,
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СТУПЕНИ ТУРБИНЫ С ПАРЦИАЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ РАБОЧИХ ЛОПАТОК
Одним из способов увеличения эффективности газотурбинных установок является повышение температуры газа на входе в турбину. Однако с ростом температуры ухудшаются механические свойства сплавов, поэтому для обеспечения необходимого по соображениям прочности теплового состояния деталей, подверженных воздействию высоких температур, используют системы охлаждения. Наибольшее внимание среди охлаждаемых деталей уделяется рабочим лопаткам, как наиболее нагруженным элементам турбины. Используемые в настоящее время способы охлаждения значительно усложняют их конструкцию, тем самым удорожая ее проектирование и изготовление по сравнению с неохлаждаемыми лопатками, что приводит к увеличению капитальных затрат. Частично избежать подобных сложностей можно при использовании парциального охлаждения, при котором через часть сопловых каналов вместо продуктов сгорания подается охлаждающий агент (рис. 1). При вращении рабочие лопатки попеременно обтекаются горячим газом и охлаждающим агентом, в результате чего их температура снижается до некоторого допустимого среднего значения. В качестве охлаждающего агента целесообразно использовать водяной пар [1], который можно частично или полностью получать за счет утилизации теплоты уходящих газов. Тепловые схемы подобных турбоустановок исследовались в монографии [1], а в работе [2] был сделан вывод, что газопаровая турбина должна быть одноступенчатой. Там же была предложена оригинальная биротативная конструкция турбины.
При парциальном охлаждении циклическое изменение направления и величины теплового потока на поверхности рабочей лопатки формирует в ней нестационарное периодическое температурное поле – тепловые волны, которые являются причиной возникновения термоциклических напряжений. Поэтому анализ температурного состояния является крайне важным для дальнейшей оценки прочности лопаток. Для его проведения необходимо знать геометрию рабочих лопаток и основные газодинамические параметры рабочих тел, которые можно получить после предварительного расчета ступени на среднем диаметре.
В проведенном исследовании была получена зависимость, связывающая основные параметры рабочих тел в ступени
,
где 
– коэффициент расхода решетки; 
, 
– абсолютная и относительная скорости, 
; 
– удельный объем, 
; 
, 
– углы выхода из решетки в абсолютном и относительном движении, град; величины, относящиеся к сопловой и рабочей решеткам, содержат в нижних индексах буквы «с» и «р», к выходам из них – цифры «1» и «2»; параметры, соответствующие теоретическому расширению без потерь, содержат в индексах букву «s». При выводе формулы были приняты допущения, что рабочие тела не смешиваются в ступени, а их степени парциальности не меняются по ходу проточной части. Также пренебрегалось изменением расхода и остальных параметров газа из-за выпуска охлаждающего агента в проточную часть через щелевые каналы в выходных кромках сопловых лопаток.
Найденное выражение было преобразовано и проанализировано для случая термически и калорически совершенных газов, что является справедливым для газовых турбин. Анализ показал, что наиболее оптимальной для работы ступени является близкая к нулю степень реактивности рабочих тел. В связи с этим решетки должны профилироваться с уменьшенными или нулевыми градиентами реактивности по высоте ступени для предотвращения диффузорного течения в корневой зоне рабочей решетки.
Также было получено условие безударного входа газа и пара в рабочую решетку, имеющее вид
,
где 
– окружная скорость, ; буквы «г» и «п» в индексах обозначают параметры газа и пара.
С помощью найденных зависимостей были рассчитаны газопаровые ступени с парциальным охлаждением рабочих лопаток и построены профили рабочих лопаток. Для этих профилей с помощью формул [3,4] была проведена оценка термонапряженного состояния в районе кромок, спинки и корытца.
Список литературы
1. Комбинированные парогазовые установки и циклы. – Л.: Госэнергоиздат, 1962. – 187 с.
2. Высокотемпературные турбины с парциальными подводами газа и пара // Труды ЛПИ. – 1964. – № 000. – С. 20–25.
3. К., Температурное поле цилиндра при нестационарных периодических условиях теплообмена с окружающей средой // Вестник МГТУ им. . Сер. Машиностроение. – 2011. – № 4. – С. 54–70.
4. , Термоциклические напряжения в цилиндре, вызванные нестационарными периодическими условиями теплообмена с внешней средой // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. – 2012. – № 2. – С. 47–58.
