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

Вторая группа материалов применяется для работы в области температур до 9204-970 К. К ней относятся стали аустенитного клас­ са, имеющие высокую окалиностойкость и сопротивляемость пол­ зучести. Эти стали имеют большую жаропрочность и в большинстве своем легче поддаются сварке, чем стали перлитного класса. Но наря­ ду с достоинствами аустенитные стали обладают рядом существенных недостатков, из-за которых применять их нежелательно во всех тех случаях, когда без особого ущерба могут быть использованы перлит­ ные или мартенситные стали. К недостаткам аустенитных сталей от­ носятся трудность их обработки, невозможность упрочнения мето­ дами термообработки, а также более высокий коэффициент линейного расширения и в 24-4 раза более низкий коэффициент теплопроводнос­ ти, чем у сталей перлитного класса. Кроме того, они в несколько раз дороже последних вследствие того, что содержат в себе значитель­ но больше дефицитных элементов, как-то: никеля, молибдена, воль­ фрама и т. д. В качестве примера сталей аустенитного класса можно назвать стали ЭИ 405 и ЭЙ 612. Хорошо поддающаяся сварке сталь ЭИ 405 используется для изготовления сварных роторов, лопаток и других теплонапряженных деталей. Хромоникелевая сталь ЭИ 612, легированная вольфрамом и титаном, идет на изготовление лопаток и крепежных деталей, работающих при температуре до 920 К-

Третья группа материалов применяется для изготовления деталей, предназначенных для работы при температурах выше 9204-970 К. В эту группу входят сплавы никеля, хрома и кобальта с различными присадками и небольшим содержанием железа. Среди них наиболь­ шее распространение получили сплавы на никелевой основе с высо­ ким (до 154-16%) содержанием хрома, как-то: ЭИ 765, ЭИ 437, ЭИ 607, ЭИ 893. Из этих сплавов в основном изготовляются лопатки газовых турбин.

Направляющие лопатки (сопла) устанавливаются непосредствен­ но в корпусе турбины или закрепляются в специальных обоймах, вставляемых в корпус. Они обычно размещаются по всей окружности, т. е. имеется полный подвод газа к рабочим лопаткам. Лопаткам должна быть обязательно обеспечена возможность свободного темпе­ ратурного удлинения. При высокой температуре газа перед турбиной лопатки в ряде случаев выполняются с внутренним охлаждением. Чаще всего применяется воздушное охлаждение, но иногда бывает и жидкостное.

Рабочие лопатки газовых турбин с целью получения более высо­ кого к . п . д . преимущественно выполняются закрученными. Для сни­ жения напряжений, возникающих в корневом сечении от центробеж­ ных сил, закрученные профили обычно делаются с уменьшающейся площадью поперечного сечения по высоте лопатки. Способы крепле­ ния рабочих лопаток применяются в основном такие же, как и в паро­ вых турбинах. Особенно хорошо зарекомендовало себя в работе при высоких температурах и больших нагрузках крепление лопаток елоч­ ным хвостом. Оно отличается высокой прочностью, позволяет легко производить смену лопаток и осуществлять охлаждение дисков и нож­ ки лопаток продувкой воздуха через монтажные зазоры (рис. 2-16).

188

теле (рис. 2-17). Лопатки изготовляются ковкой, штамповкой, фрезе­ рованием, точным литьем, прессованием из порошков и другими спо­ собами. Сплошные лопатки очень часто у вершины имеют утончение, что уменьшает опасность возникновения аварии при задевании о кор­ пус турбины. Такая конструкция позволяет, кроме того, уменьшить радиальные зазоры, а значит, и потери за счет утечки газа через них.

Роторы газовых турбин бывают дисковыми, барабанными и дискобарабанными. Первые распространены гораздо больше, чем осталь­ ные, вследствие своих достоинств, основными из которых являются следующие: роторы с дисками без отверстий в центре обладают более высокой прочностью при действии центробежных сил; диски изготовля­ ются из отдельных, небольших по размерам поковок и обрабатываются независимо друг от друга; при изготовлении в дисках пазов для хвос­ товиков лопаток можно использовать наиболее прогрессивные методы. В дисковых роторах многоступенчатых турбин число лопаток по сту­ пеням не взаимосвязано, и самое главное — это то, что можно осу­ ществлять осевую сборку турбины при неразъемных корпусе и диа­ фрагмах. Дисковые роторы обычно применяются в высоконапряжен­ ных турбинах, в том числе и в авиационных. Роторы многоступенча­ тых турбин выполняются составными (сборными) из отдельных дис­ ков, которые соединяются между собой стяжными болтами, винтами или шпильками, а также радиальными штифтами, легко допускающи­ ми температурные деформации сопрягаемых деталей. В малонапря-

189

женных турбинах диски иногда делаются насадными на вал, к которо­ му они крепятся различными способами.

