Повышение экономичности ГТУ на основе

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ОХЛАЖДЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

И ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Объект исследования: перспективные системы охлаждения высокотемпературных ГТУ, жаростойкие и теплозащитные покрытия.

Результаты, полученные лично авторами: проанализировано большое количество систем охлаждения, жаростойких и теплозащитных покрытий, представлены самые перспективные варианты их применения.

 

Система охлаждения является в настоящее вре­мя неотъемлемой частью конструкции любой со­временной турбины. В ТВД охлаждаются все лопат­ки, роторы, корпуса. В ТНД - роторы, корпуса и достаточно часто - лопатки первых ступеней. Непрерывное совершенствование и усложнение технологий охлаждения является обязательным ус­ловием реализации конкурентоспособной конструк­ции турбины - конструкции, в которой при увели­чении температуры перед турбиной расход воздуха на охлаждение не перекрывает выигрыш в удель­ных параметрах двигателя, а ресурс деталей турби­ны соответствует требованиям заказчиков.

1 Тепловое состояние элементов турбин

Как известно из термодинамики циклов ГТУ, повышение начальной температуры рабочего тела перед турбиной является эффективным способом увеличения термического КПД установки. Расчеты показывают, что увеличение начальной температуры газа на 100°С приводит к росту удельной работы установки на 20...25 % и сокращению расхода топлива на 5...10 %

Возможны два способа охлаждения стенки детали: внутреннее канальное и заградительное, которое объединяет пленочное и пористое

1.1 Принципы охлаждения

2 Конвективное, пленочное и пористое охлаждение

Важными элементами турбины являются рабочие и сопловые лопатки, материал и конструкция которых определяют допустимую температуру газа перед турбиной и тем самым непосредственно влияют на технико-экономические показатели работы газотурбинных двигателей (ГТД). Технологические трудности дальнейшего форсирования конвективного охлаждения лопаток, состояние развития металлургии жаропрочных сплавов указывают на то, что улучшение параметров цикла ГТД следует связывать с разработкой качественно новых систем защиты лопаток газовых турбин и переходом от жаростойких многокомпонентных покрытий к теплозащитным (ТЗП).

Разработаны три класса покрытий:

1) однослойные металлические; однослойные композиционные микрослойного типа с чередованием слоев;

2) двухслойные покрытия с внутренним металлическим и внешним керамическим слоями; двухслойные покрытия с внутренним композиционным и внешним керамическим слоями;

3) трехслойные покрытия с внутренним и промежуточным металлическими слоями и внешним слоем на основе керамики; трехслойные покрытия с внутренним металлическим, промежуточным композиционным и внешним керамическим слоями; трехслойные покрытия с внутренним металлическим промежуточным композиционным и внешним керамическим.

Для формирования защитных покрытий, содержащих керамический термо­барьерный слой, используются следующие основные методы:плазменное напыление;диффузионный метод;магнетронное распыление;плазменное электродуговое катодное распыление;лазерный метод;электронно-лучевое напыление.

Метод электронно-лучевого напыления в настоящее время является одним из наиболее перспективных, а покрытие наиболее долговечным. Скорость формирова­ния осадка до 0,025 мм/мин. Нанесение ТЗП осуществляется по парофазовой техно­логии на установке Л-8.

Материал поступил в редколлегию 04.04.2017

 

 

УДК 620.91

Д.В. Грибанов

Научный руководитель: доцент кафедры «Тепловые двигатели», доцент, к.т.н., В.Т. Перевезенцев

[email protected]

 

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПАРА В ПРАКТИЧЕСКИХ

ЗАДАЧАХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

УПЛОТНЕНИЙ

 

Объект исследования: уплотнения проточной части турбин АЭС.

Результаты, полученные лично автором: проанализированы потери от влажности в турбинной ступени, представлены самые перспективные варианты расчета потерь от влажности.

В современных энергетических турбинах используется как перегретый пар, так и насыщенный и влажный, что вызывает необходимость теоретических и экспериментальных исследований течения двухфазной среды в элементах проточной части и уплотнениях.

Для конденсационных турбин для АЭС, работающих на насыщенном и слабоперегретом паре – это практически все ступени турбины, а также уплотнения: периферийные, концевые и диафрагменные по валу.

Потери от влажности в турбинной ступени можно разделить на термодинамические, газодинамические и потери торможения.

Термодинамические потери возникают в процессе расширения пара с переохлаждением. Они связаны с теплообменом между фазами вследствие разности температур капель пара, а также скачкообразного выделения влаги в проточной части при срабатывании больших теплоперепадов.

Газодинамические потери происходят ввиду наличия: 1) затрат части кинетической энергии пара на ускорение водяных капель; 2) уменьшения массы пара (из-за конденсации), развивающей полезную работу на рабочих лопатках; 3) перераспределения параметров (скорости, давления и др.) в межлопаточных каналах; 4) изменения формы рабочих, сопловых лопаток под действием эрозии; 5) увеличения потерь на трение в водяной пленке и парокапельном пограничном слое; 6) увеличения кромочного следа, дробления пленки при сходе с выходных кромок и дополнительного при этом завихрения потока; 7) изменения турбулентного потока в канале и на стенках профиля; 8) интенсификация вторичного течения с участием в нем жидкой фазы.

Прямые потери торможения происходят вследствие ударного тормозящего воздействия капель воды на рабочие лопатки из-за различного направления векторов скорости пара и влаги.

В работе предлагается оценивать влияние влажности через коэффициент , характеризующий течение в двухфазном потоке с учетом начальной влажности, y₀и скольжения фаз ν=С_1вл/С_n на утечку пара в лабиринтовом уплотнении: .

Анализ рабочих параметров пара для турбин АЭС К-500-65/3000 показал, что ступени ЦВД работают в пределах диаграммной влажности до у₀=16%.

Расчёт по изложенной методике показал, что для первых двух ступеней, работающих при у₀<0,08 влиянием влажности на потери утечками можно пренебречь.

В то же время для третьей ступени (прямоточное диафрагменное уплотнение), в которой параметры пара р₀=2,2 МПа; у₀=0,1; коэффициент скольжения ν=0,9 и коэффициент = 1,064.

Для пятой ступени (прямоточное диафрагменное уплотнение) параметры пара: р₀=0,69 МПа, у₀=0,14. Соответственно ν=0,78 и коэффициент = 1,11.

Таким образом потери утечками для указанных ступеней без учета влажности могут быть занижены соответственно, на 6,4% и 11%.

Известные методики теплового расчета влажнопаровых турбин учитывающие лишь потери от влажности пара, связанные с его переохлаждением, разгоном капель влаги и тормозящим воздействием на ротор турбины, должны быть дополнены поправками на влажность, интенсивно воздействующую на коэффициент расхода лабиринтового диафрагменного уплотнения.

Материал поступил в редколлегию 04.04.2017

 

УДК 621.4

П.А. Гришанов

Научный руководитель: доцент кафедры «Тепловые двигатели», к.т.н.,

В.В. Рогалев

[email protected]