Газовые турбины проблемы и перспективы. Манушин Э.А. (1014151), страница 26
Текст из файла (страница 26)
чек. Пока эта проблема решается с трудом. Так, испытания теплооб. менннка двигателя АСТ-1О! позволили оценить утечки при невращающейся матрице в 5 вместо заданных 3,6%. Теплообменные аппараты другого типа — воздухо- и газоохладители— применяются значительно реже, чем регенераторы и рекуператоры.
Исключение составляют перспективные атомные замкнутые ГТУ, в которых, как правило, должны применяться промежуточные и концевые газоохладители, а также воздушно-аккумулирующие ГТУ, где требуются я„= = 55 —: 60, которые без промежуточного охлаждения осуществить трудно [27]. Имеется также опыт разработки и постройки воздухоохладителей ГТУ открытого цикла, например для стационарной энергетической ГТУ ГТ-100, для судовой ГТУ-20. Хладагентом в охладителях всех типов служит, как правило, вода. В перспективной высокотемпературной энергетической ГТУ АСТХ-100А, описанной в й 3.1, применен воздухоох. ладнтель испарительпого типа, в котором охлаждающая вода впрыски. вается в поток воздуха.
5.2, Охлаждение турбин Наиболее простым и естественным путем освоения высоких Т~ было бы применение для изготовления деталей турбин, в первую очередь сопловых и рабочих лопаток, материалов, способных выдерживать эти тем. пературы и большие напряжения в течение заданного срока службы.
Основное применение в турбинах находят жаростойкие и жаропрочиые сплавы на никелевой или кобальтовой основе, легированные различны ми присадками. Механические свойства таких материалов постоянно 128 улучшаются; например, улучшение сплавов, применяемых для лопаток авиационных турбин, позволило повысить их рабочую температуру почти на 25 К, что в среднем за год составляло прирост 7 — 8 К [44]. Однако эти темпы всегда отставали и с развитием газотурбостроения все больше отстают от темпов роста Тг.
Поэтому приходится охлаждать все элементы проточной части турбины с целью понижения их температуры по сравнению с температурой газа до уровня, при котором обеспечивается надежная работа лопаток и других деталей в течение заданного срока службы. Освоение высоких Тг в ГТУ с помощью керамических материалов рассматривается как самостоятельный перспективный путь, не приведший пока к заметным успехам. В результате охлаждение турбин продолжает рассматриваться как единственный реальный путь освоения высоких Тг, способ вынужденный и трудный во многих отношениях.
Наиболее тяжелой задачей является охлаждение сопловых и рабочих лопаток турбин [56]. . Из всех систем, охлаждения наиболее распространена воздушная открытац система охлаждения сопловых и рабочих лопаток (рис. 5.3), в которой воздух, отбираемый из компрессора, охладив лопатки, поступает в проточную часть турбины, смешивается с газом и совершает работу в части ступеней за местом выпуска. Система сравнительно проста по конструкции и надежна в эксплуатации, она является по существу единственной практически (в широких промышленных масштабах) применяемой системой охлаждения газовых турбин. Жидкостное охлаждение способно обеспечить наибольшее повышение Тг. Потери мощности на подготовку и прокачивание теплоносителя (воды, топлива, теплоносителей с высокой температурой кипения и др.) в жидкостной системе малы.
Однако термодинамические потери в турбинах с таким охлаждением получаются больше, чем с воздушным охлаждением. Конструкционное выполнение жидкостных систем значительно сложнее, чем воздушных: для них необходима герметизация. Наличие охлаждающей жидкости — иного, чем основной рабочий воздух, теплоносителя — усложняет конструкцию двигателя и его эксплуатацию.
Поэтому жидкостное охлаждение применялось лишь в экспериментальных установках и опытных образцах ГТД В качестве теплоносителя в системах охлаждения ~азовых турбин [особенно турбин, работающих в составе ПГУ и ГПУ) может быть использован водяной пар, который по своим физическим свойствам занимает промежуточное положение между воздухом н водой. В то же время ио. пользование пара конструкционно осуществляется проще, чем использование воды. Исследования парового охлаждения выполнены в ЛПИ и НКТИ [1]; в последние годы фирма "Дженерал электрик" рассматривала паровое охлаждение как второй вариант вместо водяного охлаждения лопаток при выполнении исследовательской программы создания высокотемпературных ГТУ. Водяное охлаждение оценено как более дальняя перспектива, в то время как паровое охлаждение, по мнению разработчиков, может быль осуществлено в короткий срок при введении лишь 129 9-азта Вход Воздуха Выход отработавших Вход оздуха Взтод отрадотавшю Вход Выход Вкод Выход Вход Взтод Воздуха атрадотаВших Воздуха отрадотавшик Воздуха отрадотаВаик Вьшуск охлакдатизого Воздуха 'Рис.
