Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние
В статье представлены перспективы повышения температуры газа перед турбиной в энергетических ГТД. Рассмотрены конструкции охлаждаемых лопаток современных высокотемпературных двигателей. У статті наведенo перспективи підвищення температури газу перед турбіною в енергетичних ГТД. Розглянутo також конс...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60485 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние / А.А. Халатов, В.В. Романов, Ю.Я. Дашевский, Д.Н. Письменный // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 1. — С. 53-61. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859712363943428096 |
|---|---|
| author | Халатов, А.А. Романов, В.В. Дашевский, Ю.Я. Письменный, Д.Н. |
| author_facet | Халатов, А.А. Романов, В.В. Дашевский, Ю.Я. Письменный, Д.Н. |
| citation_txt | Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние / А.А. Халатов, В.В. Романов, Ю.Я. Дашевский, Д.Н. Письменный // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 1. — С. 53-61. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | В статье представлены перспективы повышения температуры газа перед турбиной в энергетических ГТД. Рассмотрены конструкции охлаждаемых лопаток современных высокотемпературных двигателей.
У статті наведенo перспективи підвищення температури газу перед турбіною в енергетичних ГТД. Розглянутo також конструкції охолоджуваних лопаток сучасних високотемпературних двигунів.
This report presents prospects of the inlet temperature growth in gas turbines for power plants. The air cooled blades & vanes design features for the modern and perspective high performance engines are considered.
|
| first_indexed | 2025-12-01T05:59:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 53
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
УДК 532.516; 536.24.01
Халатов А.А.,1 Романов В.В.,2 Дашевский Ю.Я.,2 Письменный Д.Н.2
1Институт технической теплофизики НАН Украины
2ГП НПКГ «Зоря»-«Машпроект»
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ГТД
Часть 1. Современное состояние
У статті наведенo перспекти-
ви підвищення температури газу
перед турбіною в енергетичних
ГТД. Розглянутo також конструкції
охолоджуваних лопаток сучасних
високотемпературних двигунів.
В статье представлены перспек-
тивы повышения температуры газа
перед турбиной в энергетических
ГТД. Рассмотрены конструкции
охлаждаемых лопаток современных
высокотемпературных двигателей.
This report presents prospects
of the inlet temperature growth in
gas turbines for power plants. The air
cooled blades & vanes design features
for the modern and perspective high
performance engines are considered.
Dh – гидравлический диаметр канала;
e – высота ребра;
f – коэффициент трения;
m – коэффициент вдува;
Nu – число Нуссельта;
Р – шаг ребер в направлении течения;
Re – число Рейнольдса;
Т – температура;
«Мосэнерго». В 2007 г. на ТЭЦ-23 ОАО «Мосэ-
нерго» были введены в эксплуатацию еще две
детандер-генераторные установки ДГА-5000. В
последние годы в России наметился существен-
ный интерес к турбодетандерам; в работе [6]
представлены турбодетандеры нового поколе-
ния мощностью до 1 МВт и капсульный вариант
турбодетандера мощностью до 300 кВт.
В целом, внедрение детандеров на ГТС
Украины и России идет пока чрезвычайно мед-
ленными темпами, что обусловлено нерешен-
ными проблемами подачи (продажи) вырабаты-
ваемой электрической энергии в электрическую
сеть.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патон Б.Е., Халатов А.А. Какие промыш-
ленные газотурбинные двигатели нужны укра-
инской ГТС? // Зеркало Недели.–№ 26 (705).–12
июля 2008 г.
2. Патон Б.Є., Халатов А.А., Костенко Д.А.,
Письменний О.С. Промислові газотурбінні дви-
гуни для газотранспортної системи України: су-
часний стан і проблеми розвитку // Енергетика
та електрифікація.–№ 7.–2008.
3. Патон Б.Е., Халатов А.А. Помогут ли
газовые турбины преодолеть проблемы энер-
госистемы Украины? // Зеркало Недели.–№ 47
(726).–12 декабря 2008 г.
4. Патон Б.Є., Халатов А.А., Костен-
ко Д.А., Письменний О.С. Концепциія (про-
ект) Державної науково-техничної програ-
ми створення промислових газотурбінних
двигунів нового покоління для газової
промисловості та енергетики // Вісник
Національної академії наук України. –
№ 4. – 2008.
