Файл: Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие.pdf

газовых установок мощностью 12-4-200 МВт с высоконапорными пароге­ нераторами производительностью 50-4-500 т/ч. ПГУ с парогенератора­ ми 50 и 120 т/ч уже ряд лет находятся в стадии промышленной эксплуа­ тации. Накопленный опыт показал их высокую эффективность и надежность при работе на газообразном топливе. Положительные ре­ зультаты были получены и при эксплуатации установок на высоко­ сернистом газотурбинном топливе с малым содержанием золы и при­ месей ванадия. Осваивается сжигание более тяжелых жидких топлив.

На рис. 2-15 представлена принципиальная схема парогазовой установки ПГУ-200-130 мощностью 200 МВт. Она состоит из следую­ щего основного оборудования: высоконапорного парогенератора 10 производительностью 450-4-

ся в парогенератор 10, куда подается газообразное или жидкое топли­ во. Топливо сгорает в парогенераторе при температуре около 2300 К, а на выходе из него температура продуктов сгорания снижается до 1040 К- Это происходит, как и в любом котле, за счет передачи тепла на нагрев воды и производство пара. Полученный в парогенераторе 10 перегретый пар с р0 = 127,5 бар и Т0 = 838 К поступает в паровую турбину 16, где, расширяясь до глубокого вакуума, совершает работу и далее конденсируется в конденсаторе 14. Конденсат подается на­ сосом 13 через паровые регенеративные подогреватели низкого давле­ ния 12, 7 и экономайзер третьей ступени 6 в деаэратор 11, где при дав­ лении 5,9 бар происходит деаэрация воды. Из деаэратора вода забира­ ется питательным насосом 8, прокачивается через регенеративный по­ догреватель высокого давления 9 и экономайзеры второй 5 и первой ступени 4, где нагревается до температуры кипения и затем подается в парогенератор 10. Таким образом, паровой цикл замыкается.

Газотурбинная часть установки работает по принципу открытой (разомкнутой) ГТУ. Продукты сгорания с 7\ = 1040 К из парогенера-

183

Глава 2-2

КОНСТРУКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО Г А З О В Ы Х ТУРБИН И ГТУ

§ 2-9. Типы газовых турбин и особенности их лопаточного аппарата

Как уже было сказано, газовые турбины по принципу действия и по конструкции аналогичны паровым турбинам. В зависимости от направления потока газа в проточной части газовые турбины бывают также осевыми и радиальными. В осевых турбинах поток газа движет­ ся в конечном итоге вдоль оси вращения турбины, а в радиальных движение его происходит в основном в плоскости, перпендикулярной оси вращения. В свою очередь радиальные турбины подразделяются на центростремительные, в которых газовый поток движется от пери­ ферии к центру, т. е. к оси вращения, и центробежные, если газовый поток движется от центра к периферии. Радиальные турбины имеют малую мощность и ограниченное применение. Они используются в основном для привода нагнетателей в поршневых двигателях внутрен­ него сгорания.

Как и паровые, газовые турбины разделяют на активные и реактив­ ные. Причем активные газовые турбины бывают тоже и со ступенями скорости, и со ступенями давления. Однодисковые активные турбины с одной или несколькими ступенями скорости весьма часто выполня­ ются с небольшой степенью реактивности, обычно составляющей 5-f- 15%. В многоступенчатых активных турбинах только первая ступень делается чисто активной. Все последующие ступени, начиная со вто­ рой, в большинстве случаев выполняются со степенью реактивности 10-f-25%, которая обычно постепенно увеличивается от ступени к сту­ пени.

Использование реактивности, в том числе и в активных турбинах, позволяет более равномерно распределить работу между ступенями, повышает к.п.д. турбины и создает условия для более целесообразного выполнения ее лопаточного аппарата.

В практике применяются газовые турбины, как одноступенчатые, так и многоступенчатые. Причем последние бывают с различным чис­ лом ступеней (2-=-7 и более). При проектировании турбины число сту­ пеней выбирается с учетом целого ряда факторов, важнейшими из ко­ торых являются назначение турбины, вид применяемого топлива и величина общего теплового перепада. Одноступенчатые турбины нахо­ дят широкое распространение в тех случаях, когда размеры, вес и стоимость имеют первостепенное значение. С увеличением числа сту­ пеней при прочих равных показателях усложняется конструкция турбины, возрастают ее размеры, вес и стоимость, но зато повышается к.п.д. проточной части. Исходя из этого крупные турбины, чаще всего стационарные, но в ряде случаев и транспортные, если экономия в рас­ ходе топлива у них стоит на первом плане, выполняются многоступен­ чатыми. Это позволяет использовать большие тепловые перепады при

185

высоких значениях к.п.д. В ГТУ, работающих на тяжелом топливе, приемлемый к.п.д. вообще может быть достигнут только при боль­ шом числе ступеней в турбинах. С другой стороны, в турбинах одно­ ступенчатых и с малым числом ступеней использование активной пер­ вой ступени позволяет преобразовать в кинетическую энергию в од­ ном направляющем аппарате сравнительно большой перепад тепла и тем самым резко снизить температуру газа перед рабочими лопатка­ ми. Благодаря этому при заданной исходя из условий надежности и долговечности температуре рабочих лопаток можно существенно по­ высить начальную температуру газа, что в определенной степени ком­ пенсирует более низкий к.п.д. турбины.

