Газовые турбины проблемы и перспективы. Манушин Э.А. (1014151), страница 28
Текст из файла (страница 28)
5.15) и по принципу тепловой трубы, При разработках высокотемпературных газовых турбин выбирают какую-либо схему охлаждения каждого соплового аппарата н рабочего колеса. Основной целью выбора является обеспечение требуемого снижения температуры металла лопатки при минимально возможном расходе охладителя. Расход воздуха обычно оценивается в виде относительного Расхода Ото=Ото/Пшв где С,„в — Расход воздУха пРи входе в комп.рессор двигателя.
Минимизация расхода воздуха обеспечивает нанмень. шее вредное воздействие введения охлаждения на параметры турбины и двигателя. Чем меньше Ошс пРи опРеделенных Т, и Тл, тем экономичнее пРи прочих равных условиях система охлаждения. Экономичность или, как иногда говорят, эффективность воздушного охлаждения часто характе. ризуют относительной глубиной охлаждения О = (Тг — Тл)! (Тг — Та, вх) ~ где Т, вх — температура охлаждающего воздуха при входе в лопатку, а также указанным выше относительным расходом воздуха я е. Чем выше значение О, тем температура лопатки меньше отличается от температуры охлаждающего воздуха, следовательно, тем лучше она охлаждается. Принято строить зависимости О = О(вше) (рис. 5.16) дзя каждой конкретной лопатки и определять значения О, соответствующие значениЯм Ол, е длЯ Различных лопаток. Наиболее полной оценкой эффективности любой системы охлажцення можно считать степень приближения параметров ГТД с данной системой охлаждения к параметрам гипотетического ГТд с той же начальной температурой газа, но без охлаждения.
Другими важными показателями при сравнении и выборе системы охлаждения щзужат простота конструкции, масса охлаждаемых элемен. тов, технологичность, надежность в работе и др. 5.3. Совершенствование материалов и процессов изготовления Развитие газотурбостроения невозможно без улучшения прочностных н технологических Евойств металлических материалов, без совершенствования технологических процессов изготовления деталей. Дла деталей компрессоров применяются достаточно апробированные материалы и технологические процессы.
Так, для дисков осевых компрессоров многих ГТУ применяют тешзостойкие'хромистые стали с небольшими присадками никеля, молибдена, вольфрама и других металлов, име1ощие предел прочности прирастяжениипримерно950 — 1200МПа. В ряде случаев при температурах нагрева дисков до 470 — 520 К применяют алюминиевые сплавы типов АК2, АК4, Д1 и др., имеющие пределы прочности при растяжении 360 — 400 МПа.
При температурах до 700 К для дисков применяют титановые с1иавы, имеющие предел прочности не меньший, чем у некоторых сталей, при сравнительно небольшой плотности (4,5 10 ' кг1смз) . Однако при больших температурах свойства титановых сплавов ухудшаются. Они значительно более, чем стали, чувствительвы к различным концентрациям напряжений. Рабочие и спрямляющие лопатки осевых компрессоров стационарных и некоторых транспортных ГТУ выполняют из нержавеющих сталей, в которых содержится не менее 12 Ь хрома; наибольшее распространение получили стали 2Х13, Х17Н2„13Х!4Я2ВФР (ЭИ736) и 1Х12Н2ВМФ (ЭИ961), облаца1ощие высокой демпфирующей способностью, позволяющей уменьшить напряжения в лопатках при колебаниях.
Для судовых ГТУ подобные стали применяются с покрытиями, например с никель-кадмиевыми, ддя предотвращения коррозии материала в среде, насыщенной морскими солями. Если лопатки работают при температуре ниже 500 К, то для их изготовления можно применять алюминиевые сплавы, если это допустимо по условиям эксплуатации. При температуре от 500 до 800 К возможно применение титановых сплавов для лопаток, если указанные выше условия их применения соблюдаются.
Для спрямляющих лопаток при рабочих температурах до 500 — 550 К могут применяться стеклопластики, состоящие из связующего вещества (синтетической смолы) и стекловолокнистого армированного наполнителя, воспринимающего основные нагрузки при работе стеклопластика. Основное применение для дисков и лопаток газовых турбин находят сплавы на никелевой основе с добавками в различных сочетаниях хрома, алюминия, титана, молибдена, вольфрама, ниобия и других элементов.
Для дисков стационарных и некоторых транспортных ГТУ наибольшее распространезие получили сплавы на никелевой основе: ХН77ТЮР, ХН70ВМЮТ, ЭИ698, ЭИ607А, ЭИ434 и др. Для рабочих лопаток могут применяться те же материалы, что и для дисков (ХН77ТЮР, ХН70ВМЮТ), а также специальные высокожаропрочные деформированные и литые сплавы на никелевой и никель-хромовокобальтовой основах. Для лопаток ГТУ получили распространение сплавы на никелевой основе: ЭИ826, ЭИ929, ЭП220, ЖСОК, ЖСОКП, ХН55ВМТФКЮ, ЭИ607А, ХН65В9М4ЮТ, ЦЖ20, ЭП800 и др.
