Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf

бины следующие: массовый расход воздуха 3 кг/с; степень расшире­ ния в турбине 4,87; частота вращения ротора 20 ООО об/мин. Для охлаждения были использованы вода, даутерм, кремнийорганическая жидкость и спирт. Окончательно было выбрана вода из-за ее высокой эффективности как охладителя. Материалы были вы­ браны в основном ферритного класса, и только для лопаток ротора и горячих соединений была применена сталь, содержащая хром, мо­ либден и ванадий.

Одноступенчатая турбина в процессе работы останавливалась дважды: первый раз — из-за коробления корпуса, второй раз — из-за отхода крышки лопатки.

На базе одноступенчатой турбины была создана промышленная трехступенчатая турбина. Вал ротора составной, с насаженными не­ разрезанными дисками. Хвостовик лопатки выполнен в виде клина. Лопатка заводится радиально в V-образный паз диска и фикси­ руется цилиндрическими штифтами.

Облопатывание турбины было принято реактивным, с довольно толстой выходной кромкой профиля. В пере каждой лопатки про­ сверлено шесть охлаждающих каналов. Подвод охладителя к каж­ дому диску выполнен независимым. Расход охладителя регулиро­ вался диафрагмами. Ввод охладителя в ротор был осевым. Направ­ ляющие лопатки, изготовленные из листового материала толщиной 0,6—0,7 мм, охлаждались воздухом. Выходные кромки лопаток сварены. Внутренние вставки этих лопаток выполнены рифлеными. Охлаждающий воздух поступал радиально с поворотом на 180° у внутреннего отвода решетки направляющих лопаток. Испытания трехступенчатой турбины проходили около 119 ч. Применение анти­ коррозионных покрытий элементов ротора и статора (хромирование и никелирование) в основном оправдало себя.

На основе проведенных испытаний фирма сделала следующие выводы:

— турбина, выполненная из слаболегированных сталей, может

— данные по расчету теплосъема совпадают с эксперименталь­

чальную температуру газа до 1373 К.

Ассоциация «Паметрада» (Великобритания) разработала экс­ периментальную охлаждаемую турбину с двухконтурной системой охлаждения [45]. По мнению ассоциации, теплоносителем в первом контуре должен быть эвтектический сплав натрия с калием, находя­ щийся в жидком состоянии при температурах от 262 до 1057 К. В качестве вторичного теплоносителя использована вода. Экспери­ ментальная турбина выполнена одноступенчатой на начальную тем­ пературу газа 1423 К. Температура охлаждающей воды на входе

в ротор 313 К. Направляющие лопатки — керамические из карбида кремния. Рабочие лопатки получены прецизионным литьем. При температурах до 1473 К испытание турбины прошло успешно. На основе этих опытов спроектирована судовая высокотемпературная ГТУ мощностью 730 кет (10 ООО л. с). В настоящее время известно, что исследование указанной турбины ведет фирма Бритиш шип резерг ассошиэйшн. Турбина надежно работает при высокой эко­ номичности. Расход топлива при температуре 1473 К не превосходит 0,246 кг/(кет-ч) [0,179 кг/(л. с. ч.)].

Рис. 57. Охлаждаемая турбина фирмы Симмеринг.

На рис. 57 изображена конструкция охлаждаемой турбины ВГТУ фирмы Симмеринг [99]. Турбина состоит из ротора / и статора 6. Охлаждающий воздух отбирается от компрессора и подается к ро­ тору турбины по внутренней части вала. Охладив хвостовые части рабочих лопаток, подогретый воздух поступает в полость 5 между внутренним и наружным корпусами статора, откуда направляется в раздаточный коллектор 2. Из коллектора воздух проходит к соп­ ловым лопаткам, охлаждает их и по внутренним каналам поступает в собирательный коллектор 4, откуда через патрубок 3 отводится за пределы турбины. Такая конструкция дает возможность поддержи­ вать ротор и статор охлаждаемой турбины в допускаемых пределах по температуре.

На рис. 58 приведена проточная часть охлаждаемой турбины фирмы BMW, где воздух, проходя через узкий зазор /, охлаждает

статор и идет в коллектор 2, откуда поступает на охлаждение соп­ ловых лопаток. После этого воздух подходит к диску турбины, ох­ лаждает его и по специальным сверлениям поступает в охлаждаемые лопатки, откуда направляется в проточную часть. Такая система охлаждения довольно проста, сравнительно эффективна и нашла широкое применение в газовых турбинах турбореактивных-самоле­ тов .

На основании анализа высокотемпературных ГТУ с различными системами охлаждения можно сделать вывод, что в настоящее время

/ 2

Рис. 58. Проточная часть охлаждаемой турбины фирмы BMW.

воздушные системы охлаждения прочно зарекомендовали себя как надежный способ тепловой защиты высоконагруженных деталей ГТУ. Жидкостные системы не нашли практического применения, однако ведутся экспериментальные работы по их освоению.

тем самым улучшить эффективность ГТУ, возникают определенные проблемы, которые требуют разрешения.

I . Конструктивные мероприятия.

