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

сутствшо сварных швов в сопловых каналах условия обтекания в них лучше.

Недостатки систем охлаждения с полыми лопатками заключаются в значительном расходе охлаждающего агента. С целью сокращения расхода охлаждающего агента применяют различные конструктив-

ные усовершенствования трактов охлаждения: установка в полых ло­ патках дефлекторов, различных перегородок и специальных диафрагм.

Дефлектор не только направляет охлаждающий воздух вдоль горячих стенок лопатки, но, уменьшая сечение для прохода охлаж­

патки с многопетлевым протоком охлаждающего агента. Такие схемы охлаждения дают возможность более рационально распре­ делить охлаждающий агент по контуру охлаждаемой лопатки и тем самым обеспечить сравнительно равномерное температурное поле всей охлаждаемой лопатки. Принципиальные схемы таких систем охлаждения представлены на рис. 49.

позволяет проектировать подобные охлаждаемые лопатки для турбин большой мощности, а наличие охлаждаемых продольных каналов различных диаметров обеспечивает более равномерное температур­ ное поле по профилю лопатки. Применение же двоимого протока охлаждающего агента дает возможность максимально использовать свойства охлаждающего агента.

Английская охлаждаемая лопатка [97] с многопетлевым про­ током охлаждающего агента показана на рис. 51. Охлаждающий воздух или жидкость поступает в канал 3 через вход 6. Часть ох-

лаждающего агента через отверстия / поступает в канал 4, где охла­ ждает переднюю кромку лопатки и выходит в сборный коллектор. Другая часть охлаждающего агента через проток 2 попадает в канал 5, охлаждает выходную кромку лопатки и выходит в коллектор. Та­ кое охлаждение лопатки обеспечивает более эффективное охлажде­ ние наиболее напряженно работающих передней и задней кромок ее.

Очень часто для увеличения площади теплообмена внутри ох­ лаждаемой лопатки делают различные ребра и перегородки. При­ мером такой лопатки может служить французская охлаждаемая пустотелая лопатка (рис. 52) [103]. Лопатка состоит из наружной оболочки и внутреннего дефлектора. Наружная оболочка выполнена из листового материала, изогнутого по наружному профилю во­ круг входной кромки, и имеет выпуклую и вогнутые стороны, ко­ торые соединяются сваркой по выходной кромке. На внутренней

поверхности оболочки имеется несколько параллельных продоль­ ных ребер /, которые после изгиба листовой заготовки по профилю лопатки оказываются один напротив другого и образуют поперечные перегородки, разделяющие внутреннюю полость лопатки на несколько продольных каналов 3. Эти каналы в свою очередь разделены про­ дольными ребрами 2, которые отстоят примерно на одинаковом рас­ стоянии от стенок оболочки. Для крепления ребер на каждом из вы­ ступов сделано несколько прямоугольных пазов. Такие лопатки обладают сравнительно высокой жесткостью и обеспечивают хо­ роший теплоотвод.

Очень своеобразная и довольно сложная конструкция охлаждае­ мой лопатки с закрытой системой (рис. 53) выполнена во Франции [102].

Внутри лопатки проходят радиальные каналы, прикрытые с торцов. Они идут по всей высоте лопатки и соединяются между со­ бой отверстиями в перегородках, сделанными или у корня, или у вершины. Охлаждающий агент поступает вначале двумя потоками в каналы 8 и 11. Через специальные отверстия у корня охлаждаю­ щий агент поднимается вверх и по отверстиям 7 и 12, расположенным

направляется в канал 9. Из канала 13 аналогичным образом ох­ лаждающий агент поступает в канал 10. Из каналов 9 и 10 он по­ падает в сборник через отверстие в вершине лопатки. Такая лопатка может иметь сравнительно равномерную температуру стенки. Ее

Рассмотренные конструкции закрытых систем охлаждения еще раз подтверждают чрезвычайно большую их сложность, а следова­ тельно, и сравнительно невысокую надежность при эксплуатации. Однако высокая эффективность этих систем всегда привлекала и сей­ час особенно привлекает конструкторскую мысль при разработке более простых и надежных систем охлаждения подобного типа. И, по-видимому, нет никакого сомнения в том, что скоро именно такие системы охлаждения будут внедрять в газотурбостроении. Они дадут возможность повысить температуру газа перед турбиной на значительную величину и тем самым резко улучшить показатели газотурбинных установок.

