Распределение температур в элементах ГТУ

Рабочие лопатки многих газовых турбин охлаждаются отво­дом теплоты через корень (корневое охлаждение). В этом случае температура лопаток изменяется по их высоте. Наименьшая тем­пература будет в корневом сечении. На небольшом расстоянии дт

корня температура лопатки ста­новится равной температуре тор­можения газа.

Распределение температур в рабочей лопатке при корневом охлаждении показано на рис. 118, а, б. В корневом сечении г_к тем­пература лопатки Гдк. На графике по оси ординат отложено рассто­яние и, отсчитываемое от корня вдоль пера лопатки, а по оси абс­цисс—температура лопатки Т_л, которую приближенно можно рассчитать по формуле rp . ch /я (/ — х)

Рис. 118. Рабочая лопатка (а) и

распределение в ней температур

при корневом охлаждении (б)

Т —Т *•

¹ л — * г

ch ml

где /=r_n —/„ — высота лопатки; m~~}/a.U_n/(f_}I'k) — величина, за­висящая от интенсивности теплообмена между газом и пером ло­патки и теплопроводности ее корневого сечения (/_л и (/_л — пло­щадь поперечного сечения и периметр профиля корня лопатки; X — теплопроводность материала лопатки).

Температуру сопловых и рабочих лопаток, охлаждаемых внут­ри, можно приближенно рассчитать по формуле ,

где Г_в — температура охлаждающего воздуха; а_в — коэффициент теплоотдачи от охлаждающего воздуха к поверхности лопатки.

Таким образом, для определения температуры лопатки необ­ходимо знать не только температуру таза и коэффициенты тепло­отдачи от него к лопатке, но и температуру воздуха и коэффици­енты его теплоотдачи. Внутри лопатки воздух проходит довольно сложный путь, его температура постоянно увеличивается й при­ближенно составляет

где Г_в0 — температура воздуха на входе в охлаждающие каналы; к — расстояние от начала каналов по направлению течения воз­духа.

Значение s зависит от коэффициентов теплоотдачи газа и воз­духа, расхода воздуха, его теплоемкости и периметра U_B охлаж­дающего канала:

s •= U_B

(« + «в)

Диски газовых турбин нагреваются теплотой, которая переда­ется им газом через рабочие лопатки и поверхности межлопаточ­ных каналов. Эта теплота отбирается с боковой поверхности дис­ков охлаждающим воздухом, а также при продувке воздуха через зазоры в хвостовиках рабочих лопаток. Распределение темпера­тур в дисках зависит от интенсивности их нагрева, конструкции, а также хвостового крепления рабочих лопаток, расхода охлаж­дающего воздуха, схемы охлаждения и др.

Система охлаждения должна не только обеспечивать приемле­мую температуру дисков, но и необходимое ее распределение.

Сопоставим распределение температур при струйном и ради­альном охлаждении диска (рис. 119). По оси абсцисс отложен радиус диска г, а по оси ординат — его температура Г_д. Если си­стемы охлаждения сконструированы так, что температуры пери­ферии дисков Гид одинаковы, то при этих способах охлаждения распределения температур значительно отличаются.

При струйном охлаждении "слишком нагретой оказывается центральная часть диска, в которой напряжения, возникающие при вращении, наибольшие, а при радиальном эта часть переохлажде­на. Большая разница температур между периферией диска и цент­ром приводит к появлению больших температурных напряжений, которые суммируются с растягивающими напряжениями, возника­ющими при вращении диска.

Обычно выбирают такую систему охлаждения, которая снижает температуру периферии диска до заданного значения Т_пд и не вызывает появления больших температурных напряжений.

Особенно большие температурные напряжения могут возникать в лопатках и дисках, при пусках ГТУ.

В лопатках (рис. 120, а) при нагреве горячими газами быстрее всего прогреваются входные и выходные кромки, а более массив­ная средняя часть прогревается медленнее. Перед пуском ГТУ

Рис. 119. Диск ,.(а) и распределение-

температур в нем (б) при струйном

(кривая /) и радиальном (кривая 2)

охлаждении

Рис. 120. Лопатка (а), распределение температур в ней при прогреве вдоль скелетной линии (б) и изменение пе­репада температур Д Г в зависимости от времени (в)

(т=0) лопатка имеет температуру Т_л0. Распределение температур вдоль скелетной линии сплошной лопатки в различные моменты времени Ti — Т5 показано на рис. 120, б.

По мере нагрева лопатки разница температур ДГ наиболее и наименее прогретых ее частей вначале увеличивается (рис. 120, в), а затем начинает уменьшаться и через некоторое время, когда лопатка оказывается полностью прогретой, становится равной ну­лю. В тот момент, когда разница температур становится макси­мальной (АТтах), в лопатке возникают наибольшие температур­ные напряжения: в кромках — сжимающие, а в массивной части — растягивающие. Чем быстрее пускается ГТУ, т. е. чем быстрее растет температура газа перед турбиной, тем больше разница температур ДГ_тах и, следовательно, температурные напряжения.

Аналогичная картина наблюдается при прогреве дисков на пусковых режимах. Периферия диска прогревается быстрее, а цент­ральная часть — медленнее (рис. 121, а, б). Так же как в лопат­ке, в некоторый момент времени разница температур периферии ицентра диска достигает. наибольшего значения AT_max., Наиболь­шими в этот момент будут и темпера­турные напряжения. Причем у пери­ферии диска они будут сжимающими, а в центре—растягивающими.

При слишком больших скоростях пуска (т.е. подъема температуры газа перед турбиной) температурные нап­ряжения могут достигнуть значений, при которых материал дисков и лопа­ток начнет пластически деформиро­ваться. При повторении таких пусков в лопатках вследствие малоцикловой усталости металла могут появиться трещины, которые при последующих пусках под действием сил, возникаю­щих при вращении, быстро развива­ются и вызывают разрушение лопат­ки или диска.

Рис. 121. Диск (а) и распре­деление в нем температур при прогреве (б)

Контрольные вопросы

1. Каково назначение систем охлаждения?

2. Как охлаждается корпус газовой турбины?

3. Как подается воздух для охлаждения ротора газовой турбины?

4. Какие способы охлаждения сопловых и рабочих лопаток вы знаете?-

5. Как изменяется температура лопаток дисков при пуске ГТУ?

Глава седьмая