Конструкции газотурбинных установок - Шварц В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Применение роторов с насадными дисками вызывается только особыми условиями — как правило, такого рода роторы в га-
258
зовых турбинах не применяют. Так, в ГТУ мощностью 120 л. с. фирмы Остин турбина высокого давления выполнена консольной трехступенчатой с насадными дисками. Характерной особенностью этой ГТУ является многоступенчатость компрессора и турбины и низкое число оборотов ротора. Напряжения в элементах ротора незначительны, поэтому несмотря на высокую температуру газа перед соплами, равную 800° С, была применена подобная конструктивная схема.
Рис. 187. Соединение при помощи торцовых шлицев и штифтов узлов ротора турбин ГТУ:
а — мощностью 3500 л. с. Коломенского тепловозостроительного завода;
О — TA фирмы Рустон (турбины высокого давления); в — мощностью 350 квт фирмы Аллен
Иные предпосылки были заложены в конструкцию двухопорного ротора турбины низкого давления ГТУ мощностью 50 000 квт (рис. 150). Он был выполнен с насадными дисками. Наиболее напряженный диск последней ступени откован как одно целое с валом, а три диска большего диаметра закреплены на валу радиальными штифтами. Промежуточные диски соединяют с дисками турбины также радиальными штифтами.
17* 259
Рабочие лопатки
По сравнению с паровыми турбинами газовые турбины имеют малые степени расширения и низкие давления рабочего тела. Поэтому в ГТУ даже малой мощности турбинные лопатки достаточно велики и рабочие лопатки могут быть выполнены с закруткой. Окружной шаг длинных лопаток газовых турбин больше, чем паровых, в связи с большей плотностью рабочего тела. Величина шага зависит не только от условий аэродинамики потока и прочности элементов: так, в ГТУ мощностью 5500 л. с. фирмы Бритиш Томпсон Хаустон принят увеличенный окружной шаг для сокращения золовых отложений на лопатках при работе турбины на тяжелом топливе.
Условия работы лопаток газовых турбин крайне тяжелы. Наряду с высокой температурой и большими напряжениями лопатки подвержены теплосменам при изменении нагрузки, быстрому нагреву при пуске и резким охлаждениям при остановке или срыве факела в камерах сгорания (срыв факела особенно опасен для установок без регенератора). При пуске и наборе нагрузки термические напряжения, связанные с более быстрым прогревом кромки по сравнению с телом лопатки, можно сократить увеличением времени пуска и набора нагрузки. Этот метод приемлем только в стационарных базовых и судовых транспортных установках (помимо всего такой пуск связан с дополнительным расходом топлива). В остальных ГТУ, где быстрый пуск предопределен, термические напряжения в лопатках могут достигать значительных величин. Особую опасность представляет режим резкого сброса нагрузки с внезапным охлаждением кромки лопатки холодным воздухом из компрессора, при котором термические напряжения в кромках имеют тот же знак, что и напряжения от центробежных сил, и суммируются с ними. Одним из наиболее эффективных способов борьбы с повышенными напряжениями в рабочих лопатках и других элементах турбины, возникающими при сбросе нагрузки, служит перекрытие в этот момент воздушного тракта или выпуск воздуха за компрессором в атмосферу. В установках НЗЛ воздух сбрасывают через клапаны, расположенные на напорном патрубке компрессора, открывающиеся по импульсу давления масла в системе предельного регулирования. В ГТУ-15 завода «Экономайзер», кроме сбросного клапана, предусмотрены поворотные жалюзи во входном патрубке компрессора, перекрывающие воздушный тракт [16].
Рабочие лопатки первой ступени подвержены также местному перегреву вследствие неравномерности поля температур за камерой сгорания. В установках с секционными камерами сгорания или с одной камерой и осевым подводом газа к турбине путем соответствующей организации потока вторичного воздуха в камере можно хотя и незначительно регулировать температуру по
260
высоте лопатки; обычно стремятся получить более низкую температуру в корневом сечении, где напряжения от центробежных сил выше. При этом наихудшие условия с точки зрения характеристик ползучести материала могут оказаться не в корневом сечении, а в одном из промежуточных, где напряжения меньше, а температура выше. Опыт показывает, что наихудшие условия имеют место в интервале '/з—V2 высоты лопатки от корневого сечения — по ним следует выбирать материал рабочих лопаток первой ступени турбины и отчасти последующих ступеней, так как радиальная неравномерность температур может сохраняться в нескольких ступенях.
Уральский турбомоторный завод в стационарных ГТУ предусматривает резерв по температурам порядка 15—25° С, позволяющий компенсировать падение мощности установки из-за возможных отклонений экспериментальных характеристик турбомашин от расчетных и загрязнений проточной части [9].
Существующие системы воздушного охлаждения дисков предназначены в первую очередь для предотвращения перетока тепла от хвостов лопаток к телу диска. При этом хвосты лопаток также охлаждаются, но отвод тепла от рабочей части лопатки за счет теплопроводности материала неэффективен, особенно при выполнении лопаток из аустенитных сталей с низким коэффициентом теплопроводности. Для защиты обода диска от высокой температуры хвостовая часть лопатки иногда развивается по длине. Чтобы уменьшить нагрузку от центробежных сил, удлиненную хвостовую часть облегчают путем удаления избыточного материала. Между рабочей и хвостовой частью выполняют полку, ограничивающую внутренний контур потока. Полки соседних лопаток плотно прилегают одна к другой, демпфируя колебания и повышая вибростойкость лопаток. В ГТУ мощностью 25 000/30 000 квт фирмы Дженерал — Электрик длина хвостовой части лопаток первой ступени почти равна длине рабочей части. Лопатки второй ступени имеют такую же конструкцию хвоста [108]. Развитый по длине хвост лопатки позволяет также осуществить осевую сборку многоступенчатой турбины при неразборном роторе. Порядок сборки при этом таков: ротор устанавливают без рабочих лопаток второй ступени, со стороны выпуска надевают цельный направляющий аппарат второй ступени, а затем на диск второй ступени ставят все лопатки.