§ 9. Опыт по созданию и доводке ВГТУ

Теоретические и экспериментальные работы по созданию различных систем охлаждения газовых турбин показали возможность их использования для ГТУ с целью повышения на­ чальной температуры газа в турбинах. Наиболее широко в настоящее

внешний обдув дисков и лопаток. Подобное охлаждение при­ меняют в стационарной, судовой и авиационной практике. Приме­ ром могут служить газовые турбины (ГТ-700-4) со струйным охлаж­ дением [45].

В результате исследования этих машин установлено, что наи­ более эффективной является подача охлаждаемого воздуха на обод

пропуск воздуха в радиальном направлении от центра к периферии. Наиболее распространенной системой охлаждения лопаток в на­ стоящее время является система продувки корневых частей лопаток воздухом. В этом случае вместе с корнями лопаток охлаждается

иобод диска. Возможность такого охлаждения появляется тогда, когда лопатки заводятся в диск с его торца (рис. 55, стрелками по­ казаны направления потоков охлаждающего воздуха). Воздух, ох­ лаждающий первую ступень, из внутренней полости ротора через отверстия в первом диске направляется в осевой зазор между диском

ивращающимся с ним дефлектором. Отсюда он поступает в мон­ тажные зазоры между корнями рабочих лопаток и ободом диска, охлаждая диск и корни лопаток. Как видно, тракт охлаждающего воздуха состоит из полостей, отверстий, зазоров, каналов и др. Воз­ дух отводит тепло от поверхностей дисков, щелей и лабиринтовых уплотнений.

В рассматриваемой системе охлаждения каждый поток воздуха

Расчеты и практика показывают, что турбинные лопатки, испы­ тываемые потоком газа с температурой 1173 К и выше, требуют охлаждения не только корневых сечений, но и всего профиля лопатки. Кроме того, при таких температурах газа должны охлаждаться по­ верхности, соприкасающиеся с потоком горячих газов. Системы охлаждения для таких турбин были рассмотрены нами ранее.

Внутренние открытые системы охлаждения широко распростра­ нены в авиационном газотурбостроении. В двигателях типа «Олимп» используется канальная система охлаждения. Воздух отбирается от последней ступени компрессора высокого давления и направ­ ляется на охлаждение ротора и статора по специальным каналам. Проходя по статору, он отводит от него тепло и поступает в направ­ ляющие лопатки, откуда выбрасывается в проточную часть. Дру­ гой поток воздуха, проходящий по валу, подводится к диску, а от­ туда — к рабочим лопаткам, которые выполнены с малыми радиаль­ ными отверстиями (см. рис. 44, в). Число отверстий для прохода охлаждающего воздуха зависит от площади поперечного сечения ло­ патки. Диаметр отверстия небольшой и составляет около 1—1,5 мм. Охлаждающий воздух подается через отверстия в замке лопатки, течет по сквозным каналам вдоль нее и поступает в радиальный зазор между рабочей лопаткой и корпусом турбины.

Аналогичная система охлаждения использована для рабочих лопаток судового двигателя «Тайн» [8]. Она отличается от системы охлаждения лопаток двигателя «Олимп» тем, что в лопатках дви­ гателя «Тайн» каналы для охлаждающего воздуха имеют больший

всему сечению профиля. На лопатках двигателя «Тайн» удалось достигнуть снижения температуры лопатки у корня на 137 К, у пе­ риферии — на 57 К-

С целью максимального использования свойств охлаждающего воздуха на авиационных двигателях типа «Конвей» применены ло­ патки с многоканальной системой охлаждения [101]. Воздух течет вдоль лопатки, часть его делает поворот в верхней части лопатки, а другая часть по специальным отверстиям выходит на внутреннюю поверхность носика. Затем оба потока соединяются и направляются в коллектор. По такому же принципу, но с большим количеством охлаждающих каналов производится охлаждение рабочих лопаток двигателя «Спей».

