Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 175
Скачиваний: 1
полки лопатки и создают уплотнения для охлаждающего воздуха, тем самым обеспечивая полную герметичность системы охлаждения.
Лопатка с выходом охлаждающего агента в проточную часть по казана на рис. 34 [96]. Лопатка состоит из двух частей, левой и пра
вой, соединяемых |
по линии 3 с по |
||||
мощью пайки или сварки. В каж |
|||||
дой части по высоте выполнены по |
|||||
лости |
1 и 4, которые легко |
оконча |
|||
тельно |
обработать |
и |
проконтроли |
||
ровать до сварки. После соединения |
|||||
обеих |
частей в |
лопатке образуется |
|||
зигзагообразный |
канал |
для |
прохода |
||
охлаждающего |
воздуха |
от |
входного |
||
отверстия в замке 5 до |
выходного 2 |
||||
на периферии лопатки. Такую ло |
|||||
патку можно составить из трех и |
|||||
более частей, что обеспечит возмож |
|||||
ность получения |
более |
равномерного |
температурного поля. |
с выхо |
Рис. 33. |
Система уплотнения |
Разновидностью лопатки |
тракта |
охлаждения. |
|
дом охлаждающего агента |
в про |
|
|
точную часть является лопатка, изображенная |
на рис. 35 [90]. В ло |
патке выполнены продольные каналы 4, соединяющиеся в верхней
части с наклонными каналами 2, выходящими |
на |
поверхность 1 |
||
у входной кромки. Воздух по |
||||
дается |
в корень лопатки и про |
|||
ходит по каналам 4, охлаждая |
||||
хвостовую |
часть |
лопатки; за |
||
тем входит |
в коллектор |
3 и по |
||
наклонным |
каналам 2 |
напра |
||
вляется |
на |
входную |
кромку, |
l l l l + f
Рис. 34. Охлаоїсдаемая лопатка с радиальным протоком воздуха. Рис. 35. Лопатка с канальной системой охлаждения.
Рис. 36. Лопатка, охлаждаемая пленкой воздуха.
создавая пленку вокруг профиля охлаждаемой лопатки. В резуль тате такая система представляет собой комбинацию внутриканального охлаждения с частичным пленочным охлаждением лопатки.
Пленочное охлаждение обеспечивает пониженную температуру стенки лопатки благодаря наличию защитной пленки на поверх ности. Однако неравномерный выход охлаждающего агента приводит к неравномерной температуре стенки, что является основным недо статком этой системы.
В качестве примера чисто пленочного охлаждения можно при вести охлаждение лопатки, представленной на рис. 36.
Воздух подается с торца лопатки и выходит по щелям 2, распо ложенным по профилю, создавая защитную пленку на поверхности 1 лопатки, омываемой газом. Наиболее нагруженной частью лопатки являются носик и хвост. Для снижения расхода воздуха и уменьше ния неравномерности поля температур в сечеиии профиля предла гается изготовлять большое число щелей, однако в этом случае проч ностные свойства лопатки ухудшаются. К тому же следует ожидать влияния центробежных сил на пленку охлаждающего воздуха. Труд ности в создании эффективного пленочного охлаждения лопаток при вели к тому, что до настоящего времени, несмотря на его эффектив ность, этот способ охлаждения находится в стадии опытных разра боток.
Как уже отмечалось, оптимальным вариантом пленочного охла ждения является создание максимального числа выходных отверстий. Поэтому в настоящее время исследования направлены на разработку так называемого пористого охлаждения (или охлаждения выпотеванием). Пористое охлаждение с термодинамической точки зрения является наиболее перспективным из всех видов открытого охлажде ния. При нем охладитель подводится во внутреннюю полость ло патки с повышенным давлением и продавливается через пористую стенку. При этом направление движения охлаждающего агента об ратно направлению движения теплового потока (т. е. осуществляется от холодной стенки к горячей). Температура охлаждающего агента при просачивании через стенку значительно возрастает, и охлаждаю щий агент, выступая на горячей поверхности, создает на ней защит ную пленку. Теплопередача при этом осуществляется конвекцией
итеплопроводностью.
Вкачестве пористых материалов могут служить керамика и металлокерамические материалы, изготовленные по специальной тех нологии. В деле создания пористых материалов порошковая метал лургия располагает большими возможностями. Плотность пористых материалов ниже плотности сплошного материала, что очень важно для судовых газовых турбин.
