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

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 183

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Таблица 8

Некоторые образцы покрытий, применяемых для защиты от коррозии и эрозии материалов

К о м п о н е н ты ( о с н о в а F e ) , %

Р а б о ч а я

Н а г р у з к а

В и д д е т а л и

 

 

 

т е м п е р а т у р а , К

Мп

 

 

 

С

Si

Ni

 

 

 

Низкая

Корпус

подшипника

0,1

0,4

 

 

До 723

 

Корпус

турбины

0,15

0,65

0,75

—

 

Средняя

 

»

Валы

 

0,3

0,5

—

—

 

Высокая

Диск

 

0,4

0,7

—

1,8

723—883

Низкая

Рабочие

лопатки

0,15

0,45

1,00

 

Средняя

0,3

0,55

0,65

—

 

 

 

 

 

Выходная улитка

0,15

0,45

1,0

 

Свыше 883

Высокая

 

 

 

 

 

 

 

 

Камера

сгорания

0,15

0,65

0,75

—

Cr

Mo

другие элементы

 

0,55

0,12

0,1

0,95

0,2

—

0,8

0,25

—

5,0

0,5

 

1,25

0,5

0,25

5,0

0,5

 

0,55

0,12

0,1

П о к р ы т и е

Никелирован­

ное

—

Хромирован­

ное

Хромирован­

ное

Керамическое

внимание иа засоряемость солями морской воды узких охлаждаю­ щих каналов.

Защита наружных поверхностей лопаток, межлопаточных ка­ налов роторов и статоров от ванадиевой и особенно от сульфатной коррозии имеет большое значение для высокотемпературных газо­ вых турбин. В настоящее время разработаны методы борьбы с кор­ розией и эрозией металлов. Фирма Соляр (США) для защиты от коррозии и эрозии большинства из выбранных материалов для своих турбин использует специальные покрытия и ингибиторы. Типич­ ные образцы покрытий даны в табл. 8. Однако разработанные по­ крытия в полной мере не обладают достаточной надежностью, не­ обходимой для предохранения материалов, используемых в ВГТУ. Большинство покрытий для сплавов на основе никеля и кобальта относится к интерметаллическим соединениям на основе алюминия, которые образуются в результате реакции между алюминием и эле­

ментами основного материала. Некоторые покрытия

для

сплавов

на никелевой основе

выдерживали

испытания в условиях

стендов

в течение нескольких

тысяч часов

при температуре

1253—1313 К.

Кобальтовые сплавы

с покрытиями

обладают меньшим

сопротивле­

нием окислению, чем сплавы на основе никеля с

покрытиями.

Ряд работ был выполнен по применению танталовых сплавов с по­ крытиями. Преимущество лопаток, изготовленных из танталовых материалов, заключается в том, что окисел тантала имеет высокую температуру плавления. Один из таких сплавов Т222 (1 %Та, 9,6%W, 2,4%Hf, 0,01 %С) был выбран в качестве основного материала для сопловых лопаток.

Фирма разработала ряд силицидных покрытий на основе вольф­ рама, молибдена, ванадия и титана. Такие покрытия наносят на металл в две стадии. Вначале наносится слой модификатора, состоя­ щий из суспензии металлического порошка вольфрама, молибдена, ванадия и титана и соответствующего наполнителя. Затем это по­ крытие (пористое) подвергают силицированию. Наилучшей противоокислительной стойкостью обладает покрытие, имеющее подслой следующего состава: 35% Мо, 35% W, 15% V, 15% Ті. Образцы из танталовых сплавов, защищенные указанным покрытием, рабо­

тают в течение 600 ч при температуре

до 1589 К-

 

III . Выбор типа охлаждающего агента.

 

Как уже указывалось, теплофизические свойства жидких охла­

ждающих агентов позволяют получить

в каналах

охлаждения ло­

паток коэффициенты теплоотдачи от

материала

к охлаждающему

агенту порядка нескольких десятков тысяч килоджоулей на квад­ ратный метр в час при температурном напоре в один градус. Поэтому в жидкостных системах охлаждения средняя температура мате­ риала лопаток определяется в основном температурой охлаждаю­ щей жидкости в каналах. Кроме того, при жидкостном охлаждении температура жидкости в каналах должна быть ниже температуры насыщения при данном давлении. Но для воды даже при таких вы­ соких давлениях в охлаждаемых каналах лопаток (более 20 Мн1м%) вода имеет низкую температуру кипения (623—643 К). В связи с этим

5 Г . Г . Ж а р о в

65

средняя температура материала лопатки составляет 673 К, что не вполне приемлемо. Более целесообразным с этой точки зрения яв­ ляется применение в системах охлаждения так называемых высококипящих жидких металлов — натрия, калия и их сплавов. Основ­ ные свойства калия и натрия приведены в табл. 9.