На судовом двигателе LM-300 использованы тоже многоканаль­ ные лопатки, охлаждаемые воздухом. Воздух проходит по внутрен­ ним каналам и выбрасывается в радиальный зазор. Разработанный фирмой Дженерал Электрик на базе авиационного ТЕ-39 судовой высокотемпературный двигатель LM-2500 имеет двухступенчатую турбину высокого давления с внутренним открытым охлаждением воздухом направляющих и рабочих лопаток. Охлаждение обеспе­ чивает при начальной температуре газа 1453 К температуру лопаток не выше 1113 К [8].

Фирмой Кэртис-Райт (США) построена одноступенчатая турбина авиационного типа с пористой системой охлаждения, которая про­ работала на испытательном стенде 150 ч при температуре 1543 К. Однако детали такой турбины трудоемки в изготовлении и для креп­ ления. Поэтому в настоящее время фирма уделяет внимание экс­ периментальной отработке закрытых (замкнутых) систем охлажде­ ния с использованием в качестве охладителя жидких сред. Эти экспериментальные разработки все чаще и чаще реализуются.

Направленность таких работ в каждой стране своя. Например, в ФРГ работы в области водоиспарительной системы привели к соз­ данию семиступенчатой опытной газовой турбины. В США были соз­ даны экспериментальные одно- и трехступенчатые турбины с вынуж­ денной конвекцией воды в рабочих лопатках. В Англии построена экспериментальная турбина с двухконтурной системой охлаждения. Практическим воплощением экспериментальной машины с водоис­ парительной системой охлаждения послужила ГТУ фирмы Сименс Шуккерт, установленная на Баденской химической фабрике в Людвигсхафене на Рейне [45].

Газотурбинная установка рассчитана на работу при температурах свыше 1273 К- Полезная мощность ее 1200 кет, расход газа в проточ­ ной части 8,5 кг/с, отношение давлений 5,4. При этом располагаемый теплоперепад составляет 480 кдж, а частота вращения 7900 об/мин. Для пуска установки применен асинхронный двигатель, получаю­ щий ток от внешнего источника. Пар, получаемый от системы ох­ лаждения, используется на бытовые нужды. Габарит турбины: наружный диаметр семиступеичатого ротора турбины 0,54 и 0,62 м,

длина проточной части около 0,7 м, расстояние между осями под­ шипников 1,3 м.

Центральная часть ротора состоит из восьми отдельных дисков, насаженных на вал. Между соседними дисками помещено U-образное кольцо с приваренными к нему рабочими лопатками; U-образные кольца удерживаются между дисками с помощью замка типа «елочка». На максимальном диаметре между U-образными кольцами вварены компенсационные кольца. Центральная часть собрана с двумя полувалами, имеющими фланцы. Фланцы связаны с U-образными кольцами также с помощью компенсационных колец. Для подвода охлаждающей жидкости и отвода образовавшегося пара в деталях ротора выполнены соответствующие сверления. Рабочие лопатки

Рис. 56. Поле температур и напряжений лопаток тур­ бины с водоиспарительной системой охлаждения.

длиной от 44 до 85 мм имеют по шесть охлаждающих каналов каж­ дая. Каналы круглые диаметром от 2 до 6 мм получены сверлением. Толщина стенки между каналом в выходной кромке лопатки и на­ ружным ободом профиля равна 1 мм. Ввиду необходимости приварки лопатки к U-образному кольцу охлаждающий канал высверлен в ло­ патке от ее периферии не на всю длину; его досверливают лишь после приварки лопатки к кольцу. Герметизация каналов лопатки осу­

На рис. 56 показаны поперечные сечения рабочих лопаток с ка­ налами охлаждения. На первом сечении нанесено поле температур (рис. 56, а), а на втором—поле температурных напряжений (рис. 56, б), полученные расчетным путем при начальной темпера­ туре газа 1327 К- Эти поля особенно неблагоприятны в области вы­ ходной кромки, так как охлаждающий канал не удалось приблизить к центру радиуса кромки. Температурные напряжения в кромке сжи­ мающие и по величине больше 250 Мнім2. Если при нормальной

работе турбины они вычитаются пз напряжений от центробежных сил, то при гашении факела в камере сгорания и в некоторых других случаях они могут изменять свой знак на противоположный. С точки зрения размещения каналов выходную кромку выгодно выполнять (насколько позволяет аэродинамика) более укороченной и утолщен­ ной.

