СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СТУПЕНЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
SYSTEM OF LIQUID COOLING OF POWER GAS TURBINE HIGH-TEMPERATURE STAGE BLADES

Область использования изобретения
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности, к системам жидкостного охлаждения лопаток высокотемпературных ступеней газовой турбины и может быть использовано в энергетических газотурбинных установках (ГТУ) в составе комбинированных парогазовых установок (ПГУ), где проще удовлетворить потребность в охлаждающей воде, в качестве которой используется конденсат из паровой части ПГУ.
Уровень техники
Современные мощные энергоблоки ПГУ на природном газе и жидком (резервном) топливе должны быть не только высокоэкономичными, но одновременно и маневренными, поскольку возрастает доля возобновляемых естественно переменных источников энергии (солнца и ветра), а также атомных электростанций, не способных работать в маневренном режиме.
Водяное охлаждение лопаток газовых турбин мобильнее парового и позволяет сократить общий расход охлаждающего воздуха, который у современных ГТУ уже превышает 20% от производительности ее компрессора. Это улучшает основные показатели ГТУ и ПГУ и позволяет благодаря лучшим переносным свойствам жидкости повысить прочностной ресурс лопаток начальных (одной или двух) высокотемпературных ступеней четырех- или пятиступенчатой газовой турбины при работе не только на природном газе, но и на золосодержащем синтезгазе, полученном из угля.
Известна система жидкостного охлаждения лопаток газовой турбины, закрепленных хвостовой частью на ободе несущего диска ротора турбины, содержащая расположенные внутри каждой лопатки охлаждающие каналы, сообщенные соединительными каналами с междисковыми полостями ротора, предназначенными для подачи через них охлаждающей жидкости и отвода пара от свободной поверхности кольцевых слоев указанной жидкости, создаваемых центробежными силами в каждой междисковой полости ротора при его вращении (SU 732554, F01D 5/08, 1978 - аналог). Отвод с паром теплоты охлаждения увеличивает используемую хладоемкость жидкости и минимизирует ее расход. От расстояния уровня свободной поверхности до оси вращения ротора зависит давление жидкости в лопатках и режим их охлаждения. При этом давление жидкости и соответственно ее температура при прочих равных условиях могут быть рационально повышены до значений, исключающих переохлаждение лопаток для принятого жаропрочного материала. Недостатком указанного аналога является наличие большого числа коммуникационных каналов в центральной расточке полувала ротора, что осложняет внешний подвод жидкости и отвод пара. Система жидкостного охлаждения согласно указанному известному аналогу распространяется на лопатки всех ступеней турбины, что объяснялось отсутствием в то время жаропрочных материалов. Совместить эту систему с воздушным охлаждением лопаток менее теплонапряженных дисков на современном роторе любой конструкции невозможно по условиям прочности высоконагруженных несущих дисков, ослабленных многочисленными отверстиями для циркуляции жидкости.
Известна система жидкостного охлаждения лопаток по меньшей мере одной высокотемпературной ступени газовой турбины, закрепленных хвостовой частью на ободе несущего диска указанной ступени ротора турбины, содержащая с одной из сторон указанного диска осесимметричный ему открытый вниз кольцевой желоб, по меньшей мере две неподвижные форсунки, направленные симметрично в сторону указанного желоба для подачи в него охлаждающей жидкости, а также расположенные по периметру профиля лопатки в ее подповерхностном слое продольные охлаждающие каналы, входные концы которых сообщены соединительными каналами с указанным желобом с образованием петлевидного охлаждающего тракта в каждой лопатке (US 4134709, B01D 5/18, 1979 - ближайший аналог). Согласно данному ближайшему аналогу использование для создания свободной поверхности охлаждающей жидкости при вращении ротора открытого вниз кольцевого желоба на боковой поверхности несущего диска и форсунок для подачи в указанный желоб охлаждающей жидкости позволяет варьировать его расположение на различных расстояниях от оси ротора, хотя такая возможность в указанном патенте не оговаривается. Преимуществом технического решения по указанному ближайшему аналогу является также увеличение поверхности охлаждения за счет размещения большого числа продольных охлаждающих каналов по периметру профиля лопатки в ее подповерхностном слое, а также упрощение подвода охлаждающей жидкости к ротору и к лопаткам. К существенным недостаткам системы охлаждения согласно ближайшему аналогу следует отнести то, что, во-первых, в петлевидный охлаждающий тракт внутри каждой лопатки входит центральный соединительный канал, проходящий в слабо обогреваемой зоне, что должно приводить к чрезмерным температурным напряжениям растяжения в теле лопатки, угрожающим ее прочности. Во-вторых, выходные концы охлаждающих каналов каждой лопатки сообщены с паровыми коллекторами в основании ее профильной части (корневое сечение). Указанные коллекторы сообщены соединительными каналами для отвода пара через хвостовую часть лопатки на сторону несущего диска, противоположную подводу жидкости. По закону сообщающихся сосудов это приводит к увеличению расстояния свободного уровня охлаждающей жидкости от оси ротора с установлением указанного уровня на отметке паровых коллекторов с соответствующим уменьшением давления жидкости в охлаждающих каналах. Наименьшим указанное давление будет в наиболее нагруженном центробежными силами корневом сечении лопатки, где и возможен фазовый переход с ухудшением теплоотдачи к охлаждающей среде, что уменьшает надежность охлаждения. Остальная часть лопатки до ее вершины, где нагрузки от центробежных сил значительно меньше, а давление жидкости максимально, охлаждается до температуры более низкой, чем допустимая по условию жаропрочности современных лопаточных материалов. Например, при водяном охлаждении лопаток согласно ближайшему аналогу средняя температура этой большей части поверхности лопатки не превысит 480…500°C в то время, как допустимая температура составляет 770…800°C. В-третьих, данная система охлаждения так же, как и система охлаждения согласно описанному выше аналогу, не содержит технического решения по охлаждению лопаток последующих менее теплонапряженных ступеней газовой турбины.
