CC BY
117
УДК 621.438-226.2.048.7
СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ «ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ» БАНДАЖНОЙ ПОЛКИ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ ВД ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТВВД
© 2006 Ю.Г. Г орелов, В.Ф. Казуров, Н.И. Михайлов ОАО НПО «Сатурн», г. Рыбинск, ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова, г. Самара
Значительные потребные расходы воздуха связанные с необходимостью обеспечения допустимых тем -ператур бандажных полок, заставляют разработчиков турбин подойти к проблеме обеспечения требуемой эффективности охлаждения этих элементов турбин, как к чрезвычайно актуальной, острой проблеме. Цена решения данной проблемы для полок выше, чем для пера лопаток, так, при увеличении температуры газа перед турбиной на 50° дополнительные затраты на охлаждение пера рабочей лопатки ВД должны составить 0,7%, а на охлаждение полки - 1,1% .
Исследуемые в [1] антивибрационные бандажные полки НК-321, имели конструкцию отличную от конструкции газодинамических полок НК-93, конструкция этого элемента лопатки включала три гребешка с «платиками». Большая площадь и объем полки, позволяли размещать в ней более сложные каналы внутристеночного охлаждения.
В представленной работе изучению проблемы охлаждения газодинамической бандажной полки посвящены исследования различных способов конвективного и заградительного охлаждения газодинамической полки НК-93, полки спроектированной с минимальным объемом, выбранным из условий прочности, даны рекомендации по оптимизации системы охлаждения полки.
Проведенные ранее исследования [2] показали, что струйное натекание на полку сверху более эффективно и экономично, чем способ предложенный в [3, 4], в основе которого - организация воздушной завесы на внутренней поверхности бандажа. С целью увеличения эффективности способа струйного натекания на полку сверху в представленной работе исследовался способ струйного подвода под большим перепадом давления через специальные сопла в перфорированной пластине рис. 1. В работе представлены результаты сравнительного исследования двух схем подвода охлаждающего воздуха - струйного подвода под большим перепадом давления и исходного варианта с подводом через отверстия в сегментах. Сравнительное термометрирование бандажных полок с двумя этими способами охлаждения проводилось датчиками ИМТК на полноразмерном двигателе НК-93. Охлаждающий воздух в количестве 2,2% подавался из-за компрессора ВД через перфориро-
ванную пластину и соосные отверстия в сегментах под перепадом давления (я=РВХ/РВЫХ=1,73) на бандажные полки. В исходном варианте охлаждающий воздух в количестве 1,9% подавался через отверстия в сегментах 01,7 - 96отв. и 0 2,5 - 48отв. и через щели между сегментами на бандажные полки рабочих лопаток 1 ступени (р=РВХ/РВЫХ=1,125). Кроме того, в исходном варианте из верхних коробок соплового аппарата 1 ступени через отверстия выпускался воздух в количестве 0,75% для охлаждения свесов верхних полок 1 с.а., сегментов и бандажных полок 1 р.к.
Рис. 1. Схема охлаждения бандажных полок струями с высокой кинетической энергией
При сравнительном испытании датчики ИМТК устанавливались на бандажные полки со стороны газового тракта, по одному датчику со стороны спинки и со стороны корытца рис. 2.
В результате исследования получены следующие осредненные эффективности охлаждения бандажных полок с системой струйного охлаждения полок через инжек-ционные сопла при большом перепаде дав-
лений - 6б/п=0,25; с исходной системой подвода воздуха через отверстия в сегментах 01,7 и 0 2,5 - 6б/п=0,115.
Рис. 2. Эффективность охлаждения полок по варианту 5 по сравнению с исходным вариантом (осреднение по трем лопаткам)
Таким образом, система подачи дискретными струями с высокой кинетической энергией позволяет получить более высокую эффективность охлаждения по сравнению со штатной системой подвода через отверстия в сегментах. Разница в эффективностях охлаждения приведенных выше систем составляет /п =6б/пструйн -6б /писх = °,135-
Это эквивалентно снижению температуры полки на взлетном режиме ~ на 80° по сравнению с исходным вариантом охлаждения.
Традиционный для двигателей СНТК им. Н.Д. Кузнецова способ струйного охлаждения бандажных полок сверху (для НК-93
- через перфорированную пластину) позволяет обеспечивать требуемое тепловое состояние полок до Тг равной 1620...1630К при расходах воздуха на охлаждение полки 2,2...2,3%. По результатам анализа испытаний НК-93 и данным [1] способ струйного охлаждения сверху при Тг =1680... 1700К потребует увеличения расхода воздуха на охлаждение полок до 3...3,1%.
С целью поиска более экономичных
❖
средств обеспечения уровня Тг « 1680К было исследовано комбинированное охлаждение: способ струйного натекания воздуха, на
полку сверху в количестве 2,2% в сочетании с одним из дополнительных вариантов охлаждения .
Вариант 1 - исходный вариант со струйной подачей сверху на бандажную полку через инжекционные сопла.
