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

ротора уменьшается в результате уменьшения толщины диска, рас­ считанного, как диск равного сопротивления. Поданным работы [36], толщина охлаждаемого диска с полыми лопатками уменьшается по сравнению с неохлаждаемым при равным условиях на 30%, что значительно снижает массу ротора.

На рис. 32 изображены лопатки с внутренней перегородкой (а) и с внутренним дефлектором (б).

Лопатку (рис. 32,а) изготовляют из листового материала 7. Внутри лопатки вдоль ее оси располагают плоский экран 2, образующий со спинкой лопатки канал для прохода охлаждающего воздуха. В месте стыка экрана с внутренней стороной передней кромки лопатки по высоте экрана выполнен ряд отверстий. Воздух через корневую

часть лопатки проходит в канал и, выходя через отверстия, омывает внутреннюю поверхность кромки п корытце по всей высоте лопатки, после чего поступает в проточную часть турбины частично через щель в задней кромке лопатки, а частично через открытый верхний торец.

На рис. 32, б представлена лопатка с дефлектором 2, который образует каналы для прохода охлаждающего воздуха. Воздух вы­ ходит через верхний торец лопатки. Однако применение охлаждае­ мых лопаток с газообразным охлаждающим агентом требует созда­ ния надежной системы уплотнения в местах подвода охлаждающего агента. В этой связи интересной конструкцией является система уплотнения тракта охлаждения, изображенная на рис. 33 [104]. Лопатка, охлаждаемая воздухом, закрепляется на диске ротора тур­ бины обычным образом (елочный замок). В диске турбины имеется полость, сообщающаяся с источником воздуха. Лопатка турбины состоит из внутреннего кованого сердечника с хвостовиком 2 и внеш­ ней оболочки 1 из листового материала. Несколько выше хвостовика расположена прямоугольная платформа. На поверхности пера ло­ патки сделаны продольные каналы 3. Нижняя часть внешней обо­ лочки коробчатого сечения и платформа сердечника образуют зам­ кнутое пространство, соединенное с каналом 4 в диске для подвода воздуха. Продолжением канала 4 является трубка 5. При работе турбины под действием центробежных сил трубки входят в отверстия

Пленочное охлаждение обеспечивает пониженную температуру стенки лопатки благодаря наличию защитной пленки на поверх­ ности. Однако неравномерный выход охлаждающего агента приводит к неравномерной температуре стенки, что является основным недо­ статком этой системы.

В качестве примера чисто пленочного охлаждения можно при­ вести охлаждение лопатки, представленной на рис. 36.

Воздух подается с торца лопатки и выходит по щелям 2, распо­ ложенным по профилю, создавая защитную пленку на поверхности 1 лопатки, омываемой газом. Наиболее нагруженной частью лопатки являются носик и хвост. Для снижения расхода воздуха и уменьше­ ния неравномерности поля температур в сечеиии профиля предла­ гается изготовлять большое число щелей, однако в этом случае проч­ ностные свойства лопатки ухудшаются. К тому же следует ожидать влияния центробежных сил на пленку охлаждающего воздуха. Труд­ ности в создании эффективного пленочного охлаждения лопаток при­ вели к тому, что до настоящего времени, несмотря на его эффектив­ ность, этот способ охлаждения находится в стадии опытных разра­ боток.

Как уже отмечалось, оптимальным вариантом пленочного охла­ ждения является создание максимального числа выходных отверстий. Поэтому в настоящее время исследования направлены на разработку так называемого пористого охлаждения (или охлаждения выпотеванием). Пористое охлаждение с термодинамической точки зрения является наиболее перспективным из всех видов открытого охлажде­ ния. При нем охладитель подводится во внутреннюю полость ло­ патки с повышенным давлением и продавливается через пористую стенку. При этом направление движения охлаждающего агента об­ ратно направлению движения теплового потока (т. е. осуществляется от холодной стенки к горячей). Температура охлаждающего агента при просачивании через стенку значительно возрастает, и охлаждаю­ щий агент, выступая на горячей поверхности, создает на ней защит­ ную пленку. Теплопередача при этом осуществляется конвекцией

итеплопроводностью.

Вкачестве пористых материалов могут служить керамика и металлокерамические материалы, изготовленные по специальной тех­ нологии. В деле создания пористых материалов порошковая метал­ лургия располагает большими возможностями. Плотность пористых материалов ниже плотности сплошного материала, что очень важно для судовых газовых турбин.

На рис. 37 показано несколько видов лопаток с пористым охла­ ждением. Каждая лопатка состоит из пористой оболочки 1 и вну­ треннего стержня 2, воспринимающего основные нагрузки, действую­ щие на лопатку. Внутренние каналы 3 служат для подвода охла­ ждающей среды к пористой оболочке.

