CC BY
370
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
12 3
Саитов Э.Н. , Николаева Я.О. , Бикбулатов А.М. Email: [email protected]
1Сайтов Эльвир Наилевич - магистрант; 2Николаева Ярослава Олеговна - магистрант, кафедра авиационной теплотехники и теплоэнергетики; 3Бикбулатов Ахат Мидхатович - доцент, Уфимский государственный авиационный технический университет,
г. Уфа
Аннотация: в статье анализируются способы охлаждения лопаток газотурбинной установки и эффективность различных систем воздушного охлаждения. Приведены используемые методы охлаждения с конструктивным пояснением самого процесса. Описаны материалы, используемые при изготовлении лопаток и их характеристики. Рассмотрены схемы охлаждения, которые могут обеспечить длительную работу при различных температурах. Предложена оценка эффективности различных систем воздушного охлаждения лопаток с выявлением наиболее практически осуществимой. Также представлена зависимость глубины охлаждения лопаток газовой турбины от количества отбираемого воздуха.
Ключевые слова: охлаждение лопаток, эффективность, анализ, температура, турбина, способ.
EFFICIENCY OF DIFFERENT AIR COOLING SYSTEMS OF GAS TURBINE INSTALLATION BLADES Saitov E.N.1, Nikolaeva Y^O.2, Bikbulatov A.M.3
1Saitov Elvir Nailevich - Undergraduate; 2Nikolaeva Yaroslava Olegovna - Undergraduate, DEPARTMENT OF AEROSPACE THERMAL AND POWER ENGINEERING; 3Bikbulatov Akhat Midhatovich - Assistant Professor, UFA STATE AVIATION TECHNICAL UNIVERSITY, UFA
Abstract: the article analyzes the methods of cooling the blades of a gas turbine installation and the effectiveness of various air-cooling systems. The cooling methods used are given with a constructive explanation of the process itself. Describes the materials used in the manufacture of the stock and their characteristics. Considered cooling schemes that can provide long-term operation at different temperatures. The proposed evaluation of the effectiveness of various air-cooling systems of the blades with the identification of the most practical. The dependence of the cooling depth of the blades of a gas turbine on the amount of bleed air is also presented.
Keywords: blade cooling, efficiency, analysis, temperature, turbine, method.
УДК 536.24.01
С ростом начальной температуры газов растет тепловая экономичность цикла ГТУ (Газотурбинная установка) и уменьшается расход воздуха. Вместе с тем рост начальной температуры ограничен допускаемыми напряжениями в рабочих лопатках.
Повышение температуры газа, прежде всего, ограничивается прочностью рабочих лопаток турбины. Повышения температуры газа идет по двум направлениям:
дальнейшее повышение жаропрочности и жаростойкости материалов, а также разработка керамических материалов для турбинных лопаток. Средний темп прироста температуры газа благодаря увеличению жаропрочности металлических материалов за последние 20 лет не превышает 10 К в год. В настоящее время лопатки турбины, выполненные из лучших литых сплавов на основе никеля и кобальта, могут работать длительное время без охлаждения при температуре газа не больше 1250 К.
Керамические и спеченные материалы почти не изменяют своих механических свойств при нагреве до 1500...1550К. Тем не менее, их низкая пластичность, повышенная чувствительность к вибрациям, ударным нагрузкам и местным концентрациям напряжений пока не позволяют их применять в двигателях.
Другим, направлением повышения температуры газа перед турбиной является охлаждение сопловых и рабочих лопаток, а также других наиболее нагретых и нагруженных деталей турбины.
Система охлаждения газовой турбины — одна из систем в двигателе, определяющая ее срок службы.[1] Она обеспечивает не только поддержание допустимого уровня рабочих и сопловых лопаток, но и корпусных элементов, дисков, несущих рабочие лопатки. Эта система чрезвычайно сильно разветвлена и организуется так, чтобы каждый охлаждаемый элемент получал охлаждающий воздух тех параметров и в том количестве, который необходим для поддержания его оптимальной температуры. Излишнее охлаждение деталей так же вредно, как и недостаточное, так как оно приводит к повышенным затратам охлаждающего воздуха, на сжатие которого в компрессоре затрачивается мощность турбины. Кроме того, повышенные расходы воздуха на охлаждение приводят к снижению температуры газов за турбиной, что очень существенно влияет на работу оборудования, установленного за ГТУ (например, паротурбинной установки, работающей в составе ПТУ). Наконец, система охлаждения должна обеспечивать не только необходимый уровень температур деталей, но и равномерность их прогрева, исключающую появление опасных температурных напряжений, циклическое действие которых приводит к появлению трещин.
