Оценка суммарного расхода охлаждающего и потребной глубины охлаждения рабочих и сопловых лопаток

 

Относительный расход воздуха для охлаждения деталей проточной части турбины в первом приближении может быть оценен по статистическим данным, представленным на графике (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Зависимость относительного расхода охлаждающего воздуха от температуры газа перед турбиной при различных спосбах охлаждения

1 – конвективное охлаждение

2 – конвективно-пленочное охлаждение

3 – пористое и вафельное охлаждение

По значению перед турбиной оценивается относительный расход воздуха, необходимый для охлаждения лопаток, и способ их охлаждения (конвективный, комбинированный и т.д.).

По величине в %, оцениваем и сам расход воздуха, потребный на охлаждение .

В зависимости от способа охлаждения сопловых и рабочих лопаток воздух, отобранный на охлаждение из проточной части компрессора газогенератора, будет частично возвращаться в проточную часть турбины, участвуя в работе расширения. Поэтому в более детальных расчетах отбор воздуха на охлаждение и его возврат в проточную часть турбины должен учитываться в балансе расхода рабочего тела в расчетных сечения турбины. В данном расчете принимаем , где - расход газа в сечении за турбиной, а - расход газа на входе в сопловой аппарат первой ступени турбины.

В детальных расчетах многоступенчатых турбин обычно выполняют вариантные расчеты высоты сопловой лопатки первой ступени, задаваясь углом выхода потока из сопел в пределах , и выбирают наиболее эффективный вариант по КПД. Условно полагаем, что подобные вариантные расчеты выполнены, и выбран угол выхода из сопел первой ступени .

В связи с дополнительными гидравлическими потерями в охлаждаемых сопловых и рабочих решетках значения скоростных коэффициентов следует выбирать меньше, чем в неохлаждаемых при тех же углах входа и выхода потока из решеток. Обычно , а .

При конвективном охлаждении и составляют (5…7)10^-3, а при комбинированном (13…17)10^-3. В данном случае принимаем для сопловых лопаток , и

Для определения глубины охлаждения сопловых и рабочих лопаток необходимо знать температуру лопаток и их допустимую температуру.

Если число ступеней турбины газогенератора принято z = 1, то температура рабочей лопатки в корневом сечении была определена в предварительном расчете параметров компрессора и турбины (см. §1.1 п.10). При выборе z = 2 температуру рабочих лопаток первой ступени в корневом сечении удобнее определять по формуле

,

где – скорость истечения из сопел первой ступени при адиабатном расширении газа в них.

Для оценки и последующих расчетов выбираем степень реактивности первой ступени турбины. В первых высокотемпературных ступенях, учитывая их относительно небольшие высоты лопаток, желательно принять малые степени реактивности .

Выбираем

Обычно в ступенях с использованием выходной скорости величина . Выбираем для первой ступени 0,

Адиабатную работу расширения в первой ступени (по статическим параметрам на выходе) найдем по формуле

.

Тогда адиабатическая работа расширения в соплах

.

Теоретическая скорость на выходе из сопла

.

Температура рабочей лопатки

Материалов, способных длительное время работать при такой температуре, пока не имеется. Поэтому, чтобы запас прочности оказался в пределах рекомендуемых значений, лопатки потребуется охладить до допустимой температуры. Принимаем для рабочих лопаток . Тогда глубина охлаждения рабочих лопаток первой ступени составит

Максимальная температура сопловых лопаток первой ступени определяется по формуле

где в зависимости от типа двигателя неравномерность температурного поля перед сопловым аппаратом составляет . Выбираем и получаем

Принимая в качестве допустимой температуры сопел первой ступени , получим потребную глубину их охлаждения

Зная глубину охлаждения сопловых и рабочих лопаток, рассчитывается система охлаждения этих лопаток, включающая выбор способа охлаждения, определение потребного количества охлаждающего воздуха, расчет температурных полей и гидравлических сопротивлений системы охлаждения и т.д. В данной работе столь подробные расчеты системы охлаждения не проводятся.

Далее переходим к детальному поступенчатому расчету турбины газогенератора по среднему диаметру.