3.5. Потери при охлаждении газовой турбины

Применение охлаждения элементов проточной части вызывает появление дополнительных энергетических потерь, которые имеют различный физический характер. К числу этих потерь относятся: термодинамические, гидравлические, аэродинамические из-за сброса охладителя в проточную часть и потери на прокачку охладителя.

Термодинамическая потеря, связанная с уменьшением теплосодержания рабочего тела за счет охлаждения, уже рассмотрена, а работа турбины с учетом охлаждения

Охлаждение лопаточного аппарата вызывает появление гидравлических потерь энергии, понижающих внутренний коэффициент полезного действия турбины. Эти потери обусловлены двумя причинами: изменением структуры пограничного слоя на охлаждаемом профиле лопатки и изменением геометрии проточной части из-за охлаждения.

Понижение температуры стенки лопатки охлаждает пограничный слой на поверхности профиля и изменяет его структуру. Это сопровождается увеличением потерь, главным образом за счет увеличения трения в пограничном слое. В большей мере потери трения проявляются в рабочих лопатках, что объясняется усилением вторичных радиальных течений на профиле из-за охлаждения пограничного слоя лопатки, находящегося в поле центробежных сил. Экспериментальное исследование потерь при охлаждении было выполнено в МВТУ им. Баумана [9]. Опыты проводились на одноступенчатой турбине с охлаждаемыми сопловыми и рабочими лопатками. В результате этих опытов установлено, что увеличение гидравлических потерь ступени за счет охлаждения может быть учтено некоторым коэффициентом = 0,985—0,995. Меньшие значения относятся к более глубокому охлаждению, тогда

где — к.п.д. неохлаждаемой плоской решетки. Коэффициент скорости охлаждаемой решетки

Охлаждение лопаточного аппарата турбины обычно приводит к изменению его геометрии. Получение заданной температуры кромки профиля, особенно выходной части, сопровождается ее утолщением. При этом растут профильные потери, которые, в зависимости от радиуса выходной кромки, могут быть найдены по известной формуле Флюгеля

(3.28)

Здесь — радиус закругления выходной кромки; — ширина горловины решетки.

Для сокращения числа лопаток в охлаждаемых конструкциях часто идут на повышение относительного шага на 20—25% по сравнению с неохлаждаемой решеткой. Это отклонение также повышает профильные потери. Эти потери можно найти, если воспользоваться уравнением [7]

где - относительное изменение к.п.д. плоской решетки; — относительное изменение шага решетки; В — постоянная, равная 0,4 для случая

Выразив к.п.д. решетки через коэффициент скорости или , получим, что при отклонении шага решетки от оп­тимального

(3.29)

Уменьшению числа охлаждаемых лопаток и облегчению их изготовления способствует также применение относи­тельно широких лопаток. Влияние параметра l/b на к.п.д. решетки определяется известными методами.

Потери на прокачку охладителя через охлаждающий тракт и дополнительная работа турбины за счет его расширения будут учтены при рассмотрении характеристик всей установки. При этом условно охладитель выделен как бы в самостоятельный контур, который работает на теплоте системы охлаждения.

Открытая система воздушного или парового охлаждения вызывает потери, связанные со сбросом охладителя в проточную часть турбины. Потери энергии в турбине объясняются ухудшением ее аэродинамики за счет искажения обтекания профилей при выходе охладителя в проточную часть.

На профильные потери решетки влияют также щели и отверстия для вывода охладителя, расположенные на профиле. Количественная оценка влияния этих потерь на внутренний к.п.д. турбины зависит от конструкции системы охлаждения и места вывода охладителя, а также его количества. Обычно охладитель выводится в проточную часть в зоне выходной кромки или в радиальный зазор через торец лопаток. Последний вариант применяется при охлаждении рабочих' лопаток.

Исследованию влияния вывода охладителя в проточную часть на газодинамические характеристики решетки посвящено большое количество работ. Однако большое разнообразие конструктивных решений охлаждаемых лопаток и организации выпуска охладителя затрудняют обобщение выполненных исследований. Для предварительных расчетов показателей охлаждаемой турбины можно принять, что каждый процент расхода охладителя в открытой системе, включая и его утечки, на 1,0—1,5% понижает к.п.д. соответствующей ступени [5]. В этом случае для оценки к.п.д. охлаждаемой турбины можно использовать формулу

(3.30)

где и — средний к.п.д. охлаждаемых и неохлаждаемых ступеней;

— коэффициент возврата теплоты;

= — коэффициент;

и — число охлаждаемых ступеней и общее число ступеней в турбине.