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

ружным открытым системам охлаждения относятся: системы охлаж­ дения теплоотводом в сопряженные детали турбины, парциальные, струйные, экранные.- К внутренним открытым системам охлаждения относятся: системы с охлаждающими внутренними каналами, пле­ ночные и пористые. Иногда в литературе пленочные и пористые си­ стемы охлаждения относят к наружным системам охлаждения.

Схемы охлаждения турбин ВГТУ

Рис. 14. Системы охлаждения газовых турбин.

Уже более 15 лет в большинстве как отечественных, так и за­ рубежных ГТУ используют наружные открытые системы охлажде­ ния. Из внутренних открытых систем охлаждения наиболее распро­ странены системы с выходом охлаждающего агента по торцу или по задней кромке лопатки. Они нашли применение в авиационных дви­ гателях и сейчас внедряются в стационарном и судовом газотурбо­ строении.

Широкое использование открытых систем охлаждения объясняется тем, что эти системы проще в устройстве и эксплуатации, чем за­ крытые. Они дешевле при изготовлении. Основное достоинство таких систем — малая масса и сравнительно высокая надежность их ра­ боты. В настоящее время эти системы являются наиболее отработан­ ными.

В качестве охладителя в открытых системах, как правило, ис­ пользуется отбираемый от компрессора воздух. С целью усиления охлаждения к воздуху можно добавлять небольшие количества жид­ кости (вода, спирт, керосин). При необходимости интенсивного охлаждения в таких системах применяют орошение водой наиболее напряженных узлов газовой турбины, что значительно способствует увеличению удельной работы.

Несмотря на значительные преимущества, открытые системы ох­ лаждения имеют ограниченную область применения. Для наружного охлаждения этот предел по температуре при используемых материа­ лах составляет 1123—1223 К, а для внутреннего охлаждения он дохо­ дит до 1273—1323 К. Такие пределы по температуре обусловливаются

сравнительно небольшой эффективностью охлаждения открытых си­ стем по сравнению с закрытыми. Низкая эффективность охлаждения связана с большими потерями на организацию охлаждения отдель­ ных узлов газообразным охлаждающим агентом. Достаточно ска­ зать, что при температуре 1100 К расход воздуха на охлаждение со­ ставляет 8—10% общего его расхода в цикле. Поэтому, применяя открытые системы охлаждения, нужно прежде всего оценить их эффективность по расходу охлаждающего агента.

Принципиальные схемы открытого охлаждения: внутреннего (а) и наружного (б) представлены на рис. 15. Штриховой линией изобра­ жен подвод воздуха на охлаждение. При внутреннем открытом охла­ ждении воздух от компрессора поступает через вал ротора и ста­ тор соответственно к рабочим и направляющим лопаткам. Охладив изнутри лопатки, нагретый воздух идет через специальные отверстия в проточную часть, где смешивается с основным потоком газа. При наружном открытом охлаждении воздух, отбираемый от компрес­ сора, подается к статору и оттуда через специальные отверстия обду­ вает горячие узлы газовой турбины.

При внутреннем охлаждении воздух используется более эффек­ тивно, так как он может быть нагрет до значительной температуры внутри охлаждаемых узлов, а затем всю накопленную энергию мо­ жет отдать в проточной части. Кроме того, с целью более полного использования физических свойств его можно подогревать последо-

вательио в нескольких ступенях турбины. Главное преимущество внутреннего охлаждения заключается в возможности обеспечить равномерное температурное поле охлаждаемой детали. Этим каче­ ством в меньшей степени обладает наружное охлаждение.

Закрытые системы охлаждения обеспечивают внутреннее охлажде­ ние нагретых узлов газовой турбины при движении охлаждающего агента по замкнутому контуру и без его потерь (не считая незна­ чительной утечки) в окружающую среду. Охладитель используется многократно.

Закрытые системы, как правило, бывают двухкоитурнымн. Пер­ вый контур — замкнутый, второй может быть выполнен как по за­ крытой, так и по открытой системе. Назначение второго контура — отвод тепла от первого.

Рис. 16. Схемы закрытых систем охлаждения.

Закрытые системы подразделяются на системы с использованием (утилизацией) отведенного тепла и системы без использования от­ веденного тепла. Их можно применять в высокотемпературных тур­ бинах с широкими пределами изменения начальных температур (от 1073 до 1973 К). Основное достоинство закрытых систем — возмож­ ность применения высокоэффективных охладителей (вода, органи­ ческие соединения кремния, дифиннл и его смеси, жидкие металлы — натрий и его сплавы с калием и др.).

Принципиальные схемы закрытых систем охлаждения представ­ лены на рис. 16. Как видно из рисунка, в закрытых системах охла­ дитель не выходит в проточную часть турбины и абсолютно изоли­ рован от потока рабочей среды. Это дает возможность утилизировать тепло, отведенное от турбины, либо в теплообменниках (а), либо

вотдельно стоящих турбинах (б).

Кнедостаткам закрытых систем охлаждения следует отнести: большую сложность, наличие дополнительных элементов, трудность осуществления надежных уплотнений. Однако, несмотря на это, за­ крытые системы представляют значительный интерес для судовых ГТУ и являются перспективными.

Полузакрытые системы охлаждения представляют собой неко­ торую разновидность закрытых и открытых систем охлаждения.

Тепло, отведенное в первом (закрытом) контуре, передается непо­ средственно в теплообменнике охлаждающему агенту второго кон­ тура, а затем вводится в тракт турбины. Вторичным охлаждающим агентом может быть топливо, которое после подогрева подается в ка­ меру сгорания, или воздух, который после подогрева подается в про­ точную часть.

новка дополнительного компрессора, который обеспечивает повы­ шение давления воздуха для преодоления сопротивлений в тракте охлаждения.

Подогретое топливо поступает в камеру сгорания, где и отдает все

Испытания установки EL-60A показали высокую эффективность ох­ лаждения при начальной температуре 980 К.

Охлаждение хвостовика и полки рабочей лопатки показано на рис. 21 [111]. Предлагаемый способ охлаждения обеспечивает зна­ чительный отвод тепла от ротора, так как поток охлаждающей среды, проходящий по каналу / к пазу под лопатками 2, разделяется в хво­ стовике лопатки 3 на два потока 4. Эти потоки проходят через пазы 5. Один из них 6 охлаждает рабочую лопатку 8, а второй 7 — направ­ ляющую лопатку 9.

Рассмотренный способ охлаждения позволяет отвести тепло со значительной поверхности ротора и затрудняет приток тепла к ро­ тору через хвостовики рабочих лопаток, а также через участки по­ верхности в области лопаток направляющего аппарата. Зазоры для потоков 6 и 7 каждой ступени точно калибруются и служат до­ зирующими отверстиями для обеспечения определенного расхода охлаждающей среды и образования вблизи них тонкого защитного слоя.

Такой же способ охлаждения (рис. 22), но с другим подводом ох­ лаждающего агента разработан швейцарской фирмой Броуи-Бо- вери [ПО]. Ротор газовой турбины охлаждается воздухом, который подводится через осевые отверстия 1 и по радиальным каналам 2 попадает в лабиринтовые уплотнения 3. По выходе из каналов 2 воздух разделяется на потоки 4 и 5. Поток 4 препятствует подсосу рабочего газа в лабиринтовое уплотнение, а поток 5 охлаждает по-