База книг в электронке для ЭНН УТЭК / газотурбинные установки

По высоте перо лопатки имеет геометрическую закрутку в соответствии

сзаконом изменения скоростей: чем дальше от центра вращения, тем больше линейная скорость при одной и той же угловой частоте вращения ротора.

Условием эффективной работы лопаток является режим безотрывного обтекания их профиля набегающим потоком воздуха. Максимальная эффективность достигается при направлении потока воздуха по касательной к профилю лопатки – на номинальном режиме работы двигателя, который является расчетным режимом работы двигателя.

Безотрывное обтекание обеспечивается в узком диапазоне угол обтекания 100-150, за пределами которого начинается срыв потока с профиля лопаток, вызывающий помпажные явления.

Помпаж: нерасчетный режим работы, вызванный срывом потока воздуха

спрофиля лопаток и возникновением вихреобразных процессов, «запирающих» проточную часть компрессора. Внешние проявления помпажа:

–нехарактерный гул;

–повышенная вибрация;

–хлопки, удары;

–обратный выброс воздуха на вход и т. п.

Помпаж характеризуется нерасчетными знакопеременными нагрузками на все узлы и детали компрессора вплоть до их разрушения.

К лопаткам предъявляются самые жесткие требования по аэродинамическим качествам, механической прочности и высокой точности изготовления.

Способы крепления лопаток (типы замковой части).

Осевой компрессор:

–замок типа «ласточкин хвост»;

–замок зубчикового типа;

–т-образные.

Турбина:

– замки елочного типа.

По сравнению с компрессорными, лопатки турбины толще, массивнее, имеют большие радиусы скругления, что объясняется тяжелыми высокотемпературными условиями их работы.

Материал лопаток.

Компрессорные: Al (алюминий), Ti (титан), сталь.

Турбинные: жаропрочные сплавы на основе хрома, никеля, кобальта и др. В осевом компрессоре осуществляется первый из рабочих процессов

ГТУ, а именно: сжатие рабочего тела.

Таким образом, назначение компрессора – сжатие воздуха и подача его в камеру сгорания.

Типы компрессоров:

–центробежные (к.п.д. 0,82- 0,85);

–осевые (к.п.д. 0,87-0,91).

Состав осевого компрессора:

–ротор;

–статор;

–опоры ротора.

21

Основной элемент – ротор, конструкция которого и определяет тип всего компрессора (рис. 14, 15).

Рис. 14. Ротор дискового типа

Достоинства ротора дискового типа – большая прочность в радиальном направлении, то есть возможность достижения высокой скорости вращения.

Недостатки ротора дискового типа – малая изгибная жесткость и соот-

ветственно низкая виброустойчивость.

Ротор дискового типа на мощных ГТУ не применяется.

Рис. 15. Ротор барабанного типа

Достоинства ротора барабанного типа – жесткость и высокая вибро-

устойчивость.

Недостатки ротора барабанного типа – большая масса и связанная с этим трудоемкость изготовления.

22

Ротор барабанного типа самый прочный, дешевый и простой. Очень большая масса.

Ротор смешанного (барабанно-дискового) типа (рис. 16) имеет более сложную технологию производства, но в 3-4 раза меньшую массу. Это основной тип для авиационных ГТУ.

Рис. 16. Ротор смешанного типа (барабанно-дискового)

Достоинства смешанного типа (барабанно-дискового) ротора – сочета-

ние высокой прочности в радиальном направлении (большой скорости вращения) с большой изгибной жесткостью (виброустойчивостью) при небольшой массе и приемлемой технологичности

Статор – корпус компрессора – основная деталь силовой схемы ГТУ, внутри которого на опорах монтируется ротор и крепятся спрямляющие аппараты.

Спрямляющий аппарат – кольцевой набор неподвижных профилированных лопаток, образующих расширяющиеся (диффузорные) каналы, в которых:

–продолжается повышение давления воздуха за счет снижения его скорости в межлопаточных каналах;

–организуется подача воздуха в рабочее колесо следующей ступени под требуемым углом.

