Проблемы охлаждения элементов газотурбинных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы охлаждения элементов газотурбинных установок

Д.А. Седов1, Е.А.Юрик2

1КФ МГТУ им. Н.Э. БАУМАНА, Калуга, 248000, Россия

2КФ МГТУ им. Н.Э. БАУМАНА, Калуга, 248000, Россия

E-mail: 1danil.sidor972021@gmail.com, 2eayurik@gmail.com

Мощность любого теплового двигателя определяет температура рабочего тела - в случае газотурбинного двигателя это температура газа, вытекающего из камер сгорания. Повышение начальной температуры газа приводит к увеличении мощности а также экономичности [1].

Газовая турбина является наиболее сложным элементом газотурбинной установки, что обусловлено в первую очередь очень высокой температурой рабочих газов, протекающих через ее проточную часть. Температура газов перед турбиной 1350 °С в настоящее время считается «стандартной», и ведущие фирмы работают над освоением начальной температуры 1500 °С [3].

Стремление повысить начальную температуру связано, прежде всего, с выигрышем в экономичности, который она дает. Это хорошо видно из рис. 1, обобщающего достигнутый уровень газотурбостроения. Повышение начальной температуры с 1150 до 1500 °С дает увеличение абсолютного КПД с 35 до 40 %, т.е. приводит к экономии топлива в 20-25 %. Конечно, часть этой экономии связана не только с повышением температуры, но и с совершенствованием других элементов газотурбинных установок, а определяющим фактором все-таки является начальная температура [2].

Рис. 1. Повышение КПД реальных газотурбинных установок в связи с ростом температуры перед газовой турбиной

Система охлаждения является в настоящее время неотъемлемой частью конструкции любой современной турбины. В газотурбинном двигателе охлаждаются сопловые и рабочие лопатки первых ступеней, ротор, корпус. Непрерывное совершенствование и усложнение технологий охлаждения является обязательным условием реализации конкурентоспособной конструкции турбины - конструкции, в которой при увеличении температуры перед турбиной расход воздуха на охлаждение не перекрывает выигрыш в удельных параметрах двигателя, а ресурс деталей турбины соответствует требованиям заказчиков.

Для обеспечения длительной работы газовой турбины используют сочетание двух средств. Первое средство -- применение для наиболее нагруженных деталей жаропрочных материалов, способных сопротивляться действию высоких механических нагрузок и температур (в первую очередь для сопловых и рабочих лопаток). Если для лопаток паровых турбин и некоторых других элементов применяются стали (т.е. сплавы на основе железа) с содержанием хрома 12--13 %, то для лопаток газовых турбин используют сплавы на никелевой основе (нимоники), которые способны при реально действующих механических нагрузках и необходимом сроке службы выдержать температуру 800--850 °С. Поэтому вместе с первым используют второе средство -- охлаждение наиболее горячих деталей [1-3].

Среди всех деталей газовых турбин, требующих охлаждения, наиболее нагретыми и нагруженными являются лопатки, в первую очередь рабочие лопатки. Способы охлаждения лопаток постоянно совершенствуются. Для оценки их эффективности используют понятие интенсивности охлаждения (безразмерной глубины охлаждения):

сгорание тепловой двигатель газовый

,

где - соответственно температуры полного торможения газа и охлаждающего воздуха; - температура металла охлаждаемых лопаток.

На рис. 2 показаны профили лопаток газовой турбины с использованием различных способов их охлаждения.

Интенсивность охлаждения возрастает с увеличением безразмерного параметра охлаждения:

,

где - количество охлаждающего воздуха, кг/с;

- удельная теплоемкость охлаждающего воздуха, кДж/(кг·К);

- коэффициент теплоотдачи по профилю лопатки (среднее значение);

- площадь поверхности лопатки газовой стороны, м2 [2].

Из рис. 2. видно, что наибольшее значение интенсивности охлаждения, достигается при охлаждении конвекцией.

Рис. 2. Охлаждение лопаток проточной части газовой турбины и оценка его эффективности с помощью безразмерного параметра охлаждения

а) --методы охлаждения лопаток газовых турбин; б) -- зависимость интенсивности охлаждения от

Классификация газовых турбин по системе GE (General Electric) (факторы: температура на входе в турбину и КПД), представлена на рис. 3. Из рисунка видно, что использование лабиринтного, пленочного охлаждения позволяет повысить КПД газотурбинных установок свыше 40% [1,4].

Рис. 3. Классификатор газовых турбин по системе GE (General Electric)

Система охлаждения газовой турбины должна отвечать ряду требований, среди которых можно выделить следующие:

- охлаждение деталей газовой турбины должно происходить до температуры, при которой их прочность обеспечивает необходимую продолжительность работы;

- увеличение полезной работы вследствие роста начальной температуры газа должно обеспечивать экономический эффект больший, чем затраты, связанные с применением системы охлаждения;

- градиенты температур охлажденных деталей газовой турбины не должны приводить к опасным значениям температурных напряжений;

- усложнение тепловой схемы газотурбинной установки, ее конструкции и режимов эксплуатации из-за появления системы охлаждения не должно приводить к ее значительному удорожанию и снижению надежности. Система охлаждения должна одинаково эффективно действовать на всех режимах работы установки.

