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

В качестве охладителя в открытых системах, как правило, ис­ пользуется отбираемый от компрессора воздух. С целью усиления охлаждения к воздуху можно добавлять небольшие количества жид­ кости (вода, спирт, керосин). При необходимости интенсивного охлаждения в таких системах применяют орошение водой наиболее напряженных узлов газовой турбины, что значительно способствует увеличению удельной работы.

Несмотря на значительные преимущества, открытые системы ох­ лаждения имеют ограниченную область применения. Для наружного охлаждения этот предел по температуре при используемых материа­ лах составляет 1123—1223 К, а для внутреннего охлаждения он дохо­ дит до 1273—1323 К. Такие пределы по температуре обусловливаются

сравнительно небольшой эффективностью охлаждения открытых си­ стем по сравнению с закрытыми. Низкая эффективность охлаждения связана с большими потерями на организацию охлаждения отдель­ ных узлов газообразным охлаждающим агентом. Достаточно ска­ зать, что при температуре 1100 К расход воздуха на охлаждение со­ ставляет 8—10% общего его расхода в цикле. Поэтому, применяя открытые системы охлаждения, нужно прежде всего оценить их эффективность по расходу охлаждающего агента.

Принципиальные схемы открытого охлаждения: внутреннего (а) и наружного (б) представлены на рис. 15. Штриховой линией изобра­ жен подвод воздуха на охлаждение. При внутреннем открытом охла­ ждении воздух от компрессора поступает через вал ротора и ста­ тор соответственно к рабочим и направляющим лопаткам. Охладив изнутри лопатки, нагретый воздух идет через специальные отверстия в проточную часть, где смешивается с основным потоком газа. При наружном открытом охлаждении воздух, отбираемый от компрес­ сора, подается к статору и оттуда через специальные отверстия обду­ вает горячие узлы газовой турбины.

При внутреннем охлаждении воздух используется более эффек­ тивно, так как он может быть нагрет до значительной температуры внутри охлаждаемых узлов, а затем всю накопленную энергию мо­ жет отдать в проточной части. Кроме того, с целью более полного использования физических свойств его можно подогревать последо-

вательио в нескольких ступенях турбины. Главное преимущество внутреннего охлаждения заключается в возможности обеспечить равномерное температурное поле охлаждаемой детали. Этим каче­ ством в меньшей степени обладает наружное охлаждение.

Закрытые системы охлаждения обеспечивают внутреннее охлажде­ ние нагретых узлов газовой турбины при движении охлаждающего агента по замкнутому контуру и без его потерь (не считая незна­ чительной утечки) в окружающую среду. Охладитель используется многократно.

Закрытые системы, как правило, бывают двухкоитурнымн. Пер­ вый контур — замкнутый, второй может быть выполнен как по за­ крытой, так и по открытой системе. Назначение второго контура — отвод тепла от первого.

Рис. 16. Схемы закрытых систем охлаждения.

Закрытые системы подразделяются на системы с использованием (утилизацией) отведенного тепла и системы без использования от­ веденного тепла. Их можно применять в высокотемпературных тур­ бинах с широкими пределами изменения начальных температур (от 1073 до 1973 К). Основное достоинство закрытых систем — возмож­ ность применения высокоэффективных охладителей (вода, органи­ ческие соединения кремния, дифиннл и его смеси, жидкие металлы — натрий и его сплавы с калием и др.).

Принципиальные схемы закрытых систем охлаждения представ­ лены на рис. 16. Как видно из рисунка, в закрытых системах охла­ дитель не выходит в проточную часть турбины и абсолютно изоли­ рован от потока рабочей среды. Это дает возможность утилизировать тепло, отведенное от турбины, либо в теплообменниках (а), либо

вотдельно стоящих турбинах (б).

Кнедостаткам закрытых систем охлаждения следует отнести: большую сложность, наличие дополнительных элементов, трудность осуществления надежных уплотнений. Однако, несмотря на это, за­ крытые системы представляют значительный интерес для судовых ГТУ и являются перспективными.

