Требования к газовой турбине

Критерий совершенства турбины ГТД

Оценка качества высокотемпературной газовой турбины может быть про­изведена на основании следующих технико-эко­номических показателей:

· аэродинамическое совершенство;

· высокая степень форсированности рабочих процессов;

· малая масса и габариты;

· отсутствие разрушений и недопустимых деформаций под действием механических, температурных и химических факторов, имею­щих место при работе сопловых и рабочих лопаток в пределах установленного для двигателя ресурса.

Эти показатели, отражающие качественную сторону явления, остаются все время постоянными, то их количественное выражение в связи с систематическим ростом требований к ГТД постоянно растут.

В настоящее время температура газа перед турбиной колеблется от 1000 К (для корабельных турбин) до 1700 К (для авиационных).

При этом напряжения, возникающие в деталях роторов турбин, достигают весьма больших величин (например, центробежные силы создают в ободе диска напряжения порядка 250 МПа.

Кроме того, лопаточные аппараты испытывают переменные по величине и знаку динамические нагрузки, частота которых достигает 500•10³ колебаний в минуту. Детали проточной части подвергаются воздействию высокотемпературных продуктов сгорания топлива, содержащих ванадий, серу и соли морской воды.

Материал, из которого изготовлены лопатки, должен обладать высокой сопротивляемостью коррозии и эрозии, а ввиду возможности резкого изменения температуры (при запусках и остановках) — высокой теплопроводностью и малым коэффициентом линейного расширения.

Рабочие лопатки являются наиболее нагру­женными из всех деталей газовой турбины. Они подвержены дей­ствию центробежных сил, вибрационных нагрузок, термических на­пряжений, усилий, возникающих в результате различия коэффи­циентов расширения лопаток и диска, а также окисляющему дей­ствию горячих газов.

Работая длительное время в области высоких температур и на­пряжений, материал лопаток турбин должен обладать вы­сокой жаропрочностью и жаростойкостью.

В связи с тем, что современные материалы не могут обеспечивать необходимого ресурса турбин ГТД при увеличении начальной температуры газа, необходимо разработаны различные способы охлаждения наиболее напряженных узлов газовой турбины.

Для выбранного материала и заданного ресурса можно опре­делить допустимую температуру детали. Превышение действительной температуры над допустимой должно быть снято соответствующим охлаждением. Количество отведенного при этом тепла можно опре­делить по формуле

где — коэффициент теплоотдачи от газа к стенке;

F — площадь поверхности детали;

Т_г — температура газового потока;

t_ct — допустимая температура металла.

Из формулы также выте­кает, что переохлаждение деталей нецелесообразно. Их выгодно охлаждать только до температур, допустимых по условиям длитель­ной прочности.

Очевидно, чем меньше тем меньше энергия, которая от­бирается от газа, и меньше затраты энергии на охлаждение. Поэтому при создании систем охлаждения естественно стремление к умень­шению .

Эффективность охлаждения лопаток может быть оценена с помощью соотношения:

где , , - соответственно температуры торможения газа, омывающего лопатку, средняя температура наружной поверхности лопатки, температура торможения охлаждающего воздуха в корневом сечении лопатки.

Поскольку системы охлаждения газовых турбин дополнительно усложняют их конструкцию, то при создании надо обращать особое внимание на обеспечение надежности работы газовой турбины.

Системы охлаждения лопаточных аппаратов должны обеспечивать повышение КПД установки, т.е. выигрыш, который будет получен за счет увеличения температуры газа, должен быть больше по­терь, которые возникнут при охлаждении деталей турбины;

Таким образом, совокупность требований, предъявляемых к турбинам ГТД и, прежде всего к их лопаточным аппаратам, достаточно велика, что ее анализ вызывает закономерные трудности и требует разработки комплексного критерия, облегчающего этот процесс.

Исходя из ранее сделанного описания структуры комплексного показателя качества турбины ГТД, запишем следующее выражение:

где - эффективный КПД;

- температурный коэффициент – отношение максимальной и минимальной температур цикла;

- расход газа, ;

- частота вращения ротора, ;

- масса, ;

,, - показатели ресурса турбины, .

Основные технические данные турбины ГТД ТВ3-117ВМ

на расчетном режиме

Таблица

Расход газа через турбину, кг/с	8.95
Температура воздуха на входе в турбину, ^0С
Максимальная температура газа на выходе из турбины, ^0С
Степень понижения давления	3.64
Осевая скорость газа на входе в турбину, м/с
Осевая скорость воздуха на входе из турбины, м/с
Окружная скорость ротора на среднем радиусе, м/с
Коэффициент полезного действия	0.9
Удельная мощность, кВт с /кг
Масса камеры сгорания, кг
До капитального ремонта
До списания
Т	1.93 10^7
Lg (Т), балл	7.3

Известно, что комбинация критериев также является критерием. Поэтому предложенные выше параметры могут служить для оценки качества, например, газогенератора ГТД.

Используя выражения (), () и (), после элементарных преобразований получим:

где - эффективный КПД газогенератора;

- масса газогенератора;

А и С – безразмерные весовые коэффициенты.

Дата добавления: 2014-01-05