5. Gailloreto G. Mechanical Drive Order
Survey // Diesel & Gas Turbine Worldwide.–
December 2008.
6. Гуров В.И. Циам – плацдарм инноваций
// Газотурбинные технологии.–Сентябрь/2009,
№7(78).
Получено 27.10.2009 г.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №154
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
s – эквивалентная ширина щели;
x – текущая координата;
α – угол наклона ребра;
θ – относительная глубина охлаждения.
Индексы нижние:
s – гладкий канал;
Г – газ на входе в турбину;
гр – греющий газ;
охл – охлаждающий воздух;
ст – стенка.
Сокращения:
ВМ – вихревая матрица;
ГТД – газотурбинный двигатель;
МК – монокристаллическое (литье);
НК – направленная кристаллизация;
ПГУ – парогазовая установка;
РЛ – рабочая лопатка;
СЛ – сопловая лопатка;
ТВД – турбина высокого давления;
ЦНИОКР– центр научно-исследовательских и
опытно-конструкторских работ.
1. Уровень параметров современных
энергетических ГТД и проблемы разработки
для них охлаждаемых лопаток
Наиболее перспективным способом при-
менения ГТД в энергетике в настоящее время
считается их использование в парогазовом (ком-
бинированном) цикле в составе парогазовых
установок (ПГУ). Это позволяет повысить тер-
мический КПД установки по сравнению с про-
стым циклом примерно в 1,4…1,5 раза. В то же
время, одним из главных способов повышения
КПД ГТД и ПГУ является повышение темпера-
туры газа перед турбиной (ТГ), что может быть
проиллюстрировано данными, приведенными
на рис. 1 [1]. В наиболее высокотемпературных
ГТУ уже достигнут КПД около 40 % в простом
цикле и 60 % в парогазовом.
В конце 90-х годов ХХ в. в зарубежных
энергетических ГТД большой мощности (свы-
ше 200 МВт), таких как M501G, M701G, M701H
фирмы «Мицубиси», MS7001G, MS9001G,
MS9001H фирмы «Дженерал Электрик» и ряде
других были достигнуты ТГ на уровне 1500 °С,
что, как показано на рис. 2, соответствовало
уровню ТГ авиационных двигателей [2], разра-
ботанных к тому времени. В 1999 г. в открытой
печати появились первые публикации о пер-
спективных разработках стационарных двига-
телей для энергетики с величиной ТГ на уров-
не 1700 °С. В частности, фирма «Мицубиси»
с 2004 г. принимает участие в «Японском на-
циональном проекте» по созданию двигателей
такого класса. При этом ожидается, что терми-
ческий КПД таких ПГУ (по низшей теплотвор-
ной способности топлива) достигнет 62…65
%. Кроме того, при создании таких установок
ставится задача уменьшения выбросов CO2 в
атмосферу. На сегодняшний день в энергети-
ческих ГТД средней и малой мощности (30
МВт и менее), по целому ряду причин, реаль-
но достигнутые значения ТГ ниже: порядка
1250 °С на входе в ротор турбины, однако тен-
денция к ее росту сохраняется и для этих дви-
гателей.
Освоение столь высоких ТГ стало возмож-
ным, в основном, за счет совершенствования
систем охлаждения двигателей в целом и ло-
паток турбин, несмотря на то, что обеспечение
достаточной глубины охлаждения деталей тур-
бинной части, и, особенно, сопловых лопаток
(СЛ) и рабочих лопаток (РЛ) первой ступени
является одной из наиболее сложных проблем.
В этом плане весьма показателен график, пред-
ставленный на рис. 3 [3, 4], из которого видно,
что температура лопатки осталась на преж-
нем уровне, несмотря на весьма значительный
прирост температуры газа. Разумеется, для
высокотемпературных двигателей создаются
и новые, более жаропрочные сплавы, однако
улучшение их свойств значительно отстает от
роста ТГ что может быть проиллюстрировано
на рис. 4 [5]. Указанные на рисунке температу-
ры соответствуют пределу ползучести при на-
грузке 138 МПа и ресурсе 50000 часов. Повы-
шение жаропрочности сплавов достигается в
основном за счет высокого содержания трения
(в современных сплавах до 6 % и более) или
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 55
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Простой цикл Комбинированный цикл
Рис. 1. Зависимость КПД некоторых зарубежных ГТД от температуры газа
на входе в ротор турбины.
