автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Разработка метода определения локальных коэффициентов теплоотдачи в лопатках газовых турбин и совершенствование их систем охлаждения

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

* ' ^ О Л На правах рукописи

-о и ¡и

ШЕВЧЕНКО Игорь Владимирович

УДК 629.7.036.3:621

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ В ЛОПАТКАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ

Специальность: 05.14.05 - теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва,

1995 г.

Работа выполнена на кафедре "Двигатели летательных аппаратов и теплотехника" Московского государственного авиационного технологического университета им. К..Э.Циолковского.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Емин Олег Наумович; доктор технических наук, профессор Богомолов Евгений Николаевич; доктор технических наук, профессор Ерошенко Владимир Михайлович.

Ведущее предприятие - Рыбинское конструкторское бюро машиностроения.

Защита состоится /3" х/ 1995 г. часов на заседании диссертационного Совета ДР 053.04.09 в Московском государственном авиационном институте по адресу: 125871, Москва, Волоколамское шоссе, 4 .

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Автореферат разослан " 2 •• ОслъЯЛбЛ' 1995 г.

Отзывы в 2-х экземплярах (заверенные гербовой печатью) просим высылать по адресу: 125871, Москва, ГСП, А-80, Волоколамское шоссе, дом 4 .

Ученый секретарь Совета, к.т.н., доцент, с.н.с.

Неверов А.С.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

2. Разработаны методики и программные средства для определения локальных коэффициентов теплоотдачи во внутренних каналах охлаждаемых лопаток по результатам их калориметрических испытаний.

3. Проведено экспериментальное исследование гидравлических и тепловых характеристик внутренних каналов охлаждаемых лопаток со сложными схемами течения воздуха.

4. Разработаны научно обоснованные рекомендации по совершенствований конструкции лопаток, в том числе реализованных в промышленности.

5. Проведены исследования каналов с перспективными интен-сификаторами теплообмена и разработаны опытные лопатки- с высокоэффективными схемами охлаждения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Разработаны теоретические основы метода определения локальных коэффициентов теплоотдачи к охлаждающему воздуху в лопатках газовых турбин путем их испытания в кристаллизующемся цинке. Определена разрешающая способность метода в зависимости от значения характера внутренних граничных условий, толщины стенки лопатки, температурного напора, коэффициента теплопроводности материала стенки.

2. 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.

3. С использованием калориметрического метода выявлены и количественно оценены влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на температурное состояние лопаток с поперечным течением охладителя.

4. разработаны теплогидравлические модели лопаток с полупетлевым и петлевыми схемами охлаждения, имеющими различные системы интенсификаторое внутреннего теплообмена.

5. 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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

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". ХПИ, 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.

I!. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована актуальность работы и ее цель, изложены новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе рассмотрены конструктивные схемы охлаждаемых лопаток, дана их классификация по направлению течения охладителя и процессам теплообмена. Освещены некоторые вопросы относящиеся к технологии изготовления охлаждаемых лопаток. Приведены экспериментальные данные по эффективности их охлаждения и степени отличия температуры различных участков профильной части.

Описаны способы интенсификации теплообмена между охлаждающим воздухом и поверхностью лопатки, характерные для рассмотренных конструкций. Показана целесообразность применения той или иной схемы лопатки в зависимости от величины температуры омывающего газа и условий эксплуатации двигателя.

Рассмотрены особенности применяемых на турбинах авиационных двигателей конструктивных схем охлаждаемых лопаток и пути повышения эффективности их охлаждения. Показано - большое значение для решения этой проблемы имеет дальнейшее совершенствование методик расчета их теплового состояния. Приведен обзор применяемых методик. Разумеется, применение любой из них сводится к решению задачи теплопроводности, а для этого, как известно, необходимо располагать кроме сведений о форме и размерах лопатки, данными о теплофизических свойствах материала, из которого изготовлена лопатка и участвующих в тепло-

s

обмене сред, а также граничными условиями теплообмена.

Существующие методики расчетного определения коэффициентов теплоотдачи от газа к лопатке, а также критериальные зависимости, полученные в результате обработки экспериментальных данных, позволяют достаточно обоснованно, особенно для конвективно охлаждаемых лопаток, задавать их значения вдоль обвода профиля лопатки. Это относится и к определению коэффициентов теплоотдачи от воздуха к внутренней поверхности лопатки. Однако, они пригодны при тепловом расчете лопаток, имеющих конструкцию внутренней полости или ее элементов, а также схему течения охладителя подобные тем, для которых они определялись. Эффективность охлаждения лопаток достигается, главным образом, за счет интенсификации внутреннего теплообмена, а это, как правило, влечет за собой изменение формы и размеров элементов и их сочетаний во внутренней полости лопатки, сопровождаемое изменением характера течения охлаждающего воздуха. Поэтому, для совершенствования конструкций охлаждаемых лопаток и определения их температурного состояния необходимо решать проблему достоверного определения граничных условий теплообмена в каналах охлаждения лопаток. Непрерывное повышение начальных параметров цикла ГТД приводит к уменьшению абсолютных размеров охлаждаемых лопаток, что дополнительно усложняет проблему определениясЬв. Это происходит в силу того, что даже реализация достаточно исследованной конструктивной схемы внутренней полости в лопатке меньших размеров как правило требует уточнения <<3 и преодоления ряда технологических трудностей.

Все это потребовало создания новых методов определения граничных условий теплообмена во внутренней полости охлаждаемых лопаток, которые позволяли бы решать эту задачу непосредственно на реальных (натурных) лопатках.

Таким методом является метод калориметрирования в жидко-металлическим термостате, предложенный академиком А. М.Люлька и профессором Н.Н.Галкиным. Его разработке и совершенствованию для исследования тепловых характеристик охлаждаемых лопаток газовых турбин и посвящена настоящая работа.

В диссертации показана возможность определения количества теплоты отводимой от охлаждаемой поверхности по количеству образованной твердой фазы в системе "расплав - твердый металл", которая обусловлена благоприятными характеристиками отвердения чистых металлов.

Любой процесс кристаллизации можно условно разделить на три стадии: переохлаждение расплава, зарождение кристаллов, и их рост.

При гомогенном зарождении центров кристаллизации, в рамках теории гетерогенных флуктуаций, скорость зарожденияг*^и линейная скорость роста кристаллов соответственно, определяются выражениями:

Хл-СЮ(-£)ехр[ --^г] (!)

Ъ=с4е*р(-£)«/>[ (2)

Здесь С,.* - константы, - энергия активации,^ - газовая постоянная;^, - удельная поверхностная энергия и коэффициент

поверхностного натяжения на границах двумерного зародыша; 7° -температура расплава в зоне зарождения кристаллов;-величина переохлаждения расплава; - температура кристаллизации расплава.

Как следует из уравнения (1-2) отвердение расплава на теп-лообменной поверхности возможно при наличии определенного переохлаждения расплава дТ. Когда речь идет об охлаждении лопатки, величина переохлаждения тесно связана со значением теплового потока, отводимого воздухом.

