книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа

Г л а~в"а IX

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВАВТОТРАКТОРНЫХ РЕЖИМАХ

34.Особенности рабочего процесса

многокомпонентного газотурбинного двигателя

Несмотря на важные принципиальные преимущества газотур­ бинных двигателей, их рабочий цикл еще далек от совершенства. Существенным недостатком автотракторных газотурбинных дви­ гателей является сравнительно низкая топливная экономичность, особенно на частичных режимах эксплуатации. К основным спо­ собам увеличения экономичности ГТД относятся повышение тем­ пературы газа перед турбиной, увеличение к. п. д. компрессора и турбины, использование тепла отходящих газов (регенерация).

Повышение начальной температуры рабочего тела в сочетании с регенерацией тепла, заключенного в продуктах сгорания, обес­ печивает значительное улучшение экономических и энергетиче­ ских показателей всей установки, резкое сокращение геометри­ ческих размеров компрессора, камеры сгорания, рабочего колеса и газопроводов, уменьшение поверхности теплообмена регенера­ тора. Поэтому проблема дальнейшего повышения температуры ра­ бочего газа в ГТД является одним из основных направлений раз­ вития современного газотурбостроения. Это требует введения не­ которых дополнительных мероприятий.

Рассмотрим результаты экспериментальной проверки этих мероприятий, в частности различных способов искусственного охлаждения лопаток соплового аппарата газовых турбин в высоко­ температурном потоке.

Для проведения исследований был спроектирован специаль­ ный постоянный по высоте профиль лопатки, приближающийся по своим геометрическим размерам к реально существующим про­ филям лопаток газовых турбин автотракторного типа. Графиче­ ский способ [41 ] построения профиля лопатки реактивной тур­ бины с использованием дуг окружностей, представляющих собой наиболее простые и вполне определенные формы кривых, при­ веден на рис. 113. При этом очерчивание профиля осуществлялось только тремя дугами как наименьшим числом дуг, которыми можно очертить профиль реактивной лопатки, причем профиль ее вогну­ той поверхности А Б Г очерчивался одной дугой радиуса R% (из центра 0 2), а профиль спинки АДГ — двумя другими дугами радиусов ^ и ^ з (из центров 0 Хи 0 3), имеющими в общей точке общую нормаль.

181

телесный угол профиля на выходе (задан) фвых = 14°; угол на­ клона соплового аппарата на выходе (задан) а 1 = 20°; вспомо­

гательные углы на выходе:

угол наклона условной хорды лопатки

вспомогательный угол

испытаны материалы: жаростой­ кая сталь, латунь; опробованы хладагенты: воздух, вода, водяной пар. В целях определения влияния физической структуры и ка­ чества материала на температурные характеристики были иссле­ дованы пористые латунные лопатки. В специальных электропечах в присутствии древесноугольного карбюризатора при температуре среды 860 ± 10° С осуществлялось спекание лопаток из латунных порошков со средним размером зерен 0,1 и 0,2 мм. На рис. 114 представлена схема расположения воздушных каналов и термопар внутри экспериментальной пористой латунной лопатки.

В качестве предварительных были проведены эксперименты с более простыми в конструктивном отношении имитаторами тур­ бинных лопаток, представляющими собой металлические стержни цилиндрической формы, внутри которых устанавливались горя­ чие спаи термопар и четыре специальных периферийно располо­ женных продольных канала для прохода хладагента.

182

При проточном охлаждении воздух подводился к нижней части имитатора и удалялся в поток с его верхней торцовой стороны.

При пленочном охлаждении охлаждающий воздух удалялся из продольных каналов не через торцовые стороны имитаторов, а через многочисленные радиальные отверстия диаметром 0,1 мм непосредственно в газовый поток.

лопатки тл, представляющий собой отношение

Другим важным показателем надежности работы лопаток яв­ ляется температурный градиент ДТл = Тг — Тл, определяющий термическое напряжение и удельный тепловой поток через стенку

лопатки.

Эффективность действия различных систем охлаждения оце­ нивается также величиной расхода G хладагента.

На рис. 115 представлена диаграмма, характеризующая эф­ фективность действия некоторых систем охлаждения имитаторов лопаток газовых турбин. Заштрихованная площадка на этом рисунке устанавливает допустимые границы изменения темпера­ туры имитатора, определяемые, с одной стороны, достаточной механической прочностью обычных жаропрочных сплавов, при­ меняемых для производства турбинных лопаток, с другой, —

183

приемлемой топливной экономичностью, величина которой за­ метно ухудшается с понижением температуры тела лопатки ниже

*л - 600° [51 ].

Оценка эффективности действия различных систем охлаждения лопаточного аппарата высокотемпературных газовых турбин осу­ ществляется из условия сохранения температуры различных участ­ ков лопатки в пределах 600—650° С. Рассматривая с этих позиций

только на нагрев жидкости. Неустойчивым режимом работы дан­ ной системы охлаждения является граница перехода воды из паро­ вой фазы в жидкостную и наоборот. В это время при небольшом изменении расхода воды скачкообразно изменяется температура имитатора, режим работы связывается с появлением тепловых ударов, вызывающих сокращение срока службы материала ло­ патки. Устойчивый режим работы пароводяной системы охлажде­ ния определяется на участках 2—3, в этой зоне значительное уве­ личение расхода охлаждающей воды мало влияет на понижение

184

температуры имитатора, поэтому, исходя из экономической целесо­ образности и надежности работы, желательно режим эксплуатации системы охлаждения организовать так, чтобы он соответствовал участкам кривых, расположенных вблизи точек 2 (справа).

