Лопатка турбины - Turbine blade

Отдельный компонент составляет часть турбины газовой или паровой турбины.

Лопатка турбины из Турбо- Реактивный двигатель Union RB199 .

A лопатка турбины - это отдельныйкомпонент, который составляет секцию турбины газовой турбины или паровойтурбины <159.>. Лопасти отвечают за извлечение энергии извысокотемпературного газа под высоким давлением, вырабатываемого камеройсгорания . Лопатки турбины часто являются ограничивающим элементом газовыхтурбин. Чтобы выжить в этих сложных условиях, в лопатках турбин частоиспользуются экзотические материалы, такие как суперсплавы , и множестворазличных методов охлаждения, которые можно разделить на внутреннее и внешнееохлаждение, а также термобарьерные покрытия . Усталость лопаток являетсяосновным источником отказов паровых и газовых турбин. Усталость вызываетсянапряжением, вызванным вибрацией и резонансом в рабочем диапазоне оборудования.Для защиты лопастей от этих высоких динамических нагрузок используютсядемпферы трения.

Лопасти ветряных турбин и водяных турбин предназначены для работы вразличных условиях, которые обычно включают более низкие скорости вращения итемпературы.Википедия

В газотурбинный двигатель , отдельная секция турбины состоит из дискаили ступицы, на которой находится множество лопаток турбины. Эта турбиннаясекция соединена с компрессорной секцией через вал (или «золотник»), и этакомпрессорная секция может быть осевой или центробежной .Воздух сжимается, повышая давление и температуру через ступени компрессорадвигателя. Затем температура значительно увеличивается за счет сгорания топливавнутри камеры сгорания, которая находится между ступенями компрессора и ступенями турбины.Затем выхлопные газы с высокой температурой и высоким давлением проходят черезступени турбины. Ступени турбины извлекают энергию из этого потока, понижаядавление и температуру воздуха и передают кинетическую энергию ступенямкомпрессора вдоль золотника. Этот процесс очень похож на то, как работаетосевой компрессор, только в обратном направлении.

Количество ступеней турбины варьируется в разных типах двигателей, причемдвигатели с высокой степенью байпаса имеют тенденцию иметь самые турбинныеступени. Количество ступеней турбины может иметь большое влияние на конструкциюлопаток турбины для каждой ступени. Многие газотурбинные двигатели имеют двухконтактную конструкцию,что означает наличие золотника высокого и низкого давления. Другие газовыетурбины используют три золотника, добавляя золотник промежуточного давлениямежду золотником высокого и низкого давления. На турбину высокого давления подается самый горячийвоздух с самым высоким давлением, а на турбину низкого давления - болеехолодный воздух с более низким давлением. Разница в условиях приводит кконструкции лопаток турбины высокого и низкого давления, которыесущественно различаются по материалам и вариантам охлаждения, хотя принципыаэродинамики и термодинамики одинаковы. В этих тяжелых условиях эксплуатациивнутри газовых и паровых турбин лопатки сталкиваются с высокой температурой,высокими напряжениями и потенциально сильными вибрациями. Лопатки паровойтурбины являются критически важными компонентами электростанций, которыепреобразуют линейное движение пара высокой температуры и высокого давления,текущего по градиенту давления, во вращательное движениевала турбины.Википедия

Лопатки турбины подвергаются очень жесткой окружающей среде внутри газовойтурбины. Они сталкиваются с высокими температурами, высокими напряжениями ипотенциальной средой с высокой вибрацией. Все три из этих факторов могутпривести к выходу из строя лопаток, потенциально разрушающему двигатель, поэтому лопатки турбинытщательно спроектированы таким образом, чтобы выдерживать эти условия.

Лопатки турбины подвергаются нагрузке от центробежной силы (турбина ступенимогут вращаться со скоростью десятки тысяч оборотов в минуту (об / мин)), исилы жидкости, которые могут вызвать разрушение разрыва , , приводящего к илиползучести . Кроме того, первая ступень (ступень, непосредственно следующая за камерой сгорания)современной газовой турбины имеет температуру около 2500 ° F (1370 ° C), посравнению с температурами около 1500 ° F (820 ° C) в ранних газовых турбинах.Современные военные реактивные двигатели, такие как Snecma M88 , могут выдерживать температуру турбин до 2900 ° F (1590 ° C). Эти высокие температуры могут ослабить лопасти и сделать ихболее подверженными ползучести. Высокие температуры также могут сделать лопастиподверженными коррозии сбоям. Наконец, вибрации двигателя и самой турбины могут вызыватьусталостныеотказы .

Ключевым ограничивающим фактором первых реактивных двигателей былихарактеристики материалов, доступных для горячая часть (камера сгорания итурбина) двигателя. Потребность в лучших материалах стимулировала множествоисследований в области сплавов и технологий производства, иэти исследования привели к появлению длинного списка новых материалов иметодов, которые делают возможными современные газовые турбины. Одним из первыхиз них был Nimonic , использовавшийся в британских двигателях Whittle .