Распределение температуры в зоне отвердения имеет вид показанный на рис. 1. В зоне отвердения расплава температура имеет более высоко значение, за счет выделения теплоты кристаллизации. Принимая линейное распределение температур по твердой корке металла и в зоне переохлаждения до сечения соответствующего среднему значению температуры можно записать:

ТО-Тка. - Тп ~ Ъг

&/А*с " Л'/Я, (3)

аТ-ЪР-ТО'ГО-Т*,'-^.} (4)

Как видно, переохлаждение аТ определяется интенсивностью

теплоотвода и зависит от теплопроводности жидкой фазы. Кроме этого, на величину лТ влияет тепловыделение при фазовом переходе, что в зависимости (4) характеризуется величиной <£> .

Из анализа процессов зарождения и роста кристаллов следует, что в зависимости от физико-химических свойств расплава процесс его отвердения может определяться как интенсивность« отводимого тепла, так и кинетикой кристаллизации, или ими обеими.

В диссертации показано, что, так как в расплавах чистых металлов атомы обладают большей подвижностью, имеют симметричное расположение, а их активация мала по сравнению с энергетическим барьером образования зародышей, то скорость образования кристаллов определяется только возрастающей ветвью функции

поэтому с увеличением дТ скорость образования кристаллической фазы и линейная скорость перемещения границы раздела фаз также повышаются. Поскольку кристаллизация чистых металлов сопровождается значительным тепловыделением, что , как правило, препятствует переохлаждению в зоне отвердения более чем на доли градуса, то скорость нарастания корки однозначно определяется интенсивностью отвода тепла от границы раздела фаз. Данный эффект является основой метода калориметрирования в жидкометал-лическом термостате.

В диссертации также показано, что свойства чистых металлов позволяют рассматривать процесс кристаллизации исключительно как тепловой, т.е. процесс с выделением теплоты фазового перехода при температуре кристаллизации без учета кристаллического строения металлов. Поэтому, количество выделенной при кристаллизации теплоты, и, соответственно, теплоты отведенной охладителем можно контролировать по толщине металлической корки образующейся на охлаждаемой стенке.

На основании проведенного анализа проблемы совершенствования охлаждаемых лопаток газовых турбин были сформулированы цель работы и задачи, решение которых необходимо для ее достижения.

Во второй главе диссертационной работы разрабатываются теоретические основы метода калориметрирования в жидкометалли-ческон термостате для определения локальных коэффициентов теплоотдачи в лопатках газовых турбин со сложными схемами охлаждения.

Проведен анализ факторов, определяющих процесс затвердевания расплава металла на наружной поверхности стенки лопатки

при ее охлаждении воздухом. Установлено, что при значениях критерия Био

В«, г «1

ЛИ

где Ак. - коэффициент теплопроводности и толщина корки металла, относительная интенсивность охлаждения стенки лопатки определяется зависимостью:

В£ - ГЛ-2Ви/ВигЬ(&и/Виг)г(28г1-1) ге,

ЛУРХ-Сх . у >6

Х^тСет • п) (6>

Здесь Ро - критерий Фурье; - критерий Био, подсчитанный С использованием значений толщины стенки лопатки и Дет коэффициента ее теплопроводности;^* , с* и , Сет-плотность и теплоемкость корки и стенки, соответственно; I -теплота кристаллизации металла.

При одновременном выполнении условия 8;к<<1 и В^т« 1 зависимость (5) может быть преобразована к виду

д.- - . -6*1. Ви/Вйст

Вгст~ пЧЧШШ^ <7)

Данному выражению в размерной форме соответствуют уравнения, являющиеся основными расчетными зависимостями метода калори-метрирования

л ~ А

Шк

(Г .р-Т8)г

Лет/

-1

(9)

где 7 - время в течении которого через внутреннюю полость лопатки пропускается охлаждающий воздух.

В эти уравнения входит только величина термического сопротивления стенки и не учитывается теплота аккумуляции стенки и корки.

В реальном процессе время кристаллизации слоя металла на поверхности лопатки будет отличаться от времени течения воздуха в каналах лопатки Т. на величину "Г\ равную времени выхода системы "стенка - расплав" на режим кристаллизации. При этом величина т' определяется интенсивностью теплообмена между стенкой и воздухом, температурным напором (Тст - Ткр), теплофи-зическими свойствами материала лопатки и расплава, а также величиной переохлаждения расплава непосредственно у стенки (отличие его температуры от Ткр), определяющим скорость зарождения и роста кристаллов. Для химически чистых металлов величина переохлаждения не превышает 0,5 - 1,0 К.

В диссертации сформулирована и аналитически решена задача определения т', как нахождения промежутка времени за который температура поверхности стенки со стороны расплава понизится от ее начального состояния (То = Ткр) на величину переохлаждения дТ , если с некоторого момента времени стенка начинает охлаждаться воздухом, причем его температура и коэффициенты теплоотдачи остаются постоянными. С использованием полученной в результате решения зависимости показано, что при испытаниях охлаждаемых лопаток время выхода системы "стенка - расплав" на режим кваэистационарного затвердевания металла составляет 0,81,5% от времени, в течении которого охлаждающий воздух проходит через лопатку и при расчетах им можно пренебречь.

Также показано, что так как глубина переохлаждения между жидкой и твердой фазами во фронте кристаллизации мала и составляет у чистых высоко теплопроводных металлов доли градусов, то их расплавы могут использоваться как рабочий и охранный нагреватель. Кроме того высокая скорость зарождения и роста кристаллов позволяет однозначно определять интенсивность отвода тепла от зоны фазового перехода по толщине металлической корки, образующейся на наружной поверхности лопатки.

Выбор цинка для реализации метода калориметрирования в жи-дкометаллическом термостате из группы высокотеплопроводных металлов Ад, Си, Мд, А1 обусловлен в первую очередь оптимальным значением его теплоты кристаллизации. Он имеет температуру кри-

сталлизации Ткр = 692,4 К , что обеспечивает значение температурного фактора ТлДв близкое к его значению в турбине. Кроме того, цинк образует гладкую прочную корку и практически не взаимо-дествует с покрытием лопаток.

Для исследования тепловых характеристик лопаток калориметрическим методом автором разработаны конструкция промышленного варианта установки, комплекс вспомогательного технологического оборудования и методика проведения испытаний.

В главе проведен подробный анализ факторов, определяющих величину погрешности определения плотности теплового потока и внутренних коэффициентов теплоотдачи, даны количественные оценки их влияния. Выполнены обширные численные исследования влияния растоков тепла по стенке и корке, имеющих место в эксперименте на точность определения коэффициентов теплоотдачи к воздуху используя при этом зависимости (8-9). Для проведения исследований был разработан оригинальный алгоритм и программа решения на ЭВМ двумерной задачи затвердевания металла на охлаждаемой воздухом стенке при произвольном задании температуры воздуха и профиля коэффициентов теплоотдачи на внутренней поверхности стенки.

Исходная система уравнений, описывающая процесс отвердения металла на охлаждаемой поверхности, была составлена на основе следующих допущений: до процесса кристаллизации температура стенки и расплава одинаковая и равна температуре кристаллизации цинка. Допустим, что распределение температуры в стенке и корке в любой момент времени в направлении по нормали к стенке и корке будет линейно. Тогда процесс намораживания корки можно описать следующей системой уравнений:

'ГГ. о /г,а, %-Ъ .т т , ,...

