Конструкции газотурбинных установок - Шварц В.А.
Скачать (прямая ссылка):
НЕПОДВИЖНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОСЕВЫХ ТУРБИН Корпуса
Наряду с обычными требованиями, предъявляемыми к корпусам всех турбомашин в части прочности и жесткости, корпуса газовых турбин должны обеспечивать минимальные радиальные зазоры над вершинами работах лопаток. Эго требование является специфическим, поскольку в газовых турбинах, как правило, отсутствуют бандажи над вершинами лопаток, а корпуса подвержены воздействию потока газа с высокой температурой. Основными направлениями в конструировании корпусов являются поддержание первоначальной цилиндрической формы при многочисленных теплосменах в процессе эксплуатации и обеспечение минимального радиального зазора в работающей турбине. 214
Сохранение цилиндрической формы корпуса при нагреве и охлаждении достигается, в первую очередь, симметричным его сечением. Наиболее просто получить осевую симметрию в корпусах без горизонтальных разъемов. Это направление широко используется в авиационных турбинах с малым числом ступеней и находит применение в стационарных и транспортных установках. В частности, безразъемные корпуса турбин характерны для ГТУ различных мощностей вплоть до 40—50 тыс. квт (фирма СТАЛ). Работы по сборке и разборке турбин без горизонтальных разъемов несколько сложнее и продолжительнее, но при достаточной надежности агрегатов это не имеет принципиального значения, тем более, что осмотр облопачивания крупных стационарных турбин можно проводить через люки в больших патрубках, а радиальные зазоры в промежуточных ступенях можно контролировать различными датчиками и штифтами. Наличие горизонтального разъема с фланцевым болтовым соединением ограничивает скорость пуска турбин с горячими корпусами, так как из-за неравномерного прогрева корпус со временем теряет цилиндрическую форму. Тем не менее, в турбинах с низкой начальной температурой и малой скоростью прогрева и набора нагрузки применяют толстостенные литые корпуса, характерные для паротурбинной практики. Создание осесимметричных корпусов с горизонтальным разъемом с достаточным приближением можно получить введением продольного вертикального разъема, а также установкой массивных продольных ребер. Так, корпус турбины ГТУ фирмы Бритиш Томпсон Xay-стон (рис. 137), кроме горизонтального, имеет вертикальный разъем, который в процессе эксплуатации никогда не разбирается.
Минимальный радиальный зазор можно обеспечить конструктивными мероприятиями и рациональной организацией охлаждения корпуса, а в ряде случаев — специальным нагревом его.
У газовых турбин существуют специфические режимы работы, связанные с резким повышением температуры при пуске и внезапным охлаждением при срыве факела в камерах сгорания. Последний режим определяет величину минимального радиального зазора: после срыва факела холодный воздух устремляется в турбину; при з том корпус с меньшей тепловой инерцией, чем ротор, быстрее уменьшается в диаметре. Выбранный из этих условий радиальный зазор при стационарном режиме работы установки оказывается весьма значительным. Тем не менее, конструктивная схема турбины с так называемым «горячим» корпусом весьма проста и благодаря этому имеет достаточно широкое применение. Такие корпуса (рис. 137 и 138) характерны одностенным исполнением, отсутствием охлаждения и простыми формами. Радиальный зазор между вершинами лопаток и корпусом, показанным на рис. 137,— порядка 1,8 мм, причем его
215
величину контролируют несколькими электронными датчиками и одним оптическим датчиком, который установлен тангенциально в зоне третьей ступени. Оптический датчик позволяет непосредственно визуально наблюдать величину зазора.
Поскольку тепловая инерция массивных фланцев больше, чем корпуса, в них возникают значительные термические напряжения при прогреве турбины. Для сокращения напряжений во
Рис. 137. Корпус турбины ГТУ мощностью 5500 л. с. фирмы Бритиш Томпсон Хаустон
фланцах иногда выполняют прорези от внешнего контура до болтовых отверстий (рис. 137 и 138). Существенное уменьшение радиального зазора может быть достигнуто применением «захо-ложенных» корпусов. При такой схеме корпус интенсивно охлаждается воздухом или водой и его размеры при работе установки изменяются незначительно по сравнению с исходными значениями. Минимальный зазор может быть выбран при рабочем режиме установки, когда корпус «захоложен», а ротор прогрет. При срыве факела диаметр корпуса незначительно уменьшается и радиальный зазор возрастает. Схема «холодный корпус — горячий ротор» получила в современных турбинах преимущественное распространение.
216
Корпус можно охлаждать снаружи и внутри. Внешнее охлаждение осуществляется путем продувки воздуха или прокачки воды через короба или кожухи, приваренные к внешней поверхности корпуса. Воздух для охлаждения может быть отобран из компрессора или подан от отдельной воздуходувки — последний вариант связан с меньшими энергетическими потерями.
На рис. 139 представлено одно из конструктивных решений внешнего воздушного охлаждения корпуса. Охлаждающий воздух проходит в зазор между корпусом и тонкостенным кожухом или по каналам, образованным половинами труб, приваренными к внешней поверхности корпуса.
