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

в ротор 313 К. Направляющие лопатки — керамические из карбида кремния. Рабочие лопатки получены прецизионным литьем. При температурах до 1473 К испытание турбины прошло успешно. На основе этих опытов спроектирована судовая высокотемпературная ГТУ мощностью 730 кет (10 ООО л. с). В настоящее время известно, что исследование указанной турбины ведет фирма Бритиш шип резерг ассошиэйшн. Турбина надежно работает при высокой эко­ номичности. Расход топлива при температуре 1473 К не превосходит 0,246 кг/(кет-ч) [0,179 кг/(л. с. ч.)].

Рис. 57. Охлаждаемая турбина фирмы Симмеринг.

На рис. 57 изображена конструкция охлаждаемой турбины ВГТУ фирмы Симмеринг [99]. Турбина состоит из ротора / и статора 6. Охлаждающий воздух отбирается от компрессора и подается к ро­ тору турбины по внутренней части вала. Охладив хвостовые части рабочих лопаток, подогретый воздух поступает в полость 5 между внутренним и наружным корпусами статора, откуда направляется в раздаточный коллектор 2. Из коллектора воздух проходит к соп­ ловым лопаткам, охлаждает их и по внутренним каналам поступает в собирательный коллектор 4, откуда через патрубок 3 отводится за пределы турбины. Такая конструкция дает возможность поддержи­ вать ротор и статор охлаждаемой турбины в допускаемых пределах по температуре.

На рис. 58 приведена проточная часть охлаждаемой турбины фирмы BMW, где воздух, проходя через узкий зазор /, охлаждает

статор и идет в коллектор 2, откуда поступает на охлаждение соп­ ловых лопаток. После этого воздух подходит к диску турбины, ох­ лаждает его и по специальным сверлениям поступает в охлаждаемые лопатки, откуда направляется в проточную часть. Такая система охлаждения довольно проста, сравнительно эффективна и нашла широкое применение в газовых турбинах турбореактивных-самоле­ тов .

На основании анализа высокотемпературных ГТУ с различными системами охлаждения можно сделать вывод, что в настоящее время

/ 2

Рис. 58. Проточная часть охлаждаемой турбины фирмы BMW.

воздушные системы охлаждения прочно зарекомендовали себя как надежный способ тепловой защиты высоконагруженных деталей ГТУ. Жидкостные системы не нашли практического применения, однако ведутся экспериментальные работы по их освоению.

тем самым улучшить эффективность ГТУ, возникают определенные проблемы, которые требуют разрешения.

I . Конструктивные мероприятия.

Всякая система охлаждения требует специальных конструктив­ ных мероприятий, которые могли бы обеспечить подвод охлаждаю­ щего агента к деталям высокотемпературной турбины. Рассмотрен-

ные в предыдущем параграфе конструкции охлаждаемых узлов свидетельствуют о том, что эти узлы бывают сложными, так как при их создании конструктор прежде всего исходит из обеспечения наи­ более равномерного охлаждения детален турбины.

Усложнение деталей вызывает необходимость разработки новых способов их изготовления, что ведет порой к созданию совершенно новой технологии изготовления и обработки. Поэтому при проекти­ ровании любой охлаждаемой конструкции всегда учитывается на­

струкции в течение всего периода работы системы охлаждения, что влечет за собой возникновение температурных напряжений в кон­ струкциях, которые могут быть весьма значительными и складываться

если это допустимо по температурному уровню охлаждаемой кон­ струкции. Низкий температурный уровень охлаждаемой конструк­ ции при высоких удельных тепловых потоках получают лишь при использовании жидкостных систем охлаждения и особенно замк­ нутой водяной системы.

2. В результате охлаждения внутренних полостей деталей воз­ никает неизбежный контакт охладителя с металлом узлов турбины. Это в свою очередь выдвигает требования к стойкости материала против длительного воздействия охладителя в условиях повышенных температур. Обычно этот вопрос решают либо выбором соответствую­ щего материала, либо выбором соответствующих покрытий или спе­ циальной обработки поверхностей соприкосновения. Иногда бывает достаточно соответствующей обработки самого охлаждающего агента.

При использовании внутренних водяных систем охлаждения воз­ никает опасность отложения солей в охлаждаемых каналах и кор­ розии материала охлаждаемых узлов. Это резко снижает тепло­ отдачу и приводит к закупорке каналов охлаждения. В связи с этим должны быть всегда предусмотрены определенные мероприятия по очистке воды от присутствующих в ней солей и произведено покрытие внутренних каналов антикоррозионным покрытием. Так, в охлаж­ даемой водой турбине фирмы Сименс Шуккерт в качестве охлади­ теля был принят дистиллят, а внутренние поверхности охлаждения были покрыты хромом. Если вопросы защиты конструктивных ма­ териалов от воздействия воды разработаны достаточно, то защита от высококипящих теплоносителей (жидких металлов) еще недоста­ точно ясна. Особенно процесс коррозии усиливается при наличии в жидких металлах кислорода. В практике известны случаи диффу­ зии жидких металлов через кристаллическую решетку конструк-

ционного материала. Поэтому вопросы подготовки и соответствую­ щей обработки теплоносителя, герметизации системы охлаждения и выбора стойкого конструктивного материала имеют особо важное значение при создании турбин с охлаждением высококипящими жид­ костями и металлами.

турбинных лопаток, охлаждаемых жидким натрием, показали удов­ летворительные результаты. Испытания продолжались при содер­ жании кислорода 0,01% 375 — 3000 ч и при предельной концентра­ ции кислорода 0,38% 250— 1000 ч.