Таблица 9

Основные свойства калия и натрия

П о к а з а т е л ь Иатрш'1 Кали/1

Теплоемкость при 673 К, кдж/(кг-К)

1,270

0,765

Теплопроводность

при 673 К, кдж/К

253

142

Точка

кипения, К

К

1156

1136

Точка

плавления,

370,8

336,7

Атомный вес

 

22,997

39,096

Применение чистых металлов связано с необходимостью разо­ грева системы охлаждения перед началом работы до точки плавле­ ния. В данном случае лучшими свойствами обладает близкий к эв­

тектическому

сплав

натрия

с

калием (22% Na;

78% К),

который

р, Мн/м

 

 

 

плавится при температуре

262 К и кипит

 

 

 

при

температуре 1057 К- Сплав,

содержа­

800

 

 

 

 

 

 

щий 56% Na и 44% К, обладает

темпера­

 

 

 

 

 

 

 

 

турой

плавления

292

К и температурой

 

 

 

 

кипения

1089 К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение натрия,

калия и их спла­

 

 

 

 

вов позволяет поднять температуру теп­

 

 

 

 

лоносителя до 1073 К,

что дает

 

возмож­

 

 

 

 

ность

полнее использовать

существующие

 

 

 

 

жаропрочные материалы. Для более вы­

 

 

573

67J

сокой температуры можно применить ге­

 

 

лий

и

литий.

 

 

 

 

 

 

 

 

Т,К

 

 

 

 

 

 

Рис. 59. Зависимость темпе­

 

В настоящее время жидкометалличе-

ские

теплоносители

применяют

в

основ­

ратуры, кипения

от давления

для дифила и воды.

 

ном

в двухконтурных системах

охлажде­

 

дифил;

 

вода.

ния.

Количество натрия

или его сплавов,

 

 

 

 

заливаемое в одну

лопатку,

исчисляется

несколькими граммами. Технология заполнения лопаток

сложна,

так как натрий легко окисляется,

бурно реагирует

с водой

и рас­

творяет

некоторые

конструкционные материалы.

Все это

говорит

о том, что водяное

охлаждение,

несмотря на свои недостатки, яв­

ляется

более

надежным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Некоторые

органические

теплоносители

относятся

к

разряду

-высококипящих жидкостей,

и поэтому представляют

определенный

интерес для высокотемпературных газовых турбин [45]. Наиболее изученным теплоносителем такого рода является дифил—эвтекти-

ческая смесь

дифенила

и

его окиси. Ее

состав:

26,5% дифила

(С0 Н5

—С6 Н6 )

и 73,5%

 

окиси

дифенила —

дифенсиноксида

(С0 Н5

—О—Св Нб ). Дифил

отличается

низким

давлением насыщения

при высоких

температурах

(рис. 59).

 

 

 

Такое свойство дифила практически предотвращает парообразо­ вание в каналах ротора и позволяет поднять температуру охлаждаю­ щей жидкости в элементах (по сравнению с водой). При атмосферном давлении дифил можно нагреть до 529 К (для воды потребовалось бы 4,4 Мн/м2). Предельная температура, при которой возможно исполь­ зование дифила, равна 673 К. Этой температуре отвечает давление насыщения 1,11 Мн/м2. При более высоких температурах начи­ наются процессы полимеризации с выделением метана, углерода и водорода.

Наиболее полные исследования дифила произведены в ФРГ. В результате было установлено, что при температуре газа 1473 К температура исследуемых лопаток снижалась до 773—873 К.

В настоящее время ведутся большие работы по использованию органических топлив в качестве охладителей. Принципиально это открывает большие возможности, связанные с использованием ох­ ладителя в камере сгорания. При этом все тепло охлаждения воз­ вращается в цикл и отпадает необходимость применения утили­ заторов или рассеивателей тепла.

Г л а в а І І

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ В ПРОЦЕССАХ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ И РАСЧЕТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ

ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

§11. Методы расчета циклов газотурбинных установок

В практике проектирования ГТУ в настоящее время широко используют два метода расчета циклов газотурбин­ ной установки: 1) с помощью тепловой диаграммы и 2) при постоян­ ной теплоемкости.

