Диссертация (Исследование влияния параметров ГТУ и ПГУ на их характеристики на основе методики с детальным учетом потерь от охлаждения в газовой турбине), страница 4

При этом становится возможнымприменение специальных литейных сплавов, обладающих более высокимуровнем механических и эксплуатационных свойств. Распространеннойтехнологией изготовления лопаток для высокотемпературных ступенейгазовых турбин является точное литье по выплавляемым моделям [41, 58].Технология позволяет реализовать направленную кристаллизацию в лопаткахи получение монокристаллических литых лопаток.Точным литьем изготавливаются сопловые и рабочие лопатки соптимизированнойсистемойвнутреннихполостейиканаловдляконвективного охлаждения, затем для выхода охлаждающего воздуха иорганизации процесса пленочного охлаждения методом электроэрозионнойобработки в стенке лопаток прожигаются отверстия.Для уменьшения теплового потока от горячего газа к деталям турбинытакжеиспользуютсяспециальныежаростойкиетеплоизоляционныепокрытия.

Наибольшим распространением пользуются металлические иметаллокерамическиетеплопроводностизащитныепокрытияпокрытия.позволяютЗаприсчетсвоейнеизменномнизкойрасходеохлаждающего воздуха дополнительно понизить температуру несущейстенки лопатки. Это означает, что при прежнем расходе воздуха наохлаждение становится возможным увеличить начальную температуру газовперед турбиной и таким образом повысить мощность и экономичность ГТУ.Дляповышениякоррозионнойстойкостиметаллалопатоквысокотемпературных газовых турбин могут применяться различные видызащитных ионно-плазменных покрытий [31, 45, 52].27В работе [2] дается обстоятельное и подробное описание различныхвидов покрытий, применяемых для деталей газовых турбин.

Изложеныхарактеристики металлических и керамических покрытий, способы ихнанесения, приведены данные по их долговечности и стабильности.1.3 Классификация дополнительных потерь в охлаждаемой газовойтурбинеВ газовых турбинах с воздушным охлаждением рабочий процесс имеетряд существенных отличий по сравнению с неохлаждаемыми турбинами.Наличиеохлаждающеговоздуха,которыйнеобходимоотбиратьизкомпрессора и который затем сбрасывается в проточную часть турбины,влечет за собой ряд дополнительных потерь.В различных работах приводится классификация дополнительныхпотерь, возникающих вследствие наличия системы охлаждения.

Однакоединой классификации дополнительных потерь не существует, авторамизачастую используется различная терминология, а в ряде случаев в терминывкладывается различное смысловое наполнение.На основе обобщения имеющейся информации в данной работе принятоследующее разделение дополнительных потерь вследствие охлаждения:конвективныепотери,перфорационныепотери,дополнительныеаэродинамические потери, а также потери на сжатие и прокачкуохлаждающего воздуха.Потери от конвективного охлаждения (конвективные потери).

Этотвид потерь возникает вследствие отвода теплоты от потока газа,протекающего в межлопаточном канале, к более холодному металлу лопатоки далее — к охлаждающему воздуху, протекающему по внутрилопаточнымканалам. Отвод тепла приводит к потере полезной энергии и в результате28понижаетрасполагаемуюработуступениприпрочихнеизменныхпараметрах.

Очевидно, что температура рабочего тела за ступенью такжебудет понижаться по сравнению с процессом в неохлаждаемой ступени.Конвективные потери существуют при любом способе охлаждениярешеток (как закрытом, так и открытом).Согласно [35], для турбинных ступеней с конвективным охлаждением,работающих на отношении давлений 2,5-3 при разнице температур междупотоком газа и металлом лопаток 300-350оС, конвективные потерисоставляют 0,2-0,3%. В случае конвективно-пленочного охлаждения долятермодинамических потерь, как правило, несколько выше из-за увеличенияколичества охлаждающего воздуха, необходимого для организации такогопроцесса.Потери от перфорационного охлаждения (перфорационные потери).В открытой системе охлаждения потери смешения возникают из-за смешениядвух потоков: подмешивания охлаждающего воздуха, сбрасываемого впроточную часть, к основному потоку газа.

Эти потери зависят ототносительного расхода охлаждающего воздуха, от разницы энтальпий двухпотоков и от величины угла между их направлениями. В первых ступеняхвысокотемпературных газовых турбин этот вид потерь представляет собойбóльшую часть от дополнительных потерь, связанных с охлаждениемлопаток.В системе закрытого воздушного охлаждения, когда охлаждающийвоздух не подмешивается к основному потоку газа, перфорационные потериотсутствуют.Дополнительныеаэродинамическиепотери.Этипотерипредставляют собой добавку к основным аэродинамическим потерям,существующим в любой решетке. Изменение аэродинамических потерь вохлаждаемых лопатках связано со следующими основными причинами:— изменение пограничного слоя вследствие сброса охлаждающеговоздуха через перфорационные отверстия на профиле лопатки;29— изменение кромочных потерь вследствие утолщения выходныхкромок;— изменение потерь вследствие температурного фактораTлTг , чтосвязано с его влиянием на структуру пограничного слоя, образующегося напрофильной поверхности [12, 23, 44].При проектировании охлаждаемых лопаток приходится отступать отобычных аэродинамически совершенных форм профилей и выполнять их сучетом требований, обусловленных наличием системы охлаждения.