Внутреннее проточное пароводяное охлаждение по своему эф­ фекту действия обладает исключительными возможностями, так при изменении Тг от 993 до 1575 К во всех случаях удавалось под­ держивать t„ в пределах нормы (рис. 115).

В этом отношении система пароводяного охлаждения превос­ ходит все виды проточного (внутреннего и пленочного воздушного). Однако в области работы автотракторных ГТД существенными недостатками пароводяного охлаждения являются неустойчивость режима работы системы, необходимость применения воды как хладагента и связанные с этим эксплуатационные неудобства.

Система воздушного охлаждения с использованием пористой стенки относится к группе наиболее перспективных, она обеспе­ чивает снижение температуры пористого латунного имитатора на 475—900° С, при этом имитатор способен выдерживать без оплав­ ления температуру газа до 1500° С. Большое влияние на темпера­ туру пористого имитатора оказывает размер зерен (зернистость) исходного порошка. Как видно из рис. 115, где даны два семейства кривых, характеризующие эффективность действия воздушного охлаждения через пористые стенки при зернистости 0,1 и 0,2 мм, уменьшение зернистости исходного порошка обеспечивает зна­ чительное улучшение степени охлаждения стенки. Это явление благоприятно, но при этом следует учитывать, что зернистость порошков, предназначенных для спекания лопаток, не может уменьшаться беспредельно. По-видимому, есть оптимальная зер­ нистость исходных металлических порошков, при которой полу­ чаются наилучшие температурные характеристики охлаждаемых стенок. Почти все кривые (рис. 115), определяющие температур­ ный режим пористого латунного имитатора, располагаются в зоне переохлаждения, что свидетельствует о больших потенциальных возможностях принципа пористого охлаждения.

Рассмотрим результаты экспериментальных исследований си­ стем охлаждения пористых и металлокерамических лопаток, про­ фили которых даны соответственно на рис. 114 и 113.

Кривые, характеризующие изменение температурных полей средней, неподвижно установленной в пакете пористой латунной

рытце (см. рис. 114).

Температурное поле пористой латунной лопатки при воздуш­ ном охлаждении имеет два неодинаковых максимума температур — один на передней и второй на задней кромках лопатки. Вследствие того, что передняя кромка лопатки подвергается наибольшему

185

нагреву, она фактически определяет допустимый верхний предел температуры горячего газа (в данном случае tr — 1000ч-1050° С), задняя кромка лопатки обеспечивает надежную работу лопаточ­ ного аппарата в пределах до ir — 1100ч-1150° С. В наиболее бла­ гоприятных условиях находятся корытце и спинка, температура

обладают существенными недостатками, основными из которых являются сложность конструкции, трудность использования энер­ гии, заключенной в хладагенте, уменьшение долговечности лопа-

Т а б л и ц а 18

Температурный коэффициент лопатки при различных системах охлаждения

186

ток вследствие значительного возрастания температурного гра­ диента и т. д. [53].

Высокотемпературные ГТД автотракторного типа могут полу­ чить распространение только тогда, когда система искусственного охлаждения их лопаточного аппарата не снизит эффективности цикла и обеспечит соответствующую надежность, долговечность и простоту технического обслуживания и ремонта.

На данном этапе технического прогресса в практике эксплуа­ тации распространена однокомпонентная схема организации теп­ лового процесса ГТД, заключающаяся в том, что через ее лопа­ точный аппарат проходит один сравнительно однородный поток рабочего газа. В условиях применения такого однокомпонентного рабочего процесса не представляется возможным за счет повыше­ ния начальной температуры газа обеспечить значительное увели­ чение к. п. д. и энергетических показателей цикла. В связи с этим возникает необходимость разработки новых эффективных многокомпонентных тепловых циклов для рабочего процесса ГТД.

Отличительной особенностью многокомпонентных ГТД яв­ ляется возможность организации одновременного движения через их лопаточные аппараты рабочих тел с разными физическими, химическими и энергетическими потенциалами. К этой группе могут быть отнесены следующие двигатели: парогазовые при одно­ временном парциальном подводе, например, двух компонентов — газа и водяного пара; турбовентиляторные (двухконтурные); па­ ровые с несколькими потоками пара разного давления; высоко­ температурные ГТД с парциальным подводом двух компонентов — сравнительно горячего газа (1000— 1200° С) и относительно хо­ лодного воздуха (200—400° С).

По сравнению с существующими однокомпонентными двух­ компонентные высокотемпературные ГТД с парциальным подво­ дом обладают повышенной долговечностью лопаточного аппарата, которая зависит не только от уровня начальной температуры горя­ чего газа, но и от величины температурного градиента в теле самой лопатки.