Ступень компрессора состоит из рабочего колеса (РК) и спрямляющего аппарата (СА). Именно наличие СА создает условия для работы следующей ступени, то есть продолжения процесса сжатия. Степень сжатия (π) одной ступени невелика (1, 15-1, 35), поэтому все осевые компрессоры многоступенчатые. Степень сжатия осевого компрессора равна произведению степеней сжатия всех его ступеней:

πк =π1 π2 π3 ,...πn .

Очень большое влияние на эффективность компрессора оказывает величина радиального зазора (S) между концом лопатки и корпусом (рис. 17). Эту

23

величину стремятся свести к нулю, чтобы исключить бесполезные перетечки воздуха. Увеличение отношения s/h (h – высота лопатки) на 1% уменьшает к.п.д. компрессора на 3%.

Рис. 17. Радиальный зазор

Опоры (подшипники) ротора

Классификация опор (подшипников) роторов:

1. Подшипники скольжения и качения.

Тяжелые тихоходные роторы барабанного типа устанавливаются только в опорах скольжения. Более быстроходные и легкие роторы барабанно-дискового типа (авиационные и судовые ГТУ) устанавливаются в опорах качения (шариковых и роликовых подшипниках).

Преимущества подшипников качения:

–более низкий пусковой момент и коэффициент трения;

–меньший расход смазывающего масла;

–работоспособность в более широком диапазоне температур, в том числе возможность запуска при низких температурах наружного воздуха;

–меньшие осевые размеры.

2. Подшипники опорные и упорные.

Опорный подшипник (как качения, так и скольжения) воспринимает только радиальную нагрузку от массы ротора, но не препятствует перемещению ротора в осевом направлении.

Упорный подшипник помимо радиальной нагрузки несет и осевую нагрузку, препятствуя перемещению ротора под действием осевых сил. Упорные подшипники ставят только с одной стороны ротора, чтобы обеспечить возможность его теплового расширения в осевом направлении в противоположную сторону.

Лабиринтные уплотнения

Для обеспечения нормальной работы ГТУ требуются уплотнения:

–проточной части газовоздушного тракта (чтобы поток воздуха двигался только по межлопаточным каналам);

–масляных полостей опор (чтобы предотвратить выброс масла из этих полостей).

24

Лабиринтное уплотнение – тип бесконтактного уплотнения. Принцип действия – многократное дросселирование газа, протекающего через каналы с резко меняющимся проходным сечениями (рис. 18).

Рис. 18. Лабиринтное уплотнение

а – работа камеры ( qтр – потери энергии на трение в зазоре

между гребешком и втулкой); б – конструкция:

1 – втулка с гребешками; 2 – графитовое покрытие; 3 – втулка; 4 – канал подвода уплотняющего воздуха; 5 – камера; 6 – изменение давления воздуха

по длине уплотнения

Эффективность работы лабиринтного уплотнения зависит от:

–числа гребешков (двух-трехъярусные лабиринты при необходимости);

–конфигурации гребешков (кромки должны быть острыми);

–величины зазоров (0, 1-0, 4 мм);

–радиуса, на котором организовано уплотнение (меньше радиус – меньше суммарная площадь щели, а значит меньше утечка через нее).

Лабиринтные уплотнения – расходного типа, то есть через них всегда в одном из направлений (из зоны с более высоким давлением) идет расход рабочей среды.

Газовая динамика осевого компрессора

Основными элементами ОК являются венцы подвижных и неподвижных лопаток. Лопатки рабочего колеса РК, направляющего аппарата НА составляют ступень осевого компрессора (рис. 19). ВНА (входной направляющий аппарат) необходим для закрутки воздуха в сторону вращения ротора, что позволяет увеличить напор осевого компрессора. Количество ступеней различное и для ГТУ ГТК-10-4 составляет порядка 10.

25

Рис. 19. Ступени осевого компрессора

ОК (осевой компрессор), в лопаточном аппарате которого происходит обратный процесс, преобразование механической работы в Ек и в Еп.

Межлопаточные каналы НА и РК выполнены диффузорно, т. е. расширяющимися.