Чтобыразместить внутри лопатки необходимое количество каналов требуемойформы, требуется допускать увеличение относительной толщины профилялопатки (отношение максимальной толщины профиля к хорде). Всѐ этоприводит к увеличению аэродинамических потерь по сравнению снеохлаждаемыми решетками профилей. Например, по данным испытаний[35], утолщение профилей рабочих лопаток с углами поворота потока180-(β1+β2) = 100-120о от значения cmax/b = 0,2-0,22 до значения 0,27-0,3 (гдеcmax — максимальная толщина профиля; b — хорда профиля) приводит кувеличению профильных потерь на 10-15%.В работе [53] отмечается, что все дополнительные аэродинамическиепотери можно учесть, введя в расчет коэффициент ηохл и используясоотношениеηст.охл = ηст ·ηохл,(1.4)где ηст — КПД ступени без охлаждения.

Для температуры газа 1000-1050оС иотносительного расхода охлаждающего воздуха gохл = 0,02-0,025 можнопринимать ηохл = 0,975-0,98.Следует отметить, что практически все имеющиеся данные подополнительным аэродинамическим потерям представляют собой обработкурезультатов экспериментов, при этом в литературных источниках не описанорасчетной методики по определению этих потерь.30Потери энергии на сжатие и прокачку охлаждающего воздуха.Работа, затрачиваемая на сжатие охлаждающего воздуха в компрессоре,уменьшает выходную мощность газотурбинной установки.

Чем большерасход охлаждающего воздуха и чем выше давление в месте его отбора изкомпрессора, тем значительнее это уменьшение выходной мощности.Потери на прокачку охлаждающего воздуха обусловлены затратойработы на разгон этого воздуха до окружной скорости, соответствующейместу его выхода из рабочей лопатки. Они прямо пропорциональны квадратускорости и удельному расходу воздуха, поэтому ступени турбины, у лопатоккоторых преобладает радиальное течение воздуха и его выпуск в проточнуючасть осуществляется из верхнего торца, будут иметь наибольшие потери напрокачку.Отмечается [35], что некоторая часть потерь на прокачку может бытьскомпенсированазасчетполезногореактивногоэффектавоздуха,выпускаемого из выходной кромки.

Однако величина этой компенсациикрайне мала, а в ряде случаев (при высоком гидравлическом сопротивлениивнутренних каналов) и вовсе отсутствует. Кроме того, в случае конвективнопленочного охлаждения воздух, выпускаемый из отверстий, расположенныхна выпуклой части профиля, создает реактивные силы, направленные противдвижения лопаток, и дополнительно уменьшает полезную работу турбины.Потеря располагаемой работы, обусловленная отбором части воздуха,сжатого в компрессоре, в соответствии с [53] может быть приближеннооценена по формуле:zохлH охл.сж   g охл i  H к i  pохл i /  ,i 1(1.5)где zохл — число охлаждаемых элементов; gохл i — относительный расходвоздуха на охлаждение i-го элемента; Hк i — теплоперепад до точки отбора вкомпрессоре; pохл i — относительный перепад давлений воздуха при его31прохождении через охлаждаемый элемент; ε — отношение давлений вкомпрессоре.1.4 Обзор существующих методов расчета охлаждаемой газовой турбиныи тепловой схемы ГТУОписанию расчета неохлаждаемых газовых турбин в отечественнойнауке было посвящено немало работ [1, 19, 32, 36, 37, 63, 64 и пр.].

Однако всвязи с непрерывным ростом начальных параметров в эксплуатирующихсяГТУнаопределенномэтаперазвитияотрасливозниклаостраянеобходимость выполнять расчеты параметров газовых турбин с учетомналичия в них систем охлаждения.Различными авторами в своих работах [5, 42, 51, 53, 62] приводятсяметодики расчета тепловой схемы ГТУ и некоторые соображения по учетуохлаждения элементов газовых турбин. Часть зависимостей получена наоснове газодинамических и термодинамических испытаний, проведенных какотечественными [10, 17, 18, 22], так и зарубежными [68, 77, 78]исследователями.Одна из наиболее подробных методик описана в [41], где она включает всебя расчет параметров как неохлаждаемой, так и охлаждаемой ГТУ, а такжепримеры расчета.