3 (|0)

(Ю

Т,(х.о)=Ъ(х,1>)=Т* ; ((х.о).о ; (13)

Присоединенными граничными условиями наиболее целесообразно принять

ЭТ,(од).0 . дТг(ОЛ) .р. (14) Ззь "Эх

ЩЛ.о-, ЩМ=о (15)

сх, Ух

Условия (14) и (15) реализуются в том месте по оси X, где встречается экстремальное значение температуры при проведении эксперимента по калориметрированию или, ожидаются в случае построения его модели (рис.2).

В уравнениях (10 - 15): Л, - температуропроводность стенки и корки соответственно; Я», Ад, - теплопроводность стенки и корки; - толщина корки в зависимости от координаты X и времени ; оС(х.) - распределение коэффициентов теплоотдачи по оси X; Л - теплота затвердевания металла; 5*2. -плотность корки; ^ - протяженность стенки и корки по оси X;

7* - средняя температура стенки; Тг - средняя температура корки цинка.

Было установлено, что основное влияние растоки теплоты оказывают на точность определения на участках где профиль изменяет свой градиент дгаб ¿.^¿сСь/бх . Полученные результаты позволили сделать вывод - для лопаток, в которых реализуются градиенты ¿ъ не превышающие 10 Вт/м3 К и времени эксперимента *3г = 10 -12 с. погрешность определения сСь по толщине цинковой корки не превышает 8 -10% (рис. 3).

Погрешность метода также определялась экспериментально по результатам квалификационных опытов, в результате проведения которых определялись локальные коэффициенты к охлаждающему воздуху в прямых гладких каналах круглого и прямоугольного сечения, а полученные значения «¿¿сравнивались с рассчитанными по известным зависимостям (рис.4).

Обобщение результатов статистической обработки расчетных и экспериментальных данных позволило оценить относительную погрешность метода определения <£в - 8-12%.

На базе проведенных исследований разработана автоматизированная система обработки результатов калориметрических испытаний лопаток в кристаллизующемся цинке. Замер толщин корок проводится по специально разработанной методике, позволяющей вводить изображение сечения корки непосредственно в память ПЭВМ. Программный комплекс системы включает три взаимосвязанных блоков: блок формирования геометрической модели профильной части лопатки; блок расчета поля плотности теплового потока; блока расчета средних по поверхности значений плотности теплового потока на отдельных участках лопатки, которые используются в дальнейшем для определения подогревов воздуха в каналах охлаждения.

В третьей главе диссертации изложена разработанная методика определения локальных коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения лопаток турбины по данным полученным при их испытаниях в жидкометаллическом термостате. Предложенный методический подход позволяет значительно уменьшить объем вычислительных работ и одновременно повысить точность получаемых результатов.

Достоверность определяемых коэффициентов теплоотдачи существенным образом зависит от точности расчета потокораспре-деления охладителя в лопатке. В связи с этим в первой части главы разработан метод визуализации, позволяющий получать представление о распределении потоков воздуха и их направлении в лопатке, что необходимо для обоснованного составления эквивалентной сети каналов охлаждения при проведении гидравлических расчетов. Проведен теоретический анализ процессов, происходящих при движении двухфазных смесей в каналах сложной формы, для характерных режимов испытания лопаток определены размеры капель индикатора, обеспечивающие максимальную разрешающую способность данного метода. Описана конструкция установки для проведения экспериментов по визуализации, технология препарировки лопаток и

методика проведения испытаний. •

Высокая разрешающая способность предложенного метода была подтверждена при исследовании течения воздуха в лопатках со сложными схемами охлаждения. В частности, обнаружено С помощью данного метода возникновение радиального течения воздуха вдоль входной кромки дефлекторной лопатки (рис.5), при негерметичном соединении дефлектора и хвостовика рабочей лопатки. Было обнаружено, что это приводит к изменению угла натекания струй формируемых вставным дефлектором на внутреннюю поверхность входной кромки и изменению направления потока на входе в каналы спинки и корыта.

Предложенный метод визуализации позволил определить направления движения воздуха в лопатке с полупетлевой схемой охлаждения (рис.6); выявить присущие таким схемам особенности потокораспределения и на базе полученных результатов разработать адекватную гидравлическую модель тракта охлаждения (рис.7).

Проведено исследование подобия процессов теплообмена в условиях испытания лопаток 8 жидкометаллическом термостате и в газовом потоке. При этом оценивалось влияние внешней тепловой нагрузки, центробежных и кориолисовых сил. Показано: для лопаток как с поперечным так и с комбинированным течением воздуха при испытаниях в кристаллизующемся цинке распределения расходов воздуха в каналах охлаждения такое же как и при испытаниях 8 газовом потоке; влиянием центробежных и кориолисовых сил на характеристики внутреннего теплообмена при избыточном давлении между входом и выходом из лопатки д Р = (5,0 - 8,0)10 Па, характерном для ступеней высокотемпературных турбин, можно пренебречь.

Изложена методика последовательного определения подогревов и температуры воздуха в каналах охлаждения, локальных коэффициентов теплоотдачи к охладителю и построение обобщающих зависимостей.

Расчет^» включает насколько этапов. В первом приближении ¿■в определяются по зависимости (8). Следующим шагом является решение двумерной стационарной задачи доя поперечного сечения лопатки на ПЭВМ методом конечных элементов. При этом на наружной поверхности профиля сечения задаются граничные условия теплообмена первого рода Тл = Ткр, а ии внутренней Тв и найденные по толщинам цинковой корки. В результате расчета определяется поле плотности тепловых потоков по наружной поверхно-

сти и проводится его сравнение с полей экспериментальных значений ^ . По величине невязки значений и ^ проводится в случае необходимости корректировка теплогидравлической модели лопатки.

Предложенный методический подход к определению локальных коэффициентов теплоотдачи, а также их использования для определения температурного состояния лопаток в натурных условиях апробировалась на рабочей лопатке дефлекторного типа, как наиболее полно и всесторонне изученной, были определены критериальные уравнения для расчета в 11 точках равномерно распределенных по профилю поперечного сечения. Полученные с помощью метода калориметрирования 8 жидкометаллическом термостате критериальные уравнения практически не отличаются от зависимостей приведенных в работах С.З.Копелева. С использованием локальных

рассчитывалось температурное поле лопатки для условий работы на двигателе, которое сравнивалось с результатами прямых измерений Тл на турбине (рис. 8 ). Отличие между значениями температур, замеренных на Гу-рбине и полученных в экспериментах не превышают, как видно из графика 8%. что подтверждает правомерность использованных при разработке методик принятых предпосылок.

Также для апробации разработанной методики были получены критериальные уравнения для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи в лопатке с полупетлевой схемой охлаждения (рис. 6) представленные в таблице 1.

Разработана методика оперативной оценки температурного состояния лопатки, в соответствии с которой по известной относительной глубине охлаждения 9 лопатки имеющей идентичную геометрию профильной части, определяется 6 , и соответственно Тл исследуемой лопатки.

В заключительном разделе третьей главы изложена 3-х уро-вневая система проектирования каналов охлаждения лопаток, основанная на использовании разработанных методик определения тепловых и гидравлических характеристик лопаток.

