паровые и газовые турбины для электростанций

Использование сборных роторов для ГТУ дает следующие преимущества.

1.Соединение отдельных дисков компрессора и газовой турбины между собой, с концевыми и проставочными частями (см. рис. 13.1) осуществляется на больших диаметрах. Поэтому в собранном виде ротор приобретает большую изгибную жесткость, что вместе с малой массой обеспечивает высокие критические частоты. Как правило, сборные роторы ГТУ являются либо жесткими, либо проходят при пуске только одну критическую частоту вращения. Это упрощает эксплуатацию ГТУ.

2.Основные узлы ГТУ (компрессор и турбина)

идаже их детали работают в различных условиях (температура и степень агрессивности среды), и поэтому для них требуются различные материалы. Сборная конструкция позволяет выбрать их оптимальным образом.

3.В сборном дисковом роторе сравнительно просто обеспечить воздушное охлаждение его деталей, в том числе дисков и рабочих лопаток газовой турбины. Для этого охлаждающий воздух с необходимыми давлением и температурой отбирается из промежуточных ступеней компрессора и через центральные отверстия в дисках направляется на охлаждение соответствующих ступеней газовой турбины. При этом отпадает необходимость в трубопроводах отбора и подвода охлаждающего воздуха, что упрощает ремонт и эксплуатацию.

4.Сравнительно малые габаритные размеры и масса отдельных дисков и других элементов сборного ротора позволяют получить при изготовлении

требуемые свойства металла, хорошо проконтролировать качество изготовления, легко осуществлять контроль и дефектоскопию в условиях эксплуатации.

5. Сравнительно малые толщины дисков и других элементов ротора, а также подача охлаждающего воздуха в камеры между дисками позволяют исключить в них появление высоких температурных напряжений при стационарных и переходных режимах, что обеспечивает высокую маневренность ГТУ.

Различают два типа сборных роторов: с центральным стяжным болтом и с окружными стяжными болтами. Первый из них для всех своих ГТУ использует фирма «Сименс», он рассмотрен выше (см. рис. 13.2). Второй тип используют фирмы «Дженерал Электрик» и «Мицубиси».

На рис. 13.9 показан сборный ротор ГТУ MS9001FA фирмы «Дженерал Электрик».

Ротор компрессора состоит из передней 4 и задней 11 концевых частей, на которых установлены рабочие лопатки первой 6 и последней 9 ступеней компрессора. Между концевыми частями расположено 16 облопаченных дисков. Концевые части и диски стянуты многочисленными болтами 8, расположенными по окружности достаточно большого диаметра (поэтому для краткости эти болты называются окружными). Диски центрируются поясками и расточками под них в ступицах соседних дисков, осевой зазор в соединении допускает взаимные тепловые расширения дисков. В осевом направлении диски контактируют только по пояскам, примыкающим к стяжным болтам.

Ротор газовой турбины выполняется обычным образом: к концевым частям 13 и 19 болтами 17 крепятся диски 15 и диски-проставки 16, на внешней поверхности которых выполнены уступы диафрагменных лабиринтных уплотнений 18.

Роторы компрессора и турбины собираются с помощью болтов 12 в единый валопровод, укладываемый в опорные вкладыши шейками 3 и 20.

Полость 21 служит для отвода воздуха из компрессора на охлаждение ротора газовой турбины.

На рис. 13.10 показана конструкция сварного ротора ГТУ GT26 фирмы «Альстом». Ротор сваривается из кованых концевых частей и кованых дисков. ГТУ GT26 выполнена с промежуточным подводом теплоты. Из компрессора воздух поступает в первую кольцевую камеру сгорания, продукты сгорания из которой расширяются в одноступенчатой газовой турбине, диск 10 которой и рабочие лопатки 3 показаны на рис. 13.10. Из нее уходящие газы поступают во вторую кольцевую камеру сгорания, их температура повышается, и они направляются в четырехступенчатую газовую турбину, рабочие лопатки 2 которой также показаны на рис. 13.10.

