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

формации и от температуры. Поэтому расчет диска, имеющего обла­ сти пластических деформации, выполняется так же, как расчет упругого диска, за исключением того, что при упругом состоянии модуль упругости •— величина известная, а при упругопластическом его нужно определить. Поскольку Е' при упругопластическом со­ стоянии диска зависит от температуры и от степени деформации в дан­ ной точке, расчет ведут методом последовательных приближений/ Вначале диск рассчитывают как упругий, принимая \i = 0,5. Полу­ ченные приближенные значения напряжений считают исходными (или нулевыми). По значениям тангенциальных и радиальных напряжений на среднем радиусе каждого участка вычисляют для плосконапряженного состояния диска•интенсивность напряжении

Полученные значения модуля упругости принимают за исходные для последующего приближения. Точка пересечения линии при­ ближенного процесса с диаграммой деформирования соответствует действительному напряжению o d и деформации, возникающей в сере­ дине рассчитываемого участка упругопластического диска. Так вы­ полняют расчет для всех участков диска. Как правило, для расчета бывает достаточно двух-трех приближений. Поскольку в дисках га­ зовых турбин упругопластические области возникают не по всему диску, а только на его периферии и расточке, то бывает необходимо определить границы действия упругих и упругопластических обла­ стей. Для этого строят графики изменения по радиусу диска интен­

жимы работы могут вызвать значительные разности температур в ро­ торе газовой турбины, которые повлекут за собой возникновение температурных изменений. Рассмотрим температурные напряжения в цельнокованом роторе ГТ-25-700 [53]. По температурам ротора, полученным при расчете, установившегося режима, видно, что ма-. ксимальиые температурные напряжения сжатия возникают на по­ верхности-ротора в .районе, между четвертой и пятой ступенями и

равны 700 Мнім2, в то время как напряжения от действия центро­ бежных сил составляют всего 70 Мн/м2. Изменение температурных напряжений в охлаждаемом роторе между четвертой и пятой сту­ пенями при G = 1 % я Тв — 450 К, зажигании камеры сгорания и мгновенном повышении температуры газа до 973 К [53] представ­ лено на рис. 133. Как видно из графика, максимальные темпера­ турные напряжения резко возрастают в начальный период времени работы машины (или в период пуска). Затем они резко падают и принимают значения, соизмеримые с величинами от центробежных сил.

6, т/н2 600 \\

200

r/r=0J9^

Рис. 133. Температурные напряжения в охлаждаемом роторе между четвертой и пятой ступенями.

На рис. 134 представлено изменение напряжений по контуру ло­ патки, охлаждаемой теплоотводом в диск, в зависимости от времени увеличения нагрузки. Температура газа повышалась от 718 К (темпе­ ратура холостого хода) до 973 К (температура номинального режима). Из рис. 134, видно, что температурные напряжения резко возрастают при сокращении времени запуска двигателя. Увеличивая время за­ пуска, можно резко сократить температурные напряжения в охлаждае­ мом роторе при неустановившихся режимах. Следует отметить к тому же, что напряжения, возникающие от центробежных сил в лопатках, имеют положительные значения, в то время как температурные на­ пряжения — отрицательные.

Резкое изменение температуры ротора может наступить также в момент остановки машины. Это ощутимо особенно при внезапном срыве горения и других аварийных остановках. К изменению темпера-

туры в такие моменты чувствительны рабочие лопатки, так как их масса мала по сравнению с массой всего ротора.

На рис. 135 представлено изменение температурных напряжений в различных точках рабочей лопатки при выключении камеры сгора­ ния. Из приведенных зависимостей видно, что температурные напря­ жения резко возрастают на выходной кромке лопатки и при принятых условиях через 5 с достигают 520 Мнім2. Поскольку при остановке температурные напряжения имеют положительный знак, они более опасны, чем при запуске двигателя, так как суммируются с вели­

Поэтому при аварийных остановках турбин на выходных кромках лопаток создаются пластические деформации, что приводит к нару­ шению профиля лопаток.

