Файл: Реферат дисциплина Газовые турбины Задание выдано 2023 г.docx
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 481
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Кроме того, система охлаждения газотурбинной установки не должна чрезмерно усложнять конструкцию турбины и схему ГТУ и, как следствие, повышать ее стоимость, требовать вмешательства обслуживающего персонала при эксплуатации ГТУ и должна надёжно работать при пусках, остановках и на переходных режимах.
В качестве примера рассмотрим систему воздушного охлаждения мощной газовой турбины, работающей при температуре около 900°С (рис.1).
Рис.1. Схема системы охлаждения мощной газовой турбины.
Воздух для охлаждения отбирается после компрессора и за двенадцатой и девятой его ступенями. Для охлаждения деталей турбины, работающих при высоких температурах, воздух подводится четырьмя потоками:
-
поток I — воздух из напорного патрубка компрессора вводится перед соплами, первой ступени, создавая заградительное охлаждение дна межлопаточного канала; -
поток II — воздух из напорного патрубка компрессора (дополнительно охлаждённый до температуры 176°С) идёт к переднему концевому уплотнению, а затем — к первому ряду направляющих лопаток, диску первой ступени со стороны входа газов, внутренним элементам ротора и частично — к гребням дисков второй и третьей ступеней; -
поток III — воздух после двенадцатой ступени компрессора идёт к обоймам направляющих аппаратов и гребням дисков второй и третьей ступеней; -
поток IV — воздух после девятой ступени компрессора идёт к заднему торцу диска третьей ступени и к концевому уплотнению на выходе газов.
Такая система охлаждения обеспечивает работу установки в режиме, при котором температура металла ротора не превышает 315°С.
Охлаждение корпуса газовой турбины
Охлаждение позволяет снизить температуру корпуса газовой турбины и изготавливать его из относительно дешёвых металлов.
Для снижения температуры корпуса используют не только воздушное охлаждение, но и с помощью специальных элементов конструкции (рис.2) уменьшают к нему поток теплоты от газа.
Рис.2. Схема охлаждения корпуса газовой турбины:
1 - корпус, 2,5 - теплоизоляция,
3 - отверстие для подвода охлаждающего воздуха,
4 - ребра, 5 - сегменты, 7 - обойма, 8 - сопловая лопатка
Для этого на корпусе 1 выполняют ребра 4, на которых крепят разрезные обоймы 7 для установки сопловых лопаток 8.
Корпус и обоймы внутри покрыты теплоизоляцией 2. В обоймах крепятся сегменты 6, образующие стенку под рабочими лопатками. Между сегментами и рёбрами корпуса уложена теплоизоляция 5. Чтобы ещё больше уменьшить приток теплоты к корпусу, в образовавшиеся в нем полости через отверстия 3 поступает охлаждающий ребра и сегменты воздух, который через зазоры выбрасывается в проточную часть турбины.
Рис.3. Охлаждаемая обойма:
1 - отверстия для подвода охлаждающего воздуха,
2 - обойма, 3 - корпус турбины, 4 - сегменты сопловых лопаток,
5 - сопловые лопатки
Для уменьшения притока теплоты к корпусу 3 турбины (рис.3) в него устанавливают охлаждаемую обойму 2 с несколькими рядами сопловых лопаток 5, сегменты 4 которых крепятся в обойме. Охлаждающий воздух, проходя через отверстия 1 в сегментах, охлаждает их. Часть охлаждающего воздуха сбрасывается в проточную часть турбины через щели и создаёт охлаждающую плёнку у торцовых поверхностей сопловых каналов и под рабочими лопатками. Входные и выходные патрубки корпуса обычно внутри защищают теплоизоляцией. Между слоем изоляции и корпусом также продувается воздух.
Особое внимание уделяют охлаждению внутренних (встроенных) подшипников, которые снаружи окружены воздухом после компрессора или горячим газом, имеющим высокие давление и температуру. Так как нагрев подшипников ГТУ до этой температуры, а также попадание горячего газа недопустимы, их помещают в корпус специальной конструкции.
Рис.4. Охлаждение встроенного подшипника:
1 - камера подвода воздуха к уплотнениям турбин,
2 - камера отсоса воздуха от уплотнений турбин,
3,7 - наружный силовой и масляный корпуса,
4 - канал для подвода охлаждающего воздуха,
5 - труба отвода воздуха, 6,10 - роторы турбины и компрессора,
8,9 - опорные подшипники
Охлаждение встроенного подшипника, расположенного между турбинами высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давления показано на рис.4. Подшипники роторов ТВД и ТНД заключены во внутренний масляный корпус 7 и наружный силовой корпус 3, покрытый внутри теплоизоляцией. Охлаждающий воздух через канал 4 поступает в камеру между силовым и масляным корпусами. Часть воздуха проходит в масляный корпус и выбрасывается в атмосферу через трубу 5, а оставшийся поступает через лабиринтовые уплотнения в камеры 2, которые также соединены с атмосферой.