В США предложена конструкция пористой лопатки с жидкост­ ным охлаждением (рис. 38). Охлаждающая жидкость поступает из ножки лопатки внутрь полого стержня 1 и через отверстия, которые имеются в носовой и в хвостовой частях стержня, — в зазор между

оболочкой и стержнем. Далее часть жидкости проходит через поры оболочки 2, а другая часть через отверстие в хвостовой части в поток газа. На внешней поверхности стержня имеются выступы, входя­ щие в пазы на оболочке, которые разгружают корневое сечение обо­ лочки от действия центробежных сил. Диаметр всех отверстий,

Рис. 37. Некоторые конструкции лопаток с пористым охлао/сдением.

имеющихся в стенках стержня и его внутренних перегородках, а также величина зазора между стержнем и оболочкой и толщина стенки оболочки рассчитаны таким образом, чтобы поступление ох­ лаждающей жидкости и температура лопатки по всей поверхности

Лопатка состоит из сердечника 1, наружной оболочки 2 и слоя промежуточного заполнителя 3. Лопатка изготовлена методом по­ рошкового спекания. Все три части лопатки имеют различную пори­ стость: у сердечника / пористость

совершенно отсутствует, у промежуточного заполнителя она равна 30%, у наружной оболочки 5%. Через специальные отверстия в турбинном диске к промежуточному заполнителю подается ох­ лаждающий воздух или жидкость. Охлаждающий агент проходит через поры и охлаждает сердечник и оболочку. Сам сердечник остается ненагретым и обеспечивает достаточную прочность лопатки.

Пористое охлаждение лопаток (особенно при использовании жид­ костей) довольно эффективно и может быть использовано при высо­ ких температурах газа.

Рассмотренные открытые внутренние системы охлаждения яв­ ляются достаточно надежными. Полученный опыт по их созданию и эксплуатации даст возможность начать широкое исследование по созданию и применению наиболее эффективных закрытых систем охлаждения.

§ 8. Закрытые системы охлаждения

Первые исследования закрытых' систем охла­ ждения были выполнены в 30-х годах. Наиболее интересной является система водоиспарительного закрытого охлаждения, предложенная Э. Шмидтом.

Рис. 40. Ротор с водоиспарительным охлаждением.

На рис. 40 изображен ротор четырехступенчатой турбины с ре­ гулированием подачи воды. Охлаждающая вода через дозирующий регулятор поступает в полый вал / турбины. Внутри вала образуется жидкостное кольцо, толщина которого зависит от частоты вращения вала и расхода охлаждающей жидкости. Через каналы 2 жидкость попадает в полость ротора 4, выполненного с перегородками в виде

из ротора через отверстие 3. Внутренняя часть ротора для жесткости разделена на отсеки, которые между собой соединяются отверстиями для поддержания одинакового давления. Как только давление в от­ секе достигает определенного значения, регулятор срабатывает и открывает клапан для прохода охлаждающей воды к полому валу.

По предложению Э. Шмидта была изготовлена и испытана по­ добная одноступенчатая турбина с термосифонным охлаждением. Турбина имела 26 лопаток с 50%-ной степенью реакции и работала 5 ч при температуре 1373 К и 2 ч при температуре 1523 К.

У многоступенчатой турбины лопатки были изготовлены цельнофрезерованными, отверстия сверлились снаружи и глушились. Расчетная окружная скорость при 19 100 об/мин была 250 м/с. Тем­ пература газа равнялась 1473 К и расход пара был 318 кг/ч. Охлаж­ дающая вода подавалась через конец вала со стороны высокого давления, пар отводился со стороны низкого давления. Давление воды, поступающей в ротор, было несколько ниже давления пара, так как доведение давления воды до давления пара обеспечивалось крыльчаткой, сделанной в барабане. Во избежание переполнения ротора водой или испарения ее был применен автоматический кон­ троль параметров воды.

Описанная выше водоиспарительная система охлаждения с от­ водом охладителя в виде пара имеет большие преимущества перед чисто водяной системой охлаждения, которые в основном состоят в следующем:

— вследствие уменьшения разности температур между рабочим

— резко сокращается расход охладителя, так как значительное

вить на охлаждение корпуса турбины и тем самым обеспечить пару дополнительный перегрев.

Рассмотренные системы имеют недостатки, связанные с обеспе­ чением подачи и отвода охлаждающего агента, а также появлением вибрации вследствие чередующихся несбалансированных сил из-за кипения воды и образования пузырей в охлаждающих каналах ра­ бочих лопаток.