Рис. 2. Повышение температур газа на входе
в турбину в некоторых зарубежных ГТД.
Рис. 3. Температуры газа и металла лопа-
ток турбины.
вольфрама, а также редкоземельных элементов,
что сопровождается их резким удорожанием.
Повышение жаропрочных свойств сплавов
необходимо и для обеспечения ресурса лопаток
на уровне современных требований, которые
для энергетических ГТД составляют обычно от
30 до 50 тысяч часов. Значительное удорожание
изготовления лопаток турбин обусловлено так-
же применением технологии направленной кри-
сталлизации (НК) и, особенно, монокристалли-
ческого (МК) литья. Например, фирма «Сименс»
по этой причине в своих новых ГТД большой
мощности отказалась от применения МК ли-
тья и ограничилась технологией НК.
Важным направлением в освоении более
высоких ТГ является создание новых теплоза-
щитных покрытий (ТЗП). В настоящее время
наибольшее распространение получили двух-
слойные ТЗП. Внутренний слой – металличе-
ский, типа Металл-Cr-Al-Y, где «Металл» – ни-
кель или кобальт или и то и другое. Наружный
слой – керамика на основе двуокиси циркония,
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №156
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
модифицированной окисью иттрия. Такие по-
крытия в течение ряда лет применяют практиче-
ски все ведущие фирмы-разработчики ГТД для
защиты лопаток первых ступеней. В настоящее
время некоторыми фирмами, в частности, «Ми-
цубиси» производится разработка новых ТЗП,
наружный слой которых состоит из пирохлор-
ной керамики. Ожидается, что такие покрытия
будут обладать коэффициентом теплопроводно-
сти примерно на 20 % ниже [5], чем описанные
выше, ведутся также работы по повышению на-
дежности и срока службы ТЗП.
По заявлениям представителей фирмы
«Мицубиси», повышение ТГ с 1500 °С до 1700
°С будет достигнуто следующим образом: 50 °С
за счет повышения жаропрочности лопаточных
материалов, 50 °С за счет совершенствования
ТЗП, а остальные 100 °С – за счет повышения
глубины охлаждения лопаток, т.е. преимуще-
ственно за счет совершенствования их систем
охлаждения.
Очень важно отметить то, что в подавляю-
щем большинстве ГТД самого различного на-
значения системы охлаждения воздушные, от-
крытые. Несмотря на обширные исследования,
паровое охлаждение лопаточных аппаратов по-
прежнему применяется весьма ограниченно
и только в стационарных ГТД большой мощ-
ности фирм «Дженерал Электрик», «Мицу-
биси», «Вестингауз» поколения «H». В этих
двигателях величина ТГ составляет порядка
1500 °С, т.е. такая же, как у двигателей поко-
ления «G», в которых применяется паровое
охлаждение только смесителей жаровых труб
(следует также отметить, что, например, в
ГТД SGT5-8000H фирмы «Сименс», который
также относится к поколению «H», система
охлаждения чисто воздушная [6]). Внедре-
ние парового охлаждения приводит к резкому
усложнению конструкции как ГТД, так и ПГУ
в целом. При этом повышение КПД ПГУ по
сравнению с поколением «G» по данным [7]
составляет 1,3…2,0 %, а по сравнению с ПГУ
с двигателями поколения «FB» – примерно
2,7 %, а по некоторым данным даже меньше.
Кроме того, применение парового охлаждения
в ГТД приводит к невозможности его эксплуа-
тации в простом цикле, резко удлиняет про-
цесс запуска, ухудшает маневренные характе-
ристики.
