3. Гту с охлаждаемыми турбинами

3.1. Методы и схемы охлаждения

Основным направлением совершенствования показателей ГТУ, сложившимся в течение последних трех десятилетий, является неуклонное повышение начальной температуры газа. Рост начальной температуры газа увеличивает как тер­мическую эффективность ГТУ, так и ее удельную полезную работу. Для установки простой тепловой схемы повышение температуры газа Т₃ от 1200 К до 1300 К, т. е. на 100 граду­сов, приводит к увеличению к. п. д. ГТУ на 2,5—3% и полезной работы на 20—22% (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Повышение температуры газа

в стационарных ГТУ. - Броун Боверн;

- Дженерал Электрик; - KWU;

- Вестингауз; - Сталь Лаваль.

Достигнутый уровень температур Т₃ и их прогнозируемый рост в будущем приводит к необходимости применения уже в настоящее время интенсивного охлаждения проточной части газовой турбины. Поэтому рассмотрение показателей ГТУ с охлаждаемой турбиной отвечает современному развитию газотурбостроения [6].

Впервые разработкой охлаждаемых газовых турбин начали заниматься в нашей стране. Еще в 30-х годах под руководством В. М. Маковского была разработана, а в 1939 году построена газовая турбина с водяным охлаждением, предназначенная для работы при температуре газа 1173 К. Большой вклад в решение проблемы создания охлаждаемых газовых турбин сделан профессором В. В. Уваровым, под руководством которого был разработан ряд двигателей с охлаждаемой высокотемпературной газовой турбиной (ВГТ) [12]. Выполненные В. В. Уваровым теоретические и экспериментальные исследования показали принципиальную воз­можность создания ВГТ. В настоящее время вопросами разработки и создания систем охлаждения турбин занимается большое число научных коллективов и заводов как у нас в стране, так и за рубежом. Как показали работы последнего времени, использование охлаждения открывает большие возможности роста температуры газа Т₃ [8]. Наряду с совершенствованием конструкционных материалов охлаждение позволяет обеспечить ежегодный рост температуры газа на 15—20°.

К системам охлаждения высокотемпературных газовых турбин (ВГТ) предъявляются следующие основные требования.

1. Высокая эффективность охлаждения, т.е. получение необходимого уровня температуры охлаждаемой детали при минимальном расходе охлаждающего агента.

2. Высокая гибкость, связанная с возможностью управления теплообменом на различных участках тракта охлаждения. Это свойство крайне важно для обеспечения прием­лемого распределения температур по охлаждаемому элементу.

3. Технологичность конструкции охлаждаемой детали. Процесс изготовления охлаждаемой детали не должен быть чрезмерно сложным, а стоимость изготовления должна быть приемлемой.

4. Высокая надежность работы охлаждаемого элемента и всей турбины. Введение охлаждения, как правило, усложняет конструкцию элемента и удорожает его стоимость. Поэтому охлаждение целесообразно только тогда, когда надежность работы и ресурс охлаждаемого узла возрастают.

Используются различные варианты систем охлаждения газовых турбин, которые могут быть разделены на открытые и закрытые. В открытых системах охлаждающий агент после прохождения тракта охлаждения выводится в проточную часть турбины и, расширяясь вместе с ее рабочим телом, участвует в производстве работы (рис. 3.2, а).

В закрытых системах охлаждающий агент циркулирует в охлаждающем тракте без выброса в проточную часть турбины, а тракт охлаждения конструктивно выполняется газоплотным (рис. 3.2,6). В этом случае охладитель должен быть введен и выведен из турбины, поэтому может использоваться многократно, для чего необходимо выделить отдельный контур охлаждения.

В системах охлаждения газовых турбин в качестве охлаждающих агентов могут использоваться различные среды, такие, как воздух, вода, пар и другие газы. Поэтому по виду охладителя различают воздушные, водяные, паровые и газовые системы охлаждения.

Наиболее естественным охладителем газовой турбины является цикловой воздух, который для охлаждения отбирается после его сжатия в компрессоре. Воздушное охлаждение может выполняться как по открытой, так и по закрытой системе.

