Охлаждение газотурбинных установок

Система охлаждения газотурбинной установки (ГТУ)

С ростом начальной температуры газов растет тепловая экономичность цикла ГТУ и уменьшается расход воздуха. Вместе с тем рост начальной температуры ограничен допускаемыми напряжениями в рабочих лопатках. В результате в ГТУ начальные температуры газа значительно ниже теоретически возможных, т.е. температур сжигания топлива с минимальным избытком воздуха, необходимым только для его окисления.

Охлаждение наиболее горячих элементов газовых турбин позволяет снизить их температуру при достаточно высокой температуре газа. Однако применение охлаждения уменьшает полезную работу ГТУ, так как часть теплоты, отбираемая охлаждающей средой от газа, не может быть преобразована в механическую работу, В некоторых случаях, если используется теплота охлаждающей среды, возможно частичное уменьшение этих потерь.

Снижение температуры элементов газовой турбины в результате охлаждения позволяет поднять термодинамический потенциал цикла ГТУ за счет увеличения начальной температуры рабочего газа. Охлаждение целесообразно применять в том случае, когда выигрыш в кпд от возможного повышения начальных параметров рабочего газа больше потерь, вызываемых охлаждением.

Система охлаждения ГТУ должна удовлетворять следующим требованиям:

• температура металла охлаждаемых деталей должна быть такой, чтобы его прочностные свойства обеспечивали заданный ресурс работы;
• градиенты температур охлаждаемых деталей не должны превышать значений, при которых температурные напряжения достигают опасных значений или возникает возможность недопустимого коробления деталей;
• затраты энергии на охлаждение должны быть значительно ниже дополнительной полезной энергии, вырабатываемой ГТУ за счет увеличения начальной температуры рабочего тела.

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 надежно 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 охлажденный до температуры 176°С) идет 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 идет к обоймам направляющих аппаратов и гребням дисков второй и третьей ступеней;
• поток IV — воздух после девятой ступени компрессора идет 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 дешевых 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.

Для этого на корпусе 1 выполняют ребра 4, на которых крепят разрезные обоймы 7 для установки сопловых лопаток 8.

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

Корпус и обоймы внутри покрыты теплоизоляцией 2. В обоймах крепятся сегменты 6, образующие стенку под рабочими лопатками. Между сегментами и ребрами корпуса уложена теплоизоляция 5. Чтобы еще 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 создает охлаждающую пленку 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 подается воздух после компрессора, а в такую же камеру со стороны ТНД поступает воздух из системы охлаждения ротора.

Охлаждение ротора газовой турбины

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

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 подается 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.

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.

Рис.7. Охлаждение диска с дефлектором:
1 — уплотнение, 2 — корпус, 3 — дефлектор, 4 — диск

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.

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 приторцовую 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.

Рис.9. Комбинированное струйно-радиальное охлаждение диска:
1,3 - каналы подвода охлаждающего воздуха, 2 - корпус, 4 - диск

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.

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.

Поступающая к лопатке теплота должна быть отведена охлаждающей средой, в качестве которой чаще всего используют воздух после компрессора. Охлаждающий воздух, проходя через специальные каналы в лопатках, нагревается, отбирая теплоту от лопатки. Нагрев воздуха зависит от его расхода, теплоемкости и количества отбираемой теплоты.

Охлаждение должно обеспечивать необходимую температуру металла лопаток и ее постоянство по их поверхности.

Схемы охлаждения лопаток газовых турбин классифицируют по конструктивным признакам, термодинамическим свойствам, виду теплоносителя и др. Однако ни одна классификация не является универсальной.

Для наружного охлаждения рабочих лопаток используют три схемы. При парциальном подводе охладитель продувается через несколько сопловых каналов и рабочие лопатки охлаждаются, проходя через его поток. Охладитель можно также подводить внутри сопловых лопаток и впрыскивать в поток газа через щель в их выходной кромке. При индивидуальном наружном охлаждении рабочих лопаток, охладитель через специальные каналы впрыскивается на поверхность каждой лопатки.

При заградительном охлаждении на поверхности лопаток создается защитная пленка охладителя. Такая пленка может создаваться двумя способами: подачей охладителя через щели или отверстия либо продавливанием (эффузией) через пористое тело лопатки, изготовляемой по специальной технологии. Кроме того, для уменьшения потока теплоты в лопатку на нее наносят твердое покрытие низкой теплопроводности. Эти способы снижения потока теплоты используют как для рабочих, так и для сопловых лопаток.

Виды внутреннего воздушного проточного охлаждения определяются прежде всего конструкцией самих лопаток и направлением движения охладителя. В лопатке с дефлектором — полой тонкостенной вставкой образуются каналы для прохода охладителя, который течет в том же направлении, что и горячий газ, и выбрасывается через щель в выходной кромке лопатки. В лопатке с наружной тонкостенной гильзой также образуются каналы для прохода охладителя, который сбрасывается через выходную кромку.

В монолитной лопатке, внутри которой вблизи поверхности выполнены для прохода охладителя каналы, идущие от ее корня к вершине, охладитель течет в каналах между дефлектором и телом лопатки. В местах наибольших значений коэффициента теплоотдачи от газа к лопатке охладитель выводится на ее поверхность и создает тонкую пленку.