В четвертой главе представлены результаты исследования рабочих дефлекторных лопаток, иллюстрирующие возможности метода калориметрирования в жидкометаллическом термостате, использование которого позволило получить дополнительную информацию о закономерностях внутреннего теплообмена. Экспериментальные результаты показали, что незначительные на первый взгляд изме-

нения внутренней полости дефлекторных лопаток могут приводить к непрогнозируемым изменениям эффективности их охлаждения.

Эксперименты проводились на одной лопатке, в которую поочередно устанавливались дефлекторы различной конструкции Были исследованы два трубчатых дефлектора с отверстиями в передней кромке выполненные в виде поперечных прорезей и круглых сопел, третий дефлектор был сварной из двух штампованных половинок, образующих по длине дефлектора на его стороне обращенной к внутренней поверхности входной кромки лопатки, щели. Для обеспечения достаточной дальнобойности струй воздуха, вытекающих из этих щелей в направлении входной кромки, Эти щели в поперечном сечении дефлектора формируют сопла.

Суммарная площадь отверстий у дефлектора с поперечными прорезями была больше, чем у сварного на 234, а у дефлектора с круглыми соплами меньше, чем у сварного дефлектора на 17%.

Определения расходных характеристик этой лопатки, проводившиеся в термостате показали, что ее пропускная способность почти не зависит от типа дефлектора. Замеренное отличие в расходах находится в пределах 8 %.

Происходит это потому, что расход охлаждающего воздуха в дефлекторных лопатках лимитируется сечением щели в выходной кромке.

Результаты исследований показали, что у лопатки с трубчатым дефлектором, имеющим прорези значения коэффициента теплоотдачи на участке входной кромки оСъ в 1,9-2,1 раза меньше, чем у лопатки со сварным дефлектором. На начальных участках каналов корыта-спинки он возрастает в 2 и 2,5 раза по сравнению с его значением на входной кромке. Изменение о(е по профилю этой лопатки, показанное на рис. 9 приводит к появлению значительного градиента температур и связанных с этим дополнительных термических напряжений.

У лопатки с модифицированным трубчатым дефлектором величина коэффициента теплоотдачи на входной кромке практически не отличается от замеренной в лопатке со сварным дефлектором и относительное изменение его по профилю почти идентично (адекватно) характеру изменения

Таким образом из полученных результатов следует, что фрр-ма отверстий в дефлекторе влияет на изменение коэффициента теплоотдачи не только в зоне входной кромки, но и на начальных участках корыта и спинки.

Объясняется это особенностями образования воздушных струй в отверстиях дефлекторов. Картина течения воздуха в отверстиях дефлектора, полученная в опытах по визуализации с помощью дыма, показала, что сварной дефлектор формирует плоскую струю, сохраняющую свою форму на значительное расстояние от отверстий. На выходе из трубчатого дефлектора с прорезями из-за наличия радиальной подпитки воздушной струи за пределами вертикальных кромок отверстий образуется сложное веерообразное течение, приводящее к размыву струи. Последнее, очевидно, оказывает такое же влияние на теплообменные характеристики во входной кромке, как и увеличение стесненности натекающей на вогнутую поверхность струи при увеличении ее диаметра, т.е. приводит к образованию минимума на профиле коэффициентов теплоотдачи по обводу входной кромки, расположенном в центральной точке.

Для лопатки с двумя вариантами трубчатого дефлектора были получены обобщенные зависимости для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи, часть из которых приведена в таблице 2.

Воспользовавшись методикой, разработанной в главе 3, определено влияние типа дефлектора на температуру входной кромки в условиях близких к эксплуатационным.

Показано, что в рассматриваемых условиях замена сварного дефлектора на трубчатый с прорезями повлечет за собой увеличение температуры входной кромки лопатки на 100 К, на трубчатый с соплами круглой формы на 35 К.

Большая разрешающая способность метода, позволяющая фиксировать малейшие изменения тепловых характеристик охлаждаемых лопаток проявилась в частности и при испытаниях рабочих лопаток также со сварным дефлектором. Анализ тепловых характеристик исследованных лопаток показал наличие периодической неравномерности плотности тепловых потоков по высоте наружной поверхности профильной части лопатки, на участке входной кромки, спинки и корыта. Эта неравномерность в отдельных местах достигла 20 % от среднего уровня тепловых потоков.

На участке входной кромки минимальные значения плотности теплового потока совпадают с расположением перемычек в передней кромке дефлектора, соединяющих его половинки. Эти перемычки затеняют отдельные участки внутренней поверхности входной кромки от воздушных струй, вытекающих из щелей дефлектора.

На срединном участке профиля неравномерность плотности

теплового потока обусловлена наличием относительно широких установочных ребер дефлектора, создающих дополнительное термическое сопротивление, уменьшающее тепловой поток от наружной поверхности лопатки к охлаждающему воздуху.

Еще одним примером высокой информативности метода калори-метрирования в кристаллизующемся цинке являются результаты исследования рабочей дефлекторной лопатки с технологическими пазами на торцевой поверхности замка, которые были введены в серийном производстве для извлечения трубчатого дефлектора.

Результаты этого исследования лопаток представлены на рис. 10, в виде отношения локальных значений коэффициентов теплоотдачи к воздуху на профиле среднего сечения лопатки д зависимости от перепада давления охлаждающего воздуха. Штрихом отмечены значения относящиеся к участкам профиля лопатки с не-загерметизированными пазами.

Из рисунка видно, что в лопатке с открытыми пазами значения коэффициентов теплоотдачи на участке входной кромки ниже, чем в лопатке с загерметизированными пазами на 15-30 %.

Как и следовало ожидать, результаты испытаний показали, что наибольшее влияние втекание воздуха во внутреннюю полость лопатки минуя дефлектор оказывает на теплообмен в зоне входной кромки, причем наибольшее снижение имеет место в наиболее напряженных корневых сечениях лопатки.

Для условий работы лопатки на турбине введение технологических пазов приведет к увеличению температуры входной кромки на 35 - 55 К.

Опыт эксплуатации двигателей, турбина которых имеет охлаждаемые воздухом полые рабочие лопатки со вставным дефлектором и оребренной внутренней поверхностью на участке входной кромки, показал, что со временем на этих ребрах образуются отложения. Для оценки влияния таких отложений на изменение температуры входной кромки лопатки проводились сравнительные экспериментальные исследования двух рабочих лопаток, одна из которых взята с двигателя, отработавшего большую часть ресурса в условиях морского климата, а другая, не бывшая в эксплуатации, снята с турбины двигателя, прошедшего контрольные и сдаточные испытания. В целях исключения влияния на теплообмен на участке входной кромки различной (в пределах допуска на изготовление) ширины щелей в передней кромке дефлектора, лопатки испытывались с одним и тем же дефлектором, взятым с бывшей в эксплуатации

лопатки.

Опыты проводились с использованием метода калориметриро-вания в жидкометаллическом термостате, в качестве параметра сравнения тепловых характеристик лопаток использовалась местная плотность теплового потока на наружной поверхности, так как она отражает увеличение термического сопротивления стенки и изменение коэффициента теплоотдачи, вызванное нарушением исходной формы и размеров каналов охлаждения. Отличие в расходах воздуха у сравниваемых лопаток при одном и том же отношении давления не превышало 5%, т.е. находилось в пределах допуска.