В этом плане показательно, что в настоя-
щее время фирмой «Мицубиси» создана моди-
Рис. 4. Рост температуры газа на входе в турбину двигателей фирмы «Мицубиси»
и тенденции повышения свойств лопаточных жаропрочных сплавов.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 57
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
фикация двигателя M501GAC (G Air Cooled), в
котором паровое охлаждение смесителей жаро-
вых труб заменено воздушным. В 2011 г. эта фир-
ма планирует начать поставку двигателей сле-
дующего поколения «J», мощностью 320 МВт с
ТГ = 1600 °С, в которых предполагается приме-
нить ряд новых технических решений, нарабо-
танных в процессе разработки перспективно-
го ГТД с ТГ = 1700 °С [8]. Внедрение парового
охлаждения лопаток турбины на двигателях по-
коления «J» пока не планируется.
Из всего сказанного выше следует, что со-
вершенствование систем охлаждения лопаток
турбин и, прежде всего, воздушных является в
настоящее время безальтернативным направле-
нием при создании новых высокоэкономичных
ГТД и ГТУ для энергетики.
Еще одна проблема при освоении более вы-
соких ТГ заключается в том, что с повышением
ТГ растет и оптимальная степень повышения
давления в цикле ГТД, которая в современных
двигателях, предназначенных для работы в со-
ставе ПГУ, в ГТД поколения «H» достигает 23
и сохраняется тенденция к её повышению. Это
приводит к росту температуры охлаждающего
воздуха, что дополнительно усложняет дости-
жение требуемой глубины охлаждения. В целом
же необходимо отметить, что повышение ТГ
приводит к значительному усложнению систем
охлаждения ГТД и увеличению количества воз-
духа, отбираемого на охлаждение. Например, в
энергетических ГТД поколений «F», «G», «H»
охлаждаются СЛ и РЛ первых трех ступеней
турбины из четырех.
Как правило, величина расхода воздуха на
охлаждение отдельных лопаточных венцов и
двигателей в целом в открытой литературе не
приводится. В то же время по косвенным оцен-
кам и собственному опыту проектирования рас-
ходы воздуха на охлаждение профильных частей
СЛ первой ступени в современных ГТД, ориен-
тировочно, составляют 5…7 % от расхода воз-
духа на входе в компрессор, РЛ – 3,5…5,5 %. На
охлаждение торцевых поверхностей СЛ первой
ступени отбирается 1,5...2,5 %, на охлаждение
бандажных полок РЛ первой ступени или вста-
вок над ними – 2…3 %. Суммарный отбор воз-
духа на охлаждение лопаток турбины может
превышать 20 % от расхода воздуха на входе в
компрессор.
Для уменьшения отбора воздуха приме-
няют целый ряд специальных технических
решений. Среди таких решений, которые не
имеют непосредственного отношения к совер-
шенствованию систем охлаждения лопаток,
необходимо отметить: применение специаль-
ных охладителей для снижения температуры
воздуха, отбираемого на охлаждение деталей
турбин водой парового контура; применение
воздуха из-за промежуточных ступеней ком-
прессора для охлаждения второй и третьей
ступеней турбин.
Следует также отметить уменьшение не-
производительных утечек за счет широкого
применения наиболее совершенных уплотне-
ний между деталями ротора и статора, в част-
ности, щеточных уплотнений, а также газо-
плотных уплотнительных элементов между
деталями статора. Задача снижения отборов
охлаждающего воздуха стоит очень остро еще
и из-за необходимости обеспечения низких вы-
бросов NОX, в соответствии с современными
требованиями. Ввиду ограниченности объема
статьи, далее будут рассмотрены только меро-
приятия, касающиеся лопаточных аппаратов.
Вместе с тем, увеличение расхода воздуха
на охлаждение лопаток является необходимой
мерой, но недостаточным условием для дости-
жения достаточной глубины охлаждения: для
этого необходима еще и максимальная интен-
сификация теплообмена со стороны охладите-
ля.
Ниже рассмотрены конкретные техниче-
ские решения, заложенные в конструкциях СЛ
и РЛ, позволившие обеспечить допустимые
температуры лопаток при максимально высо-
ких температурах газа.
2. Схемы охлаждения, наиболее часто
применяемые в лопатках современных ГТД
На рис. 5, взятом из работы [3], показа-
на конструкция СЛ первой ступени двигателя
М701G1, которая характерна для большинства
современных высокотемпературных ГТД. Вну-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №158
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Конвективное охлаждение лопатки обеспе-
чивается струйным обдувом внутренних поверх-
ностей стенок через отверстия в дефлекторах.