Основные отличительные особенности газовых турбин по сравне­ нию с паровыми заключаются в следующем:

1. Газовые турбины работают при значительно более высокой на; чальной температуре. В связи с этим турбинные детали изготовляются из специальных жаростойких сталей и сплавов, а в ряде случаев при­ меняются соответствующие способы охлаждения лопаток и дисков турбин.

2. Газовая турбина работает при меньшем начальном давлении газа, а удельный объем его при расширении увеличивается в несколь­ ко десятков раз (всего примерно в 5^-20 раз), тогда как удельный объем пара при расширении в паровой конденсационной турбине уве­ личивается в сотни раз. Вследствие этого разница между высотой лопаток первой и последней ступеней в газовых турбинах бывает зна­ чительно меньшей, чем в паровых.

3.Срабатываемый теплоперепад в газовой турбине в 34-5 раз меньше, чем в паровой, благодаря чему число ступеней, а следователь­ но, и длина ее определенным образом сокращаются. Но зато для полу­ чения одинаковой мощности требуется соответственно обеспечить больший весовой, а значит, и объемный расход рабочего газа. В ре­ зультате этого высота лопаток первых ступеней у газовой турбины получается больше, чем у паровой турбины равной мощности.

4.Для получения высокого к. п. д. установки газовые турбины по сравнению с паровыми требуют более тщательного исполнения их проточной части вообще и профилирования лопаток в особенности. Объясняется это тем, что при уменьшении относительного внутрен­

него к. п. д. г) о; газовой турбины на 1 % к. п. д. установки уменьшается на 24-4% (см. §2-3), а не на 1 %, как это имело бы место в паротурбинной установке. Поэтому при проектировании проточной части вновь созда­ ваемой турбины обычно проводятся большие исследовательские работы, связанные с продувкой ряда моделей. На основании этих работ опре­ деляются оптимальный вариант проточной части и конструкция кор­ пуса турбины. Для уменьшения потерь рабочие лопатки газовых тур­

Расчет профилей закрученных (винтовых) лопаток производится теми же методами, которые применяются и для длинных лопаток па­ ровых турбин (см. § 1-19).

186

§2-10. Конструкции основных деталей газовых турбин

иматериалы, применяемые для их изготовления

Всвязи с тем что рабочим и направляющим лопаткам, а также ро­ тору газовых турбин приходится работать при высокой температуре нагрева, к материалам, применяемым для изготовления указанных деталей, предъявляются очень высокие требования. Так, применяе­ мые материалы наряду с хорошими механическими свойствами долж­ ны обладать стойкостью к коррозии и большой прочностью при вы­ соких температурах. Очень важным фактором в поведении материа­ лов при высокой температуре является также ползучесть, которая выражается в виде непрерывно нарастающей пластической деформа­ ции, происходящей под действием постоянных напряжений. Чем боль­ ше напряжения в детали и выше температура, тем быстрее нарастает деформация ползучести. Значительная деформация деталей в большин­ стве случаев является недопустимой. Так, удлинение рабочих лопаток турбины вследствие ползучести может при небольших радиальных зазорах привести к задеваниям. В других случаях даже сравнительно невысокие напряжения, значительно меньшие предела текучести при обычной комнатной температуре, в результате нарастания пластиче­ ской деформации могут стать причиной разрушения детали, работаю­ щей длительное время при высокой температуре. Во избежание этого необходимо выбирать напряжения такими, чтобы деформации в тече­ ние всего срока службы детали при заданной температуре не достигли опасного предела.

Применяемые для изготовления турбинных деталей материалы обычно принято разделять на три основные группы.

Первая группа предназначена для работы при температурах до 820-7-870 К. К ней относятся углеродистые, мало- и среднелегированные стали в основном перлитного, а также мартенситного классов. Эти стали легко обрабатываются, имеют хорошие упругие и пластиче­ ские свойства, позволяют улучшать свои характеристики с помощью термообработки. Их низкий коэффициент линейного расширения и хорошая теплопроводность дают возможность снизить термические напряжения в деталях и обеспечить более интенсивный теплоотвод. В качестве примера перлитных сталей можно привести хромоникельмолибденовую сталь ЭИ 395 и хромовольфрамомолибденованадиевую сталь ЭИ 415, применяющиеся для изготовления роторов, работаю­ щих при температуре до 820 К- Содержание молибдена 0,5-т-1% в жаропрочных сталях оказывает благоприятное влияние на ползу­ честь, а добавка хрома резко увеличивает химическую стойкость стали против газовой коррозии, т. е. окалиностойкость. В области более высоких температур (820-7-870 К) обычно применяются модифи­ цированные нержавеющие стали мартенситного класса с высоким содержанием хрома (до 12%), имеющие в своем составе добавки мо­ либдена, вольфрама, ванадия, ниобия или титана. Они обладают боль­ шей жаропрочностью и окалиностойкостью, чем перлитные стали. Примером сталей мартенситного класса может служить сталь 15Х12ВМФ.

187