Чтобы полностью предотвратить попадание горячих газов в подшипники, в камеру 1 со стороны ротора ТВД подаётся воздух после компрессора, а в такую же камеру со стороны ТНД поступает воздух из системы охлаждения ротора.
Охлаждение ротора газовой турбины.
В настоящее время широко используются различные схемы охлаждения роторов газовых турбин.
Схема охлаждения ротора турбины продувкой воздуха через хвостовые крепления рабочих лопаток показана на рис.5. Охлаждающий воздух подаётся через каналы 2 и, проходя между дефлектором (покрывным диском) 4 и диском 7, попадает в зазоры хвостовиков 6 рабочих лопаток 5. Охлаждая хвостовики рабочих лопаток, воздух препятствует поступлению теплоты к ротору. Если ротор состоит из дисков с большим полотном, такая система охлаждения оказывается недостаточной.
Наибольшее распространение получили три схемы охлаждения дисков: с радиальным обдувом, струйное и комбинированное струйно-радиальное.
Радиальное течение охлаждающей среды в зазоре между корпусом и боковыми поверхностями дисковых или барабанных роторов возникает во многих конструкциях газовых турбин. Такое течение может быть направлено как от оси вращения ротора к периферии дисков, так и в противоположную сторону.
Рис.5. Охлаждение ротора турбины продувкой воздуха
через хвостовые крепления рабочих лопаток:
1 - ротор, 2 - канал для подвода охлаждающего воздуха,
3 - корпус турбины, 4 - дефлектор, 5 - рабочие лопатки,
6 - хвостовики лопаток, 7 – диски
Пять типичных режимов течения охлаждающей среды, возникающих при радиальном обдуве, показаны на рис.6, а—д. Возникновение обратных течений возможно, если расход охлаждающей среды мал.
Рис.6. Схемы радиального течения охлаждающей среды
в зазоре между диском и корпусом турбины.
Вследствие закрутки потока возникает радиальный перепад давлений, вызывающий в пограничном слое на корпусе течение от периферии диска к центру. Возникновению обратных токов препятствует расходное течение. Увеличение расхода среды уменьшает закрутку потока и снижает перепад давлений. Характер течения в зазоре между диском и корпусом зависит от значения кинематического фактора.
Разновидностью охлаждения радиальным обдувом является охлаждение с помощью специального покрывного диска — дефлектора (рис.7). Такая схема охлаждения позволяет быть уверенным, что даже если в зазор между диском и корпусом проникнут горячие газы, то они не будут перемешиваться с охлаждающим воздухом и, следовательно, нагревать диск. Как правило, охлаждающий воздух после дефлекторa проходит через зазоры между хвостовиками рабочих лопаток и пазами диска, отводя часть теплоты, поступающей к диску, через перо рабочей лопатки.
Струйное охлаждение применяют для резкого усиления теплообмена на ограниченной поверхности. В газовых турбинах обычно возникает необходимость охладить периферию диска (наиболее нагретую его часть). Струйное охлаждение позволяет, не повышая расхода охлаждающей среды, увеличить скорость ее натекания на поверхность диска.
Рис.7. Охлаждение диска с дефлектором:
1 — уплотнение, 2 — корпус, 3 — дефлектор, 4 — диск
Для этого охлаждающую среду подают через узкий кольцевой канал либо отдельными струями, вытекающими из расположенных на одной окружности круглых или прямоугольных сопл (рис.8, а-г). В зоне, расположенной между осью вращения ротора и местом подвода воздуха, возникает циркуляционное течение, в которое, как правило, вовлекаются горячие газы из проточной части турбины. Следовательно, при струйном охлаждении необходимо тщательно уплотнять приторцован полость диска, отделяя ее от проточной части турбины.
Рис.8. Формы каналов (а,б,в) и схема течения воздуха (г)
при струйном охлаждении диска:
1 — корпус, 2 — каналы для подвода охлаждающего воздуха, 3 — диск
В большинстве случаев как по условиям распределения температур в диске турбины, так и по чисто конструктивным соображениям нельзя применять чисто струйное охлаждение. Поэтому используют комбинированное струйное охлаждение периферии диска и радиальный обдув его внутренней части (рис.9). Такая схема охлаждения позволяет отбирать основное количество теплоты от диска в наиболее нагретой его части — местах крепления хвостовиков рабочих лопаток.
Подбором расхода воздуха на радиальный обдув можно предотвратить или резко снизить приток горячих газов из проточной части турбины в зазор между диском и корпусом. Кроме того, соответствующее соотношение расходов воздуха на струйное и радиальное охлаждение обеспечивает необходимое распределение температур в диске.
Рис.9. Комбинированное струйно-радиальное охлаждение диска:
1,3 - каналы подвода охлаждающего воздуха, 2 - корпус, 4 – диск
Охлаждение сопловых и рабочих лопаток газотурбинной установки.
Сопловые и рабочие лопатки, непосредственно омываемые горячими газами, практически нагреваются до температуры торможения газа. При охлаждении лопаток их температура становится меньше температуры газа. Количество теплоты, поступающего газа к лопатке, зависит от разницы их температур и коэффициента теплоотдачи.