На рис. 11 показано распределение плотности теплового потока вдоль обвода профиля среднего сечения пера двух испытанных лопаток при замеренном в эксперименте и близком к номинальному расходе охлаждающего воздуха. Как видно, влияние отложений проявилось в зоне входной кромки. Плотность теплового потока у лопатки с запыленными каналами уменьшилась на 20 % по сравнению с неработавшей. Следовательно, примерно в таком же соотношении уменьшилось произведение о^в&р, а изменение интенсивности теплообмена выразится соотношением

1/&-1 . К'ф^Ь • 1/&-1 ' К<рс<з '

где параметры со штрихом относятся к лопатке с каналами, имеющими отложения.

Применительно к условиям, в которых находятся исследуемые лопатки на турбине двигателя, это соответствует увеличению максимального значения ее температуры на 80 К.

При осмотре срезов лопаток после проведения экспериментов было установлено, что у работавшей лопатки в межреберных впадинах, на торцах ребер и их боковых поверхностях обнаружен слой твердых комковатых отложений темного цвета, толщина которых 0,01 • Ю"3 м в корневом сечении и заметно увеличивается к периферии, достигая 0.1 • 10* м. Внутренняя поверхность спинки, корыта и выходной кромки видимых отложений не имела.

Использование метода калориметрирования в цинке, обеспечивающего определение плотности теплового потока по всей профильной поверхности лопаток в строго идентичных условиях проведения сравнительных испытаний, позволило без других дополнительных исследований определить влияние отложений на отдельных

участках тракта охлаждения дефлекторных лопаток и количественно оценить изменение температурного состояния лопатки в процессе эксплуатации.

Еще одним объектом калориметрических исследований была рабочая малоразмерная лопатка, изготавливаемая пайкой из двух по- . ловинок, плоскость разъема которых проходит по центральной линии входной кромки и щели выходной кромки. Дефлектор в передней кромке имеет непрерывную щель постоянной ширины.

Применение метода калориметрирования. в жидкометалли-ческом термостате позволил уточнить тепловую модель лопатки, а также контролировать стабильность технологического процесса при его доводке.

Перед проведением тепловых испытаний была разработана гидравлическая модель лопатки (см. тл.2), позволившая установить распределение расходов охладителя в каналах локальных коэффициентов теплоотдачи к воздуху.

На рис. 12 представлены, графики распределения коэффи- , циентов теплоотдачи к воздуху по внутреннему профилю корневого, среднего и периферийного поперечных сечений лопатки.

Характер распределения с£а во всех сечениях одинаков, при этом наибольшие значения коэффициентов теплоотдачи имеют место в корневом и среднем сечениях пера. Максимум интенсивности теплоотдачи наблюдается на расстоянии (8-10)-10" м от входной кромки. Интенсификация теплообмена на данных участках выше, чем при турбулентном течении воздуха в гладких трубах при тех же числах и том же удлинении ¿/¿г со стороны спинки 1,3 - 1,5 раза, со стороны корыта в 1,8 - 2,0 раза.

На участке входной кромки результаты экспериментов с точностью - 5 % совпадают с критериальным уравнением, полученным по данным испытаний подобной лопатки на газовом стенде.

Кроме разработки тепловой модели паяной лопатки использованием метода калориметрирования в цинке позволило количественно оценить влияние ряда технологических факторов обусловленных спецификой технологического процесса. Причем провести такие исследования другим методом для лопатки такой размерности было бы практически невозможно.

Так например, при соединении половинок лопаток пайкой име-го место смещение пластин.дефлектора относительно друг друга, ■•то приводило к развороту среза щели в сторону каналов спинки > 'и корыта.

В пятой главе показаны возможности метода калориметриро-вания в жидкометаллическом термостате при оперативной экспериментальной отработке конструкции каналов охлаждения рабочих лопаток высокотемпературных турбин, а также в процессе создания новой лопатки.

Результаты испытаний в кристаллизующемся цинке и на газовом стенде, а также анализ дефектов, имевших место*? эксплуа- • тации, показали, что серийная лопатка ТВД изделия 88 имеет недостаточную интенсивность охлаждения входной кромки, особенно в периферийной части, что приводит к перегреву верхних сечений, а также значительную неравномерность температуры стенок лопатки в поперечных сечениях со стороны спинки и корыта.

Для оптимизации конструкции внутренней полости разработаны и экспериментально исследованы модели элементов лопатки, в которых необходимо увеличить эффективность охлаждения.

В расплаве кристаллизующегося цинка исследована модель, имитирующая область поворота потока (рис. 13). Конструктивно модель выполнена таким образом, чтобы ее пропускная способность соответствовала реальной лопатке.

Результаты исследования модели обработаны в виде Nu / Nu~= А (h/H/1 (где: Nu-= 0,018-Re0'*- число Нуссельта для гладкой трубы , h - расстояние от конца перегородки до торца модели; Н - тоже самое для исходного положения перегородки), диапазон чисел Рейнольдса Re = (15 - 50)-103, реализованных во входном канале (табл. 3).

Кроме того, были разработаны, изготовлены и исследованы в расплаве кристаллизующемся цинке модели щелевых каналов с оребрением одной из стенок, благодаря чему существенно увеличился на ней теплосьем при относительно высокой интенсивности охлаждения противоположной гладкой стенки.

Используя результаты исследований моделей, были разработаны три модификации лопатки (рис. 14), для испытаний в жидкометаллическом термостате.

Наилучшие тепловые характеристики имела лопатка ЛЗ, она обеспечила по сравнению с серийной снижение температуры участка входной кромки в корневом сечении на 30 К, 8 среднем на 60 К, § периферийном на 25 К; неравномерность температуры в поперечных сечениях, профильной части уменьшилась на 20-30 К. Достигнутая эффективность охлаждения модифицированной лопатки была подтверждена замерами температуры на газовом стенде.

Высокая информативность метода калориметрирования в жид-коиеталлическом термостате и возможность получения информации о закономерностях внутренней теплоотдачи на модельных лопатках были использованы для разработки охлаждаемой рабочей лопатки турбины высокого давления агрегата "Балтика-12,5".

Известно, что наиболее эффективным способом охлаждения входной кромки лопаток турбины является организация струйного натекания воздуха на внутреннюю поверхность, которое наиболее просто реализуется в лопатках дефлекторной схемы.

Сложность задачи заключалась в разработке лопатки имеющей только конвективное охлаждение, без внутреннего дефлектора. В связи с этим в работе была предложена схема охлаждения входной кромки, при которой струи воздуха подаются на вогнутую поверхность тангенциально из отдельных отверстий, затененных от сносящего потока ребрами, установленными перпендикулярно направлению его движения (рис.15). Для выявления закономерностей течения воздуха в каналах охлаждения, выполненных по предложенной схеме, были проведены эксперименты по визуализации течения охладителя на увеличенных плексигласовых моделях.