При открытом воздушном охлаждении (рис. 3.3,а) часть циклового воздуха направляется в тракт охлаждения турбины. Поскольку при высоких степенях повышения давления в компрессоре температура воздуха может быть достаточно высокой, в схеме предусматривается специальный теплообменник (воздухоохладитель). Относительная конструктивная простота систем открытого воздушного охлаждения привела к их доминирующему применению в современных газотурбинных установках [5].

б) Охладитель

а) Охладитель

Газ

Газ

Рис. 3.2. Принципиальная схема открытого (а) и закрытого (б) охлаждения турбины

При закрытом воздушном охлаждении тракт охлаждения турбины выполняется газоплотным, а воздух после турбины может быть возвращен в цикл, что позволяет эффективно ис­пользовать теплоту охлаждения (рис. 3.3,6). Поскольку тракт охлаждения имеет существенные гидравлические потери, воздух после турбины необходимо «дожать», для чего его подают в соответствующее сечение компрессора.

Воздушные системы охлаждения имеют существенный не­достаток, который ограничивает рост начальной температуры газа. Воздух, используемый для охлаждения турбины, обладает ограниченным хладоресурсом, величина которого определяется температурой воздуха и его удельной теплоемкостью. Воздействие на температуру возможно (воздухоохладитель), но при этом заметно усложняется конструкция турбины. Условия теплообмена и ограниченный хладоресурс воздуха приводят при повышенной температуре газа Т₃ к существенному росту количества воздуха, отбираемого на охлаждение турбины. При этом увеличиваются потери энергии, связанные с затратами мощности на подготовку и прокачку воздуха через тракт охлаждений. Расчеты показывают, что даже без учета уменьшения к. п. д. турбины из-за ухудшения аэродинамики турбины, связанного с охлаждением, отбор одного процента циклового воздуха при открытом охлажде­нии уменьшает удельную мощность установки на 1,5-2,0% и увеличивает удельный расход топлива на 0,4—0,6%. Несколько меньшие потери имеют место при закрытом воздушном охлаждении, но и в этом случае потери существенные: мощность уменьшается на 0,8—1,0%, а расход топлива повышается на 0,2—0,4% [2].

З.Э. Схемы ГТУ При воздушном открытом (а) и закрытом (б) при паровом открытом (в) и закрытом (г) охлаждении турбины

Большими возможностями с точки зрения охлаждения ВГТ обладают жидкостные системы, которые могут выпол­няться как по открытой, так и по закрытой схеме. Жидкост­ное охлаждение в настоящее время усиленно разрабатывается. Среди возможных теплоносителей особое место по своим физическим свойствам и доступности занимает вода, которая как теплоноситель обладает высокой эффективностью. Еще в 1935 году испытывалась установка с водяной системой охлаждения, при температуре газа 1400 К, разработанная под руководством проф. В.В.Уварова. Водяное охлаждение исследуется и у нас в стране (ВТИ, МВТУ, ЦКТИ и др.), и за рубежом. В выпускаемых ГТУ жидкостные системы еще не применяются. Это объясняется тем, что жидкостное охлаждение существенно усложняет конструкцию ВГТ и удорожает ее и производство. По-видимому, применение воды для охлаждения ВГТ окажется перспективным при температурах газа выше 1700 К.

Промежуточное положение между воздухом и водой занимает пар, который обладает б льшим, чем воздух, хладоресурсом и не вызывает такого усложнения конструкции турбины, как при применении жидкостной системы. Как охлаждающий агент пар по сравнению с воздухом имеет следующие достоинства:

• лучшие для охлаждения физические свойства, связанные со значительно большей величиной удельной теплоемкости;

• значительно меньшие затраты работы на сжатие и прокачку пара через систему охлаждения, что позволяет иметь практически неограниченные расходы его в системе охлаждения (предельное но экономической целесообразности значение расхода охлаждающего воздуха на ступень не превышает 6-8%);

• эффективное использование в замкнутых системах тепла системы охлаждения за счет применения ВГТ в комбинированных установках;

• возможность значительной интенсификации теплообмена, за счет применения в системе охлаждения влажного пара.