Как видно из рисунка, участок струйного охлаж-
дения отсутствует в районе входной кромки, т.е.
присутствует только в зоне наиболее высоко-
го противодавления со стороны газа. В данной
конструкции лопатки конвективное охлаждение
комбинируется с развитым пленочным охлаж-
дением. Основное преимущество данного тех-
нического решения – относительная простота
конструкции при весьма высокой интенсивности
конвективного теплообмена. Судя по данным,
представленным в открытой печати, лопатки ана-
логичной конструкции были разработаны еще в
конце 80-х г.г. XX в. при создании ГТД поколения
«F», однако использованные в них технические
решения до настоящего времени применяются
очень часто при разработке новых конструкций
СЛ.
Аналогичные конструктивные решения ха-
рактерны для многих СЛ первых ступеней совре-
менных авиационных ГТД, несколько упрощен-
ные решения характерны и для стационарных
ГТД малой и средней мощности.
В качестве недостатка такого способа
охлаждения следует отметить необходимость
выполнения в дефлекторах большого количе-
ства мелких отверстий, склонных к засорению,
что особенно актуально для двигателей сред-
ней и малой мощности.
Рис. 6. Сопловая лопатка с петлевой
схемой течения воздуха.
тренняя полость состоит из трех отдельных по-
лостей, в каждой из которых установлен перфо-
рированный дефлектор.
Рис. 5. Схема охлаждения СЛ первой ступени двигателя М701G1.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 59
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
В настоящее время в ГТД, разработанных
в странах бывшего СССР, достаточно широкое
применение нашли, так называемые, «вихре-
вые» лопатки, внутренние полости которых
частично или полностью состоят из вихревых
матриц (lattice cooling по англоязычной терми-
нологии). Вихревая матрица (ВМ) представля-
ет собой систему компланарных межреберных
каналов, близких по форме к прямоугольной,
пересекающихся под углом 2β, как показано
на рис. 7. Потоки воздуха в этих каналах обме-
ниваются вращательным моментом и количе-
ством движения. Схемы вихревых турбинных
лопаток различного конструктивного исполне-
ния показаны на рис. 7.
Рис. 7. Схемы вихревых рабочих лопаток.
Переход на 3-D профилирование лопаточ-
ных аппаратов турбин затрудняет применение
дефлекторных схем охлаждения лопаток вслед-
ствие появления криволинейных образующих
пера лопатки. По этой причине в последнее
время достаточно широко применяются петле-
вые схемы охлаждения, условно показанные на
рис. 6, которые раньше были характерны в
основном для РЛ. Как видно из этого рисун-
ка, охлаждающие каналы лопатки снабжены
ребрами-турбулизаторами, которые позволяют
повысить интенсивность теплообмена у вну-
тренних поверхностей профиля в несколько раз.
Более подробно этот метод интенсификации те-
плообмена рассмотрен в разделе 3.
Как известно, возможности повышения
температуры газа перед турбиной во многом
определяются возможностями создания охлаж-
даемых РЛ первой ступени турбины с необхо-
димой глубиной охлаждения. Для РЛ первых
ступеней, которые разработаны в 60-70-е г.г. ХХ
в., также были характерны схемы охлаждения с
внутренним дефлектором и струйным обдувом
внутренних стенок пера лопатки через отверстия
в дефлекторе. В РЛ такой конструкции удавалось
достигать достаточно высокой глубины охлаж-
дения, как правило, большей, чем в лопатках
с радиальными цилиндрическими каналами
и в лопатках со штырьками-турбулизаторами,
которые также широко применялись в те годы.
Однако из-за целого ряда существенных недо-
статков конструктивного и технологического
характера в настоящее время РЛ с такими схе-
мами охлаждения не разрабатываются.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №160
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Применение ВМ в условиях, характерных
для лопатки газовой турбины (β=30°...60°), по-
зволяет обеспечить весьма высокую глубину
охлаждения при приемлемых потерях давле-
ния. Следует отметить, что необходимая глуби-
на охлаждения в таких лопатках достигается, в
основном, за счет эффекта оребрения.
