из 168 наименований и приложения. Она содержит 217 страниц машинописного'текста, 15 таблиц и 121 рисунков.