Разработка суперсплавов в 1940-х годах и новых методов обработки, таких какиндукционная вакуумная плавка в 1950-х годах, значительно повысилитемпературную стойкость лопаток турбины. Дальнейшие методы обработки, такие какгорячее изостатическое прессование , улучшили сплавы, используемые для лопаток турбины, и повысилипроизводительность лопаток турбины. В современных турбинных лопатках частоиспользуются суперсплавы на основе никеля , включающие хром , кобальт и рений .

Помимо усовершенствований сплава, важным прорывом был разработка методовпроизводства направленной кристаллизации (DS) и монокристалла (SC). Эти методыпомогают значительно повысить устойчивость к усталости и ползучести за счетвыравнивания границ зерен в одном направлении (DS) или за счет полного удаления границ зерен (SC).Исследования SC начались в 1960-х годах с Пратта и Уитни , и на их реализациюушло около 10 лет. Одна из первых реализаций DS была с двигателями J58 лопаткитурбины SR-71 .

A с термобарьерным покрытием.

Другим важным усовершенствованием технологии материалов лопаток турбиныстало изменение разработка термобарьерных покрытий (TBC). В то время какразработки DS и SC улучшили сопротивление ползучести и усталости, TBC улучшилистойкость к коррозии и окислению, и то и другое стало серьезной проблемой приповышении температуры. Первыми ТБП, примененными в 1970-х годах, были покрытияалюминид . Улучшенные керамические покрытия стали доступны в 1980-х годах. Этипокрытия повышают температурную способность лопаток турбиныпримерно на 200 ° F (90 ° C). Покрытия также увеличивают срок службы лопаток, внекоторых случаях почти удваивая срок службы лопаток турбин.

Большинство лопаток турбин изготавливаются путем литья по выплавляемым моделям(или обработки по выплавляемым моделям). Этот процесс включает изготовлениеточного отрицательного штампа формы лезвия, который заполняется воском дляформирования формы лезвия. Если лезвие полое (то есть имеет внутренниеохлаждающие каналы), керамический сердечник в форме канала вставляется всередину. Лезвие из воска покрывается термостойким материалом, образуяоболочку, а затем эта оболочка заполняется сплавом лезвия. Этот шаг может бытьболее сложным для материалов DS или SC, но процесс аналогичен. Если в серединелезвия есть керамический сердечник, он растворяется в растворе, которыйоставляет лезвие полым. Лезвия покрываются TBC, а затем обрабатываются любыеохлаждающие отверстия.

Композиты с керамической матрицей (CMC), в которых волокна встроены в матрицуиз керамики, полученной из полимера , находятся в стадии разработки. дляиспользования в лопатках турбин. Основным преимуществом КМЦ перед обычнымисуперсплавами является их легкий вес и жаростойкость. Композиты SiC / SiC , состоящие из кремниевойматрицы, армированной волокнами карбида кремния , показали, что они выдерживаютрабочие температуры на 200-300 ° F выше, чем никелевые суперсплавы. GE Aviationуспешно продемонстрировали использование таких композитных лопаток SiC / SiCдля турбины низкого давления своего реактивного двигателя F414 .Википедия  

При постоянном перепаде давлений тепловой КПД двигателя увеличиваетсяпо мере увеличения температуры на входе в турбину (TET). Однако высокиетемпературы могут повредить турбину, поскольку лопатки испытывают большиецентробежные нагрузки, а материалы при высокой температурестановятся слабее. Итак, охлаждение лопаток турбины необходимо. Современныеконструкции турбин работают при температурах на входе выше 1900 кельвинов, чтодостигается за счет активного охлаждения компонентов турбины.

Охлаждение компонентов может быть достигнуто воздухом или жидкостноеохлаждение . Жидкостное охлаждение кажется более привлекательным из-за высокойудельной теплоемкости и вероятности испарительного охлаждения, но могут бытьутечки, коррозия, засорение и другие проблемы. который работает против этого метода. С другой стороны,воздушное охлаждение позволяет выпускаемому воздуху без проблем попадать восновной поток. Количество воздуха, необходимого для этого, составляет 1–3% отосновного потока, а температуру лопаток можно снизить на 200–300 ° C. В лопатках газовых турбиниспользуется множество методов охлаждения; конвекция , пленочное охлаждение,транспирационное охлаждение, охлаждающий поток, охлаждение с помощью ребристыхштырей и т. Д., Которые подпадают под категориивнутреннего и внешнего охлаждения. Хотя все методы имеют свои различия, все ониработают с использованием более холодного воздуха (часто отбираемого изкомпрессора) для отвода тепла от лопаток турбины.