Как и следовало ожидать, вдув воздуха через отверстия в зоне отрыва потока непосредственно за поперечными ребрами существенно увеличивает дальнобойность струй, обеспечивая ее взаимодействие с внутренней поверхностью входной кромки. Высота отверстий не должна превышать высоты затеняющих их ребер, что исключает взаимодействие струй со сносящим потоком. Длина отверстий не должна превышать протяженность зоны отрыва потока за поперечным ребром, это соответствует (7-10) Н, где н -высота ребра.

На основе проведенных экспериментов была разработана конструктивная схема лопатки, продольный разрез которой представлен на рис. 15.

6 соответствии с методикой проектирования охлаждаемых лопаток (си. гл. 3) был выполнен расчет термонапряженного состояния предложенной конструкции лопатки, позволивший провести предварительную оценку эффективности разработанной схемы охлаждения. Было установлено, что минимальный запас прочности в среднем сечении составляет К т 'т = 1,34 на наружной поверхности входной кромки при напряжениях сжатия, а в корневом сечении К «in » 2,16 на третьей перегородке при напряжениях растяжения. По результатам расчета следует, что прочность

лопатки удовлетворяет нормам прочности.

Для получения более достоверной информации о термонапря-женнон состоянии конструкции были проведаны испытания лопатки в жидконеталлическои термостате. Однако. ДО проведения экспериментов потребовалось иметь опытную лопатку,

Для изготовления опытной лопатки была разработана специальная технологий и оборудование, необходимые ДО получения керамических стержней требуемой геометрии. •

По разработанной технологии были изготовлены 3 лопатки, рентгенограмм» опытных лопаток и последую»« разрезка после испытаний показали приемлемуе для экспериментальных исследований стабильность технологического процесса их изготовления.

Опытная лопатка ислмтыеалась в иядкоиеталличесхои термостате при 4-х перепадах давления * • 1,4...2.7, что необходимо для построения обобщенных зависимостей внутреннего теплообмена. Распределение плотности теплового потока по наружной поверхности профильной части лопатки показало, что важной особенностью данной конструкции лопатки, отличавшей ее от других схем со струйным охлаждением входной кромки при наличии сносящего потока, является резкая зависимость интенсивности охлаждения вогнутой поверхности от перепада давления.

Использование метода калориметрирования в кристаллизующемся цинке позволило также определить и локальные коэффициент* теплоотдачи к охлаждавшему воздуху. На рисунке 1в представлены коэффициенты теплоотдачи, использованные в расчете, найденные по известны* зависимостям, и локальные коэффициенты теплоотдачи, найденные экспериментально по результатам недельных испытаний. Как видно из графиков, ииеет место существенное отличие расчетных и экспериментальных значений коэффициентов теплоотдачи.

Проведенные расчеты температурного поля и напряжений с использованием локальных коэффициентов теплоотдачи, полученных при испытаниях в цинке позволили существенно уточнить термонапряженное состояние разработанной конструкции лопатки. Температурное поле в средней сечении лопатки показано на рис. 17. Полученные запасы удовлетворяет нормам прочности.

Использование метода калориистрирования в кристаллизусцемся цинке позволило в сжатые сроки спроектировать рабочув лопатку с конвективной схемой охлаждения, экспериментально подтвердить ее эффективность и определить зависимости для расчета локальных

коэффициентов теплоотдачи к воздуху.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Создан и внедрен в промышленность новый высокоинформативный метод контроля и исследования тепловых характеристик охлаждаемых лопаток газовых турбин, основанный на эффекте фазового перехода высокотеплопроводных, химически чистых металлов, использование которого позволило повысить экономичность и надежность авиационных двигателей и стационарных газотурбинных установок, путем совершенствования систем охлаждения лопаток.

2. Разработаны теоретические основы метода калориметриро-вания охлаждаемых лопаток газовых турбин в жидкометаллическом термостате. Исследованы физические закономерности процесса кристаллизации металлов на поверхности конвективно охлаждаемых деталей. Доказана возможность определения плотности теплого потока от наружной профильной поверхности к охладителю путем замера толщины цинковой корки затвердевшей на лопатке за фиксированный промежуток времени, в течении которого через нее продувается воздух. Определены условия испытания, при которых толщина затвердевшей корки металла линейно зависит от времени течения охладителя по внутренним каналам лопатки.

Разработаны методика и программа численного расчета скорости кристаллизации металла на охлаждаемой поверхности, позволившие оценить влияние толщины стенки лопатки, времени испытания, температуры воздуха, неравномерности теплосьема на точность определения локальных коэффициентов теплоотдачи к охладителю. Оптимизация условий проведения испытаний позволила обеспечить точность определения коэффициентов теплоотдачи в пределах 10-12%. что дополнительно подтверждено результатами сяецизМьно проведенными квалификационными экспериментами.

3. Для реализации метода калориметрирования в жидкометаллическом термостате разработан промышленный вариант установки и комплекс технологического оборудования. Установка имеет высокий уровень автоматизации процесса испытания лопаток. Новизна Технических решений защищена авторскими саидетельс-твацл ня изобретение, награждена медалями ВДНХ СССР. Установка внедрена на 10 предприятиях авиационной и энергетической промышленности России и стран СНГ.

Созданы методики и программы для автоматизированной об-

работки испытаний лопаток, позволившие существенно снизить трудоемкость определения коэффициентов теплоотдачи 8 лопатках со сложными схемами охлаждения.

4. Разработана и апробирована методика создания адекватной гидравлической модели лопаток, основанная на использовании метода визуализации течения воздуха в натурных лопатках, дополняемый замером давлении в характерных точках тракта охлаждения .

Создана установка и оборудование для проведения экспериментов по визуализации на лопатках практически любого типа-размера.

С использованием предложенного метода разработаны гидравлические модели для расчета потокораспределения в рабочих лопатках с поперечным и лолулетлевым течением охладителя.

5. Проведено исследование закономерностей течения воздуха и теплообк'-.--,а в каналах лопаток турбин с высоконапорными системами охлаждения при их испытаниях в кристаллизующемся цинке и в газовом потоке. Определены условия подобия потокорас-пределрния охладителя в сравниваемых условиях испытаний лопаток и. соответственно, возможность использования результатов экспериментального определения локальных характеристик теплоотдачи о помощью жидкометаллического термостата для расчетов теплового состояния лопаток в натурных условиях.

Разработана методика и программное обеспечение для автоматизированного нахождения обобщенных зависимостей локальных коэффициентов теплоотдачи и определения температурного поля профильной части лопаток.

6. На базе метода калориметрировзния в кристаллизующемся цинке создана методика оперативной оценки эффективности охлаждения лопаток, имеющих различные формы и размеры внутренних каналов и параметры охлаждающего воздуха.

Предложена методика проектирования каналов охлаждения лопаток, включающая три взаимосвязанных уровня, основанная на комплексном физическом и математическом моделировании тепло-гидравлических процессов. Методика позволяет в сжатые сроки на этапе эскизного проектирования провести расчетные и экспериментальные исследования охлаждаемой лопатки.

7. Проведена всесторонняя апробация метода калориме-трирования в жидкометаллическом термостате в процессе конструктивной и технологической отработки охлаждаемых лопаток

и

серийных и опытных a&w.>;.-.ьых двигателей и создании лопате высокотемпературных турйин стационарна» газотурбинных уст; новок.