Подобное охлаждение деталей ротора турбины с естественной циркуляцией охлаждающего агента основано на использовании тер­ мосифонного эффекта жидкости, заключенной во внутренних по­ лостях охлаждаемых узлов. Различная плотность охлаждающей жидкости по высоте лопатки, с одной стороны, и влияние центро­

в охлаждаемых турбинах. Однако сама закрытая внутренняя си­ стема исполняется не одноконтурной, как это было в турбинах Э. Шмидта, а двухконтурной. В первом контуре (в самой лопатке) циркулирует либо вода, либо жидкий металл. Во втором контуре через теплообменник проходит либо вода (в стационарных турби­ нах), либо воздух (в авиационных турбинах). Преимущество двух­ контурной системы позволяет создать более равномерный теплоотвод. К тому же в случае разгерметизации одной из лопаток ох­ лаждающий агент вытекает только из поврежденной лопатки, не нарушая работу всей системы охлаждения. Этого не может быть

в одноконтурной системе, где при разгерметизации одной из лопа­ ток нарушается работа всей системы охлаждения.

На рис. 41 представлена лопатка с термосифоиной двухконтурной системой охлаждения. Лопатка состоит из пера /, хвоста 3, теплообменника 4 и внутреннего канала 2. Во внутреннем канале находится теплоноситель, который, циркулируя по каналу, пере­ носит тепло, отведенное от пера лопатки, к теплообменнику.

Фирмой Пауэр-Джетс запатентованы подобные лопатки двухъ­ ярусного типа (рис. 42), где теплоотвод осуществляется от второго

в результате действия термосифонного эффекта перемещаются в ком­ прессорную часть двухъярусной лопатки, где конденсируются, от­ давая тепло, отведенное от турбинной части лопатки, воздуху в ком­ прессоре.

Рассмотренный принцип работы (термосифониый) использован в водяной системе охлаждения турбинных лопаток (рис. 43) [100].

Под каждой рабочей лопаткой в роторе 4 имеются каналы 2, которые соединяются с полыми лопатками вентилятора 5. При ра­ боте ротора вода, находящаяся в полых лопатках вентилятора, под действием центробежной силы выбрасывается по каналам 3 и 2 в полые лопатки 1 охлаждаемой турбины. В лопатках вода испаряется,

и пар поступает обратно в вентиляторные лопатки, где конденси­ руется холодным воздухом, просасываемым вентилятором.

Благодаря интенсивной конвекции, а также росту температуры кипения с повышением давления к вершине лопатки, в таких систе­

С целью обеспечения более равномерного охлаждения, а следо­ вательно, и равномерных температур и напряжений по сечению ох­ лаждаемой лопатки лопатку делают не полой, а с отдельными отвер­

лий обладают высокой химической активностью к воде и кисло­ роду, вследствие чего требуется высокая герметизация контура. Кроме того, для заполнения металлов требуются специальные при­ способления, что значительно увеличивает стоимость изготовления отдельных узлов турбины. Несмотря на это указанные металлы находят применение в охлаждаемых лопатках газовых турбин.

Своеобразная конструкция ротора с термосифонной системой охлаждения используется и в центростремительных турбинах ма­ лой мощности, где повышение экономичности ГТУ имеет перво­

лаждаемом роторе, на одной стороне которого установлены лопатки центробежного компрессора 1, на другой — лопатки центростре­ мительной турбины 2, используется термосифонное охлаждение

посредством конвективной циркуляции легкоплавкого металла по каналам 3, 4 н 5. Жидкий металл, циркулируя в замкнутом контуре 3, 4 и 5, переносит тепло, отбираемое при охлаждении лопаток тур­ бин, к относительно холодным лопаткам центробежного компрес­ сора. Это обеспечивает при работе турбины допустимую температуру стенок охлаждаемых лопаток.

Все рассмотренные закрытые системы охлаждения относятся к системам с естественной циркуляцией охлаждающего агента в пер­

при интенсивном охлаждении в усло­ виях работы деталей газовых турбин. Особое внимание было обра­ щено на стойкость против коррозии и эрозии.

Рабочие лопатки турбины изготовлены прецизионным литьем. В каждой лопатке в радиальном направлении просверлено шесть охлаждающих каналов. Для подвода охладителя в донышке про­ сверлены два отверстия до выхода их в соединительные каналы. Впадины в крышках лопаток перекрыты. Диск состоит из двух по­ ловин, соединенных между собой болтами. Плоскость разъема про­ ходит перпендикулярно оси ротора. Хвостовики лопаток елочного типа зажимаются между ободами двух половин диска, имеющих пазы соответствующего профиля для крепления лопаток. Вал ро­ тора имеет восемь продольных сверленых каналов диаметром 6 мм — четыре канала для подвода охлаждающей воды и четыре для ее от­ вода. Между валом и корпусом турбины в местах подвода и отвода воды установлены уплотнения. Нормальная утечка охладителя со­ ставляла 14 л/ч. Вода на охлаждение подается насосом. Охладив горячие детали, нагретая вода проходит через охладитель и воз­ вращается опять в ротор.

Закрытые одноконтурные системы жидкостного охлаждения с при­ нудительной циркуляцией можно применять также в центростреми­ тельных турбинах. На рис. 46 показана конструкция охлаждаемой