Роторы газовых турбин и компрессоров

Роторы газовых турбин и компрессоров работают в сложных условиях: температура воздуха перед компрессором в зимнее время может снижаться до -50° С, а температура газа перед тур­биной быть более 1000° С. При слишком низких температурах ме­таллы становятся хрупкими и проявляется такое их свойство, как хладноломкость, а при высоких температурах в результате боль­шой пластичности – ползучесть.

В газотурбинных установках используют цельнокованые, свар­ные и сборные роторы.

Роторы турбины и компрессора ГТУ могут выполняться как самостоятельные элементы или собираться в единый ротор (рис.6).

Рис. 6. Конструкция ротора газовой турбины

Рабочие лопатки (рис. 7) крепятся на периферии дисков или цилиндрической поверхности ротора и состоят из пера 3и хвосто­вика 2. Между соседними лопатками образуются каналы для прохода газа. Хвостовик необходим для крепления лопатки в дис­ке. Полки 4образуют дно каналов, ограниченных перьями сосед­них лопаток.

Хвостовик лопатки, образующий зубчиковое соединение с дис­ком, показан на рис. 8. Зубцы 1 представляют собой опоры, на которые распределяется нагрузка от сил, возникающих при вра­щениях и стремящихся вырвать рабочую лопатку из диска 6. Зубцы опираются на выступы 5диска.

Рабочие лопатки располагаются по всей окружности перифе­рии диска в пазах 7 на точно заданных друг от друга расстояниях (шагах). Если пазы 7 параллельны оси вращения ротора, такое расположение хвостовика называют осевой заводкой. Этот тип хвостовиков широко применяется для крепления рабочих лопаток газовых турбин. В роторах компрессоров чаще применяют косую заводку, при которой пазы расположены под углом к оси враще­ния ротора.

Рис. 7. Рабочая лопатка турбины:

1 – зубцы, 2 – хвостовик, 3 – перо, 4 – полка

Рис. 8. Хвостовик рабочей лопатки:

1– зубцы, 2 – тело, 3– перо лопатки, 4– полка, 5 – высту­пы диска, 6– диск, 7 – паз диска

КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

В камерах сгорания внутренняя энергия топлива при сжигании преобразуется в потенциальную энергию рабочего тела. В совре­менных ГТУ используется жидкое или газообразное топливо. Для сжигания топлива необходим окислитель, которым служит кисло­род воздуха. Воздух повышенного давления поступает в камеру сгорания после компрессора.

При сжигании топлива образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, которые перемешиваются с допол­нительным количеством воздуха. Образующийся горячий газ (ра­бочее тело) направляется в газовую турбину.

Простейшая камера сгорания (рис. 9) состоит из топливораздающего устройства 8, регистра первичного воздуха 2, пламенной трубы 3и смесителя 4, которые размещаются в корпусе 7. Корпус нагружен давлением изнутри.

Топливораздающее устройство (горелка или форсунка) 8 по­дает топливо в зону горения 6. Весь воздух, подаваемый в камеру сгорания, разделяется на два потока. Меньшая часть воздуха (первичный воздух) в количестве, необходимом для поддержания процесса горения, поступает через регистр 2 в зону горения. Боль­шая часть воздуха (вторичный воздух) в процессе горения не участвует, а проходит между корпусом 7 и пламенной трубой 3, охлаждая ее. Затем, пройдя через смеситель 4, этот воздух перемешивается с продуктами сгорания в зоне смешения 5, охлаждая их до заданной температуры.

Конструкция камеры сгорания зависит от назначения и схемы ГТУ, параметров ее цикла и вида топлива. Вместе с тем существует ряд признаков, по которым можно разделить камеры сгора­ния ГТУ на несколько типов.

Рис. 9. Камера сгорания ГТУ:

1 – подвод топлива, 2– регистр, 3– пламенная труба, 4–смеситель, 5– зона смешения, 6– зона горения, 7 – корпус, 8 – топливораздающее уст­ройство (форсунка)

Камеры сгорания бывают вы­носные и встроенные. Выносные располагаются вне корпусов турбины и компрессора и соединяются с ними или регенератором трубопроводами, а встроенные находятся непосредственно в корпусе (рис.10).

Выносные камеры сгорания, чаще всего используемые в стационарных ГТУ и реже на транспортных (судовых локомотивных и автомобильных), хорошо компонуются с регенератом

Рис. 10. Газотурбинные установки с выносной (а) и встроенными (б) камерами сгорания:

1– компрессор, 2–турбина, 3– камера сгорания, 4– ре­генератор

По конструктивным признакам встроенные камеры сгорания могут быть кольцевыми, трубчато-кольцевыми и секционными (рис 11), Кольцевые камеры сгорания (рис. 11, а) наиболее легки и компактны, используются в простой схеме ГТУ и располагаются между компрессором и турбиной вокруг ротора.

Рис. 11. Встроенные камеры сгорания:

а – кольцевая, б – трубчато-кольцевая, в – секционная; 1, 5 – внутренняя и наружная обечайки корпуса, 2 – ротор, 3, 4 – внутрен­няя и наружная обечайки плененной трубы, 6 – регистры, 7 – пат­рубки переброски пламени, 8 – пламенная труба, 9 – корпус

Рабочий объем кольцевой камеры сгорания представляет собой сплошное кольце­вое пространство между внутренней 3и наружной 4обечайками пламенной трубы. Кольцевые камеры сгорания, работающие на жидком топливе, применяются преимущественно в авиации, так как при больших размерах они становятся ненадежными. В ста­ционарных ГТУ используются кольцевые микрофакельные камеры сгорания, работающие на газе.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания (рис. 11, б)имеют не­сколько пламенных труб 8,расположенных в общем корпусе во­круг оси турбокомпрессора (обычно их 6 –12) и соединенных па­трубками 7для переброски пламени. Это необходимо при пуске, а также случайном погасании факела в одной из пламенных труб. Вторичный воздух омывает пламенные трубы снаружи. Продукты сгорания попадают в общий кольцевой патрубок, а из него – в газовую турбину.

