3.8. Особенности проектирования высокотемпературных турбин с внутренним охлаждением проточной части

Характеристики газовой турбины зависят об большого числа термодинамических, конструктивных, технологических и других факторов, обеспечивающих то или иное свойство турбины. Их многообразие обычно затрудняет выявление обобщенных характеристик, позволяющих анализировать свойства турбины. Однако для ВГТ с внутренним охлаждением обычно все многообразие факторов подчинено удовлетворению прежде всего надежности работы. Энергетическое применение ВГТ, которое рассматривается здесь, также конкре­тизирует конструктивную схему турбины.

Для получения характеристик ВГТ остановимся на выборе основных ее параметров.

Распределение теплоперепада по ступеням подчинено требованию по возможности уменьшения числа ступеней вообще и охлаждаемых в особенности. Это требование приводит к необходимости срабатывания достаточно большого теплоперепада на охлаждаемых ступенях и особенно на пер­вую ступень. Его уровень обычно лимитируется потерями энергии и числом М_с, которое в выполненных конструкциях ВГТ часто достигает значения 1,2 и даже выше.

Известные решения ВГТ в авиации и на отечественных заводах, а также исследования и конструктивные проработки ВГТ дают возможность в зависимости от температуры газа рекомендовать следующие теплоперепады на первую ступень:

280—310 кДж/кг при ;

310—320 кДж/кг при ;

330—350 кДж/кг при ;

350—400 кДж/кг при .

При оценке теплоперепада следует проверять число М по скорости , величину которого желательно иметь не выше 0,8.

Корневой диаметр в ВГТ для возможности срабатывания больших теплоперепадов, особенно на первой ступени, должен быть достаточно большим. С другой стороны, размеры диаметра ротора ограничены производственными и технологическими возможностями. Размер диаметра диска около 1800—1900 мм можно считать реальным для производства уже в ближайшее время. Поскольку частота вращения энергетической ГТУ принята п=3000 об/мин, то это определяет и окружную скорость у корня лопаток, которая с учетом наличия «ножки» у лопаток в перспективе будет равной 300—320 м/с.

Степень реактивности высоконагруженной ступени связана с высотой лопатки. Для энергетических установок требуются предельные мощности, что обеспечивается высокими расходами воздуха. Для перспективной установки принимается расход воздуха =500 - 600 кг/с. В этом случае высота первой лопатки будет около 170—180 мм, а параметр l/d для этой ступени - больше 10. При такой относительно короткой лопатке, характерной для охлаждаемой ступени, степень термодинамической реактивности для первой ступени можно принять 0,12 — 0,15. Для улучшения условий течения у корня целесообразно применить небольшой навал сопловой лопатки, который детально исследован на кафедре турбиностроения ЛПИ. Минимальная степень реактивности полезна для высоконагруженной ступени, так как уменьшает закрутку потока на выходе из ступени.

Угол выхода является важным параметром ступеней ВГТ. Выбор для высоконагруженной охлаждаемой ступени должен быть подчинен не только геометрии проточной части, но и требованию облегчения температурного состояния рабочей лопатки. Понижение температуры газа на направляющем венце составляет

Поэтому для максимального снижения температуры угол должен приниматься минимальным. Это значение, с другой стороны, определяется возможностью охлаждения " выходной кромки направляющей лопатки, которая при малых углах оказывается относительно тонкой. Опыт авиационного газотурбостроения и выполненные конструктивные проработки показывают, что для высоконагруженных ступеней желательно принимать небольшим, около 16—18°.

Принятые параметры высоконагруженной ступени позволяют получить = 150—160 К.

Важной характеристикой ступени является также уменьшение температуры газа на рабочем венце. Можно показать, что это уменьшение определяется уравнением

где .

Расчеты показывают, что составляет 80—85°. Для ре­комендованных параметров общее падение температуры газа в ступени без учета отвода теплоты в систему охлаждения и подмешивания охладителя может достигать 230—240 К.

В охлаждаемой ВГТ особого рассмотрения требует вы­бор числа охлаждаемых венцов. Современный уровень конструкционных материалов и приведенные выше характеристики охлаждаемых высокотемпературных ступеней, а также выполненные конструктивные проработки ВГТ и исследования температурного состояния охлаждаемых лопаток позволяют принять следующие рекомендации для выбора числа охлаждаемых венцов в зависимости от температуры газа: 1200—1250 К —один охлаждаемый венец; 1300—1350 К— два; 1400—1450 К —три; 1550—1600 К —четыре охлаждаемых венца.

Дальнейший рост температуры газа, по-видимому, будет связан с новыми методами проектирования турбины и ее системы охлаждения.

* При рассмотрении только проточной части турбины, в отличии от установки, начальные параметры рабочего тела будут обозначаться индексом «0», а конечные – индексом «2».

36