Барабанные и диско-барабанные роторы газовых турбин по кон­ струкции аналогичны таким роторам паровых турбин. Они бывают цельноковаными и сварными. В турбинах небольшой мощности ротор часто отковывается заодно с валом. Цельнокованые роторы весьма жестко ограничиваются по диаметру, так как для заготовок диамет­ ром более 1 м трудно бывает обеспечить высокое качество поковки. Этого недостатка лишены сварные роторы. Кроме того, сварные рото­ ры в ряде случаев бывает целесообразно сваривать из элементов, из­ готовленных из разных сталей.

Рис. 2-17. Конструктивные схемы рабочих лопаток с внутренним охлаждением

Роторы газовых турбин сейчас все чаще выполняются охлаждае­ мыми. Если они в этом случае работают с относительно невысокой температурой, их можно изготовлять из сталей перлитного класса, которые значительно дешевле, чем аустенитные стали. В остальных случаях для роторов наряду с перлитными применяются и аустенит­ ные стали.

В связи с тем что потери давления существенно снижают мощность и к.п.д. ГТУ, всегда стремятся конструкцию цилиндров турбины и

патрубки, было возможно меньшим. Из этих соображений широко распространена компоновка корпусов ГТУ в одну линию, когда ком­ прессор, камера сгорания и турбина расположены по одной оси. При-

190

чем такое расположение принимается даже для двухвальных устано­ вок, когда оба вала имеют разное число оборотов. Примером тому может служить ГТ-100-750. В этом случае потери давления при пере­ ходе газа из одного агрегата в другой получают минимальными. Кла­ паны перед газовыми турбинами, как правило, отсутствуют.

Корпусы (цилиндры) газовых турбин обычно отливаются из пер­ литных сталей. Но в некоторых случаях применяется сварка отдель­ ных частей корпуса. Для упрощения сборки и разборки корпусы круп­ ных турбин обычно выполняются с горизонтальным разъемом. При этом обе половины соединяются болтами или шпильками, что более предпочтительно. Для упрощения технологии изготовления корпусы многоступенчатых турбин часто имеют еще и вертикальный разъем, а иногда вообще делаются составными из кольцевых элементов, кото­ рые соединяются между собой на фланцах. Корпусы одноступенчатых турбин в большинстве своем выполняются без разъемов. В случае отсутствия разъемов в корпусе осуществляется осевая сборка и раз­ борка турбин.

В отличие от паровой турбины корпус газовой турбины работает при более высокой температуре, но зато при меньшем давлении (по­ рядка 20-^30 бар и ниже).

Для уменьшения температуры стенок корпуса внутрь его часто вставляется жароупорный экран, изготовленный из тонкостенного листа аустенитной стали. Между экраном и стенками корпуса поме­ щается теплоизоляционный материал. Отверстия в экране разгружа­ ют его от давления газа. А стенки корпуса, воспринимающие давле­ ние, имеют низкую температуру.

Существуют и другие варианты снижения температуры корпуса. Так, например, корпус заключается в кожух, а через зазор между ними пропускается охлаждающий воздух. Бывают турбины и с двухстенным корпусом, между стенками которого проходит воздух от ком­ прессора. Внутренние стенки подвержены действию высокой темпе­ ратуры, а наружные воспринимают давление газа. Применяются так­ же корпусы с водяным охлаждением. Для крепления к фундаменту обычно в нижней части корпуса делаются опорные лапы.

Валы, лабиринтовые уплотнения и подшипники газовых турбин по конструкции аналогичны таким же деталям паровых турбин. Не­ которое исключение составляют газовые авиационные турбины, в которых преимущественно применяются подшипники качения.

§ 2-11. Методы повышения термической стойкости турбинных деталей и способы их охлаждения

Повышения термической стойкости турбинных деталей добивают­ ся не только путем использования для их изготовления жаростойких сплавов и сталей, но также при помощи ряда других мероприятий, а именно: а) за счет применения различных способов охлаждения деталей воздухом и водой; б) нанесением на поверхность лопаток

191

тонкого слоя защитных покрытий, в качестве которых обычно исполь­ зуются окислы А12 03 (алюминия), MgO (магния), ВеО (бериллия) и другие подобные соединения: MgO-Al2 03 , Al2 03 -SiO, ВеО-MgO-Zr02 .