Графически газовая динамика осевого компрессора приведена на рис. 20.

Рис. 20. Газовая динамика осевого компрессора

При вращении ротора воздух входит в межлопастной канал с относительной скоростью W1. Так как канал расширяющийся, относительная скорость падает до W2, то есть Ек в рабочем колесе преобразуется в Еп и внутреннюю энергию, происходит повышение давления и температуры. Воздух со скоростью С2 поступает на лопатку НА, межлопаточный канал которой выполнен диффузорно, что приводит к снижению абсолютной скорости до С3 и дальнейшему повышению давления и температуры.

При сжатии удельный объем (масса единицы объема) воздуха уменьшается, вследствие чего уменьшается площадь проходного сечения канала, со-

гласно уравнению неразрывности:

Gυ ↑=↑ fC =const.

26

В большинстве случаев при проектировании проточной части выбирают такое соотношение:

Выходная скорость потока из НА по числовому значению и направлению была равна скорости потока на вход в канал рабочего колеса, то есть С3 = W1. Тогда условия входа в следующую ступень будут такими же, как и в предшествующей ступени:

C3 = W1.

Осевые компрессоры выполнены многоступенчатыми потому, что степень сжатия одной ступени равна πст ≈ 1,13, а для того, чтобы получить необходимое давление на входе из ОК, например, πк = 4,6 необходимо 10 ступеней, то есть степени сжатия умножаются.

Вопросы для самопроверки

1.Каковы назначение и состав осевого компрессора?

2.Какова конструкция, способы крепления и материал лопаток?

3.Что представляет собой конструкции ротора?

4.Что такое лабиринтное уплотнение?

5.Что можно рассказать о газовой динамике осевого компрессора?

2.2 Газовая турбина, назначение, классификация по принципам работы. Основные узлы. Режимы работы. Газовая динамика турбины

Газовая турбина

Турбина – важнейший узел двигателя, определяющий его ресурс, надежность и стоимость. Затраты только на изготовление рабочих и сопловых лопаток газовой турбинысоставляют до20% стоимостивсейгазотурбиннойустановки.

Газовая турбина представляет собой лопаточную машину, в которой потенциальная энергия сжатого и подогретого газа преобразуется в механическую работу на валу турбины с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками. Турбина – это зеркальное отражение компрессора.

Ступень турбины – зеркальное отражение ступени компрессора: сначала установлены неподвижные лопатки соплового аппарата, а затем вращающийся диск с рабочими лопатками.

Межлопаточные каналы сопловых рабочих лопаток – сужающиеся. Расширение газов связано с меньшими потерями, чем их сжатие. В связи

с этим в одной ступени турбины преобразуется большая энергия, чем в одной ступени компрессора, поэтому число ступеней турбины намного меньше числа ступеней компрессора. Степень расширения в одной ступени турбины состав-

ляет 1, 9-2, 2.

В сопловом аппарате происходит разгон потока газа, при котором температура и давление газа уменьшается, а кинетическая энергия (скорость) увеличивается. Этот скоростной напор газа раскручивает рабочее колесо турбины, при этом происходит дальнейшее уменьшение давления и температуры газового потока, что свидетельствует об уменьшении кинетической энергии газа, превратившейся в механическую работу на валу турбины.

27

Состав турбины:

–статор (корпусы сопловых аппаратов, сопловые лопатки, корпусы опор,

атакже дефлекторы и кожухи, обеспечивающие подвод воздуха на охлаждение узлов турбины);

–ротор (вал, диск, рабочие лопатки);

–опоры ротора.

Крепление сопловых лопаток может быть как разборным, так и неразборным (сваркой). Креплениерабочих лопатокосуществляетсязамками«елочного» типа.

Наиболее опасный режим для рабочих лопаток – остановка двигателя без предварительного охлаждения.

Охлаждение деталей турбины

Нагрев деталей сопровождается ухудшением механических свойств материала. Допустимая температура газов перед турбиной ограничивается прочностью сопловых и рабочих лопаток турбины. Для поддержания необходимой надежности узлов газовой турбины при работе в высокотемпературном газовом потоке предусмотрено охлаждение турбины.