Системы охлаждения турбинных лопаток подразделяются:
1. Открытые;
2. Замкнутые.
В открытых системах охладитель (например, воздух, отбираемый от компрессора) используется для отвода тепла от лопаток однократно, после чего выпускается в проточную часть турбины [2].
Открытые системы охлаждения сравнительно просты по конструкции и достаточно эффективны, благодаря чему получили широкое распространение.
К недостаткам открытой системы охлаждения можно отнести большие затраты энергии на подготовку и подачу охладителя (воздуха); ухудшение эффективности системы воздушного охлаждения с увеличением высоты и скорости полета (из-за роста температуры охлаждающего воздуха и уменьшения пропускной способности системы охлаждения) [3].
В замкнутых системах жидкий или газообразный теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре, включающем внутренние полости лопаток и теплообменник. Отбирая тепло от горячих лопаток, теплоноситель охлаждается в теплообменнике потоком относительно холодного воздуха или топливом. В качестве теплоносителя в таких системах могут использоваться нейтральные газы, а также жидкие теплоносители.
Замкнутые системы охлаждения обладают большей эффективностью охлаждения (меньше затраты на охлаждение и более глубокое охлаждение), но они более сложны по конструкции, менее надежны в эксплуатации и имеют большую массу
Замкнутые системы позволяют выбирать теплоноситель, отличающийся благоприятным сочетанием теплопередающих свойств; кроме того, давление, при
котором в замкнутой системе циркулирует теплоноситель, может быть 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 увеличивают массу двигателя из-за введения радиатора, циркуляционного компрессора или насоса; надежность двигателя снижается также из-за неизбежных утечек из системы, которые необходимо восполнять.
Наиболее популярной системой охлаждения современных турбин является схема открытого (с выпуском охладителя в проточную часть турбины) воздушного охлаждения. Для охлаждения турбины может использоваться воздух, отбираемый за КВД (Компрессор высокого давления) или за одной из его ступеней. Для наружного охлаждения корпусов турбины (и управления радиальными зазорами) используется воздух из-за КНД (Компрессор низкого давления) или из-за вентилятора. С точки зрения общей эффективности турбины в двигателе обычно необходимо проектировать систему охлаждения, во-первых, с минимальным расходом охлаждающего воздуха, а во-вторых, с использованием по мере возможности отбора воздуха из-за промежуточных ступеней компрессора.
Различают три способа охлаждения турбинных лопаток:
1. Путем конвективного теплообмена;
2. Пленочного (заградительного);
3. Пористого охлаждения.
При конвективном охлаждении лопаток охлаждающий воздух проходит по специально выполненным каналам внутри лопатки и выпускается в проточную часть турбины.
Охлаждающий воздух входит со стороны замковой части лопатки во все каналы и, протекая по продольным каналам, выбрасывается в радиальный зазор. Лопатки обеспечивают работу турбины при температурах газа перед турбиной соответственно до 1400 К при расходе охлаждающего воздуха примерно 2% от расхода газа через турбину, понижая температуру в средней части лопатки на 220...260 К. Основным достоинством продольной схемы охлаждения лопаток является более простая технология их изготовления. Эффективность охлаждения таких лопаток довольно высокая, однако наблюдается значительная неравномерность температурного поля как по высоте, так и по профилю лопатки, которая доходит до 150...200 К и более. При этом наиболее нагретыми оказываются входная и выходная кромка.
Первоначальное и очень заметное снижение температуры материала лопатки при конвективном охлаждении достигается с помощью небольшого расхода охлаждающего воздуха. Дальнейшее повышение эффекта охлаждения требует непропорционального увеличения расхода воздуха, т. е. существует режим, на котором последующее повышение расхода практически нецелесообразно.
Интенсивность охлаждения лопаток турбины с конвективным охлаждением зависит от теплового потока, проходящего через стенку лопатки, от термодинамических свойств газа и коэффициента теплоотдачи. В охлаждаемых лопатках турбин применяются различные способы интенсификации теплообмена. Одним из таких способов является использование дефлектора. При такой конструкции охлаждающий воздух поступает внутрь пустотелой детали - дефлектора, помещенного в полость лопатки, откуда через профилированные отверстия струйки воздуха направляются к наиболее теплонапряженным участкам.
Рассмотренные схемы внутреннего конвективного охлаждения могут обеспечить длительную работу лопаток при температурах газа не более 1450...1500 К. При более высоких температурах газа необходимо применять более сложные комбинированные схемы охлаждения, где наряду с внутренним используется также внешнее, так называемое пленочное охлаждение. При
пленочном охлаждении вокруг лопатки за счет вдувания охлаждающего воздуха создается заградительная пленка, что уменьшает теплоотдачу от горячих газов к лопаткам. При этом необходимо иметь в виду, что пленочное охлаждение, естественно, сопровождается и конвективным теплообменом.