Благодаря специальной конструкции хвостовиков рабочих лопаток газовой турбины и развитой системе охлаждения, их рабочие колеса (диски) работают при существенно меньших температурах, чем сопловые и рабочие лопатки. Однако большие диаметры дисков, их значительная толщина, наличие центральных отверстий для прохода охлаждающего воздуха, неравномерное распределение температур по радиусу при стационарном и нестационарных режимах приводят к появлению очень высоких напряжений и как следствие к необходимости обеспечения их прочности. Одновременно возникает требование к высокому сопротивлению появлению дефектов (трещин) и их росту до недопустимого размера. Для удовлетворения этих требований

используются высоколегированные стали и сплавы на основе никеля. В состав используемых сталей входят примерно 12 % хрома, 2,5 % никеля, 1,7 % молибдена. Используемые никелевые сплавы содержат 16—19 % хрома и ряд других элементов (молибден, титан), обеспечивающих необходимую прочность.

Рабочие лопатки газовых турбин и компрессоров. Внешний вид типичной рабочей лопатки газовой турбины представлен на рис. 13.11, а ее система охлаждающих каналов показана на рис. 13.12. Рабочая лопатка состоит из профильной части и удлиненного хвостовика, имеющего собс-

1

3

2

4

Рис. 13.11. Общий вид рабочей лопатки газовой турбины фирмы «Дженерал Электрик»:

1 — профильная часть; 2 — собственно хвостовик; 3 — проме-

жуточный элемент; 4 — полка для установки радиального

уплотнения

Рис. 13.12. Система охлаждающих каналов внутри рабочей лопатки фирмы «Дженерал Электрик»

твенно многоопорный елочный хвостовик и промежуточный элемент. Промежуточный элемент обеспечивает высокое термическое сопротивление, препятствующее нагреву хвостового соединения теплотой горячих газов, омывающих профильную часть рабочей лопатки. Дополнительная установка уплотнений с двух сторон «отсекает» тепловой поток от рабочего колеса, на котором установлены рабочие лопатки, и снижает его температуру с малым градиентом по радиусу. Тем самым обеспечиваются длительная прочность рабочего колеса, несмотря на высокий уровень напряжений от центробежных сил, а также малые температурные напряжения. Кроме того, между смежными поверхностями промежуточных элементов соседних лопаток возникает демпфирование.

На рис. 13.13 показано, как организовано воздушное охлаждение рабочих лопаток. Лопатки изготавливаются точным литьем по выплавляемым моделям в вакууме по очень сложной технологии. В результате внутри лопатки создается система каналов (см. рис. 13.12), по которым движется охлаждающий воздух, подаваемый от компрессора. Воздух подается через радиальные сверления в ободе диска к торцу хвостовика каждой лопатки и, проходя через каналы, осуществляет конвективное охлаждение. Для его интенсификации внутреннюю поверхность каналов покрывают так называемой вихре-

ков, расположенных вдоль оси лопатки. Для этого при литье обеспечивают быстрое образование кристаллов на дне отливки (у хвостовика) и их рост в продольном направлении. Отсутствие границ кристаллов, расположенных поперек оси лопатки, перпендикулярно к которым приложены центробежные силы, обеспечивает существенно большую их прочность. Такие лопатки называются лопатками с

направленной кристаллизацией (затвердеванием). Они имеют значительно большую длительную прочность и сопротивление усталости.

Дальнейшее совершенствование технологии изготовления рабочих лопаток привело к созданию монокристаллических лопаток, которые выращивают в виде одного кристалла, и поэтому обладают еще более высокой прочностью. В современных газовых турбинах рабочие лопатки первой ступени, а иногда и второй, выполняют монокристаллическими, а лопатки остальных ступеней — по менее сложной технологии изготовления.

Кроме традиционных для рабочих лопаток турбомашин центробежных и аэродинамических сил, их поверхности подвержены действию коррозии.

Интенсивная высокотемпературная коррозия

возникает вследствие наличия в продуктах сгорания щелочных металлов, таких как натрий и калий, вступающих в реакцию с серой и образующих расплавленные сульфаты, отлагающиеся на поверхности и вызывающие коррозию. Эти вещества попадают в продукты сгорания либо из топлива, либо из воздуха, засасываемого компрессором. Высокотемпературная коррозия особенно быстро происходит в присутствии ванадия и свинца, которые могут содержаться в жидком топливе. Высокотемпературная коррозия протекает при температуре металла 815—930 °С, и она была основным фактором, лимитирующим срок службы лопаток, до тех пор, пока не стали использовать термозащитные покрытия.

