Конструкции газотурбинных установок - Шварц В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Выше указывалось, что корпуса турбин имеют относительно невысокий уровень напряжений; однако при быстром наборе нагрузки в них возникает значительный температурный градиент между внутренней и внешней поверхностью стенки. При определенных условиях на ее внутренней поверхности может быть превышен предел текучести материала. Аналогичная картина имеет место при резком охлаждении горячего корпуса. Одним из способов сокращения градиента температур является создание извне корпуса полости, через которую пропускается газ из выпускного патрубка турбины. Таким образом, при прогреве корпус нагревается не только изнутри, но и снаружи; при остановке турбины холодный воздух также омывает корпус с внешней стороны. Такой метод использован в силовых турбинах, работающих совместно с авиационными турбореактивными двигателями фирмы СТАЛ; в стационарной ГТУ мощностью 10 000 квт [107] и в корабельной ГТУ мощностью 22 000 л. с. [44]. Следует отметить, что при интенсивном охлаждении корпусов с обеих сторон резко сокращаются его размеры, что требует соответствующего увеличения радиального зазора в работающей турбине. В указанных ГТУ увеличенный радиальный зазор не связан с существенной потерей экономичности, так как силовые турбины характерны большими размерами лопаток и относительно низкими температурами газа (до 600° С).
Входные патрубки
Входная часть корпуса (входной патрубок) турбины предназначена для обеспечения равномерного подвода газа от камер сгорания к кольцевому сечению соплового аппарата. Парциальный подвод газа в ГТУ никогда не применяют в связи с присущим ему пониженным к. п. д. и достаточным объемным расхо-
231
дом рабочего тела. Требования к равномерности подвода газа в ГТУ особенно жестки, так как рабочие лопатки первой ступени являются обычно наиболее напряженными элементами установки, определяющими ее работоспособность и ресурс; поэтому должны быть предприняты все меры, исключающие возмущающие импульсы со стороны подвода газа. Так, в частности, конфигурация патрубка должна обеспечивать равномерное поле скоростей перед сопловым аппаратом. Это достигается отработкой аэродинамики патрубка, чаще всего путем продувок моделей и — что весьма существенно — отдалением от соплового аппарата силовых ребер и перемычек, связывающих внешний
и внутренний контуры патрубка. Особенные опасения вызывает многокамерная система, при которой отдельные секторы соплового аппарата питают разные камеры сгорания.
В ряде установок отмечались вибрационные поломки рабочих лопаток турбины из-за так называемого «камерного резонанса». Для снижения интенсивности возмущающих импульсов в многокамерных системах необходимо стремиться к максимальному снижению неравномерности давлений и температур за отдельными камерами сгорания и обязательно проверять частотные характеристики облопачивания с учетом их кратности числу камер сгорания.
Входная часть корпуса подвержена воздействию потока газа с высокой температурой, поэтому ее, как правило, выполняют двухстенной. Внешняя часть служит для восприятия давления, внутренняя часть, отделенная от внешней слоем изоляции,— для направления потока газа. Внутреннюю часть выполняют из жаростойких материалов малой толщины; это облегчает придание ей сложной конфигурации для равномерного подвода газа к сопло-232
вому аппарату. Внешняя часть при этом может иметь простые формы, допускающие использование сварной конструкции из листовых обечаек.
Конфигурация входной части корпуса связана с конструктивной схемой ГТУ и типом камер сгорания.
Осесимметричные входные патрубки характерны равномерным распределением по окружности массы металла и силовых воздействий от подводящих газопроводов. Это способствует быстрому пуску и резкому изменению нагрузки в процессе работы. Осесимметричная конструкция установки свойственна авиационным двигателям и транспортным установкам.
Преимущества осесимметричной схемы столь велики, что ее используют и в стационарных ГТУ.
Осевая симметрия входной части корпуса может быть достигнута при секционных камерах, расположенных по окружности (см. рис.
13, 20, 138, 141, 143 и 157), при кольцевой камере (рис. 135, 136
и 158) или при одиночной камере для турбины с осевым входом (рис. 159 и 160). Наличие регенератора не исключает создания осесимметричной конструкции.
Примером организации осесимметричного входа в турбину может служить также ГТУ фирмы Дженерал — Электрик (рис. 140), в которой шесть камер сгорания расположены в двух коллекторах, размещенных по обеим сторонам турбины, а газ, выходя из камер, поворачивает на 90° и поступает к соплам по шести отдельным двухстенным патрубкам.
Если установка снабжена двумя параллельными камерами сгорания, конфигурация корпуса может быть симметричной в одной плоскости. Так, входной патрубок ГТУ фирмы СТАЛ не имеет вертикальной перегородки, что устраняет возможную пульсацию давления и неравномерность расхода отдельных камер.
В турбинах низкого давления без камер сгорания также может быть достигнута осевая симметрия подводящего патрубка. Наиболее просто она осуществима при непосредственном соединении турбин высокого и низкого давления в одном корпусе