Всякая система охлаждения требует специальных конструктив­ ных мероприятий, которые могли бы обеспечить подвод охлаждаю­ щего агента к деталям высокотемпературной турбины. Рассмотрен-

ные в предыдущем параграфе конструкции охлаждаемых узлов свидетельствуют о том, что эти узлы бывают сложными, так как при их создании конструктор прежде всего исходит из обеспечения наи­ более равномерного охлаждения детален турбины.

Усложнение деталей вызывает необходимость разработки новых способов их изготовления, что ведет порой к созданию совершенно новой технологии изготовления и обработки. Поэтому при проекти­ ровании любой охлаждаемой конструкции всегда учитывается на­

струкции в течение всего периода работы системы охлаждения, что влечет за собой возникновение температурных напряжений в кон­ струкциях, которые могут быть весьма значительными и складываться

если это допустимо по температурному уровню охлаждаемой кон­ струкции. Низкий температурный уровень охлаждаемой конструк­ ции при высоких удельных тепловых потоках получают лишь при использовании жидкостных систем охлаждения и особенно замк­ нутой водяной системы.

2. В результате охлаждения внутренних полостей деталей воз­ никает неизбежный контакт охладителя с металлом узлов турбины. Это в свою очередь выдвигает требования к стойкости материала против длительного воздействия охладителя в условиях повышенных температур. Обычно этот вопрос решают либо выбором соответствую­ щего материала, либо выбором соответствующих покрытий или спе­ циальной обработки поверхностей соприкосновения. Иногда бывает достаточно соответствующей обработки самого охлаждающего агента.

При использовании внутренних водяных систем охлаждения воз­ никает опасность отложения солей в охлаждаемых каналах и кор­ розии материала охлаждаемых узлов. Это резко снижает тепло­ отдачу и приводит к закупорке каналов охлаждения. В связи с этим должны быть всегда предусмотрены определенные мероприятия по очистке воды от присутствующих в ней солей и произведено покрытие внутренних каналов антикоррозионным покрытием. Так, в охлаж­ даемой водой турбине фирмы Сименс Шуккерт в качестве охлади­ теля был принят дистиллят, а внутренние поверхности охлаждения были покрыты хромом. Если вопросы защиты конструктивных ма­ териалов от воздействия воды разработаны достаточно, то защита от высококипящих теплоносителей (жидких металлов) еще недоста­ точно ясна. Особенно процесс коррозии усиливается при наличии в жидких металлах кислорода. В практике известны случаи диффу­ зии жидких металлов через кристаллическую решетку конструк-

ционного материала. Поэтому вопросы подготовки и соответствую­ щей обработки теплоносителя, герметизации системы охлаждения и выбора стойкого конструктивного материала имеют особо важное значение при создании турбин с охлаждением высококипящими жид­ костями и металлами.

турбинных лопаток, охлаждаемых жидким натрием, показали удов­ летворительные результаты. Испытания продолжались при содер­ жании кислорода 0,01% 375 — 3000 ч и при предельной концентра­ ции кислорода 0,38% 250— 1000 ч.

Микроструктурный анализ поверхности образцов, подвергшихся коррозии, показал, что коррозионное воздействие натрия с 0,01% кислорода оказалось незначительным и выразилось в появлении шероховатости образцов, вызванной растворением сплава в жидком металле. У образцов, испытывавшихся в течение 1000 ч в натрии

с0,38% кислорода, наблюдалась межкристаллитная коррозия.

Испытания на длительную прочность при температурах 1023 и 1073 К показали отсутствие влияния натрия, содержащего 0,01% кислорода. Сильное влияние обнаружено лишь при количестве кислорода, намного превышающем равновесную концентрацию. С целью определения потери натрия из внутренней полости турбин­ ной лопатки проведены испытания на проницаемость тонкостенного образца с толщиной стенки 1 мм при следующих условиях: темпера­ тура 923 К, давление 15,5 -106 н/ж2 , продолжительность 1250 ч. При этом было установлено, что проницаемость сплава ЭИ869 жидким натрием отсутствует.

На основании проведенных испытаний сделан вывод о возмож­ ности применения натрия в качестве охладителя для лопаток высоко­ температурных турбин. Однако этот вывод необходимо подтвердить в натурных или близких к ним условиях.

При воздушном охлаждении особо важную роль приобретает очистка воздуха, идущего на охлаждение, от грязи, пыли и влаги, содержащей различные соли. Попадая в каналы охлаждения, они загрязняют поверхность, снижая теплообмен, а иногда забивают каналы полностью. Наличие влаги и кислорода в подаваемом на ох­ лаждение воздухе создает условия для коррозии внутренних по­ верхностей охлаждаемых каналов. Поэтому при воздушных систе­ мах охлаждения рекомендуется устанавливать фильтры, обеспечи­ вающие тщательную очистку воздуха от влаги и механических при­ месей. Фильтром может служить и сам охлаждающий тракт машины. Для этого в системе охлаждения (тракт от компрессора до охлаждае­ мой детали) должен быть ряд участков переменного сечения с по­ воротами. Воздух, насыщенный парами соленой морской воды, сжимаясь в компрессоре, повышает свою температуру, и частички соленой воды, испаряясь, превращаются в твердые частички мелкой соли. Эти частички можно отсепарировать путем создания тракта охлаждения с переменными сечениями и поворотами. Поэтому не случайно, что при работе ГТУ в морских условиях обращается