Низкотемпературная коррозия протекает при температуре 590—760 °С при значительном парциальном давлении паров оксида серы, возникающего при взаимодействии сульфата натрия с поверхностью некоторых металлов, в частности никелевых и кобальтовых сплавов.

Высокотемпературное окисление также является одним из видов коррозии, возникающей вследствие больших избытков воздуха в продуктах сгорания.

Радикальным средством борьбы со всеми перечисленными типами коррозии являются металлокерамические термозащитные покрытия, продлевающие долговечность деталей в 10—20 раз.

История использования термозащитных покрытий деталей ГТУ насчитывает более 30 лет. Разработаны соответствующие покрытия для различных

условий работы с использованием различных технологий. Наиболее продвинутой является технология плазменного напыления в вакууме на поверхность лопатки двух защитных слоев, первый из которых (внутренний) обеспечивает высокую адгезию между наружным покрытием и основным металлом. Покрытия наносятся также на внутренние поверхности каналов для прохода охлаждающего воздуха, на бандажи и поверхности перфорационных отверстий, обеспечивающих пленочное охлаждение; для их нанесения используются газоциркуляционные методы.

Для рабочих лопаток газовых турбин, работающих в условиях агрессивной среды, высоких температуры и напряжений от вращения и неравномерного нагрева, используются никелевые сплавы с высоким содержанием хрома (14—18 %), кобальта (8—18 %), молибдена (1,5—5 %), титана (3—5 %) и некоторых других элементов. Эти сплавы должны обладать хорошими литейными качествами, соответствовать способу литья и выбранной микроструктуре (равноосной структуре, направленной кристаллизации или монокристаллической).

Рабочие лопатки компрессоров работают в более легких условиях, чем рабочие лопатки газовых турбин. Через первую ступень компрессора и последнюю ступень газовой турбины ГТУ (в этих ступенях максимальные объемные расходы среды) проходят практически одинаковые массовые расходы среды, однако объемные расходы отличаются в меру отношения абсолютных температур, т.е. примерно в 3 раза. Поэтому ометаемая площадь первой ступени компрессора меньше ометаемой площади последней ступени турбины. Следовательно, и растягивающие напряжения от центробежных сил в компрессоре оказываются меньше. Температура воздуха в компрессоре существенно меньше, чем в газовой турбине. Все это позволяет выполнить рабочие лопатки в компрессоре с простыми хвостовиками типа «ласточкин хвост» (рис. 13.15).

Несмотря на существенно меньшие напряжения, возникающие в рабочих и направляющих лопатках компрессора, необходимо учитывать коррозионный характер среды, поступающей в него. Поэтому их изготавливают штамповкой и механической обработкой из нержавеющих сталей, содержащих 12 % хрома. Особенно агрессивной среда является в первых ступенях компрессора в условиях повышенной влажности наружного воздуха, из которого влага конденсируется на поверхности облопачивания и создает условия для появления агрессивных электролитов. Эти электролиты провоцируют появление язв, ускоряющих возникновение трещин коррозионной усталости. Язвенная коррозия усиливается при простоях, когда температура воздуха ниже температуры точки росы, особенно при наличии отложений в проточной части. Поэтому для первых пяти—восьми

Рис. 13.15. Рабочие лопатки компрессора

ступеней используют специальные покрытия. Они также защищают рабочие лопатки компрессоров от возможной капельной эрозии в первых ступенях.

Сопловые аппараты газовых турбин. Сопловые аппараты выполняются либо в виде отдельных сопловых лопаток (рис. 13.16), либо в виде сегментов из двух-трех сопловых лопаток (рис. 13.17). Профильные части сопловых аппаратов отливаются как одно целое с бандажными полками с захватами, с помощью которых они устанавливаются в верхней и нижней половинах обойм или корпусов. Захватами на внутренней бандажной полке сопловой аппарат сопрягается с полукольцами, несущими диафрагменное уплотнение.