Секционные камеры сгорания (рис. 11, в)состоят из несколь­ких одинаковых камер сгорания, расположенных вокруг оси тур­бокомпрессора в собственных корпусах 9, соединенных патрубка­ми 7. Продукты сгорания попадают в турбину из общего кольце­вого коллектора. Секционные камеры сгорания самые большие по габаритам, однако, наиболее удобные при ремонте, так как раз­борки всех камер сгорания в этом случае не требуется.

В настоящее время в стационарных ГТУ, особенно транспорт­ных, все чаще применяются камеры сгорания, объединяющие при­знаки трубчато-кольцевых и секционных.

Кроме того, камеры сгорания можно разделить по роду сжи­гаемого топлива:

– жидкого,

– газообразного,

– твердого.

Камеры сгорания, в которых сжигают жидкое и газообразное топливо, отличаются размерами горелочных устройств, а для сжигания твердого топлива имеют дополнительные устройства для удаления золы.

По направлению потоков камеры сгорания подразделяют на прямоточные и противоточные. В прямоточных продукты сгорания и воздух имеют одинаковое направление, а в противоточных их направление встречное.

Камеры сгорания подразде­ляются также по количеству горелок на одной пламенной трубе на одногорелочные и многогорелочные.

Одним из основных элемен­тов любой камеры сгорания является пламенная труба.

Особое внимание обращают на организацию охлаждения пламенной трубы, так как температура среды внутри нее достигает 1500—1800° С. В пламенной трубе, показанной на рис. 12, небольшое количество вторичного воздуха проходит в кольцевые щели между обечайками и образует на ее внутренней поверхности за­щитную пленку, отделяющую стёнку трубы от пламени.

Рис. 12. Двухстенная пламенная труба (а) и схе­мы ее охлаждения (б, в, г):

1 — регистр, 2, 3 — наружная я внутренняя стенки, 4 — смеситель, 5 — ребра, 6 — отверстия для прохода возду­ха, 7 — штифты, 8 — гофрированная внутренняя стенка

Такой слой создается при любой схеме охлаждения. В стенках двухстенной пламенной трубы (рис. 12, а–г) выполняются отверстия 6, через которые проходит охлаждающий воздух, создающий защитную пленку. Кроме того, применяют, одновременное охлаждение через кольцевые щели и отверстия.

Теплоту передается к стенкам пламенной трубы в основном от светящегося факела пламени лучеиспусканием. Несмотря на ох­лаждение, стенки пламенных труб имеют высокую температуру и поэтому изготавливаются из жаростойкой стали. Форсунки предназначены для подачи жидкого топлива в каме­ру сгорания. Эффективность сжигания жидкого топлива в первую очередь зависит от качества распыливания. При плохом распили­вании появляется механический недожог, вызывающий снижение экономичности, закоксовывание камер сгорания и опасность раз­рушения проточной части турбины отрывающимися коксовыми наростами.

Жидкое топливо не горит, горят его пары. Скорость испарения капель пропорциональна их поверхности. Чем лучше распылено топливо, тем больше площадь его соприкосновения с воздухом и тем быстрее оно испаряется и сго­рает.

! Форсунки должны обеспечивать высокое качество распыливания при всех возможных режимах работы (расход топлива мо­жет изменяться от 10 до 100%), иметь простую конструкцию и быть взаимозаменяемыми.

Для распыливания жидкого топлива в ГТУ применяют фор­сунки двух типов: механические и пневматические. Преимущест­вом механических форсунок является компактность, малая затрата энергии на распыле­ние и удачное взаимодействие топливного факела с воздухонаправляющим устройством завихривающего типа. В пнев­матических форсунках топли­во дробится с помощью сжа­того воздуха или пара, для чего на ГТУ должен иметься их источник. Давление возду­ха или пара должно быть на­много больше давления в ка­мере сгорания, что является основным недостатком пневма­тических форсунок.

Рассмотрим принцип дей­ствия форсунок различных ти­пов.

Простейшая механическая форсунка (рис. 13) имеет рас­пылитель, который выполнен в виде цилиндрического кор­пуса 1 и вставки 3.

Рис. 13. Механическая форсунка:

1– корпус, 2 – канал для подвода топли­ва, 3 – вставка, 4 – вихревая камера, 5 – тангенциальный канал, 6 – сопло

Жидкое топливо из камеры, расположенной между корпусом и вставкой, попадает в камеру завихрения 4 че­рез тангенциальные каналы 5, закручивается и в виде кольцевой струи вытекает из сопла 6.

Механические форсунки подают топливо в пространство, совпадающее с ко­нусом распыливания, а пнев­матические — в центр факела, причем по периферии его располага­ются более мелкие фракции, что являет­ся преимуществом этих форсунок.

Для сжигания газообразного топлива используются горелки. Так как объемные расходы газообразного топлива велики, велики и размеры горелок.