Полузакрытые системы охлаждения представляют собой неко­ торую разновидность закрытых и открытых систем охлаждения.

Тепло, отведенное в первом (закрытом) контуре, передается непо­ средственно в теплообменнике охлаждающему агенту второго кон­ тура, а затем вводится в тракт турбины. Вторичным охлаждающим агентом может быть топливо, которое после подогрева подается в ка­ меру сгорания, или воздух, который после подогрева подается в про­ точную часть.

новка дополнительного компрессора, который обеспечивает повы­ шение давления воздуха для преодоления сопротивлений в тракте охлаждения.

Подогретое топливо поступает в камеру сгорания, где и отдает все

Испытания установки EL-60A показали высокую эффективность ох­ лаждения при начальной температуре 980 К.

Охлаждение хвостовика и полки рабочей лопатки показано на рис. 21 [111]. Предлагаемый способ охлаждения обеспечивает зна­ чительный отвод тепла от ротора, так как поток охлаждающей среды, проходящий по каналу / к пазу под лопатками 2, разделяется в хво­ стовике лопатки 3 на два потока 4. Эти потоки проходят через пазы 5. Один из них 6 охлаждает рабочую лопатку 8, а второй 7 — направ­ ляющую лопатку 9.

Рассмотренный способ охлаждения позволяет отвести тепло со значительной поверхности ротора и затрудняет приток тепла к ро­ тору через хвостовики рабочих лопаток, а также через участки по­ верхности в области лопаток направляющего аппарата. Зазоры для потоков 6 и 7 каждой ступени точно калибруются и служат до­ зирующими отверстиями для обеспечения определенного расхода охлаждающей среды и образования вблизи них тонкого защитного слоя.

Такой же способ охлаждения (рис. 22), но с другим подводом ох­ лаждающего агента разработан швейцарской фирмой Броуи-Бо- вери [ПО]. Ротор газовой турбины охлаждается воздухом, который подводится через осевые отверстия 1 и по радиальным каналам 2 попадает в лабиринтовые уплотнения 3. По выходе из каналов 2 воздух разделяется на потоки 4 и 5. Поток 4 препятствует подсосу рабочего газа в лабиринтовое уплотнение, а поток 5 охлаждает по-

Принципиальная схема струйного охлаждения изображена на рис. 23. Охлаждающий агент подается по специальному трубопро­ воду / в статоре и через форсунки 2 на охлаждаемый диск газовой турбины. Такая же система охлаждения (рис. 24) была предложена фирмой Дженерал Электрик [109].

Охлаждающий воздух подается иа диск 1 колеса отдельными струями через сопла 2, которые расположены по спирали, проходя­ щей от центра к периферии колеса. В отличие от обычных условий струйного охлаждения, когда воздух подводится к центральной части диска колеса турбины п на его поверхности создается погра-

1 ?

ничный слой, препятствующий теплообмену, отдельные струи воз­

шесть раз. При расположении сопел по спирали создаются зоны дей­ ствия струй, перекрывающие одна другую.

Струйное охлаждение используют при охлаждении рабочих ло­ паток. В этом случае охлаждающий агент подводится либо в меж­

В качестве охлаждающего агента можно использовать воду. Недо­ статком такой системы охлаждения является большой расход охла­ ждающей воды, которая должна быть высокого качества. Примене­ ние жидкостного струйного охлаждения, по-видимому, уместно при кратковременном форсировании двигателя.

Разновидность струйного охлаждения — парциальное охлажде­ ние. В этом случае охлаждающий воздух подводится по части дуги соплового аппарата на рабочие лопатки. При этом наиболее интен­ сивно обдувается передняя кромка профиля рабочей лопатки, что

создает значительную неравномерность поля температур в ее сечении. Потери мощности при парциальном охлаждении очень велики, так как значительный эффект достигается только при большой парциаль­ ное™ (50%), т. е. при больших расходах воздуха, с давлением, близ­

ным охлаждением не нашли применения в практике газотурбо­ строения.