Вариант 2 - с увеличенным диаметром передних противопылевых отверстий с 0 0,60,1мм до 0 0,80,1мм на рабочей лопатке №1 и до 01,00,1мм на рабочих лопатках №2 и №3 рис. 3.
Выдув хлада -гента для об -дува переднего гребешка
Рис. 3. Вариант заградительного охлаждения переднего гребешка
Вариант 3 - с перфорацией на корытце в подполочном сечении (6 отв. 0 0,6+0,1мм) с увеличенным до 0О,8+о,1мм диаметром передних противопылевых отверстий рис. 4.
Вариант 4 - с выпуском охлаждающего воздуха через 6 отверстий 0О,6+о,1мм в верхний торец с увеличенным до 0О,8+о,1мм диаметром передних противопылевых отверстий (рис. 4).
Вариант 5 - с конвективным охлаждением бандажной полки рабочей лопатки турбины ВД с выпуском воздуха из внутренней полости лопатки под фольгу через 6
ботІ-Фві*“'1 бтбёрсллие ф
Рис. 4. Варианты охлаждения бандажной полки с выпуском хладагента: через отверстия в подполочном сечении на корытце; с выпуском в верхний торец
отв. 0 0,6+0,1 с увеличенным до 0 0,8+0,1мм диаметром передних противопылевых отверстий рис. 5.
Вариант 6 - с перфорацией на корытце из передней вихревой матрицы и из гладкого канала, с увеличенным до 00,8+0,1мм диаметром передних противопылевых отверстий (исследованный в [1] с целью форсирования эффективности охлаждения пера, в данном случае - полки).
Наибольшие трудности вызывает охлаждение корытного свеса и корытного гребешка бандажных полок, поскольку, как показали результаты стендовых испытаний НК-93, наибольшие повреждения по результатам испытаний получала корытная часть бандажных полок. Поэтому представленные в данной работе варианты охлаждения были направлены в основном на снижение ее температуры. Сравнительное термометрирование бандажных полок с перечисленными способами охлаждения проводилось на однокаскадном газогенераторе НК-93 на режиме ТГ*=1523К; ТК*=696К; пВд = 15122 мин -1.
В результате расчетов расходов воздуха у становлено:
- по сравнению исходным Оохл.исх = 1,77% расход охлаждающего воздуха увеличился в варианте 2 (с увеличенным диаметром передних противопылевых отвер-стий) - на 0,02%, Оохл2 вар=1,8%; в варианте 3 (с перфорацией на корытце в подполочном поперечном сечении и с увеличенным диаметром передних противопылевых отверстий) - на 0,18%, Оохл2 вар = 1,95%; в варианте 4 (с выпуском воздуха через 6 отверстий в верхний торец лопаток и с увеличенным диаметром передних противопылевых отверстий) - на 0,21%,
^охл=1,98%; в варианте 5 (с конвективным охлаждением бандажной полки и с увеличенным диаметром передних противопылевых отверстий - 0,15%, Оохл2 вар=1,92%; в варианте 6 (с перфорацией на корытце из передней вихревой матрицы и из гладкого канала, с увеличенным диаметром передних противопылевых отверстий) - на
0,35%, °охл.2 вар =2,12%.
По результатам расчета эффективность охлаждения «газодинамических»
бандажных полок рабочих лопаток турбины В ДНК-93:
Рис. 5. Вариант с конвективным охлаждением бандажной полки (6 отв. в верхнем торце полки для выпуска воздуха согласно рис. 5)
1. При подаче охлаждающего воздуха к бандажной полке по исходному варианту 1 составляет 0,162 со стороны корытца и 0,216 со стороны спинки, средняя по спинке и корытцу - 0,189 при расходе охлаждающего воздуха 1,77%.
2. При охлаждении полок по варианту
2 эффективность охлаждения корытного свеса полки выше, чем в исходном варианта на Д0кор=0,05. Увеличение диаметра противо-
- гл 1+0,1
пылевых отверстий до 01 не привело к заметному изменению эффективности охлаждения спинного свеса полок. Повышение эффективности охлаждения корытного свеса на Д0кор=0,05 эквивалентно снижению его температуры на Д1кор=34°. Расход охлаждающего воздуха при этом составил
Оохл =1,8%.
3. При охлаждении полок по варианту
3 эффективность охлаждения полки составляет с корытца - 0,21, со спинки - 0,233, средняя эффективность охлаждения полки по спинке и корытцу - 0,222 при расходе воздуха Оохл=1,95%. Повышение эффективности охлаждения корытного свеса на Д0=0,048 и спинного - на Д0=0,017 эквивалентно снижению температуры - на Д1=34° и Д1=12°. Как показали эксперименты увеличение диаметра последнего шестого отвер -стия от входной кромки до 0,7...0,8мм позволяет увеличить эффективность охлаждения корытного свеса до - 0кор =0,238, спинного свеса - до 0сп =0,216, что позволило увеличить 0кор на 0,076 при незначитель -ном увеличении Оохл на ДО =0,18%, что эквивалентно снижению температуры
корытного свеса на At=54o. Увеличение диаметра добавочного противопылевого отверстия с торца бандажной полки до 0,7...0,8 мм приводит к увеличению эффективности охлаждения спинного свеса на A0=Q,Q52 и снижению его температуры на At=37o.