Особенно тщательно следует подходить к подбору материала ло­ паток, работающих при больших забросах температуры. В работе [61 ] приведено сравнение напряженного состояния лопаток, изготов­ ленных из различных материалов, при пуске и остановке газотурбин­ ной установки. При забросе начальной температуры до 1473 К предел текучести таких материалов, как сплавы ЭИ612, ЭИ417, ЭИ726, ле­ жит ниже значения температурных напряжений, возникающих через несколько секунд после пуска установки. Надежную работу при запуске в этих условиях обеспечивал сплав ЭИ617.

Таким образом, главной причиной разрушения роторов турбин при запусках и остановках является сопровождающее их резкое изменение температуры газа. Многие авторы считают, что пуск и

остановка двигателя за 5 мин и более не должны приводить к выходу из строя роторов газовых турбин. В некоторых работах показано, что возникающие в лопатках турбин температурные напряжения при запусках и остановках можно снизить путем изменения отдельных геометрических характеристик профиля. Так, в работе [51 ] анализи­ руется влияние изменения хорды входной и выходной кромок и изогнутости профиля на температурные напряжения, возникающие в лопатках при запусках и остановках ГТУ. Увеличение изгиба лопатки приводит к изменению аэродинамики потока и росту потерь в решетке.

Уменьшение хорды профиля при сохранении геометрического по­ добия является наиболее эффективным средством равномерного снижения температурных напряжений по всему профилю лопатки. Однако следует помнить, что уменьшение хорды профиля усложняет технологию изготовления лопатки, а также увеличивает изгиб от действия сил газов.

Снижению температурных напряжений в кромках способствует утолщение кромок. Однако это опять-таки приводит к значительному увеличению гидравлических потерь в решетках. Уменьшение макси­ мальной толщины профиля снижает температурные напряжения по всему сечению, но уменьшает прочность всей лопатки. Увеличение изгиба профиля приводит к снижению напряжений в кромках лопа­ ток и увеличению напряжений в районе спинки.

Глава IX

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СИСТЕМ О Х Л А Ж Д Е Н И Я ГАЗОВЫХ ТУРБИН

§ 72. Элементарные участки в системах охлаждения

Определение теплового состояния охлаждаемой детали является условием необходимым, но не достаточным для оценки эффективности системы охлаждения. Можно создать весьма эффективную систему охлаждения в тепловом отношении, но со­ вершенно непригодную по гидравлическим сопротивлениям. Поэтому при проектировании газовых турбин одним из главных элементов является гидравлический расчет системы охлаждения.

Аналитическое решение оценки полного гидравлического со­ противления системы охлаждения турбины, представляющей сово­ купность каналов разной конфигурации, в настоящее время довольно затруднительно. Поэтому чаще всего задачу сводят к решению с по­ мощью эмпирических коэффициентов. Сущность этого метода со­ стоит в том, что сложную систему каналов охлаждения разбивают на элементарные участки, для которых известны зависимости коэф­ фициентов гидравлических сопротивлений от безразмерных опре­ деляющих критериев.

Таким образом, весь гидравлический расчет системы охлаждения сводят к определению характеристик отдельных элементов или уча­ стков системы и расчету распределения расходов и давления воздуха по элементам системы в целом.

Учитывая многообразие конструктивных форм систем охлаждения и то, что некоторые элементы систем сходны между собой, целесооб­ разно разделить системы охлаждения на следующие части:

— элементарные участки (или типовые элементы);

—участки охлаждения отдельных деталей;

—сети охлаждения отдельных узлов и всей ГТУ в целом. Элементарный участок системы охлаждения представляет собой

конструктивно единое целое, для которого характерно одно или несколько элементарных сопротивлений. При выделении элементар­ ного участка необходимо, чтобы его сопротивление определялось только геометрическими характеристиками и режимом течения. Элементарные участки, на которых падение давления происходит только за счет преодоления сил сопротивления, называются пассив-