5.3. Воздушная открытая система охяаясденяя лопаток турбины: 1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина; 4 — магистраль пода охлаждающего воздуха Рнс. 5.4. Замкнутая система охлаждения лопаток турбины: 1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбяна; 4 — магистраль подвода теплоносителя; 5 — магистраль отвода теплоносителя; б — насос (компрессор)1 7 — раднотор некоторых изменений в имеющееся оборудование и при использовазши установившихся методов изготовления охлаждаемых турбин.
В днухконтурных системах охлаждения теплоносителем во внутрейних герметичз1ых полостях лопаток служит вода, натрий нли сплавы натрия с кызием, а хладагентом, отбирающим теплоту от оребренных радиаторов лопатки, — воздух из компрессора нли водяной пар. По конструкции двухконтурная система близка к обычной воздушной. Передача больших тепловых потоков наилучшим образом осуществляется н поле интенсивных массивных снл, поэтому двухконтурное охлаждение применяется в рабочих лопатках.
В этом случае для отвода теплоты лопатка должна иметь развитый тезъзообменник-радиатор, дпя которого вырезается соответствующий паз в ободе диска. При этом замковое соединение дополнительно нагружается центробежными силами радиаторов, а диски ослабляются из-за глубоких пазов под радиаторы. Эти сложно. сти, а также трудности обеспечения герметичности внутренних гюлостей рабочих лопаток, заполненных теплоносителем, не позволили двухконтурным системам охлаждения выйти из стадии экспериментальных исследований.
К двухконтурным системам охлаждения следует отнести также способ охлаждения сопловых 'лопаток с использованием принципа тепловой трубы. В такой системе охлаждения сама лопатка представляет собой тепловую трубу. Профильная часть лопатки служит испарнтелем — зоной подвода теплоты, а радиаторная часть — конденсатором, зоной отвода теплоты. Перенос жидкости из зоны конденсации в зону нагрева осу. ществляется по фитилю — какому-либо пористому материалу 1сетке, спеченным пористым структурам и т.п.), устилающему внутреннюю профильную поверхность лопатки. Теплота от конденсатора может отводиться в воздух, отбираемый от компрессора.
Системы охлаждения сопловзпх лопаток с использованием принципа тепловой трубы не вылили пока из стадии экспериментальных исрледований. 130 унс. 5.5. Полузамкнутые снстемы охпаждеяяя турбины: а — с отбором воздуха яз компрессора я возвратом а компрессор; б — с дожимкющнм компрессором; а — с отбором воздуха яз компрессора, предварительным гго охлаждением и возвратом а компрессор; 1 —. компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина; 4 — магистраль подвода охлаждающего воздуха; 5 — магистраль отвода охлаждающего воздуха; б — дожнмоюший компрессор; 7 — воздухоохяк- 1 1 1 1 датель В'замкнутых системах с жидкостным или двухконтурным охлажде'. нием лопаток (рис .5.4) теплоноситель нли хладагент циркулирует в замкнутом контуре, отбирая теплоту от лопаток и других охлаждаемых дега. ней и.
отдавая ее во внешнем радиаторе какому-либо хладагенту: атмосферному воздуху, прокачиваемому вентилятором, воде нли топливу, нрокачнваемым насосом. Замкнутые системы позволяют выбирать тезпоноситель, отличающийся благоприятным сочетанием теплопередающих свойств; кроме того, давление, при котором в замкнутой системе циркулирует теплоноситель, может быль существенно выше, чем максимальное давление рабочего тела в двигателе, а это позволяет повысить эффективность теплоотдачи от охлаждаемых элементов к теплоносителю. Однако замкнутые системы ухудшают эксплуатационную надежность установки из-за значительного усложнения конструкции; они заметно увеличивазот массу двигателя из-за введения рдциатора, циркуляционного компрессора нли пасоса; надежность двигателя снижается также из-за неизбежных утечек из системы, которые необходимо восполнять.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
