Тема №20. Охлаждение газовых турбин

Эффективность работы газотурбинной установки зависит прежде всего от степени повышения давления воздуха в компрессоре и температуры газа перед ГТ. В табл. 20.1 приведены данные о росте значений этой температуры, повышении жаропрочности конструктивных материалов проточной части турбины и эффективности всей установки.

Таблица 20.1

Параметры газотурбинных установок

Темп роста жаропрочности материалов проточной части ГТ после 60-х годов значительно уступает росту начальной температуры газа. Основным средством, позволяющим гарантировать надежность работы ГТУ в этих условиях, является создание высокоэффективных систем охлаждения, прежде всего лопаточного аппарата проточной части ГТ. В подавляющем числе таких систем используется часть циклового воздуха компрессора ГТУ, однако при этом уменьшается полезная работа, совершаемая рабочим телом в турбине.

Вместе с тем определенного улучшения эффективности ГТУ можно добиться при неизменном значении начальной температуры газов перед турбиной используя для лопаточного аппарата ГТ материалы с повышенной жаростойкостью, что снижает потребление охлаждающего воздуха из компрессора и связанные с этим потери. Эксплуатационные характеристики ГТУ можно улучшить, применяя более эффективные системы охлаждения горячих деталей ГТ.

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

- охлаждение деталей ГТ 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 ГТ не должны приводить к опасным значениям температурных напряжений;

- усложнение тепловой схемы ГТУ, 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.

В современных ГТУ охлаждают практически все детали ГТ: ротор, подшипники, сопловые и рабочие лопатки, корпус. При охлаждении лопаточного аппарата используют не только воздух, но и в последнее время пар, дистиллированную воду, жидкие металлы (Na, Na + К), обладающие лучшими теплофизическими свойствами.

Система охлаждения ГТ выполняет две основные функции: непосредственное охлаждение элементов, подверженных воздействию температуры потока газов, и обеспечение экологической чистоты ГТУ. В разные критические точки ГТ подается воздух нужного давления и температуры.

Используются несколько типов систем охлаждения (рис. 20.1):

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 ГТ, такую систему называют открытой (рис. 20.2). 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 (см. рис. 20.1, в) и закрытыми (см, рис. 20.1, г), где пар после охлаждения вводится в КС ГТУ;

в) комбинированная система охлаждения, в которой переходная секция, соединяющая КС и вход газов в ГТ, а также первая ступень лопаток (преимущественно сопловых) охлаждаются паром, отводимым обратно в тепловую схему ПГУ. Остальные элементы проточной части ГТ охлаждаются цикловым воздухом по открытой схеме.

Рис. 20.1. Системы охлаждения ГТ ГТУ

а, б — открытая и закрытая системы воздушного охлаждения, в, г — открытая и закрытая системы парового охлаждения; К— компрессор; ГТ— газовая турбина; КС — камера сгорания; ЭГ— электрогенератор; КУ— котел-утилизатор; ХВО — химводоочистка, Н— питательный насос; G_ут— потери воздуха с утечками, G_п — расход пара на охлаждение

Влияние парового охлаждения первой ступени сопловых лопаток в ГТ фирмы General Electric (технология Н) на параметры рабочего тела показано на рис. 20.3. Как видно из рисунка, температура газа перед первой ступенью рабочих лопаток ГТ с паровым охлаждением сопловой решетки выше на 111 °C. При воздушном охлаждении из-за вывода охлаждающего воздуха в поток газа происходит большее снижение этой температуры.

Рис. 20.2. Пример подвода охлаждающего воздуха компрессора к элементам газовой турбины (ГТУ V94.2 фирмы Siemens)

Рис. 20.3. Влияние системы охлаждения на параметры рабочего тела в первой ступени сопловых решеток (ГТУ фирмы General Electric, технология Н)

DT_Г — изменение температуры газов в первой ступени сопловых решеток с учетом выпуска охлаждающего воздуха в проточную часть

Наиболее сложной задачей является охлаждение лопаточного аппарата проточной части ГТ. Допустимая температура металла лопаток по условиям жаропрочности и возникающих напряжений в конструкции энергетических ГТУ приблизилась в 2000 г. к 900 °С. Таким образом, разницу между начальной температурой газа и температурой первого ряда лопаток, составляющую 400…500 °С, необходимо компенсировать соответствующей системой охлаждения.

Способы охлаждения лопаток постоянно совершенствуются. Для оценки их эффективности используют понятие интенсивности охлаждения (безразмерной глубины охлаждения):

где и — соответственно полные температуры газа и охлаждающего воздуха; — температура металла охлаждаемых лопаток.