Условия работы сопловых аппаратов более легкие, чем рабочих лопаток, так как на них не дей-

ствуют центробежные силы от вращения. Однако высокая температура омывающих их газов требует охлаждения. Поэтому все сопловые аппараты мощных ГТУ снабжаются воздушным охлаждением. Для первых ступеней (одной-двух) обычно используют конвективно-пленочное охлаждение, для остальных — внутреннее конвективное. Воздух для охлаждения сопл первой ступени берется за последней ступенью компрессора, для остальных ступеней — из камер подвода, в которые он поступает из ступеней компрессора с соответствующим давлением.

Рассмотрим конструкцию сопловой лопатки первой ступени с конвективно-пленочным охлаждением (рис. 13.18). Лопатка состоит из тонкостенной оболочки 2 и двух дефлекторов: переднего 3 и заднего 4. Оболочка выполняется методом литья по выплавляемым моделям. Ее вогнутая поверхность и спинка соединены продольной перегородкой 8 и многочисленными цилиндрическими штырьками 1. Тем самым внутри лопатки создаются две полости, в которые вставляются дефлекторы, опирающиеся на дистанционные штырьки 5 круглой формы. Дефлекторы выполняются штамповкой и закрепляются по верхнему и нижнему сечениям сопловой лопатки. Поэтому между стенками оболочки и дефлекторов образуются пристеночные каналы малой ширины. В дефлекторах выполняются отверстия 9, соединяющие полости дефлектора и пристеночные каналы.

Передний дефлектор имеет поперечную перегородку 7, разделяющую его полость по высоте на две части, в каждую из которых подается «свежий» охлаждающий воздух. Последний проходит через отверстия в дефлекторе и поступает на охлаждение передней кромки сопловой лопатки. Часть его вытекает через отверстия в ней и обеспечивает ее пленочное охлаждение. Остальная часть движется в зазоре между дефлектором и оболочкой, перемешиваясь с охлаждающим воздухом, выходящим стру-

3

1

2

Рис. 13.17. Сегмент сопл газовой турбины фирмы «Дженерал Электрик»

ями из отверстий 9 в дефлекторе и обеспечивающим охлаждение внутренней поверхности оболочки передней части лопатки. Далее этот воздух выходит через отверстия 10 диаметром 0,8—1,5 мм в оболочке и создает на ней защитную холодную пленку. Таким образом, изнутри оболочка охлаждается конвекцией и струями, поступающими из отверстий в дефлекторе (иногда такое охлаждение называют «душирова-нием» — от слова душ), а снаружи — пленкой охлаждающего воздуха. В передний дефлектор подается примерно 40 % воздуха, идущего на охлаждение всей лопатки.

Задний дефлектор 4 выполнен с донной заглушкой 6. Поступающий в него воздух (примерно 60 %) расходуется на душирование средней части лопатки. При этом примерно 10 % направляется в перфорации на вогнутой части лопатки, а примерно 50 % — на охлаждение выходной части.

Столь сложная система охлаждения сопловых лопаток первой ступени обусловлена двумя требованиями: получить сравнительно низкую среднюю температуру металла лопаток и одновременно сравнительно равномерное температурное поле, не вызывающее недопустимых температурных напряжений при стационарных и переходных режимах и появления трещин термической усталости. Именно поэтому перфорации выполняются в тех зонах, где коэффициенты теплоотдачи от газов к металлу максимальны.

Рабочие и внутренние поверхности лопаток и бандажных полок снабжаются термозащитными покрытиями, обеспечивающими достаточное сопротивление высокотемпературной коррозии и высокотемпературному окислению.

Материал сопловых аппаратов газовых турбин должен иметь хорошее сопротивление высокотемпературным коррозии и окислению, термической усталости, а также хорошие литейные качества. Такими материалами являются кобальтовые и никелевые сплавы. Кобальтовые сплавы легируют никелем (на уровне 10 %), хромом (20—25 %) и воль-

фрамом (7—8 %). Никелевые сплавы легируют хромом и кобальтом (примерно 20 % каждого) с добавками вольфрама, молибдена и титана (на уровне 1—2 %). Для сопл последних ступеней используют стали, легированные никелем, хромом и кобальтом (примерно 20 % каждого).