Особенно широко использован сплав ЭИ893 в газовых турбинах отечественных приводных ГТУ при темпера- 139 турах металла до 1020 К. Рабочие лопатки первой ступени газовой т бины установки ГТН-16 и первых экземпляров ГТН-25 дпя ГПА из товлены штамповкой из жаропрочного сплава ЭИ929ВД, являющего модификацией исходного сплава ЭИ929 и полученного методом вакуу но-дугового переплава. Такая же модификация выполнена и для сила ЭИ893. Сплав ЭИ929ВД вЂ” один из наиболее жаропрочных отечественн сплавов. Для первой ступени турбины ГТУ типа ГТН-25 освоено, кро того, изготовление рабочих лопаток из сплавов ЖС6К и ЦНК-7; следний является более коррозионно-стойким, чем сплав ЖС6К.
Для изготовления сопловых лопаток турбин в основном применя жаропрочные сплавы на никелевой основе: ЖСЗ, ЖС6К, АНВ-ЗОО,— 20Х23Н18. Для сопловых лопаток первой и второй ступеней газовой турбины установки ГТН-25 применен коррозионно-стойкий сплав ЭП539ЛМУ. Жаропрочность сплавов, уже освоенных в"газотурбостроении, заметно повышается при применении метода направленнои кристаллизации при литье лопаток.
Например, предел длительной прочности сплава ЖС6К, полученного методом направлен.юй кристаллизации, лри рабочей температуре 1170 К и сроке службы 3 — 20 тыс. ч увеличивается в 1,35— 1,55 раза по сравнению с прочностью сплава, полученного обычным путем; при температуре !220 К это увеличение достигает 1,6 — 1,8 раза. Методом направленной кристаллизации изготовлены, например, рабочие лопатки первой ступени турбины установки ГТН-25 из сплавов ЖС6К и ЦНК-7. Как перспективный рассматривается способ получения лопатки в виде монокристачла.
Имеются сведения, что процесс получения монокристаллических лопаток уже вышел из стадии лабораторных исследований и началось промышленное изготовление таких лопаток. Так, американская фирма "Хаумет" ведет работы по изготовлению монокрнсталлических лопаток дпя двигателя типа ЗТ9Р-7К4: этот двигатель предназначен дпя пассажирских самолетов "Боинг 767", "Боинг 747*' и аэробуса А310.
Известно, что фирма поставила полные комплекты охлаждаемых монокристаллических лопаток Пля нескольких десятков двигателей. Для сопловых и рабочих лопаток разработаны и разрабатываются высокожаропрочные хромоникелевые сплавы с дислерсными улрочняющнми оксидами. Например, сплав МА754 с упрочнением оксидами иттрия м жег работать при температуре 1500 К и имеет высокие прочностные св ства. Перспективные сплавы этого класса обеспечивают повышение уро ня температуры 1255 К на 90 К по сравнению с обычными деформир мыми (ковкими) сплавами.
Упрочненные сплавы й!АУ.-Р и МА-600 в диапазоне температур 1360 — 1480 К имеют длительную прочно 105 МПа при сроке службы 1000 ч. Сплав МА-6000Е к тому же облад высокой пластичностью, высоким сопротивлением окислению и ко розни. Большие надежды на совершенствование перспективных газовых ту бин связывают с разработкой металловолокнистых композиционных м териапов, которые могут иметь высокие прочность и пластичность. Од из наиболее жаропрочных композиционных материалов состоит из матр 140 цы из жаропрочного сплава, в которой размещаются волокна срецним диаметром около 400 мкм из сплава вольфрама с гафнием и углеродом. Предел длительной прочности у этого материала ожидается примерно в 5 раз больше, чем у современных жароцрочных с~шавов.
Многие материалы деталей газовых турбин плохо обрабатываются, при изготовлении деталей из них требуется тщательный контроль параметров процесса обработки и качества обработки. Особенно сложны в изготовлении охлаждаемые лопатки газовых турбин. Дальнейшее повышение эффективности охлаждения лопаток, а вместе с ним прогресс в освоении высоких параметров газа в значительной степени зависят от успехов технологии изготовления лопаток.
Основное применение при производстве охлажцаемых лопаток находит технология литья в вакууме по выплавляемым моделям с керамическими или кварцевыми стержнями. Такой процесс изготовления достаточно хорошо отработан; удается получать литые лопатки с минимальной толщиной стенок 0,8 — 1,0 мм, минимальным диаметром охлаждающих каналов 0,6 мм !441, с оребрением внутренних полостей.
Требуется дальнейшее повьппение стабильности получения лопаток заданной гео. метрин, повышение доли высококачественных литых лопаток. К основным новым технологическим методам изготовления лопаток относятся: порошковая металлургия, применяемая для изготовления цеталей компрессоров и турбин; изготовление составных охлаждаемых лопаток и рабочих колес; изготовление слоистых проницаемых материалов дпя жаровых труб и лопаток; нанесение защитных покрытий на поверхности лопаток; выполнение отверстий дпя лопаток с пленочным охлаждением; сварка роторов. Метоцы порошковой металлургии существенно улучшают свойства материалов и уменьшают стоимость деталей по сравнению со стоимостью при литье или ковке, особенно при применении жаропрочных сплавов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
