книги из ГПНТБ / Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки

Поскольку в местах перехода от одного кольца к другому темпера­ турные напряжения отсутствуют, то для подсчета напряжений в этих областях можно использовать зависимости:

Полученные напряжения на наружном контуре п + 1 участка служат исходными для определения напряжений на его внутреннем контуре. Чем больше количество участков, на которые разбит диск, тем точнее результаты, получаемые при расчете. Обычно изменение температуры по радиусу диска задано аналитической зависимостью по всей его высоте. При этом модуль упругости и коэффициент ли­ нейного расширения принимаются постоянными при расчете. Если есть необходимость учитывать изменение этих физических постоян­ ных в зависимости от температуры, прибегают к замене плавной кривой изменения температуры по радиусу диска ступенчатой ли­ нией. В этом случае для каждого участка принимается своя опре­ деленная температура и соответствующие ей физические постоянные.

Температурные напряжения, возникающие в дисках газовых турбин, могут увеличивать или снижать напряжения, вызванные центробежными и изгибными силами. При пуске температурные на­ пряжения уменьшают окружные напряжения от центробежных сил в периферийных частях диска и увеличивают в центральных частях диска. При резких остановках двигателя температурные напряжения могут складываться с напряжениями от центробежных сил и вызы­ вать пластические деформации.

странных судов создано на базе авиационных. Поэтому многие узлы турбин, в том числе и диски, для снижения массы проектируют сравни­ тельно тонкими. У таких дисков имеются области, в которых напря­

В этих областях возникают локальные пластические деформации, при которых напряжения распределяются иначе, чем в области упругих деформаций. При значительном превышении предела упру­ гости отдельные участки могут работать в области ползучести. Явление локальной ползучести имеет место как в дисках, так и в лопатках газовых турбин, работающих в области повышенных температур.

Переход детали из области упругого состояния в область упругопластической деформации ползучести во многом зависит от свойств материала. В газовых турбинах мы чаще всего встречаемся с упругопластическим состоянием деталей. Поэтому в данном параграфе

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-

ними, а те, на которых изменение давления происходит дополни­ тельно и за счет центробежных и кориолисовых сил, называются

активными.

Все элементарные участки, используемые в системах охлаждения, можно разделить на две группы:

—каналы для подвода, отвода и распределения охлаждающего агента;.

—охлаждающие каналы и поверхности.

К участкам охлаждения отдельных деталей турбины следует от­ нести системы охлаждения лопаток, дисков, подшипников, уплотне­ ний, которые состоят из нескольких элементарных участков.

Сети охлаждения отдельных узлов представляют собой сложную систему, состоящую из отдельных систем охлаждения деталей и эле­ ментарных участков узла турбины (ротора или статора) или всей ГТУ в целом. Поэтому для оценки гидравлических сопротивлений си­ стемы охлаждения ГТУ необходимо знать сопротивление элементар­ ных участков,.которое зависит от конструкции этих участков, рода охлаждающего агента и режима его течения.

Анализ конструкции систем охлаждения показывает, что они со­ стоят в основном из каналов различной длины, которые могут иметь круглую, прямоугольную, щелевую, кольцевую и сложной конфигу­ рации форму. По длине каналы могут менять диаметры, быть длин­ ными и узкими или короткими и широкими. Особой сложностью отличаются системы охлаждения лопаток.

Влопатках канального типа при течении охладителя в радиальном направлении (см. рис. 41) имеются прямые.длинные каналы с отно­ шением длины канала к диаметру больше 50. Гидравлический диа­ метр таких каналов, как правило, находится в пределах 0,2—2 мм-

Ктаким каналам можно отнести и монтажные зазоры в хвостовиках рабочих лопаток.

Влопатках с возвратно-продольным протоком охлаждающей среды (петлевых, смрис. 59) элементарными можно считать участки пово­ рота потока.

Дефлекторные лопатки имеют несколько элементарных.участков в.системе охлаждения, к которым относятся::

—отверстия пренебрежимо'малой длины (IIdt. 1) и острыми кромками, через которые выходит воздух из дефлектора в зазор; .

—криволинейные участки с разделением потока и выходом

— решетки, разделяющие поток охлаждающего воздуха на вы­ ходе.

В зазорах под полками охлаждаемых лопаток используются пря­ мые длинные щелевые каналы сложной конфигурации (при IIdr >• 50) с изменением расхода по длине, а также между полками хвостовиков соседних лопаток и между хвостовиками лопаток .и вставками.