На рис. 37 показано несколько видов лопаток с пористым охла ждением. Каждая лопатка состоит из пористой оболочки 1 и вну треннего стержня 2, воспринимающего основные нагрузки, действую щие на лопатку. Внутренние каналы 3 служат для подвода охла ждающей среды к пористой оболочке.
В США предложена конструкция пористой лопатки с жидкост ным охлаждением (рис. 38). Охлаждающая жидкость поступает из ножки лопатки внутрь полого стержня 1 и через отверстия, которые имеются в носовой и в хвостовой частях стержня, — в зазор между
оболочкой и стержнем. Далее часть жидкости проходит через поры оболочки 2, а другая часть через отверстие в хвостовой части в поток газа. На внешней поверхности стержня имеются выступы, входя щие в пазы на оболочке, которые разгружают корневое сечение обо лочки от действия центробежных сил. Диаметр всех отверстий,
Рис. 37. Некоторые конструкции лопаток с пористым охлао/сдением.
имеющихся в стенках стержня и его внутренних перегородках, а также величина зазора между стержнем и оболочкой и толщина стенки оболочки рассчитаны таким образом, чтобы поступление ох лаждающей жидкости и температура лопатки по всей поверхности
были |
одинаковыми. |
|
Конструкция пористой многослойной |
охлаждаемой лопатки |
|
(рис. |
39) предложена англичанами Конуэем |
и Смитом [98]. |
Лопатка состоит из сердечника 1, наружной оболочки 2 и слоя промежуточного заполнителя 3. Лопатка изготовлена методом по рошкового спекания. Все три части лопатки имеют различную пори стость: у сердечника / пористость
Рис. 38. |
Пористая лопатка с жидко |
Рис. 39. Многослойная пористая |
стным |
охлаждением. |
охлаждаемая лопатка. |
совершенно отсутствует, у промежуточного заполнителя она равна 30%, у наружной оболочки 5%. Через специальные отверстия в турбинном диске к промежуточному заполнителю подается ох лаждающий воздух или жидкость. Охлаждающий агент проходит через поры и охлаждает сердечник и оболочку. Сам сердечник остается ненагретым и обеспечивает достаточную прочность лопатки.
Пористое охлаждение лопаток (особенно при использовании жид костей) довольно эффективно и может быть использовано при высо ких температурах газа.
Рассмотренные открытые внутренние системы охлаждения яв ляются достаточно надежными. Полученный опыт по их созданию и эксплуатации даст возможность начать широкое исследование по созданию и применению наиболее эффективных закрытых систем охлаждения.
§ 8. Закрытые системы охлаждения
Первые исследования закрытых' систем охла ждения были выполнены в 30-х годах. Наиболее интересной является система водоиспарительного закрытого охлаждения, предложенная Э. Шмидтом.
Рис. 40. Ротор с водоиспарительным охлаждением.
На рис. 40 изображен ротор четырехступенчатой турбины с ре гулированием подачи воды. Охлаждающая вода через дозирующий регулятор поступает в полый вал / турбины. Внутри вала образуется жидкостное кольцо, толщина которого зависит от частоты вращения вала и расхода охлаждающей жидкости. Через каналы 2 жидкость попадает в полость ротора 4, выполненного с перегородками в виде
лопаток. В пустотелом валу |
имеется устройство для отвода воздуха |
и пара. |
пар, с давлением 4 Мнім2 отводится |
Образующийся в полости |
из ротора через отверстие 3. Внутренняя часть ротора для жесткости разделена на отсеки, которые между собой соединяются отверстиями для поддержания одинакового давления. Как только давление в от секе достигает определенного значения, регулятор срабатывает и открывает клапан для прохода охлаждающей воды к полому валу.
По предложению Э. Шмидта была изготовлена и испытана по добная одноступенчатая турбина с термосифонным охлаждением. Турбина имела 26 лопаток с 50%-ной степенью реакции и работала 5 ч при температуре 1373 К и 2 ч при температуре 1523 К.