Цели охлаждения:

–поддержание температуры деталей в пределах, обеспечивающих их длительную механическую прочность, то есть повышение ресурса двигателя;

–выравнивание температуры деталей по объему для уменьшения термических напряжений;

–возможность применения менее жаропрочных, а значит более дешевых материалов;

–уменьшение радиальных зазоров (рис. 21) между рабочими лопатками и корпусомтурбины, чтоприводиткповышениюэффективностирабочегопроцесса.

Охлаждаемые узлы турбины:

–сопловые лопатки;

–замки рабочих лопаток;

–диски турбин;

–корпуса опор ротора.

Охлаждение осуществляется внешним обдувом деталей турбины вторичным потоком воздуха из рубашки охлаждения камеры сгорания (температура этого воздуха примерно 5000С).

Рис. 21. Изменение радиального зазора на рабочих лопатках турбины

28

Помимо внешнего охлаждения (обдува) используется и внутреннее охлаждение, то есть циркуляция охлаждающего воздуха внутри пустотелых сопловых и рабочих лопаток. Технология изготовления таких лопаток намного сложнее, поэтому их стоимость соответственно выше.

Газовая динамика турбины

Газовая турбина – двигатель, в лопаточном аппарате которого преобразуется Еп в Ек, которая затем преобразуется при непрерывном вращении рабочего колеса и передается на вал.

Турбина, в которой поток рабочего тела движется параллельно валу, на-

зывается аксиальной.

Турбина, в которой поток рабочего тела движется перпендикулярно валу, называется радиальной.

Основными элементами газовой турбины являются турбинная ступень – совокупность последовательно расположенных НА и вращающихся рабочих решеток. Состав ступени турбины приведен на рис. 22.

Рис. 22. Состав ступени турбины

Решетка – совокупность лопаток (рабочих или направляющих), расположенных с одним и тем же шагом под одинаковым углом.

Сосуд, из которого вытекает жидкость, испытывает силу реакции в направлении противоположном вектору ускорения вытекающей струи.

Точно также в рабочем лопаточном аппарате, вследствие ускорения в нем потока, возникает сила реакции. Если поток в рабочем колесе получает ускорение в направлении обратном вектору окружной скорости, то сила реакции действует в сторону вращения.

Таким образом, вращающий момент на рабочем колесе появляется как вследствие изменения направления скорости потока, так и благодаря силам реакции, возникающей под влиянием изменения величины относительной скорости.

Форма профиля выбирается в соответствии с треугольником скоростей при выходе из рабочего колеса.

По принципу преобразования энергии турбины подразделяются на:

– турбины, в которых давление потока продуктов сгорания изменяется и на сопловых и на рабочих лопатках, называются реактивными;

– турбины, в которых давление потока продуктов сгорания изменяется в сопловом аппарате, а на рабочих лопатках остается неизменным, называются

активными.

29

Принципиальные схемы турбин и их газовая динамика приведены на рис. 23.

Рис. 23. Принципиальные схемы турбин и их газовая динамика

Межлопаточный канал – пространство между соседними профилями. На рис. 24 показано распределение скоростей в турбине.

Направляющий аппарат (сопловой аппарат) служит для создания определенного направления потока по α1. Рабочее колесо (РК) обтекается со скоростью W1 направленной под углом β1. Продукты сгорания поступают на НА со скоростью С0, так как межлопаточные каналы выполнены конфузорными, в результате расширения скорость потока возрастает, то есть Еп преобразуется в Ек в пределах НА.

На рабочем колесе часть Ек преобразуется в механическую работу, в результате которой абсолютная скорость уменьшается до С2, а относительная скорость W1 за счет конфузорности возрастает до W2. По закону сохранения энергии она переходит из одной в другую. При обтекании лопаток рабочего колеса вследствие несимметричности профилей на вогнутой поверхности, возникает повышение давления, а на выпуклой – понижение.

Рис. 24. Распределение скоростей в турбине

30