Цели и задачи охлаждения деталей газотурбинной установки

Вопрос № 5 Цели и задачи охлаждения деталей ГТУ.

Начало.

Известно, что с повышением начальной температуры рабочего тела увеличивается КПД ГТУ и мощность (почитать об этом). С повышением температуры газа снижается надежность работы ряда элементов проточной части турбины. Наибольшую трудность представляет обеспечение надежной работы рабочих лопаток первой ступени ГТ.

T_3t=1450°C

На вращающиеся детали ГТ действуют огромные ЦБС. Напряжения от ЦБС достигают до 30 кг/мм². Такие же напряжения и в гребнях диска и в полости диска. Напряжения от ЦБС достигает 30 кг/мм² , а прочностные свойства материалов зависят от температуры. Они резко снижаются у перлитных сталей при T>480°С, у аустенитных >650°С, у никелевых  >750-800°C, кобальтовых >900°С. Аустенит- ные, никелевые, кобальтовые стали и сплавы намного дороже перлитных. Изготовить из них технологически сложнее, чем из перлитных (трудно изготовить из них поковки роторов). Коэффициент расширения этих материалов в 1,5 раза больше, чем у перлитных, что приводит к большим деформациям деталей и узлов. Для выбранного материала можно определить допустимую рабочую температуру (с учетом напряжений, возникающих в материале от действия ЦБС и др. сил). Превышение действительной температуры над максимально допустимой должно быть снято охлаждением. В виду обеспечения максимальной экономичности турбоустановки, необходимо так охлаждать детали, чтобы они работали при температуре, близкой к максимально допустимой (меньше затраты на охлаждающий агент, его подвод и т.д.).

Количество отведенной теплоты определяется по формуле:

Т_ст - допустимая температура металла;

При создании системы охлаждения стремятся снизить количество отведенного тепла.

Основные требования:

·  При минимальном расходе и начальном давлении охлаждаемого воздуха его распределение по элементам тракта должно обеспечивать максимальный уровень температуры всех элементов и градиенты температур в них, допустимые по условиям длительной прочности (к – коэффициент запаса; к = (s_д.п.)/s_р.   к от 2,0 до 2,5).

Расчет охлаждения деталей делится на 2 части:

1.  Тепловой расчет системы охлаждения, при котором определяются зависимость температуры детали от расхода и параметров охлаждающей среды (определяется его расход, давление, температура...).

2.  Гидравлический расчет системы охлаждения, при котором определяются размеры проходных сечений охлаждаемого тракта. Эти проходные сечения должны обеспечивать распределение расхода охлаждающего агента, выбранного в результате теплового расчета и снизить до минимума потери (гидравлические потери в каналах).

 Вопрос № 5 Цели и задачи охлаждения деталей ГТУ.

Другой источник.

Критерий прочности является: s_д.п. – предел длительной прочности.

Ротора  ПТ и ГТ делают из перлитных или ферритных материалов. Для них в качестве критерия прочности берут предел текучести s_т (при t < 480°С).

Прочность – способность тела сопротивляться разрушению и образованию заметных деформаций от действия внешних сил.

Предел текучести – напряжение, которое соответствует текучести, то есть деформация растет без увеличения нагрузки.

Предел прочности – временное сопротивление: напряжение соответствует наибольшей нагрузке.

a - коэффициент теплоотдачи.

Способы охлаждения деталей турбин:

Диски:

1.  Радиальный обдув диска (уменьшить перепад t по R диска) Dt_д = t_пд – t_цд = 200°С

2.  Струйное охлаждение диска Dt_д =  15°С

3.  Смешенное.

Охлаждающий воздух выбрасывается в проточную часть: - охлаждает поток воздуха;

-  затормаживает поток.

Ротора:

1.  Одно и двухступенчатые: обдув их торцевых поверхностей.

2.  Многоступенчатые ротора: продувка воздуха через зазоры в хвостовых соединениях.

Самое резкое изменение температуры в прикорневой зоне Þ там самые высокие температурные напряжения, но также и самые большие напряжения от ЦБС.

НЛ и РЛ:

Охлаждение: открытое, закрытое и полузакрытое.

Открытое -  обеспечивает охлаждение нагретых деталей ГТ с последующим смещение охлаждающего агента в поток газа. Охлаждающий агент используется однократно. Открытое охлаждение бывает: внутреннее и наружное. Внутреннее охлаждение: охлаждение лопаток при движении охлаждающего агента по каналам внутри лопаток; пористое охлаждение; пленочное охлаждение. Наружное охлаждение; теплоотвод в сопряженные детали турбины; струйное и экранное охлаждение.

Закрытое – обеспечивает внутреннее охлаждение нагретых узлов ГТ при движении охлаждающего агента по замкнутому контуру и без его потерь в окружающую среду, при этом охлаждающий агент используется многократно.

Полузакрытое – представляет собой разновидность открытых и закрытых систем охлаждения. Тепло, отведенное в первом (закрытом) контуре передается в Теплообменный аппарат (ТОА) охлаждающему агенту второго контура, а затем выводится в тракт турбины. Вторичным охлаждающим агентом может быть топливо или воздух, который после подогрева используется в камере сгорания.

НЛ: дифлекторная система охлаждения, пористая система охлаждения.

РЛ:  с ребрами турбулизаторами, петлевая система охлаждения.