Исследования, выполненные в работах [9,
10], показали, что применение ВМ в «хвосто-
вой» части лопатки взамен штырькового охлаж-
дения увеличило долговечность лопатки в 10
раз, а при замене ребер-турбулизаторов на по-
верхностях внутренних стенок в средней части
лопатки на ВМ – в 3,4...4,2 раза. Число термо-
циклов до появления трещин на стороне давле-
ния около выходной кромки лопатки с ВМ ока-
залось на два порядка больше по сравнению со
штырьковой системой охлаждения. Более чем
тридцатилетний опыт эксплуатации подтвердил
ее исключительную «живучесть» при работе в
нерасчетных условиях, при запыленности по-
тока, появлении микротрещин на поверхности
лопатки и даже при повреждении посторонними
объектами. ВМ успешно применяются также в
СЛ, где они обычно комбинируются с дефлек-
торными схемами.
Дальнейшее повышение теплообменных
характеристик в ВМ ограничивается, в основ-
ном, невозможностью увеличения коэффици-
ента оребрения выше определенного уровня,
прежде всего, из-за причин технологического
характера. Повышение глубины охлаждения в
лопатках с ВМ сопровождается увеличением
разницы температур оболочки лопатки и вер-
шин ребер матрицы, что не всегда приемлемо.
Необходимо отметить, что данных о при-
менении в зарубежных ГТД РЛ, внутренние
полости которых состоят из ВМ, в открытой
литературе не обнаружено. Но в то же время,
ряд зарубежных фирм, например, «Дженерал
Электрик» проводит научные исследования в
этой области, что может служить подтвержде-
нием перспективности данного способа охлаж-
дения [11, 12].
Обзор конструкций охлаждаемых лопаток
современных ГТД различного назначения пока-
зал, что, независимо от мощности, абсолютное
большинство РЛ имеет петлевую схему течения
Рис. 8. Типичная схема охлаждения рабочей лопатки.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №1 61
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Выводы
На основании выполненного обзора кон-
струкций охлаждаемых СЛ и РЛ можно сделать
следующие выводы:
– достигнутые в последние годы успехи в
совершенствовании систем охлаждения лопа-
точных аппаратов позволяют применять чисто
воздушные системы охлаждения в энергетиче-
ских ГТД большой мощности при температурах
ТГ = 1500…1600 °С;
охладителя с ребрами-турбулизаторами малой
высоты. Такие РЛ характерны, в частности, для
двигателей фирм «Дженерал Электрик», «Роллс-
Ройс», «Мицубиси», «Сименс-Вестингауз»,
ЗМКБ «Прогресс» и других. В охлаждающих
каналах с ребрами-турбулизаторами интенсифи-
кация конвективного теплообмена достигается
за счет постоянного разрушения пограничного
слоя и дополнительной турбулизации потока
охладителя у теплообменной поверхности.
В РЛ современных высокотемпературных
ГТД петлевые схемы течения, как правило, ком-
бинируются с пленочным охлаждением. Схе-
ма такой лопатки показана на рис. 8. Исполь-
зование выпуска воздуха на пленку позволяет
реализовать в таких лопатках многоконтурные
схемы охлаждения. Такие схемы позволяют ис-
пользовать в каждом из контуров весь распола-
гаемый перепад давлений охладителя, что дает
возможность достичь максимальной интенсив-
ности теплообмена. Кроме того, при этом для
охлаждения наиболее проблемных зон (обычно
это входная и выходная кромки) могут быть осу-
ществлены отдельные подводы воздуха с мини-
мальными температурами. В плане конкретных
конструктивных решений, такие РЛ отличаются
количеством радиальных каналов, количеством
отдельных контуров охлаждения, а также кон-
фигурацией ребер-турбулизаторов и схемами их
расположения в охлаждающих каналах.
– из перспективных схем конвективного
охлаждения значительный практический ин-
терес представляют циклонные, основанные
на принципе закрученного потока в канале
охлаждения, многощелевые; а также ряд схем
с выпуском воздуха на поверхность;
– дальнейшее совершенствование систем
охлаждения лопаток должно проводиться как
по пути совершенствования систем внутренне-
го (конвективного) охлаждения, так и по пути
совершенствования систем пленочного охлаж-
дения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Septimus van der Linden et al., Gas Turbine
Development, More than 50 Years ago // ASME
Paper № GT2005-68966.
