Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 180
Скачиваний: 1
К таким же системам охлаждения относится охлаждаемая ло патка с возвратно-продольным протоком охлаждающего агента. Эта лопатка (рис. 50) предназначена для использования различных охлаждающих агентов (пар, вода, воздух) [18].
Охлаждаемая лопатка имеет центральный стержень 8, закрытый снаружи гильзой 9, на внутренней поверхности которой расположены продольные пазы 10 и И для прохода охлаждающей среды. К полке
Рис. 50. Лопатка с лшогопетлевой системой охлаждения.
лопатки гильза приварена по контуру. В полке высверлены отверстия по контуру лопатки, соединяющие пазы в гильзе с коллекторами / и 4 подвода и отвода охлаждающей среды. В нижней части лопатки находится зазор между стержнем и гильзой с перегородками, об разующими коллекторы для поворота воздуха от входной к выход ной группе каналов. Перегородки 6 выполнены заодно с торцевой
планкой 7 и входят плотно в пазы торца стержня. Гильза |
приварена |
к стержню лопатки контактной сваркой. Охлаждающая |
среда под |
водится к лопатке из коллектора в статоре 5 по отверстию 2 и от водится от лопатки по отверстию 3. Наличие жесткого стержня
4* |
51 |
позволяет проектировать подобные охлаждаемые лопатки для турбин большой мощности, а наличие охлаждаемых продольных каналов различных диаметров обеспечивает более равномерное температур ное поле по профилю лопатки. Применение же двоимого протока охлаждающего агента дает возможность максимально использовать свойства охлаждающего агента.
Английская охлаждаемая лопатка [97] с многопетлевым про током охлаждающего агента показана на рис. 51. Охлаждающий воздух или жидкость поступает в канал 3 через вход 6. Часть ох-
|
|
51 |
|
|
53 |
|
Рис. |
51. |
Лопатка |
с |
многопетлевой системой |
охлаждения |
(Англия). |
Рис. |
52. |
Лопатка |
с развитой охлаждаемой поверхностью. |
|
||
Рис. |
53. |
Лопатка |
со |
сложной многопетлевой |
системой |
охлаждения. |
лаждающего агента через отверстия / поступает в канал 4, где охла ждает переднюю кромку лопатки и выходит в сборный коллектор. Другая часть охлаждающего агента через проток 2 попадает в канал 5, охлаждает выходную кромку лопатки и выходит в коллектор. Та кое охлаждение лопатки обеспечивает более эффективное охлажде ние наиболее напряженно работающих передней и задней кромок ее.
Очень часто для увеличения площади теплообмена внутри ох лаждаемой лопатки делают различные ребра и перегородки. При мером такой лопатки может служить французская охлаждаемая пустотелая лопатка (рис. 52) [103]. Лопатка состоит из наружной оболочки и внутреннего дефлектора. Наружная оболочка выполнена из листового материала, изогнутого по наружному профилю во круг входной кромки, и имеет выпуклую и вогнутые стороны, ко торые соединяются сваркой по выходной кромке. На внутренней
поверхности оболочки имеется несколько параллельных продоль ных ребер /, которые после изгиба листовой заготовки по профилю лопатки оказываются один напротив другого и образуют поперечные перегородки, разделяющие внутреннюю полость лопатки на несколько продольных каналов 3. Эти каналы в свою очередь разделены про дольными ребрами 2, которые отстоят примерно на одинаковом рас стоянии от стенок оболочки. Для крепления ребер на каждом из вы ступов сделано несколько прямоугольных пазов. Такие лопатки обладают сравнительно высокой жесткостью и обеспечивают хо роший теплоотвод.
Очень своеобразная и довольно сложная конструкция охлаждае мой лопатки с закрытой системой (рис. 53) выполнена во Франции [102].
Внутри лопатки проходят радиальные каналы, прикрытые с торцов. Они идут по всей высоте лопатки и соединяются между со бой отверстиями в перегородках, сделанными или у корня, или у вершины. Охлаждающий агент поступает вначале двумя потоками в каналы 8 и 11. Через специальные отверстия у корня охлаждаю щий агент поднимается вверх и по отверстиям 7 и 12, расположенным
на середине высоты лопатки, входит |
в каналы 6 и |
13, разделяясь |
|||
в каждом из них на две части. Далее |
охлаждающий |
агент, идущий |
|||
вверх, по каналу 6 проходит |
последовательно по отверстию 5 и |
||||
каналу 4 (вниз) и по каналам |
3 |
и |
12 |
вверх и далее. Из канала 2 |
|
по отверстию 1 поступает в канал |
9. |
Другая часть из канала 6 также |
направляется в канал 9. Из канала 13 аналогичным образом ох лаждающий агент поступает в канал 10. Из каналов 9 и 10 он по падает в сборник через отверстие в вершине лопатки. Такая лопатка может иметь сравнительно равномерную температуру стенки. Ее
изготовляют |
сваркой |
из двух частей с применением электрических |
и искровых |
способов |
обработки. |
Рассмотренные конструкции закрытых систем охлаждения еще раз подтверждают чрезвычайно большую их сложность, а следова тельно, и сравнительно невысокую надежность при эксплуатации. Однако высокая эффективность этих систем всегда привлекала и сей час особенно привлекает конструкторскую мысль при разработке более простых и надежных систем охлаждения подобного типа. И, по-видимому, нет никакого сомнения в том, что скоро именно такие системы охлаждения будут внедрять в газотурбостроении. Они дадут возможность повысить температуру газа перед турбиной на значительную величину и тем самым резко улучшить показатели газотурбинных установок.