Эти достоинства пароводяного рабочего тела, а также относительная простота конструкции турбины, которая может быть аналогична конструкции с воздушным охлаждением, делают паровую систему охлаждения чрезвычайно перспективной.

Паровое охлаждение может выполняться как по системе открытого, так и закрытого охлаждения (рис. 3.3, в, г).

Процесс охлаждения детали турбины обеспечивается прежде всего за счет конвективного теплообмена. В этом случае охладитель проходит по каналам, расположенным внутри охлаждаемой детали, и за счет конвективного теплообмена со стенками канала отбирает теплоту от металла детали и тем самым охлаждает ее (рис. 3.4,а). Каналы для прохода охладителя могут быть различной формы, что определяется конструкцией детали и производственными возможностями. Тепловое состояние охлаждаемой детали при конвективном теплообмене определяется условиями подвода и отвода теплоты. Количественно эти потоки определяются уравнениями

где а, F —коэффициенты теплоотдачи и теплопередающая поверхность, Т*г и T*охл — полные температуры газа и охлаждающего агента, Tср ­– средняя температура стенки охлаждаемой детали. Уравнения показывают, что температура стенки Tср (глубина охлаждения детали) определяется коэффициентом теплоотдачи со стороны охладителя аохл , то есть зависит от параметров и количества охладителя. Большое влияние отборов охлаждающего воздуха показатели ГТУ ограничивает возможность применения конвективного воздушного охлаждения температурой газа T3, на уровне 1200-1300 К.

Существенно большими возможностями обладают системы заградительного охлаждения, при которых охлаждающий агент выводится на поверхность охлаждаемой детали. Заградительное охлаждение принципиально отличается от конвективного, так как в этом случае происходит теплообмен на поверхности охлаждаемой детали не с потоком горячего рабочего тела, а с охлаждающим агентом, Для получения заданной температуры охлаждаемой детали при заградительном охлаждении требуется значительно меньшее количество охлаждающего агента.

При пленочном охлаждении охладитель выдувается на поверхность через систему щелей, образуя на поверхности охлаждаемой детали защитную пленку (рис. 3.4,б). Эта пленка непрочная и быстро размывается потоком горячего газа. Как показывают эксперименты, длина пленки составляет 20—25 диаметров выпускных отверстий (ширины щели), поэтому при пленочном охлаждении на детали необходимо иметь большое количество выпускных щелей. При охлаждении приточной части газовых турбин пленочное охлаждение удачно сочетается с конвективным.

Большие возможности увеличения эффективности охлаждения открываются при введении пористого охлаждения*.

_______________

* Иногда такое охлаждение называют эффузионным или транспирационным.

В этом случае охлаждающий агент через довольно мелкие отверстия (поры) равномерно по всей охлаждающей поверхности выдувается в пограничный слой (рис. 3.4, в). При этом имеет место интенсивный теплообмен не только за счет движения охлаждающего агента во внутренних каналах охлаждаемой детали, но и «продавливания» охладителя через систему пор, которые образуют довольно развитую систему теплообмена. С наружной стороны детали охладитель образует относительно холодный защитный экран, препятствующий теплообмену с горячим рабочим телом. Значительного увеличения глубины охлаждения можно достигнуть, если в качестве охлаждающего агента использовать воду, которая при продавливании через поры испаряется и за счет скрытой теплоты парообразования интенсивно охлаждает деталь. Этот метод носит название «охлаждение выпотеванием».

Пористое охлаждение отличает высокая эффективность. По сравнению с конвективным охлаждением оно позволяет при одинаковом расходе воздуха на охлаждение повысить на 150-200 К температуру газа. При одинаковых условиях заданная температура стенки для пористого охлаждения обеспечивается значительно меньшим расходом охлаждающего агента, чем при других методах охлаждения (рис. 3.5). Применения заградительного охлаждения вместо конвективного позволяет сократить расход охладителя в 1,5-1,6 раз при пленочном и в 2,5-3 раза при пористом охлаждении [3].