Микроструктурный анализ поверхности образцов, подвергшихся коррозии, показал, что коррозионное воздействие натрия с 0,01% кислорода оказалось незначительным и выразилось в появлении шероховатости образцов, вызванной растворением сплава в жидком металле. У образцов, испытывавшихся в течение 1000 ч в натрии

с0,38% кислорода, наблюдалась межкристаллитная коррозия.

Испытания на длительную прочность при температурах 1023 и 1073 К показали отсутствие влияния натрия, содержащего 0,01% кислорода. Сильное влияние обнаружено лишь при количестве кислорода, намного превышающем равновесную концентрацию. С целью определения потери натрия из внутренней полости турбин­ ной лопатки проведены испытания на проницаемость тонкостенного образца с толщиной стенки 1 мм при следующих условиях: темпера­ тура 923 К, давление 15,5 -106 н/ж2 , продолжительность 1250 ч. При этом было установлено, что проницаемость сплава ЭИ869 жидким натрием отсутствует.

На основании проведенных испытаний сделан вывод о возмож­ ности применения натрия в качестве охладителя для лопаток высоко­ температурных турбин. Однако этот вывод необходимо подтвердить в натурных или близких к ним условиях.

При воздушном охлаждении особо важную роль приобретает очистка воздуха, идущего на охлаждение, от грязи, пыли и влаги, содержащей различные соли. Попадая в каналы охлаждения, они загрязняют поверхность, снижая теплообмен, а иногда забивают каналы полностью. Наличие влаги и кислорода в подаваемом на ох­ лаждение воздухе создает условия для коррозии внутренних по­ верхностей охлаждаемых каналов. Поэтому при воздушных систе­ мах охлаждения рекомендуется устанавливать фильтры, обеспечи­ вающие тщательную очистку воздуха от влаги и механических при­ месей. Фильтром может служить и сам охлаждающий тракт машины. Для этого в системе охлаждения (тракт от компрессора до охлаждае­ мой детали) должен быть ряд участков переменного сечения с по­ воротами. Воздух, насыщенный парами соленой морской воды, сжимаясь в компрессоре, повышает свою температуру, и частички соленой воды, испаряясь, превращаются в твердые частички мелкой соли. Эти частички можно отсепарировать путем создания тракта охлаждения с переменными сечениями и поворотами. Поэтому не случайно, что при работе ГТУ в морских условиях обращается

средняя температура материала лопатки составляет 673 К, что не вполне приемлемо. Более целесообразным с этой точки зрения яв­ ляется применение в системах охлаждения так называемых высококипящих жидких металлов — натрия, калия и их сплавов. Основ­ ные свойства калия и натрия приведены в табл. 9.

Таблица 9

Основные свойства калия и натрия

П о к а з а т е л ь Иатрш'1 Кали/1

Применение чистых металлов связано с необходимостью разо­ грева системы охлаждения перед началом работы до точки плавле­ ния. В данном случае лучшими свойствами обладает близкий к эв­

интерес для высокотемпературных газовых турбин [45]. Наиболее изученным теплоносителем такого рода является дифил—эвтекти-

Такое свойство дифила практически предотвращает парообразо­ вание в каналах ротора и позволяет поднять температуру охлаждаю­ щей жидкости в элементах (по сравнению с водой). При атмосферном давлении дифил можно нагреть до 529 К (для воды потребовалось бы 4,4 Мн/м2). Предельная температура, при которой возможно исполь­ зование дифила, равна 673 К. Этой температуре отвечает давление насыщения 1,11 Мн/м2. При более высоких температурах начи­ наются процессы полимеризации с выделением метана, углерода и водорода.

Наиболее полные исследования дифила произведены в ФРГ. В результате было установлено, что при температуре газа 1473 К температура исследуемых лопаток снижалась до 773—873 К.

В настоящее время ведутся большие работы по использованию органических топлив в качестве охладителей. Принципиально это открывает большие возможности, связанные с использованием ох­ ладителя в камере сгорания. При этом все тепло охлаждения воз­ вращается в цикл и отпадает необходимость применения утили­ заторов или рассеивателей тепла.

Г л а в а І І

ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ В ПРОЦЕССАХ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ И РАСЧЕТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ

ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

§11. Методы расчета циклов газотурбинных установок

В практике проектирования ГТУ в настоящее время широко используют два метода расчета циклов газотурбин­ ной установки: 1) с помощью тепловой диаграммы и 2) при постоян­ ной теплоемкости.

Тепловые диаграммы обычно строят для различных составов продуктов сгорания и воздуха. Иногда расчеты производят по теп­ ловой диаграмме для воздуха, считая, что свойства воздуха и газа при больших коэффициентах избытка различаются незначительно. Расчет при помощи логарифмической диаграммы дает большую точ­ ность, но является очень сложным и трудоемким.

Из всех существующих диаграмм интерес представляет совме­ щенная диаграмма Т—5—і, построенная инж. Б. С. Фрумкиным для воздуха, продуктов сгорания топлив и некоторых газов, приме­ няемых в ГТУ. Выбранные масштабы обеспечивают достаточную точность расчетов. Диаграмма позволяет наглядно изобразить про­ цессы и может быть использована для расчетов циклов ГТУ.

Расчет при постоянной теплоемкости сравнительно прост, но дает значительные ошибки, которые возрастают с увеличением начальной температуры газа. Правда, в случае расчета при постоян­ ной теплоемкости полезная работа и к. п. д. меньше, чем при пере­

в процессе расширения и сжатия изменяется в зависимости от тем­ пературы нелинейно. Кроме того, в закрытых циклах необходимо учитывать изменение теплоемкости в зависимости от изменения давления.