Влияние горячих и холодных потоков газа на входе в ротор турбины на тепловую нагрузку рабочих лопаток

 

Лапотко В.М., Кухтин Ю.П., Блюмин Я.И. ЗМКБ "Прогресс", г.Запорожье

 

Для надежного конструирования рабочих лопаток турбин необходим аэродинамический расчет их обтекания с учетом тепловых потоков при реальных условиях работы. В настоящей работе, на основе разработанного метода расчета нестационарных течений газа - метода отслеживания струй тока (Мост) - делается анализ влияния горячих и холодных зон поля газа на входе в ротор турбины на тепловую нагрузку рабочих лопаток.

Параметром, который определяет тепловую нагрузку рабочих лопаток, является полная температура газа в относительном движении на входе в ротор. Эта температура может значительно изменяться в окружном направлении из-за:

1) торможения среды в пограничных слоях на сопловых лопатках;

2) вдува охлаждающего воздуха на охлаждение сопловых лопаток;

3) камеры сгорания турбоустановки.

Исследуемая экспериментальная ступень турбины высокого давления двигателя Д-27 имела соответственно 28 и 64 лопатки соплового аппарата и рабочего колеса. Частота вращения колеса 19630 1/мин.

Предварительно на входе в расчетную область были получены расчетным путем эпюры полной температуры газа в относительном движении. Максимальный избыток температуры в следе из-за торможения в пограничном слое сопловой лопатки составляет ?10% от заторможенной температуры в свободном потоке.

Более существенную окружную неравномерность полной температуры перед ротором турбины вызывает вдув воздуха на охлаждение сопловых лопаток. В расчетах имеющаяся система отверстий заменялась равнозначной системой щелей. Благодаря особенностям используемого метода, каждая щель вдува охлаждающего воздуха воспроизводилась отдельной струйкой тока с заданной температурой. Для каждой щели задавались: ширина, местоположение на профиле, а также направление выдува. Величины давлений торможения в щелях подбирались такими, чтобы обеспечить приемлемое качество пленочного охлаждения сопловой лопатки при заданном суммарном расходе воздуха 7% от расхода газа по тракту.

Однако наибольшую неравномерность заторможенной температуры зачастую создает камера сгорания турбоустановки. Для того, чтобы воспроизвести камерную неравномерность, рассчитывалось обтекание соплового аппарата с заданной на входе температурной неравномерностью. Полагалось, что горячая зона располагалась посредине между входными кромками лопаток соплового аппарата в центре каждого 2-ого статорного канала и составляла 50% шага лопаток статорной решетки. Полное давление выдерживалось постоянным, а повышение температуры в горячей зоне воспроизводилось уменьшением плотности среды. Исследовался уровень теплового возмущения с отношением максимальной температуры к температуре свободного потока, равным 1.5. В исследованиях получена также эпюра полной температуры на выходе из соплового аппарата при наличии описанных выше камерной неравномерности и вдува воздуха на охлаждение сопловых лопаток.

Для проведения анализа теплового состояния рабочих лопаток рассчитывалось относительное поле течения, образующееся при обтекании сектора рабочего колеса, состоящего из 7 рабочих лопаток. При этом сектор рабочего колеса покоился, а следовая неравномерность на левой границе расчетной области двигалась снизу вверх с окружной скоростью, соответствующей рабочей частоте вращения.

В числе величин, которые характеризовали тепловую нагрузку рабочих лопаток, были приняты непосредственно осредненные (за время прохождения одного периода следа) распределения полной температуры в окружном направлении в сечении, проходящем через входные кромки исследуемых профилей, а также осредненные таким же образом распределения полных температур газа у поверхности корыта и спинки профиля.

Согласно полученным результатам, на рабочих лопатках турбин в относительном движении не происходит осреднения в окружном направлении неравномерного поля температур. Объяснение этого явления, получившего название сегрегации неравномерного потока газа на поверхностях корыта и спинки, впервые дано американскими учеными. Тем самым было дано объяснение многочисленным экспериментальным данным, полученным в ЗМКБ "Прогресс", которые фиксировали более высокую температуру газа на корыте рабочих лопаток по отношению к температуре газа на спинке. 
В наших расчетах при температуре газа на выходе из ступени Т=1340К избыток температуры газа на корыте по отношению к температуре газа на спинке в средней части профиля составляет вследствие:

пограничного слоя соплового аппарата ?10°

вдува воздуха на охлаждение соплового аппарата ?35°

заданной неравномерности камеры сгорания ?120°.

Решаемая задача существенно усложнится и потребует привлечения дополнительных вычислительных средств в случае, например, не периодической окружной температурной неравномерности камеры сгорания. Такая задача потребует рассмотрения протекания тепловых, газодинамических процессов в полностью замкнутых венцах. Ресурсы используемых алгоритмов и современных компьютеров позволяют выполнять такой анализ.

Подробнее  http://www.chat.ru/~kukhtin/index.htm.