§ 9. Опыт по созданию и доводке ВГТУ
Теоретические и экспериментальные работы по созданию различных систем охлаждения газовых турбин показали возможность их использования для ГТУ с целью повышения на чальной температуры газа в турбинах. Наиболее широко в настоящее
время внедрены открытые |
системы |
охлаждения |
с использованием |
в качестве охлаждающего |
агента |
воздуха. Конструктивно весьма |
|
простым способом охлаждения роторов газовых |
турбин является |
внешний обдув дисков и лопаток. Подобное охлаждение при меняют в стационарной, судовой и авиационной практике. Приме ром могут служить газовые турбины (ГТ-700-4) со струйным охлаж дением [45].
В результате исследования этих машин установлено, что наи более эффективной является подача охлаждаемого воздуха на обод
диска |
с обеих |
его сторон. Разность температур между ободом и |
|||||||||||||
|
|
|
|
центром |
диска |
|
составила |
50—60 К |
|||||||
|
|
|
|
по |
входной |
стороне |
ротора |
и |
25—• |
||||||
|
|
|
|
30 |
К — |
по выходной стороне |
ротора, |
||||||||
|
|
|
|
что |
можно |
считать |
вполне |
удовле |
|||||||
|
|
|
|
творительным. При |
расходе |
охлаж |
|||||||||
|
|
|
|
дающего |
воздуха, |
равном |
2% |
рас |
|||||||
|
|
|
|
хода газа, температура |
обода |
диска |
|||||||||
|
|
|
|
снижалась |
на |
150 К |
|
по |
сравнению |
||||||
|
|
|
|
с вариантом |
без |
охлаждения. |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Экранное |
охлаждение |
исследо |
||||||||
|
|
|
|
вано на моделях установок и на |
|||||||||||
|
|
|
|
турной турбине (рис. 54). На основе |
|||||||||||
|
|
|
|
результатов |
можно |
сделать |
заклю |
||||||||
|
|
|
|
чение, что при |
экранном |
охлажде |
|||||||||
|
|
|
|
нии достигается такое же снижение |
|||||||||||
|
|
|
|
температуры обода диска, как при |
|||||||||||
|
|
|
|
воздушно-струйном, |
с |
расходом ох |
|||||||||
|
|
|
|
лаждающего |
воздуха |
до 2—3% |
при |
||||||||
|
|
|
|
разности |
температур |
по диску 50 К- |
|||||||||
|
|
|
|
Чтобы исключить |
влияние подсосов |
||||||||||
Рис. |
54. |
Экранное |
водяное охлажде- |
горячих |
газов |
|
из |
проточной |
|
части |
|||||
те |
стационарных |
отечественных |
турбины |
В |
осевой |
зазор |
между |
||||||||
газовых |
турбин. |
|
диском |
и |
неподвижным |
корпусом, |
|||||||||
|
|
|
|
рекомендуется |
|
иметь |
|
небольшой |
пропуск воздуха в радиальном направлении от центра к периферии. Наиболее распространенной системой охлаждения лопаток в на стоящее время является система продувки корневых частей лопаток воздухом. В этом случае вместе с корнями лопаток охлаждается
иобод диска. Возможность такого охлаждения появляется тогда, когда лопатки заводятся в диск с его торца (рис. 55, стрелками по казаны направления потоков охлаждающего воздуха). Воздух, ох лаждающий первую ступень, из внутренней полости ротора через отверстия в первом диске направляется в осевой зазор между диском
ивращающимся с ним дефлектором. Отсюда он поступает в мон тажные зазоры между корнями рабочих лопаток и ободом диска, охлаждая диск и корни лопаток. Как видно, тракт охлаждающего воздуха состоит из полостей, отверстий, зазоров, каналов и др. Воз дух отводит тепло от поверхностей дисков, щелей и лабиринтовых уплотнений.