8. Метод калориметрирования в юдасометаллическом термостате был использован при создании и доводке конструкции рабочей лопатки турбины высокого давления изделия 88. Создана гидравлическая и тепловая модель лопатки, - позволявшая определять локальные коэффициенты теплоотдачи к охлаждавшему воздуху й температурное поле пера. Разработана и экспериментально исследована модификация серийной лопатки, имевшая более высокуо эффективность охлаждения входной кромки и существенно меньшую неравномерность температуры между спинкой й корытом.

9. На этапе эскизного проектирования для стационарной газотурбинной установки "Балтика" разработана и эксперимен тально исследована рабочая лопатка первой ступени турбины.

Предложенная схема охлаждения входной кромки, позволила в бездефлекторной лопатке реализовать эффективное струйное охлаждение вогнутой поверхности при наличии сносящего потока. Новизна конструкции лопатки защищена авторски^ свидетельством на изобретение и внедрена на турбине ГТУ ПО "Невский завод".

Список основных работ, опубликованных по теме дотации:

1. Копелев С. 3., Галкин М.Н., ХаринА.А., Шевченко И. В.

Кн. Тепловые и гидравлические характеристики охлаадаемых лопаток газовых турбин. М.: Машиностроение, 1993. 137 с.

2. Копелев С. 3., Галкин М.Н., Бойко А. Н., Шевченко И. В. Исследование теплообмена при разработке системы охлаждения лопаток газовых турбин.// Изв. АН ССР. Энергетика и транспорт. 1989.

N 3. С. 98-105.

3. Галкин М.Н., Бойко А.Н., Шевченко И.В. Метод визуального определения течения воздуха в лопатках высокотемпературных турбин. // Авиационная промышленность. 1985, N 3. С. 22-24.

4. Галкин М.Н., Бойко А.Н., Копелев С. 3., Шевченко И.В. Влияние эксплуатационных отложений на работоспособность системы охлаждения лопатки турбины СО вставным дефлектором. Сб. "Энергетическое машиностроение". Высшая школа. Харьков. 1985. Вып. 59. С. 47-52.

»

5. Галкин M.H.. Копелев С.3., Шевченко И.В. Влияние типа дефлектора на внутренний теплообмен в лопатках с поперечным течением воздуха. //Промышленная теплотехника. 1985. Т.7, N4. с.42-46.

5. галкинМ.н.. Мерный м.С.. Шевченко И.В. Расчетная модель течение охладителя в каналах лопатки турбины. // Авиационная про-«screHioCTb. 1985. N11.С. 16-18.

т. Галкин м.н.. Копелев С. 3.. Бойко А.Н.. Шевченко И.В. Влияние хс'-сточктивно-технологических мероприятий на эффективность охлаждения лопаток газовых турбин. // Теплоэнергетика. 1986. N 7. С. 27-2Э.

8. Копелев С. 3.. Галкин М.Н., Бойко А. Н, Шевченко И. В. Исследование теплообмена при разработке системы охлаждения лопаток газовых турбин.// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1989. N3.

С. 98-105.

9. Галкин М.н., Галицейский 6.М., Черный М.С., Шевченко И.В. Метод автоматизированного проектирования системы охлаждения лслаток газовых турбин./'/ Тяжелое машиностроение. 1990.

N ТО. с. 2-4.

10. Favors'Kiy O.N.. GalkinM.N., KopelevS.Z.. ShevtChenko I.V. The r.etoc! of caionmetrik measurement in I iguid métal thermostat ar,s its oppl icatton for developmg blades cool ing syste-T.s of aas turbines. Proceeûing of the seventh Int.

Heat Transfer Conférence. Hemisphere PubIishing Corporation, 1992. General Papers. p. 172-176.

11. Галкин M. H., Яновский/1. С., Шевченко И. В. Метод противопылевой защиты охлаждаемых лопаток газовых турбин.// Авиационная премьщ ленность. '989. N 4. С. 28-31.

12. Галкин м.н., Копелев С.3.. Черный М.С., Шевченко И.В. Исследование теплового состояния охлаждаемых лопаток газовых тусСим при освоении серийного производства.// Авиационная п^сыхленчость. 1989, N3. С. 17-21.

13. Галкин М.Н., Малиновский К.А., Шевченко И.В. Технология изготовления керамических стержней для литья экспериментальных лопаток.//Авиационная промышленность. 1989, N 10. С. 79-31.

14. Галкин М.Н., Черный М.С., Шевченко И.В. Моделирование теп-лсгидравлических процессов в охлаждаемых лопатках газовых турбин.//Труды ЦИАМ N 1198. 1987, с. 49-51.

15. Галкин М.Н., Бойко А.Н., Копелев С.3., Шевченко И.В. Исследование системы охлаждения дефлекторных лопаток газовых

турбин.// Труды ЦИАН N 1198, 1987, с. 52-54.

16. Галкин М.Н., Копелев С.3., Журавлев В.А., Шевченко И. В. Сравнительное исследование лопаток дефлекторного типа,// Приложение "Авиационная промышленность", 1985, N 5, с. 23-25.

17.-Галкин М.Н.. Бойко А.Н., ХаринА.А., Шевченко И.В. Исследование ширины поля допуска на размеры внутренних каналов

при струйном охлаждении модели входной кромки дефлекторной лопатки.// Сб. Местный производственный опыт в промышленности. 1987, N 7, с. 15-23.

18. Галкин H.H..Черный М.С., Пушкин Ю.Н., Шевченко И.В. Моделирование процессов внутреннего теплообмена в лопатках газовых турбин.// Тезисы доклада Республиканской научно-технической конференции "Математическое моделирование процессов и конструкций энергетических и транспортных установок. Харьков, 1988. С. 85.

19. Галкин H.H., Бойко А. Н., Шевченко И. В. Теплометрическая диагностика охлаждаемых лопаток газовых турбин. Сб. тезисов докладов Всесоюзной конференции "Газотурбинные и комбинированные установки", МВТУ, 1987, с. 109.

20. Епифанов В.М., Галкин М.Н., Яновский Л.С. Анализ возможностей повышения эффективности внутреннего конвективного охлаждения лопаток газовых турбин. Сб. тезисов докладов Всесоюзной конференции "Газотурбинные и комбинированные установки", МВТУ, 1987, с. 105.

21. Галкин М.Н., Копелев С.3., ШеБченкоИ.В. Охлаждаемые лопатки газовых турбин и методы их исследования. //Труды ХУ научных чтений посвященных памяти выдающихся ученых. РАН, Москва, 1991, с.53-59.

22. Галкин М.Н., Черный М.С., Шевченко И.В. Проектирование системы охлаждения лопаток газовых турбин на базе комплексного моделирования теплогидравлических процессов.// Тезисы доклада на Всесоюзной межвузовской конференции по газотурбинным и комбинированным установкам. Москва, МГТУ-ГТУ, 1991, с.54,

23. Лебедев A.C., Черный М.С., Шевченко И.В. Подсистема обработки на ПЭВМ результатов испытаний охлаждаемых лопаток

в жидкометаллическом термостате. // Тезисы доклада Всесоюзной межвузовской конференции по газотурбинным и комбинированным установкам. Москва, МГТУ-ГТУ, 1991, с.54.