Интенсивность охлаждения может изменяться: 1 > 0. Она равна нулю, когда охлаждение лопаток отсутствует, и увеличивается с ростом эффективности этого охлаждения. На рис. 20.4 показаны профили лопаток ГТ с использованием различных способов их охлаждения. Интенсивность охлаждения возрастает с увеличением безразмерного параметра охлаждения:

Здесь — количество охлаждающего воздуха, кг/с;
— удельная теплоемкость охлаждающего воздуха, кДж/(кг×К);
-- коэффициент теплоотдачи по профилю лопатки (среднее значение), Вт/(м²×К); — площадь поверхности лопатки газовой стороны, м².

В современных ГТ в зависимости от начальной температуры газов доля охлаждающего воздуха, отбираемого за отдельными ступенями компрессора, составляет 4…10% от расхода воздуха, поступающего в компрессор

Для уменьшения количества охлаждающего воздуха постоянно совершенствуется технология отвода теплоты со стенок охлаждаемых лопаток.

Приближенно интенсивность охлаждения можно оценить, задавая способ охлаждения, конструктивные особенности лопаток и долю охлаждающего воздуха (рис. 20.5). Это позволяет определить в первом приближении температуру охлаждаемых лопаток.

Выбранную систему охлаждения элементов проточной части ГТ и ее реализацию можно считать наиболее эффективными при приближении КПД и удельной мощности этой ГТУ к подобным параметрам условной ГТУ, в которой принята такая же начальная температура газа, но отсутствует система охлаждения.

Рис. 20.4. Охлаждение лопаток проточной части ГТ и оценка его эффективности с помощью безразмерного параметра охлаждения

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

Рабочий процесс в ГТ с охлаждением деталей отличается от рабочего процесса в неохлаждаемых ГТ. Основные особенности состоят в следующем:

- расход рабочего тела в проточной части изменяется по тракту ГТ и увеличивается по мере подвода охлаждающего воздуха к рабочим и сопловым лопаткам;

- внутренний КПД ГТ снижается из-за дополнительных потерь;

- отвод теплоты в процессе расширения газа и подмешивание охлаждающего воздуха в проточную часть ГТ приводят к изменению параметров рабочего тела — смеси газов и воздуха — по сравнению с параметрами ГТ без охлаждения. Это отражается на геометрии элементов проточной части.

В итоге снижается удельная мощность ГТ по сравнению с удельной мощностью ГТ без охлаждения. Для обеспечения заданной мощности необходимо теплоперепад на турбину.

Рис. 20.5. Эффективность охлаждения срединного участка профиля лопаток с внутренним дефлектором:

1 — гладкая внутренняя поверхноть; 2 — оребренная, 3 — оребренная с припаянным дефлектором

В охлаждаемых ГТ 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. Эти потери прямо пропорциональны квадрату этой скорости и расходу воздуха. К этим потерям относят гидравлические потери по тракту подвода охлаждающего воздуха, а также потери от так называемых безвозвратных утечек;

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 ГТ. Этот отвод теплоты приводит к потере полезной энергии при заданном значении температуры газа перед турбиной;

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 ГТ.

Таким образом, следует отметить, что система открытого воздушного охлаждения при всей своей относительной простоте оказывает заметное воздействие на КПД охлаждаемых ступеней. Для предварительной оценки этого воздействия можно воспользоваться формулой:

где , — средний КПД охлаждаемых и неохлаждаемых ступеней; n — общее число ступеней в турбине; — число охлаждаемых ступеней; — коэффициент возврата теплоты в многоступенчатой ГТ.

Для предварительных расчетов параметров охлаждаемой ГТ принимают, что каждый 1 % расхода охладителя, включая и его утечки, на 1,0…1,5 % понижает КПД соответствующей ступени.

Расчет системы охлаждения можно условно разделить на следующие этапы:

- тепловой расчет, позволяющий определить расход охлаждающего воздуха для понижения температуры деталей ГТ до требуемых значений. Существенное влияние на расчет оказывают тип и конструкция охлаждаемой детали. Приходится решать сложную систему уравнений тепловых балансов. Это

- позволяет определить уровень температур металла, расход охлаждающего воздуха, размеры теплорассеивающей поверхности;

- гидравлический расчет, в процессе которого определяют проходное сечение каналов для проникновения необходимого количества охлаждающего воздуха, рассчитывают действительный расход воздуха через систему охлаждения. Важен выбор коэффициента расхода, оценивающего отношение этого действительного расхода к расходу при истечении без потерь и подогрева. При этом учитываются конфигурация воздушных каналов, шероховатость их поверхности, степень подогрева воздуха за счет теплоты охлаждения и др. Из-за сложности задачи приходится решать ее методом последовательного приближения, используя моделирование и другие технические средства. Применяются также стендовые продувки деталей;

- расчет температурных полей основных деталей газовой турбины и оценка эффективности системы охлаждения.

Результаты расчета системы охлаждения позволяют улучшить параметры работы ГТУ.