У многоступенчатой турбины лопатки были изготовлены цельнофрезерованными, отверстия сверлились снаружи и глушились. Расчетная окружная скорость при 19 100 об/мин была 250 м/с. Тем пература газа равнялась 1473 К и расход пара был 318 кг/ч. Охлаж дающая вода подавалась через конец вала со стороны высокого давления, пар отводился со стороны низкого давления. Давление воды, поступающей в ротор, было несколько ниже давления пара, так как доведение давления воды до давления пара обеспечивалось крыльчаткой, сделанной в барабане. Во избежание переполнения ротора водой или испарения ее был применен автоматический кон троль параметров воды.
Описанная выше водоиспарительная система охлаждения с от водом охладителя в виде пара имеет большие преимущества перед чисто водяной системой охлаждения, которые в основном состоят в следующем:
— вследствие уменьшения разности температур между рабочим
газом и охладителем значительно сокращается |
разность |
температур |
в металле, а следовательно, и температурные |
напряжения; |
|
— появляется возможность утилизировать |
энергию |
отводимого |
от высокотемпературной турбины пара; |
|
|
— резко сокращается расход охладителя, так как значительное
количество тепла |
идет на его испарение; |
— появляется |
возможность образовавшийся в роторе пар напра |
вить на охлаждение корпуса турбины и тем самым обеспечить пару дополнительный перегрев.
Рассмотренные системы имеют недостатки, связанные с обеспе чением подачи и отвода охлаждающего агента, а также появлением вибрации вследствие чередующихся несбалансированных сил из-за кипения воды и образования пузырей в охлаждающих каналах ра бочих лопаток.
Подобное охлаждение деталей ротора турбины с естественной циркуляцией охлаждающего агента основано на использовании тер мосифонного эффекта жидкости, заключенной во внутренних по лостях охлаждаемых узлов. Различная плотность охлаждающей жидкости по высоте лопатки, с одной стороны, и влияние центро
бежных сил, с другой, обеспечивают |
усиленную циркуляцию |
|
внутри лопаточных каналов и тем самым значительно |
улучшают |
|
теплообмен в них. |
|
|
В настоящее время термосифонный |
эффект широко |
внедряется |
в охлаждаемых турбинах. Однако сама закрытая внутренняя си стема исполняется не одноконтурной, как это было в турбинах Э. Шмидта, а двухконтурной. В первом контуре (в самой лопатке) циркулирует либо вода, либо жидкий металл. Во втором контуре через теплообменник проходит либо вода (в стационарных турби нах), либо воздух (в авиационных турбинах). Преимущество двух контурной системы позволяет создать более равномерный теплоотвод. К тому же в случае разгерметизации одной из лопаток ох лаждающий агент вытекает только из поврежденной лопатки, не нарушая работу всей системы охлаждения. Этого не может быть
в одноконтурной системе, где при разгерметизации одной из лопа ток нарушается работа всей системы охлаждения.
На рис. 41 представлена лопатка с термосифоиной двухконтурной системой охлаждения. Лопатка состоит из пера /, хвоста 3, теплообменника 4 и внутреннего канала 2. Во внутреннем канале находится теплоноситель, который, циркулируя по каналу, пере носит тепло, отведенное от пера лопатки, к теплообменнику.
Фирмой Пауэр-Джетс запатентованы подобные лопатки двухъ ярусного типа (рис. 42), где теплоотвод осуществляется от второго
|
|
41 |
|
42 |
|
43 |
Рис. |
41. |
Лопатка |
с термосифонной системой |
охлаждения. |
|
|
Рис. |
42. |
Двухъярусная |
лопатка с термосифонной системой |
охлаждения. |
||
Рис. |
43. |
Ротор |
с термосифонной системой |
охлаждения. |
|
|
теплоноситель |
отбрасывается под действием центробежных сил |
|||||
в турбинную |
часть |
двухъярусной лопатки, где |
испаряется. Пары |
в результате действия термосифонного эффекта перемещаются в ком прессорную часть двухъярусной лопатки, где конденсируются, от давая тепло, отведенное от турбинной части лопатки, воздуху в ком прессоре.
Рассмотренный принцип работы (термосифониый) использован в водяной системе охлаждения турбинных лопаток (рис. 43) [100].
Под каждой рабочей лопаткой в роторе 4 имеются каналы 2, которые соединяются с полыми лопатками вентилятора 5. При ра боте ротора вода, находящаяся в полых лопатках вентилятора, под действием центробежной силы выбрасывается по каналам 3 и 2 в полые лопатки 1 охлаждаемой турбины. В лопатках вода испаряется,