Благодаря высокой температуре плавления (27504-3300 К), хими­ ческой стойкости и низким коэффициентам теплопроводности этих веществ покрытия из них хорошо предохраняют поверхность лопаток от высокотемпературной коррозии и дают возможность снизить их температуру; в) посредством изготовления лопаток из металлокерамических материалов методами порошковой металлургии. Деталь в этом случае изготовляется из порошковой смеси керамики и металла холодным прессованием с последующим спеканием или же горячим прессованием. Полученные таким образом изделия обладают значи­ тельной прочностью при высоких температурах и стойкостью по отно­ шению к высокотемпературной коррозии. А меньший удельный вес металлокерамики по сравнению со сталями и сплавами позволяет снизить напряжения в лопатках, возникающие за счет центробежной силы при вращении турбины.

СреДи разработанных видов металлокерамики хорошо показала себя композиция под названием «керамель», состоящая из 80 % карби­ да титана и 20 % кобальта. Ее сопротивление разрыву составляло 36,2-1034-68,7-103 Н/см2 при температуре 1143 К и 18,1-1034-49,1 х х Ю 3 Н/см2 при 1366 К- Диск с лопатками из «керамеля» был испы­ тан при вращении с окружной скоростью 215 м/с при температуре 1478 К, и лопатки вели себя при этом вполне удовлетворительно.

Однако, несмотря на обнадеживающие результаты, оба рассмот­ ренных выше метода повышения термической стойкости лопаток еще не вышли по существу из рамок исследовательских работ и не полу­ чили распространения в производстве. Причина — большая хрупкость применяемых керамических и металлокерамических материалов и склон­ ность их к растрескиванию при резком изменении температуры.

Зато в настоящее время все в больших масштабах применяются в турбинах средней и особенно большой мощности различные способы охлаждения турбинных деталей воздухом и водой. Эти способы мож­ но разделить на два следующих основных вида:

1. Охлаждение ротора воздухом или водой с частичным охлажде­ нием рабочих лопаток за счет отвода тепла от них путем теплопровод­ ности через хвостовики в ротор.

2. Непосредственное охлаждение рабочих лопаток воздухом или водой при одновременном охлаждении и самого ротора.

Каждый из этих способов в свою очередь имеет ряд различных ва­

горячего газа из проточной части турбины к боковой поверхности дис­ ка. 2. Струйное охлаждение обода диска (рис. 2-18, б). В этом случае

192

обод диска обдувается струями воздуха, который подводится к нему через ряд специальных отверстий, трубок или сопел небольшого диа­ метра, расположенных в корпусе турбины в нескольких местах по окружности диска. Но иногда подвод воздуха к ободу осуществляется и с помощью сплошной кольцевой щели. Этот метод более эффектив­

температуры газа перед турбиной. Необходимый расход охлаждаю­ щего воздуха составляет 14-3% от общего его расхода в установке. Этот метод пригоден не только для дисковых, но и для барабанных роторов. Он нашел широкое применение в нашей стране в области авиационного и транспортного газотурбостроения. В ряде случаев, чаще всего в турбинах значительной мощности с барабанными ротора­ ми, для увеличения эффективности охлаждения перечисленные ме­ тоды применяются или одновременно, или в различных комбинациях друг с другом. 4. Охлаждение дисков с помощью водяных экранов. При этом по обеим сторонам обода и полотна диска с некоторым за­ зором устанавливаются неподвижные охлаждаемые водой экраны, которые обеспечивают достаточно интенсивный отвод тепла путем излучения. Испытания показали, что данный метод примерно равно­ ценен струйному охлаждению с расходом охлаждающего воздуха порядка 24-3%. Но вследствие конструктивных и эксплуатационных усложнений (так, например, в этом случае требуется специальная замкнутая система охлаждения с дистиллированной водой) рассмот­ ренный метод имеет весьма ограниченное применение.

Практика показывает, что при всех четырех рассмотренных мето­ дах охлаждения снижение температуры рабочих лопаток за счет от­ вода от них тепла путем теплопроводности через хвостовики в охлаж­ даемый ротор является недостаточно эффективным. Это объясняется тем, что лопатки имеют сравнительно большую длину и, кроме того,