4. При охлаждении бандажных полок по варианту 4 с выпуском охладителя через отверстия в торце бандажных полок эффективность охлаждения полок составляет со стороны корытца - 0кор =0,221, со стороны спинки - 0сп=0,21, что эквивалентно увеличению эффективности охлаждения корытного свеса на A0=Q,Q59 и снижению его температуры на At=42o при увеличении ^охл на Q,21%. При этом эффективность охлаждения спинного свеса практически не изменилась.
5. При охлаждении бандажных полок по варианту 5 (конвективное охлаждение) в случае, когда закрыты 2-е и 3-е отверстия от входной кромки рис. 5 эффективность полок составляет со стороны корытца -вкоp.=Q,19б, со стороны спинки - 0сп =Q,21б. Taкой способ охлаждения приводит к увеличению 0 корытного свеса на Aв=0,034 или снижению его температуры на At=24o при увеличении расхода охлаждающего воздуха на AG =Q,Q9%. В случае раскрытия всех шести отверстий согласно рис.77, 78 эффективность охлаждения корытного свеса составляет вкор=0,238, спинного -всп=0,258 при увеличении Оохл на AG =0,15%. По сравнению с исходным вариантом эффективность охлаждения корытного свеса увеличилась на Aвкоp =0,07б, спинного свеса - на Aв=0,042. Это эквивалентно снижению температуры корытного свеса на At=54°, спинного свеса - на At=29°.
По результатам исследований установлено, что наиболее эффективным способом охлаждения бандажных полок является конвективное внутристеночное охлаждение и охлаждение с помощью отверстий перфорации на корытце в подполочном сечении при AG всего 0,15% и
0,18%, соответственно, температура полки снижается с корытца на 54o в обоих способах, со спинки - на 29o и 12o, соответственно для двух способов. ^к показали
предварительные оценки, аналогичный результат при применении, например традиционного способа (вариант 1) может быть получен лишь при дополнительных затратах воздуха в 1...1,5% (относительно исходного расхода 2.2,2% полученного с инжекцион-ными соплами на НК-93). Высокая эффективность внутристеноч-ного конвективного охлаждения и охлаждения с помощью отвер -стий в подполочном сечении обуславливает интерес к этому способу, как к средству обеспечения работоспособности бандажных полок высокотемпературных двигателей НК-93 и НК-44 с минимальными затратами (увеличение А 6 на 0,1 - повышает допустимую
*
ТГ на 4%). Успешное внедрение способа конвективного внутристеночного охлаждения возможно при решении технологических проблем запыления каналов в эксплуатации, внедрение способа охлаждения с помощью отверстий перфорации на корытце в подпо-лочном сечении - после прочностных испытаний в модельных условиях.
Наиболее простым в технологии изготовления является вариант дополнительного охлаждения с выпуском охладителя в верхний торец при сравнительно неплохих результатах повышения эффективности охлаждения корытного свеса бандажных полок по сравнению с исходным вариантом - на А6кор =0,059 и практически неизменной эффективности охлаждения спинного свеса. В настоящее время данный вариант внедрен на рабочих лопатках турбины ВД - НК-93, что позволяет успешно проводить стендовые испытания двигателей НК-93 при ТГ »1620.1630К и эксплуатировать двигатель НК-38СТ с «газодинамической» бандажной полкой в течение межремонтного ресурса
Список литературы
1. Ю.Г. Горелов, И.С. Копылов, А.С. Матвеев. Комбинированный способ охлаждения бандажных полок рабочих лопаток высокотемпературных турбин // Изв. вузов. Авиационная техника. 1999. №2. С. 37-40.
2. Ю.Г. Горелов, И.С. Копылов, А.С. Матвеев, Д.А. Якушков. Результаты исследования эффективности струйного охлаждения бандажных полок рабочих лопаток высокотемпературных турбин // Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. №2. С. 99-102.
3. Богомолов Е. Н. Исследование эффективности струйной завесы бандажных полок
рабочих лопаток газовой турбины // Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов/ КАИ. Казань, 1985. с. 34-41.
4. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей / В.И. Локай, М. Н. Бодунов, В. В. Жуйков, А. В. Щукин. М.: Машиностроение, 1993. 288 с.
THE COOLING MEANINGS FOR "GASODYNAMIC" BENDING SHROUD OF WORKING BLADE FOR A HP TURBINE FROM TURBOFAN ENGINE WITH HIGH
GAS TEMPERATURE
© 2006 Y.G Gorelov, V.F. Kazurov, N.I. Mihailov
JSC "NPO SATURN", Rybinsk, JSC "SNTK named after N.D. Kuznetsov", Samara
The cooling meanings for "gasodynamic" bending shroud of working blade for a HP turbine are considered. Its analysis is made from the view point of cooling efficiency and adaptability to manufacture.