Неравномерный нагрев лопаток определяет возникновение больших термических напряжений, связанных с их короблением, растрескиванием, а иногда и разрушением. Применяемый в на­ стоящее время однокомпонентный тепловой цикл ГТД характери­ зуется тем, что определенные участки рабочих лопаток находятся под непрерывным воздействием горячего газа, благодаря чему на этих участках температура металла приближается к темпера­ туре газа. Использование в этом случае высокотемпературного процесса и любой специальной системы искусственного охлажде­ ния, когда тепло отводится только через тело самой лопатки, не является перспективным, так как неизбежное возникновение боль­ шого температурного градиента вызывает значительное сокраще­ ние срока службы лопатки.

187

Благодаря применению парциального подвода сокращается теплоотвод через тело рабочей лопатки, снижается ее темпера­ турный градиент, возрастает срок службы лопаточного аппарата.

Успех применения двухкомпонентного высокотемпературного ГТД с парциальным подводом заключается в том, что на непосред­ ственный контакт горячего газа и омываемой им лопатки за один оборот вала отводится исключительно малое время. При степени парциальное™ т =-- 0,5 и изменении частоты вращения от 10 до 50 тыс. об/мин время соприкосновения газа и лопатки составляет всего 0,003—0,0006 с. В результате кратковременного периодиче­ ского соприкосновения лопатки с горячим газом и сравнительно холодным воздухом создается импульсный поверхностный тепло­ обмен и обеспечиваются благоприятные условия для получения заданной температуры рабочей лопатки.

35. Показатели многокомпонентного газотурбинного двигателя при работе в автотракторных режимах

Рассмотрим процесс теплообмена рабочей лопатки двухкомпо­ нентного высокотемпературного ГТД. Как показал соответствую­ щий анализ, во время т работы такого двигателя наблюдаются три характерных тепловых режима (рис. 117).

Рис. И7. Принципиальная схема изменения температуры рабочей лопатки двухкомпонентной высокотемпературной парциальной турбины в процессе ее пуска (т = 0,5)

Нагревание рабочей лопатки до температуры охлаждающего воздуха tB (режим I). Такой нагрев лопаточного аппарата осу­ ществляется при пуске ГТД, он протекает непрерывно в две стадии. В течение каждого оборота колеса турбины рабочая лопатка после­

188

довательно нагревается как охлаждающим потоком воздуха (пер вая стадия), так и высокотемпературным потоком газа (вторая стадия). В сопоставимых условиях скорость роста температуры лопатки при обтекании ее охлаждающим воздухом и горячим га­ зом различна. Более быстрый рост температуры лопатки наблю­ дается во время обтекания ее высокотемпературным потоком. По мере повышения температуры лопатки передача тепла к ней от охлаждающего воздуха замедляется и при достижении ею тем­ пературы, равной температуре охлаждающего воздуха, полностью прекращается. Дальнейший нагрев лопатки осуществляется только горячими газами.

Нагрев рабочей лопатки от температуры охлаждающего воз­ духа до температуры соответствующей установившемуся теп­ ловому режиму (режим II). Если в условиях предыдущего режима работы нагрев лопатки производился как охлаждающим возду­ хом, так и высокотемпературным газом, то в данном случае при обтекании лопатки воздух охлаждает ее. Несмотря на это темпера­ тура лопатки продолжает расти за счет тепла, подводимого к ней горячим газом. По мере дальнейшего увеличения температуры ло­ патки усиливается эффект действия охлаждающего воздуха, что приводит к постепенному замедлению роста температуры и пере­ ходу к установившемуся тепловому режиму работы.

Установившийся тепловой режим работы рабочей лопатки

(режим III). В этом случае за каждый оборот колеса турбины наблюдается некоторое колебание температуры лопатки. Вели­ чина роста температуры лопатки при обтекании ее горячим газом равна величине падения температуры той же лопатки при обтека­ нии ее охлаждающим воздухом. Такой тепловой режим работы лопаточного аппарата назовем установившимся.

Из представленных тепловых режимов работы лопаточного аппарата наибольший практический интерес представляет уста­ новившийся тепловой режим. Рассмотрим физическую сторону процесса периодического нагрева и охлаждения отдельно взятой рабочей лопатки осевой парциальной турбины в случае ее работы на этом режиме. Все аналитические рассуждения отнесем к одному обороту колеса турбины и определим для этого случая две харак­ терные температуры лопатки — максимальную tmax и минималь­ ную ^min (рис. 117). Максимальная температура лопатки возни­ кает в конце подвода высокотемпературного потока, минималь­ ная — в конце подвода охлаждающего воздуха. В первом при­ ближении будем пренебрегать потерей тепла в обод рабочего ко­ леса турбины. Анализ явлений разделим на две самостоятельные части; в первой из них рассмотрим процесс нагрева, во второй — процесс охлаждения. Исходные условия нагрева: лопатка сплош­ ная; внутреннего охлаждения нет; ее наружная поверхность со стороны спинки и корытца омывается высокотемпературным по­ током; все количество тепла, воспринимаемого лопаткой, идет на нагрев самой лопатки.

189