Фирма Сименс Шуккерт сочла возможным принять радиус за­ кругления выходной кромки лопатки равным г = 0,0256, где Ь — хорда профиля лопатки. В качестве материала рабочих лопаток

для их изготовления жаростойкий материал с внутренним воздуш­ ным охлаждением.

Вода, охлаждающая ротор, была практически обессоленной. Ее электропроводность составляла 0,06 микросименс. При содержа­

пара. Основной недостаток при работе охлаждаемой турбины—• вибрация, возникающая в результате появления неуравновешенной волны на поверхности охлаждающей жидкости. Для предотвращения

около 600 000 квгп-ч электроэнергии при температуре рабочего газа 1273 К- В течение 2 мин машина работала при температурах от 1473 до 1573 К.

На основе проведенных опытов фирма сделала следующие вы­ воды:

— принятая система охлаждения обеспечивает эффективное ох­ лаждение рабочих лопаток;

—возможен стабильный подвод охладителя и спокойный ход турбины;

—при использовании высококачественной воды можно избежать повреждений из-за закупорки узких каналов охлаждения при дли­

тельной эксплуатации (свыше 1000 ч);

— могут быть решены конструктивные и технологические за­ дачи системы охлаждения.

Фирма Соляр (США) провела исследования закрытой внутрен­ ней системы охлаждения с принудительной циркуляцией воды.

Особое внимание было уделено стойкости металлов против кор­ розии и эрозии. В качестве базы для исследования фирма решила использовать турбину «Юпитер» (Т-400У). Основные данные тур-

бины следующие: массовый расход воздуха 3 кг/с; степень расшире­ ния в турбине 4,87; частота вращения ротора 20 ООО об/мин. Для охлаждения были использованы вода, даутерм, кремнийорганическая жидкость и спирт. Окончательно было выбрана вода из-за ее высокой эффективности как охладителя. Материалы были вы­ браны в основном ферритного класса, и только для лопаток ротора и горячих соединений была применена сталь, содержащая хром, мо­ либден и ванадий.

Одноступенчатая турбина в процессе работы останавливалась дважды: первый раз — из-за коробления корпуса, второй раз — из-за отхода крышки лопатки.

На базе одноступенчатой турбины была создана промышленная трехступенчатая турбина. Вал ротора составной, с насаженными не­ разрезанными дисками. Хвостовик лопатки выполнен в виде клина. Лопатка заводится радиально в V-образный паз диска и фикси­ руется цилиндрическими штифтами.

Облопатывание турбины было принято реактивным, с довольно толстой выходной кромкой профиля. В пере каждой лопатки про­ сверлено шесть охлаждающих каналов. Подвод охладителя к каж­ дому диску выполнен независимым. Расход охладителя регулиро­ вался диафрагмами. Ввод охладителя в ротор был осевым. Направ­ ляющие лопатки, изготовленные из листового материала толщиной 0,6—0,7 мм, охлаждались воздухом. Выходные кромки лопаток сварены. Внутренние вставки этих лопаток выполнены рифлеными. Охлаждающий воздух поступал радиально с поворотом на 180° у внутреннего отвода решетки направляющих лопаток. Испытания трехступенчатой турбины проходили около 119 ч. Применение анти­ коррозионных покрытий элементов ротора и статора (хромирование и никелирование) в основном оправдало себя.

На основе проведенных испытаний фирма сделала следующие выводы:

— турбина, выполненная из слаболегированных сталей, может

— данные по расчету теплосъема совпадают с эксперименталь­

чальную температуру газа до 1373 К.

Ассоциация «Паметрада» (Великобритания) разработала экс­ периментальную охлаждаемую турбину с двухконтурной системой охлаждения [45]. По мнению ассоциации, теплоносителем в первом контуре должен быть эвтектический сплав натрия с калием, находя­ щийся в жидком состоянии при температурах от 262 до 1057 К. В качестве вторичного теплоносителя использована вода. Экспери­ ментальная турбина выполнена одноступенчатой на начальную тем­ пературу газа 1423 К. Температура охлаждающей воды на входе