Пленочное охлаждение в сочетании с конвективным позволяет увеличить эффективность охлаждения при умеренных расходах охлаждающего воздуха и широко применяется для наиболее нагретых частей сопловых и рабочих лопаток высокотемпературных турбин, в частности входных кромок и вогнутых поверхностей лопаток, а также торцевых поверхностей межлопаточных каналов
Недостатком пленочного охлаждения является то, что пленка довольно быстро разрушается, и поэтому при пленочном охлаждении нужно предусматривать достаточное количество отверстий выпуска воздуха, что снижает конструктивную прочность лопатки, а также происходит увеличение потребления охлаждающего воздуха.
Наиболее эффективным является пористое охлаждение. Лопатка с таким охлаждением состоит из внутреннего несущего стержня с профилированными ребрами и пористой оболочки, образующей профильную часть. Оболочка лопатки выполняется из проницаемых материалов (пористых, многослойных перфорированных, сеток). Ребра на стержне служат для подкрепления оболочки и образуют продольные каналы, по которым проходит охлаждающий воздух.
Пористое охлаждение отличается от пленочных более мелким размером отверстий (пор) и меньшей упорядоченностью их расположения. Сущность пористого охлаждения заключается в том, что воздух, проходя через мелкие отверстия в стенке лопатки, отбирает от нее тепло и образует сплошной теплозащитный слой на ее наружной поверхности.
Пористое охлаждение при одинаковых параметрах газа и воздуха требует меньшего расхода воздуха, чем конвективное или конвективно-пленочное. Это уменьшение тем более значительно, чем выше температура газа.
Однако пористое охлаждение не дошло пока до промышленного применения. Это объясняется конструкционными, технологическими и эксплуатационными причинами (возможностью засорения пор частицами пыли, содержащимися в охлаждающем воздухе, и твердыми частицами в продуктах сгорания).
Наиболее распространенным и удобным критерием для оценки интенсивности охлаждения пера лопаток является параметр называемый коэффициентом температурной интенсивности охлаждения (коэффициент глубины охлаждения). Этот коэффициент показывает долю снижения температуры стенки по сравнению с температурой газа от максимально возможной величины температурного напора ( Тг* — Т0*хл) — разности температур газа и охлаждающего воздуха:
#ср = 3 (1)
'Г охл
где в ср- коэффициент глубины охлаждения; Тг*, Тл и Т0*хл - температуры газа перед ступенью, материала лопатки и охлаждающего воздуха соответственно.^]
Значения осредненного коэффициента в ср, показывающего эффективность различных конструктивных схем организации охлаждения в зависимости от относительного расхода охлаждающего воздуха (на один лопаточный венец) Сохл, показаны на рис.1. Из графиков видно, что (исключив из рассмотрения перспективное — пористое охлаждение) наибольшая практически осуществимая эффективность охлаждения как сопловых, так и рабочих лопаток достигается при конвективно-пленочном охлаждении [5].
В настоящее время у охлаждаемых рабочих лопаток высокотемпературных турбин при Тг* = (1550...1700) К с конвективно-пленочным охлаждением брк достигает
значения 0,4, дефлекторных — 0,35. При меньших температурах (Гг* — 1400...1450 К) с конвективным охлаждением врк составляют 0,3.
1= 1350...1450 К 1450... 1550 К 1550.1700 К. 1700...1900К
Э 0.6 0,4 0,2
12 3 Сохл %
Рис. 1. Зависимость глубины охлаждения в рабочей лопатки турбины от количества воздуха G охл, отбираемого на её охлаждение, и системы охлаждения: 1 - конвективное охлаждение, радиальные каналы; 2 - конвективное охлаждение, вставной дефлектор; 3 - конвективно-пленочное охлаждение; 4 - пористое охлаждение
Список литературы /References
1. Швец И.Т. Воздушное охлаждение деталей газовых турбин / Швец И.Т., Дыбан Е.П. Киев: Наукова думка, 1974. 488 с.
2. Иванов В.Л. Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины / Иванов В.Л., Локая В.И. Москва: Машиностроение, 1971. 232 с.
3. Цанев С.В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / Цанев С.В., Буров В.Д. Москва: МЭИ, 2002. 584 с.
4. Пат. 2064062 (РФ) Способ работы газотурбинной установки А.Н. Гришин, В.А. Слесарев, О.К. Полев, 1996. Бюл. № 2.
5. Пат. 2052643 (РФ) Способ работы газотурбинной установки А.Н. Гришин, В.А. Слесарев, О.К. Полев. 1996. Бюл. № 2.