Система охлаждения газовой турбины выполняет две основные функции: непосредственное охлаждение элементов, подверженных воздействию температуры потока газов, и обеспечение экологической чистоты газотурбинной установки. В разные критические точки газовой турбины подается воздух нужного давления и температуры [2-3].

Используются несколько типов систем охлаждения:

а) система воздушного охлаждения, в которой применяется цикловой воздух компрессора, отбираемый из различных отсеков его проточной части. Если после охлаждения этот воздух выводится в проточную часть газовой турбины, такую систему называют открытой. В закрытых воздушных системах охлаждающий воздух возвращается обратно для дожатия в компрессор. Такое техническое решение возможно, если охлаждающий тракт выполнен герметичным;

б) система парового охлаждения, в которой для охлаждения используется водяной пар. Он обладает лучшими теплофизическими свойствами, чем воздух. Его применение связано со значительно меньшими потерями работы сжатия (повышение давления осуществляется в жидкой фазе). Такие системы охлаждения могут быть открытыми и закрытыми, где пар после охлаждения вводится в камеру сгорания газотурбинной установки;

в) комбинированная система охлаждения, в которой переходная секция, соединяющая камеру сгорания и вход газов в газовую турбину, а также первая ступень лопаток (преимущественно сопловых) охлаждаются паром, отводимым обратно в тепловую схему парогазовой установки. Остальные элементы проточной части газовой турбины охлаждаются цикловым воздухом по открытой схеме.

Организация охлаждения ротора газовой турбины зависит от размеров установленных дисков. Продувка воздуха через хвостовые крепления рабочих лопаток оказывается достаточной для охлаждения в тех случаях, когда размеры полотна дисков относительно невелики. Если ротор газовой турбины имеет диски с большим полотном, то применяют другие схемы их охлаждения: устанавливают специальные покрывные диски - дефлекторы, используют струйное охлаждение поверхностей диска. Сочетание в конструктивной схеме газовой турбины перечисленных способов охлаждения обеспечивает отбор основного количества теплоты от рабочих дисков в наиболее нагретой их части - в креплении хвостовиков рабочих лопаток.

Охлаждение корпуса газовой турбины позволяет снизить температуру и изготовить его из более дешевого материала. Для этого применяются специальные ребра, устанавливается дополнительная теплоизоляция, предусматриваются отверстия для прохода охлаждающего воздуха, который по трубопроводам подводится к отдельным частям корпуса газовой турбины.

В охлаждаемых газовых турбинах по сравнению с неохлаждаемыми возникают дополнительные потери, которые можно классифицировать следующим образом:

1. потери на прокачку охлаждающего воздуха, обусловленные затратой энергии на повышение скорости охлаждающего воздуха до значения окружной, соответствующей месту его выхода из рабочей лопатки.

2. термодинамические потери, вызванные тем, что в процессе охлаждения сопловых и рабочих лопаток происходит отвод части теплоты от потока газа при смешении его с охлаждающим воздухом, вытекающим из лопаток в проточную часть газовой турбины.

3. газодинамические потери, обусловленные необходимостью отступать от обычных аэродинамически совершенных профилей, чтобы расположить внутри лопаток каналы для подвода охлаждающего воздуха. Кромки лопаток выполняют более толстыми, углы заострения большими. Увеличивается относительная толщина профиля лопатки, утолщаются выходные кромки сопловых лопаток;

4. потери при смешении охлаждающего воздуха с основным потоком газа, неизбежные в открытой системе охлаждения. Они тем больше, чем больше разность скоростей смешивающихся потоков и больше отклонение направления вдуваемого воздуха от направления основного потока газа;

5. потери от перетекания воздуха в поток газа через лабиринтные уплотнения и зазоры в неподвижных элементах конструкции газовой турбины [2].

В настоящее время предварительные расчеты параметров охлаждения газовых турбин, которые осуществляются при помощи современных компьютерных технологий, позволяют заметно улучшить параметры работы газотурбинных установок.

Список литературы

1. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов /В.Л.Иванов, А.И.Леонтьев, Э.А.Манушин, М.И.Осипов; Под ред. А.И.Леонтьева. - 2-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - 592с.

2. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов / Под ред. С.В.Цанева - М.: Издательство МЭИ, 2002. - 584с.

3. Зысин Л.В. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции: учеб. пособие . - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. - 368 с.

4. Устройство современных стационарных ГТУ [http://lib.rosenergoservis.ru/sovremennaya-teploenergetika?start=34], Электрон. журн., 2010 , - режим доступа к журналу: [http://lib.rosenergoservis.ru]

Размещено на Allbest.ru