В рассматриваемой системе охлаждения каждый поток воздуха
используется наиболее полно, в результате |
чего удается снизить |
его расход на одну ступень до 0,5% расхода |
газа. |
Расчеты и практика показывают, что турбинные лопатки, испы тываемые потоком газа с температурой 1173 К и выше, требуют охлаждения не только корневых сечений, но и всего профиля лопатки. Кроме того, при таких температурах газа должны охлаждаться по верхности, соприкасающиеся с потоком горячих газов. Системы охлаждения для таких турбин были рассмотрены нами ранее.
Рис. 55. Охлаждаемый ротор ТВД |
ГТУ-50-800. |
Внутренние открытые системы охлаждения широко распростра нены в авиационном газотурбостроении. В двигателях типа «Олимп» используется канальная система охлаждения. Воздух отбирается от последней ступени компрессора высокого давления и направ ляется на охлаждение ротора и статора по специальным каналам. Проходя по статору, он отводит от него тепло и поступает в направ ляющие лопатки, откуда выбрасывается в проточную часть. Дру гой поток воздуха, проходящий по валу, подводится к диску, а от туда — к рабочим лопаткам, которые выполнены с малыми радиаль ными отверстиями (см. рис. 44, в). Число отверстий для прохода охлаждающего воздуха зависит от площади поперечного сечения ло патки. Диаметр отверстия небольшой и составляет около 1—1,5 мм. Охлаждающий воздух подается через отверстия в замке лопатки, течет по сквозным каналам вдоль нее и поступает в радиальный зазор между рабочей лопаткой и корпусом турбины.
Аналогичная система охлаждения использована для рабочих лопаток судового двигателя «Тайн» [8]. Она отличается от системы охлаждения лопаток двигателя «Олимп» тем, что в лопатках дви гателя «Тайн» каналы для охлаждающего воздуха имеют больший
диаметр и расположены в один ряд |
по средней линии профиля, |
в то время как в лопатках двигателя |
«Олимп» они располагаются по |
всему сечению профиля. На лопатках двигателя «Тайн» удалось достигнуть снижения температуры лопатки у корня на 137 К, у пе риферии — на 57 К-
С целью максимального использования свойств охлаждающего воздуха на авиационных двигателях типа «Конвей» применены ло патки с многоканальной системой охлаждения [101]. Воздух течет вдоль лопатки, часть его делает поворот в верхней части лопатки, а другая часть по специальным отверстиям выходит на внутреннюю поверхность носика. Затем оба потока соединяются и направляются в коллектор. По такому же принципу, но с большим количеством охлаждающих каналов производится охлаждение рабочих лопаток двигателя «Спей».
На судовом двигателе LM-300 использованы тоже многоканаль ные лопатки, охлаждаемые воздухом. Воздух проходит по внутрен ним каналам и выбрасывается в радиальный зазор. Разработанный фирмой Дженерал Электрик на базе авиационного ТЕ-39 судовой высокотемпературный двигатель LM-2500 имеет двухступенчатую турбину высокого давления с внутренним открытым охлаждением воздухом направляющих и рабочих лопаток. Охлаждение обеспе чивает при начальной температуре газа 1453 К температуру лопаток не выше 1113 К [8].
Фирмой Кэртис-Райт (США) построена одноступенчатая турбина авиационного типа с пористой системой охлаждения, которая про работала на испытательном стенде 150 ч при температуре 1543 К. Однако детали такой турбины трудоемки в изготовлении и для креп ления. Поэтому в настоящее время фирма уделяет внимание экс периментальной отработке закрытых (замкнутых) систем охлажде ния с использованием в качестве охладителя жидких сред. Эти экспериментальные разработки все чаще и чаще реализуются.
Направленность таких работ в каждой стране своя. Например, в ФРГ работы в области водоиспарительной системы привели к соз данию семиступенчатой опытной газовой турбины. В США были соз даны экспериментальные одно- и трехступенчатые турбины с вынуж денной конвекцией воды в рабочих лопатках. В Англии построена экспериментальная турбина с двухконтурной системой охлаждения. Практическим воплощением экспериментальной машины с водоис парительной системой охлаждения послужила ГТУ фирмы Сименс Шуккерт, установленная на Баденской химической фабрике в Людвигсхафене на Рейне [45].
Газотурбинная установка рассчитана на работу при температурах свыше 1273 К- Полезная мощность ее 1200 кет, расход газа в проточ ной части 8,5 кг/с, отношение давлений 5,4. При этом располагаемый теплоперепад составляет 480 кдж, а частота вращения 7900 об/мин. Для пуска установки применен асинхронный двигатель, получаю щий ток от внешнего источника. Пар, получаемый от системы ох лаждения, используется на бытовые нужды. Габарит турбины: наружный диаметр семиступеичатого ротора турбины 0,54 и 0,62 м,
длина проточной части около 0,7 м, расстояние между осями под шипников 1,3 м.