Внутреннее охлаждение

Конвекционное охлаждение

Охлаждение лопаток конвекцией

Он работает, пропуская охлаждающий воздух через внутренние каналылезвия. Тепло передается посредством теплопроводности через лезвие, а затемпутем конвекции в воздух, протекающий внутри лезвия. Для этого методажелательна большая внутренняя поверхность, поэтому путиохлаждения имеют тенденцию быть извилистыми и полны мелких ребер. Внутренниеканалы в лопасти могут иметь круглую или эллиптическую форму. Охлаждениедостигается за счет пропускания воздуха через эти каналы от ступицы к кончикулопасти. Этот охлаждающий воздух поступает из воздушного компрессора. В случае газовойтурбины жидкость снаружи относительно горячая, она проходит через охлаждающий

Охлаждение при ударе

Удар

Вариант конвекционного охлаждения, Охлаждение со столкновением , работаетза счет удара по внутренней поверхности лопасти воздухом с высокой скоростью.Это позволяет передавать больше тепла за счет конвекции, чем при обычномконвекционном охлаждении. Ударное охлаждение применяется в регионах с наибольшими тепловыминагрузками. В случае турбинных лопаток передняя кромка имеет максимальнуютемпературу и, следовательно, тепловую нагрузку. Ударное охлаждение такжеиспользуется в средней хорде лопатки. Лезвия полые с сердечником.Есть внутренние охлаждающие каналы. Охлаждающий воздух поступает из областипередней кромки и поворачивается к задней кромке.

Пленочное охлаждение (также называемое тонкопленочным охлаждением), широкоиспользуемый тип, обеспечивает более высокую эффективность охлаждения, чемконвекционное и ударное охлаждение. Этот метод заключается в откачкеохлаждающего воздуха из лезвия через несколько небольшихотверстий или щелей в конструкции. Затем на внешней поверхности лопастисоздается тонкий слой (пленка) охлаждающего воздуха, уменьшающий теплоотдачу отосновного потока, температура которого (1300–1800 кельвинов ) может превышатьтемпературу плавления . точка материала лезвия (1300–1400 кельвинов).Способность пленочной системы охлаждения охлаждать поверхность обычнооценивается с помощью параметра, называемого эффективностью охлаждения. Болеевысокая эффективность охлаждения (максимальное значение, равноеединице) означает, что температура материала лопатки ближе к температуреохлаждающей жидкости. В местах, где температура лопатки приближается ктемпературе горячего газа, эффективность охлаждения приближается к нулю. Наэффективность охлаждения в основном влияют параметры потока охлаждающей жидкости и геометриявпрыска. Параметры потока охлаждающей жидкости включают в себя скорость,плотность, скорость обдува и количество движения, которые рассчитываются сиспользованием характеристик потока охлаждающей жидкости и основного потока. Параметры геометриивпрыска состоят из геометрии отверстия или паза (т. Е. Цилиндрической формы,отверстия или прорези) и угла впрыска. Программа ВВС США в начале 1970-х годовфинансировала разработку турбинной лопатки с пленочным и конвекционнымохлаждением, и этот метод стал распространенным в современных турбинныхлопатках. Введение в поток отвода охлаждающего воздуха снижает изоэнтропическийКПД турбины; сжатие охлаждающего воздуха (который не передает мощностидвигателю) влечет за собой потерю энергии; а охлаждающий контур значительноусложняет двигатель. Все эти факторы должны быть компенсированы увеличениемобщей производительности (мощности и КПД), допускаемым увеличением температурытурбины. В последние годы исследователи предложили использовать плазменный актуатор дляпленочного охлаждения. Пленочное охлаждение лопаток турбины с использованиемплазменного актуатора диэлектрического барьерного разряда было впервыепредложено Роем и Вангом. Плазменный актуатор в форме подковы,который устанавливается вблизи отверстий для потока газа, значительно улучшаетэффективность пленочного охлаждения. Следуя предыдущим исследованиям, недавниеотчеты с использованием как экспериментальных, так и численных методов продемонстрировалиэффект улучшения охлаждения на 15% с использованием плазменного привода.

Охлаждающий эффуз

Охлаждение за счет эффузии

Поверхность лезвия сделана из пористый материал, что означает наличие большогоколичества мелких отверстий на поверхности. Охлаждающий воздух проходит черезэти пористые отверстия, образуя пленку или более холодный пограничный слой.Кроме того, это равномерное охлаждение вызвано истечением охлаждающей жидкости по всейповерхности лопатки.

Охлаждение ребер штифта

В узкой задней кромке пленочное охлаждение используется для улучшенияпередачи тепла от лопатки. На поверхности лезвия имеется множество ребер.Передача тепла происходит от этого массива и через боковые стенки. Посколькуохлаждающая жидкость течет через ребра с высокойскоростью, поток разделяется и образуются следы. На скорость теплопередачивлияют многие факторы, среди которых наиболее важны тип штифтового ребра ирасстояние между ребрами.

Транспирационное охлаждение

Это похоже на пленочное охлаждение в том смысле, что оно создает тонкуюпленка охлаждающего воздуха на лезвии, но она отличается тем, что воздух«просачивается» через пористую оболочку, а не вводится через отверстия. Этоттип охлаждения эффективен при высоких температурах, таккак он равномерно покрывает всю лопасть прохладным воздухом. Лопасти странспирационным охлаждением обычно состоят из жесткой стойки с пористойоболочкой. Воздух проходит через внутренние каналы стойки, а затем проходитчерез пористую оболочку для охлаждения лезвия. Как и в случае пленочногоохлаждения, увеличение количества охлаждающего воздуха снижает КПД турбины,поэтому это снижение должно быть сбалансировано улучшенными температурнымихарактеристиками.