Камеры сгорания. Независимо от конструкции к камерам сгорания предъявляется ряд жестких технических требований.

Прежде всего камера сгорания должна обеспечивать высокие экологические характеристики ГТУ. Выбросы высокотоксичных оксидов азота, которые составляют 90—95 % всех вредных выбросов, в диапазоне нагрузок ГТУ от 100 до 50 % при сжигании

природного газа не должны превосходить 50 мг/м3, а

при сжигании жидкого топлива — 100 мг/м3 (при 15 %-ной концентрации кислорода). Уменьшение концентрации оксидов азота достигается снижением максимальной температуры факела и сокращением времени пребывания сжигаемого топлива в зонах максимальной температуры.

Самый простой и отработанный способ подавления оксидов азота — впрыск воды или пара в зону горения (такие камеры называются «мокрыми»). При впрыске влаги, количество которой примерно равно количеству вводимого топлива, т.е. примерно 1—2 % расхода воздуха, концентрация оксидов азота снижается в 3—4 раза. Однако при этом теплота парообразования уходит в дымовую трубу вместе с дымовыми газами и экономичность ГТУ уменьшается. Приемлемое содержание оксидов азота при сжигании природного газа может быть получено только при подаче в зону горения предварительно подготовленной бедной гомогенной смеси топливного газа и воздуха при коэффициенте избытка воздуха 1,9—2,2 (такие камеры называют «сухими»). В этом случае в объеме факела не возникает зон с малыми избытками воздуха и соответственно с высокой температурой горения. Как показали результаты опытов ВТИ, переход с диффузионного горения на горение с предварительным смешением уменьшает содержание оксидов азота в 4—5 раз.

Вместе с тем при сжигании гомогенных бедных смесей, особенно при уменьшении нагрузки и соответственно расхода топлива, возникают две сложные проблемы:

обеспечение устойчивой работы камеры, т.е. горения без недопустимых пульсаций и без срыва факела или его проскока в зону смешения;

обеспечение хорошей полноты сгорания топлива без образования монооксида углерода.

Для их решения необходимо принимать меры по обогащению топливовоздушной смеси, что усложняет конструкцию камеры и сжигающих устройств,

а также требует использования автоматических систем управления.

Далее в соответствии с тенденцией повышения начальной температуры газов общий коэффициент избытка воздуха уменьшается до 2,5—2,8, а подготовка бедных смесей требует подвода большого количества воздуха в зону горения. Из-за этого все меньшее и меньшее количество воздуха остается для охлаждения элементов камеры сгорания.

Камеры сгорания работают в условиях самых высоких температур и высокой агрессивности протекающей среды. Несмотря на используемые конструктивные меры, в ее элементах возникают различного рода неполадки и дефекты. Поэтому камера должна обладать высокой ремонтопригодностью, т.е. возможностью быстрой замены или восстановления поврежденных деталей.

Камеры сгорания всех современных ГТУ создаются с условием соблюдения всех рассмотренных принципов. При этом используются три типа камер: выносные, кольцевые и трубчато-кольцевые.

Выносные камеры выполняются и устанавливаются отдельно от газотурбинного агрегата. Пример таких камер показан выше (см. на рис. 13.1). Их главным недостатком является отдельное выполнение от компрессора и турбины, приводящее к большим габаритным размерам ГТУ, раздельной транспортировке этих элементов на ТЭС, усложнению монтажа и сборки ГТУ, увеличению габаритных размеров машинного зала и усложнению компоновки оборудования в нем. На раннем этапе развития стационарного газотурбостроения такая конструкция камеры была вынужденной, так как она имела большие габаритные размеры из-за использования диффузионного принципа сжигания в длинном факеле. Другим важным недостатком выносных камер является сложность обеспечения окружной равномерности температуры газов, поступающих в сопловой аппарат первой ступени газовой турбины. При значительной окружной неравномерности возникают неравномерный нагрев сопловых сегментов, температурные коробления и температурные напряжения, приводящие к трещинам в сегментах.