Тепловые диаграммы обычно строят для различных составов продуктов сгорания и воздуха. Иногда расчеты производят по теп­ ловой диаграмме для воздуха, считая, что свойства воздуха и газа при больших коэффициентах избытка различаются незначительно. Расчет при помощи логарифмической диаграммы дает большую точ­ ность, но является очень сложным и трудоемким.

Из всех существующих диаграмм интерес представляет совме­ щенная диаграмма Т—5—і, построенная инж. Б. С. Фрумкиным для воздуха, продуктов сгорания топлив и некоторых газов, приме­ няемых в ГТУ. Выбранные масштабы обеспечивают достаточную точность расчетов. Диаграмма позволяет наглядно изобразить про­ цессы и может быть использована для расчетов циклов ГТУ.

Расчет при постоянной теплоемкости сравнительно прост, но дает значительные ошибки, которые возрастают с увеличением начальной температуры газа. Правда, в случае расчета при постоян­ ной теплоемкости полезная работа и к. п. д. меньше, чем при пере­

менной теплоемкости

[75].

 

В расчетах часто теплоемкость принимают по средней темпера­

туре процессов, что,

несомненно,

является правильным. Однако

в этих случаях также допускается

ошибка, поскольку теплоемкость

в процессе расширения и сжатия изменяется в зависимости от тем­ пературы нелинейно. Кроме того, в закрытых циклах необходимо учитывать изменение теплоемкости в зависимости от изменения давления.

В

настоящей главе приводятся величины изоэнтропийной ра­

боты

сжатия

(расширения) в зависимости от отношения

давлений

и начальной

температуры процесса с учетом изменения теплоем­

кости. Это дает возможность повысить точность расчета

на 2—4%

(Тв ^

1273 К).

 

§ 12. Уравнения адиабаты в

форме,

позволяющей

учитывать

изменение

теплоемкости

в процессах сжатия

и расширения

 

 

Теплоемкости

реальных

газов, как известно,

зависят от температуры и давления. В области, достаточно удален­ ной от состояния насыщения, влияние давления весьма мало, и

поэтому

при

расчете

ГТУ им

обычно

пренебрегают.

Зависимость

действительной

теплоемкости

от

температуры

далека

от

линей­

ной

(рис. 60).

 

 

 

 

Ср,

кіж/іцг-К)

 

 

 

Как

видно

из

 

рис. 60,

 

 

 

подобрать

линейные

зависи­

 

 

 

 

 

 

мости, справедливые для лю­

 

 

 

 

 

 

бого

 

интервала

температур,

 

 

 

 

 

 

невозможно. Чтобы

получить

 

 

 

 

 

 

высокую точность, нужно ап­

 

 

 

 

 

 

проксимировать

эту

зависи­

 

 

 

 

 

 

мость

многочленами

третьей

 

 

 

 

 

 

степени и выше. С целью

 

 

 

 

 

 

учета

нелинейности

измене­

 

 

 

 

 

 

ния

теплоемкости

в

процес­

 

 

 

 

 

 

сах

сжатия

и

расширения

 

 

 

 

 

 

целесообразно

 

представить

 

 

 

 

 

 

уравнение

адиабаты

в спе­

'

213

613

1013

П13

т к 1813

циальной

 

форме.

 

 

 

В уравнении первого на­ чала термодинамики

Рис. 60. Зависимость действительной теп­ лоемкости различных газов от температуры.

dQ = с0

dT + Ар dV

1

— продукты сгорания; 2 — СО 2; 3 — Nг;

4 —

воздух;

5

—- 02.

 

 

 

 

заменим cv

согласно равенству

 

ср — са

= AR, тогда получим

 

 

dQ = (ср — AR)

dT

+Ар dV.

(2)

Определив из уравнения состояния величину V и продифферен­

цировав ее,

будем иметь

 

 

 

 

 

 

dV =

 

-^-dp+-^-dT.

 

Примем зависимость теплоемкости от температуры в степенном

виде

 

ср = а +ЬТ + сГ 3 +

dT3

и, подставив dV и ср в уравнение (2), запишем

dQ = — ^ dp + AR dT + (а + ЬТ +

сГ2 + dT3 — AR) dT. (3)

Так как мы рассматриваем изоэнтропийный процесс, то dQ = 0.

Смотрите также файлы