Центральная часть ротора состоит из восьми отдельных дисков, насаженных на вал. Между соседними дисками помещено U-образное кольцо с приваренными к нему рабочими лопатками; U-образные кольца удерживаются между дисками с помощью замка типа «елочка». На максимальном диаметре между U-образными кольцами вварены компенсационные кольца. Центральная часть собрана с двумя полувалами, имеющими фланцы. Фланцы связаны с U-образными кольцами также с помощью компенсационных колец. Для подвода охлаждающей жидкости и отвода образовавшегося пара в деталях ротора выполнены соответствующие сверления. Рабочие лопатки
Рис. 56. Поле температур и напряжений лопаток тур бины с водоиспарительной системой охлаждения.
длиной от 44 до 85 мм имеют по шесть охлаждающих каналов каж дая. Каналы круглые диаметром от 2 до 6 мм получены сверлением. Толщина стенки между каналом в выходной кромке лопатки и на ружным ободом профиля равна 1 мм. Ввиду необходимости приварки лопатки к U-образному кольцу охлаждающий канал высверлен в ло патке от ее периферии не на всю длину; его досверливают лишь после приварки лопатки к кольцу. Герметизация каналов лопатки осу
ществляется |
вставными заглушками, приваренными к лопатке. |
Они должны |
выдерживать давление около 30-Ю6 нім2. |
На рис. 56 показаны поперечные сечения рабочих лопаток с ка налами охлаждения. На первом сечении нанесено поле температур (рис. 56, а), а на втором—поле температурных напряжений (рис. 56, б), полученные расчетным путем при начальной темпера туре газа 1327 К- Эти поля особенно неблагоприятны в области вы ходной кромки, так как охлаждающий канал не удалось приблизить к центру радиуса кромки. Температурные напряжения в кромке сжи мающие и по величине больше 250 Мнім2. Если при нормальной
работе турбины они вычитаются пз напряжений от центробежных сил, то при гашении факела в камере сгорания и в некоторых других случаях они могут изменять свой знак на противоположный. С точки зрения размещения каналов выходную кромку выгодно выполнять (насколько позволяет аэродинамика) более укороченной и утолщен ной.
Фирма Сименс Шуккерт сочла возможным принять радиус за кругления выходной кромки лопатки равным г = 0,0256, где Ь — хорда профиля лопатки. В качестве материала рабочих лопаток
принята сталь феррнтного класса с |
2,5% |
легирующих |
присадок. |
У этой стали низкий коэффициент линейного расширения |
и высокая |
||
теплопроводность. После ряда экспериментов |
с сопловыми |
лопатками |
|
из керамических материалов фирма |
вынуждена была |
применить |
для их изготовления жаростойкий материал с внутренним воздуш ным охлаждением.
Вода, охлаждающая ротор, была практически обессоленной. Ее электропроводность составляла 0,06 микросименс. При содержа
нии в |
воде |
10 |
мкг/л кислорода добавлялось 0,25 |
мг/л гидразина и |
2 мг/л |
аммиака. Утечка воды в системе охлаждения |
компенсировалась |
||
добавкой ее |
в |
количестве 1,5—2% от количества выработанного |
пара. Основной недостаток при работе охлаждаемой турбины—• вибрация, возникающая в результате появления неуравновешенной волны на поверхности охлаждающей жидкости. Для предотвращения
вибрации |
были установлены |
в роторе |
радиальные |
перемычки и |
||||
толщина |
охлаждающей |
жидкости |
поддерживалась |
постоянной. |
||||
Кроме того, в турбине наблюдались |
нестабильность |
подвода воды |
||||||
и коррозия в системе охлаждения. |
|
|
|
|
||||
Общее |
время |
работы |
турбины, |
по |
опубликованным |
данным, |
||
составило |
1215 ч, |
из них |
800 ч— при температурах |
свыше |
1173 К |
|||
и 412 ч — при температурах |
свыше 1273 |
К. Установка выработала |
около 600 000 квгп-ч электроэнергии при температуре рабочего газа 1273 К- В течение 2 мин машина работала при температурах от 1473 до 1573 К.
На основе проведенных опытов фирма сделала следующие вы воды:
— принятая система охлаждения обеспечивает эффективное ох лаждение рабочих лопаток;
—возможен стабильный подвод охладителя и спокойный ход турбины;
—при использовании высококачественной воды можно избежать повреждений из-за закупорки узких каналов охлаждения при дли
тельной эксплуатации (свыше 1000 ч);
— могут быть решены конструктивные и технологические за дачи системы охлаждения.
Фирма Соляр (США) провела исследования закрытой внутрен ней системы охлаждения с принудительной циркуляцией воды.
Особое внимание было уделено стойкости металлов против кор розии и эрозии. В качестве базы для исследования фирма решила использовать турбину «Юпитер» (Т-400У). Основные данные тур-