Освоение сжигания бедных гомогенных смесей с коротким факелом привело сначала к уменьшению габаритных размеров выносных камер, а потом и к полному отказу от их использования в новых конструкциях. Камеры сгорания ГТУ последних поколений выполняют либо кольцевыми (фирмы «Сименс», «Альстом»), либо трубчато-кольцевыми (фирмы «Дженерал Электрик», «Мицубиси»).

На рис. 13.19 показана кольцевая камера сгорания фирмы «Сименс» со смежными элементами, используемая в ГТУ V94.3A (SGT5-4000F). Камера встроена между компрессором и газовой турбиной,

и ее «внутренность» представляет собой тело вращения, образованное внутренней 4 и наружной 6 обечайками, закрытыми фронтовым кольцом 11, в котором на равном расстоянии одна от другой помещаются 24 низкоэмиссионные горелки 1. На выходе из камеры создается кольцевая щель, из которой продукты сгорания топлива, имеющие практически одинаковую температуру по окружности, поступают в сопловой аппарат первой ступени турбины.

На рис. 13.20 показана собственно камера. Она имеет горизонтальный разъем по наружной обечайке 3, нижняя половина которой укладывается в нижнюю половину корпуса ГТУ.

Ось кольцевого пространства наклонена по отношению к оси ГТУ, что сокращает осевой габаритный размер и исключает прямое воздействие излучения факела на лопатки соплового аппарата.

Внутренняя и наружная обечайки изготавливаются литьем, и изнутри они облицовываются

термозащитными плитками из жаропрочной стали (рис. 13.21) с керамическим покрытием. Плитки устанавливаются на обечайках с зазорами и свободно расширяются. Охлаждающий воздух проходит в зазорах между плитками, создавая охлаждающую пленку.

Камера имеет лазы (см. рис. 13.20, поз. 4), позволяющие инспектировать состояние фронтовых устройств, термозащитных плиток и соплового аппарата первой ступени без разборки ГТУ.

На рис. 13.22 показана трубчато-кольцевая камера сгорания ГТУ MS9001FA фирмы «Дженерал Электрик».

Корпус 3 газовой турбины, кольцевой воротник 12 и внутренний обвод 15 корпуса камеры образуют кольцевое пространство, в которое помещают трубчатые сжигающие устройства. Их число в рассматриваемой ГТУ составляет 18.

Каждое из сжигающих устройств состоит из корпуса 13, фланцем 14 которого оно закрепляется на кольцевом воротнике 12, многофакельного горелочного устройства 1 и пламенной трубы 2. Горение топливного газа происходит внутри каждой пламенной трубы, а образовавшиеся продукты сгорания поступают в переходные патрубки 4, преобразующие круглое поперечное сечение пламенной трубы в кольцевое с длиной дуги, соответствующей одному сжигающему устройству. Переходные патрубки размещаются в корпусе камеры заранее, а затем устанавливаются сами камеры так, чтобы допустить свободные взаимные тепловые расшире-

ния этих элементов. При необходимости осмотра пламенных труб, горелок или замены отдельных сжигающих устройств достаточно разболтить фланцевое соединение 14 и извлечь устройство из камеры. Это большое преимущество камер сгорания трубчато-кольцевого типа.

Пламенные трубы имеют изнутри специальное термобарьерное покрытие, которое должно не только обеспечивать высокое сопротивление высокотемпературной коррозии, но и снижать температуру металла пламенной трубы и температурные градиенты в ней.

Подвод воздуха для охлаждения переходного патрубка 4 и пламенной трубы 2 осуществляется по противоточной схеме. Переходной патрубок выполнен с двойными стенками с использованием струйного охлаждения, аналогичного тому, которое применяется для охлаждения оболочек сопловых лопаток (см. рис. 13.13).

На рис. 13.23 показано горелочное устройство, размещенное на входе в пламенную трубу. Центральная горелка 2 и ряд горелок 1 (4—6 шт.), расположенных вокруг центральной, под управлением автоматики обеспечивают все режимы работы. Внутри пламенной трубы выполнен кольцевой выступ 5, который придает ей форму сопла Вентури (цилиндрическая труба с местным сужением, падение давления на котором используется для измерения расхода). В результате внутреннее пространство пламенной трубы делится на три зоны: кольцевую зону 1, в которую подается топливо