Охлаждение при помощи воздушных и водяных экранов (рис. 26) применяют при снижении температуры дисков газовых турбин. Охла­

Как видно, рассмотренные наружные открытые системы исполь­ зуются сейчас на существующих двигателях и являются основой для создания более сложных и эффективных систем охлаждения.

§7. Открытые внутренние системы охлаждения

Первые и наиболее детальные исследования вну­ тренней открытой системы охлаждения были проведены в Британском газотурбинном институте. Конструкция опытной высокотемператур­

проходящим через отверстие 2. Опытная турбина выполнена из жаро­ прочных материалов с интенсивным охлаждением. При общем р?с-

охлаждающего воздуха установлены матерчатые фильтры. После испытаний не было обнаружено загрязнения каналов.

Несмотря на высокую эффективность данный способ охлаждения имеет ряд отрицательных качеств: сложность технологического про­ цесса изготовления лопаток из спекающегося сплава с внутренними охлаждающими каналами, значительное сопротивление охлаждаю­ щих каналов малого диаметра, большая затрата охлаждающего

в настоящее время общее признание, хотя и в несколько другом исполнении.

Рис. 28. Конструкция опытной высокотемпературной охлаокдаемой турбины.

Отличием применяемых систем охлаждения является более эф­ фективная организация движения охлаждающего агента (рис. 29).

Охлаждаемые лопатки могут быть выполнены с радиальным вы­ ходом охлаждающего агента в проточную часть (рис. 29, а) и с осе­ вым выходом (рис. 29, б).

На рис. 30 показана конструкция полой лопатки с дефлектором в виде массивного стержня, который повышает эффективность охла­ ждения и является несущей частью лопатки. Профильная часть вы­ полнена из тонкого листового материала, соединенного с хвостови­ ком и дефлектором посредством сварки или пайки. Дефлектор хорошо охлаждается и остается всегда холодным.

Охлаждающий воздух подводится через замковую часть, проте­ кает в продольном направлении, охлаждает силовой стержень 2, оболочку-экран / и выходит через торцевую часть лопатки. Основные

растягивающие силы и изгибные усилия воспринимаются внутрен­ ним несущим стержнем, который защищен от действия горячих га­ зов оболочкой. Оболочка имеет небольшую нагрузку, но значитель­ ную температуру. Газовые усилия передаются оболочкой стержню.

Такая конструкция лопатки была впервые применена на экспе­ риментальной английской турбине «Дарт».

В настоящее время получили широкое распространение оболоч­ ковые охлаждаемые лопатки с поперечным протоком охлаждающего агента и осевым выходом его в проточную часть (рис. 31). Лопатка состоит из оболочки 1 и внутреннего дефлектора 2. В случае исполь­

вляют стержень. Охлаждающий агент поступает из общего коллектора в дефлектор и да­ лее через специальные отвер-

стия 3 к носику лопатки, откуда; растекаясь на две стороны, проходит по зазорам между оболочкой и дефлектором и попадает из кромки в проточную часть. Теплоотдача оболочки может быть увеличена путем оребрения ее внутренней поверхности. Выравни­ вание температурного поля по профилю можно осуществить приме­ нением переменного зазора охлаждения. Рассмотренная лопатка проста в устройстве и изготовлении, а главное, не требует больших экономических затрат на ее производство и освоение.

Указанный способ охлаждения имеет существенные недостатки, основные из которых следующие: значительный расход охлаждаю­ щего агента; трудность выравнивания температурного поля по кон­ туру охлаждаемой лопатки; значительное нарушение аэродинамики потока при выходе охлаждающего воздуха в проточную часть.

Применение полых охлаждаемых лопаток для судовых газотур­ бинных установок имеет особенно важное значение, так как масса