24. Галкин М.Н., Черный М.С., Шевченко И.В. Метод автоматизи-

рованного проектирования охлаждаемых лопаток газовых турбин.// Тезисы докладов ХХХУ1 Всесоюзной сессии по проблемам газовых турбин. Комиссия АН СССР по газовым турбинам. Москва, 1989.

25. Галкин М.Н., Копелев С.3., Бойко А.Н., Шевченко И.В. Особенности внутренней теплоотдачи в натурных лопатках

с поперечной схемой охлаждения. Тезисы докладов всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства машинной диагностики газотурбинных двигателей. Том 2. Харьков, 1983. С. 107-108.

26. Шевченко И. В. и др. Способ определения коэффициентов теплопередачи. Авторское свидетельство N 1822959.

27. Шевченко И. В. и др. Способ визуализации течения воздушного потока. Авторское свидетельство N 1269642.

28. Шевченко И.В. и др. Способ визуализации течения воздушного потока в лопаточных машинах. Авторское свидетельство

N 1468174.

29. Шевченко И. 8. и др. Способ определения коэффициента теплопередачи. Авторское свидетельство N 1822959.

30. Шевченко И. В. и др. Охлаждаемая лопатка газовой турбины. Авторское свидетельство N 1568613.

31. Шевченко И. В. и др. Стенд для определения коэффициента теплоотдачи в охлаждаемых лопатках. Авторское свидетельство N 1269638.

32. Шевченко И. В. и др. Способ контроля параметров теплопередачи в конвективно охлаждаемых деталях. Авторское свидетельство N 1769100.

33. Шевченко И. В. и др. Способ определения коэффициента теплопередачи. Авторское свидетельство N 1341505.

34. Шевченко И.В. и др. Установка для испытания лопаток в жидкометаллическом термостате. Авторское свидетельство N 1595192.

35. Шевченко И. В. и др. Охлаждаемая лопатка газовой турбины. Авторское свидетельство N 1321162.

36. Шевченко И.В. и др. Охлаждаемая лопатка газовой турбины. Авторское свидетельство N 1360299.

37. Шевченко И. В. и др. Лопатка газовой турбины. Авторское свидетельство N 1202320.

2. ?асгтг-з,-.ее н и е те.'.глературы : а - вдоль охлаждаемой стенки ;; затвердевшего метадг.а; б - в стенке и затвердезхем мета-..-.е

о1в

'.о

09

0.8

07

0 го 40 , 60 80

^гос* оСь 10, вт/м5К

Рис. За. Злияние градиента коэффициентов

ка точность получаемых результатов:": -"£ = 2 е., 2 - б е., 3 - 12 е., 4 - с.

V

%

з тч: 4

4.0

0.9

о.а

0.7

0,6 О?

50

400 <50 2.00 9г-ос[оСв Ю3, 5т/м*к

Рис. 36. Влияние толщины охлалиаемоЯ стенки н, 7счность определения коэффиииен-ов теплоот--ачи ™с сл.но'.'еЬнсЯ теории: I -о = 1-:0"3у, 2 - :,5-:с-*м. 5 - з-ю^м.

U р-тр---r-t--- '

-Мц«, р ,

/./ -а— _ ■> -—»___—17~1Г"

' » « *

V II. « •

• '' <1 и -—1!--<■-^—^

ГГ: <? л ••

0.0 ->л----г;

С J b \ 111 I .

г 4 6 <5 /0« 2 3

Рис. 4. Сопоставление опытных локальных значений чисел на участке тепловой стабилизации (точки) с расчетными зачениямиХ*.. = О.оаЪ Re.aCA •

Ми«, • e/dp. г5 * »

--— ' t , • ■ » I 1 » >• > • • I i * • • щ-- 1 • • • • V.

• ' * • _ » » « » • • 1-- 4 .4 - k • г •

* • • • • Ri •• •

Рис. 6. Картима течения воздушного потока во внутренней полости пера полупетлевой лопатки.

Рис. 7. Эквивалентная гидравлическая сеть исследуемой полупетлевой лопатки.

со о>

50 40 30 20 10 о «о 20 30 <0 50 60

Рис. 8. Температура наружной поверхности пора в среднем сечении лопатки: I - результаты расчета по данным калориметриронания » цинке- 2 - значения температуры, замеренные кристаллическими индикаторами максимальных температур; Л - термопарой; 4 - ш метром.

Таблица 2.

Участок * точки Ф"6К тер с прорезям;- "о^лектср с кругами ссп-

Входная чгомка 1 0,361 И^0-64 К = 0,0412 Яе.60,75

4с 2,381 ^в0.333 0,681 0,441

Сг.ин.ча 5с : ,291 ^е°-346 = 0,158 Яев0'61

9 с 0.015 ^в0'8 _ 0,015 Няа 0,8

Мив = 0.649 Ясв0'467 Ми6 _ 0,883 Ке е О-«-1

г.оиытэ о к Ми6 -- 0.32, Рев0-511 _ 0,461 ^в °-672

Г ■-■ = 0.021 Ре«^ Ии, _ 0,021 Кяв

12с Иив = 0.02 ¡к _ 0,02 Ке. в °'а

14с N11?, = 0,023 Кев0'8 14 = 0,023 Кее 0,8

Зькодкал кромка Юк N48 = 0,02 ^в0'3 N.. _ 0,02 ^в0-8

12 к Мив = 0,023 = 0,023 0,8

¿Во 1А

/ \ 1

1.2 Т

1/

у 0.4 ч: Ьг

1к 1с и

1.о о.ь .о 9

Рис. 9. Распределение коэффициента теплоотдачи к воздуху в срег.неу сечен/и лопатки: I - лопатка с дефлектором имеющим г.сг.егечнуе г.рсрсги: 2 - 'делевке сопла; 3 - круглые сопла; сб&г- кс?йи:;ент теплоотдачи в точке разветвления потоков на входной кромке.

'■1 ¿а М» п • - i • - 2 * - 3

i [/ / ^fr

ели Н К А 41 Ж к орыто

S <оЛ 0.6 „ -s S(o м

56 28 о .26 52

Рис. 10. Влияние технологических пазов на интенсив-кость внутреннего теплообмена в среднем сечении пера; I - ЗС =' Г,с; 2 - 1,85; 3 - 2,5.

Рис. II. Распределение плотности тепловых потоков по внутренней поверхности лопаток: I - неработавшая; 2 - после наработки.

Рис. 12. Распределение коэЭДтциснтгж инутренней теплоотдачи ь опытной лопятке

Рис. 13. Конструктипнан схема модели

Таблица 3.

канал Рп/Ч А И

вход м 1,009 -0,97

выход 1,413 -0,153

вход 0,67 1,4 -0,124

выход 1,067 -0,127

вход П.25 1,091 -0.159

выход 0,186 -0,07

Рис. 15 . Продольный разрез рабочей лопатки

спинкл

Б-«

-1

> м I ■ I . >

/

г1

т

8000 1000

6000

5000

4 000

3 ООО

гооо

«со

К0?ь\Т0

/

1 ■

5'Ю";

ГГ-г-г4-

Рис. 16 . Распределение коэффициентов теплоотдачи к воздуху в среднем сечении рлытеой лопатки