2. Takeishi K., et al., Development and Shop
Test of a new 25-35MW Class Gas Turbine MF-
221 // ASME Paper №96-GT-425.
3. Aoki S, et al., Development of the Next
Generation of 1500 °C-class Advanced Gas
Turbine for 50 Hz Utilities // ASME Paper №96-
GT-314.
4. Скальцо А., Маклорин Л., Хауард Дж. Но-
вая высокоэкономичная газовая турбина мощ-
ностью 150 МВт.– Современное машинострое-
ние, серия А. 1989, т.11.
5. Ito E., Tsukagoshi K., et.al., Development
of Key Technologies for the Next Generation
of 1700 °C-class Gas Turbine // ASME Paper
№ GT2009-59783.
6. Rudolph R., et al., Innovative Design Features
of the SGT5-800H Gas Turbine and Secondary
Air System // ASME Paper № GT2009-60137.
7. Ольховский Г.Г. Разработки перспектив-
ных энергетических ГТД, Теплоэнергетика
№4.– 1996.
8. Gas Turbine World, January-February 2009,
V. 39, N1.– P.4.
Получено 26.10.2009 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60485 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T05:59:40Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Халатов, А.А. Романов, В.В. Дашевский, Ю.Я. Письменный, Д.Н. 2014-04-15T18:24:13Z 2014-04-15T18:24:13Z 2010 Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние / А.А. Халатов, В.В. Романов, Ю.Я. Дашевский, Д.Н. Письменный // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 1. — С. 53-61. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60485 532.516; 536.24.01 В статье представлены перспективы повышения температуры газа перед турбиной в энергетических ГТД. Рассмотрены конструкции охлаждаемых лопаток современных высокотемпературных двигателей. У статті наведенo перспективи підвищення температури газу перед турбіною в енергетичних ГТД. Розглянутo також конструкції охолоджуваних лопаток сучасних високотемпературних двигунів. This report presents prospects of the inlet temperature growth in gas turbines for power plants. The air cooled blades & vanes design features for the modern and perspective high performance engines are considered. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Теплоэнергетические установки Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние High performance gas turbine blade cooling: trends of development. Part 1. Modern state Article published earlier |
| spellingShingle | Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние Халатов, А.А. Романов, В.В. Дашевский, Ю.Я. Письменный, Д.Н. Теплоэнергетические установки |
| title | Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние |
| title_alt | High performance gas turbine blade cooling: trends of development. Part 1. Modern state |
| title_full | Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние |
| title_fullStr | Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние |
| title_full_unstemmed | Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние |
| title_short | Тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических ГТД. Часть 1. Современное состояние |
| title_sort | тенденции развития систем охлаждения лопаток высокотемпературных энергетических гтд. часть 1. современное состояние |
| topic | Теплоэнергетические установки |
| topic_facet | Теплоэнергетические установки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60485 |
| work_keys_str_mv | AT halatovaa tendenciirazvitiâsistemohlaždeniâlopatokvysokotemperaturnyhénergetičeskihgtdčastʹ1sovremennoesostoânie AT romanovvv tendenciirazvitiâsistemohlaždeniâlopatokvysokotemperaturnyhénergetičeskihgtdčastʹ1sovremennoesostoânie AT daševskiiûâ tendenciirazvitiâsistemohlaždeniâlopatokvysokotemperaturnyhénergetičeskihgtdčastʹ1sovremennoesostoânie AT pisʹmennyidn tendenciirazvitiâsistemohlaždeniâlopatokvysokotemperaturnyhénergetičeskihgtdčastʹ1sovremennoesostoânie AT halatovaa highperformancegasturbinebladecoolingtrendsofdevelopmentpart1modernstate AT romanovvv highperformancegasturbinebladecoolingtrendsofdevelopmentpart1modernstate AT daševskiiûâ highperformancegasturbinebladecoolingtrendsofdevelopmentpart1modernstate AT pisʹmennyidn highperformancegasturbinebladecoolingtrendsofdevelopmentpart1modernstate |