Раскрытие изобретения
Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение надежности жидкостного охлаждения всей профильной части лопаток высокотемпературных ступеней газовой турбины, обеспечение теплового состояния лопатки в соответствии с жаропрочностью выбранного материала, а также пригодность заявленной системы охлаждения к совмещению с воздушным охлаждением лопаток последующих менее теплонапряженных ступеней турбины.
1
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в системе жидкостного охлаждения лопаток по меньшей мере одной высокотемпературной ступени газовой турбины, закрепленных хвостовой частью на ободе несущего диска указанной ступени ротора турбины, содержащей с одной из сторон указанного диска осесимметричный ему открытый вниз кольцевой желоб, по меньшей мере две неподвижные форсунки, направленные симметрично в сторону указанного желоба для подачи в него охлаждающей жидкости, а также расположенные по периметру профиля лопатки в ее подповерхностном слое продольные охлаждающие каналы, входные концы которых сообщены соединительными каналами с указанным желобом с образованием петлевидного охлаждающего тракта в каждой лопатке, согласно изобретению желоб расположен в зоне диска со средним радиусом r, определяемым из соотношения
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>п</mi></msub><mo>+</mo><mn>0,5</mn><mi>ρ</mi><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>r</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>r</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1,07</mn><mo>…</mo><mn>1,10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow>
,
п
кр
2
где P - давление жидкости в охлаждающих каналах у корневого сечения лопатки, P - давление газообразной среды над свободной поверхностью жидкости, P - критическое давление для данной жидкости, при котором исчезает граница между ее паровой и жидкой фазами, ρ - плотность охлаждающей жидкости при ожидаемой ее средней температуре в соединительных каналах до корневого сечения лопатки, ω - угловая скорость вращения ротора, r - радиус диска у корневого сечения лопаток, выходные концы охлаждающих каналов сообщены так же, как входные, с помощью соединительных каналов с указанным желобом, емкость последнего в 100…110 раз превышает емкость охлаждающего тракта одной лопатки, а суммарная производительность всех форсунок выбрана из условия поддержания стабильного уровня свободной поверхности охлаждающей жидкости в пределах указанного желоба при вращении ротора. При этом указанные соединительные каналы для каждой лопатки могут быть выполнены в виде коллектора в подошве ее хвостовой части, соединенного с указанным желобом радиальной трубкой с разъемом, обеспечивающим возможность индивидуальной замены каждой лопатки. Диск со стороны расположения форсунок может быть снабжен примыкающим к нему и окружающим вал ротора защитным кольцевым дефлектором, а желоб выполнен заодно с указанным дефлектором или прикреплен к нему. Система охлаждения может дополнительно содержать измеритель уровня свободной поверхности охлаждающей жидкости в желобе, выполненный в виде соединенной с воздушными компрессором и расходомером трубки с открытым торцом, расположенным под указанным желобом.
Еще одним техническим результатом изобретения является возможность сочетания жидкостного охлаждения лопаток высоко температурных ступеней с воздушным охлаждением последующих менее теплонапряженных турбинных ступеней. Этот результат обеспечивается тем, что в нижней части диска с охлаждаемыми жидкостью лопатками под окружающей вал ротора частью дефлектора могут быть предусмотрены сквозные отверстия для пропуска воздуха, подводимого из указанного компрессора, на охлаждение лопаток последующих менее теплонапряженных ступеней турбины.
1
Причинно-следственная связь между основными отличительными признаками изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что расположение желоба в зоне диска со средним радиусом r, определяемым из приведенного выше соотношения, позволяет установить в охлаждающих каналах давление охлаждающей жидкости в пределах, обеспечивающих полное использование жаропрочных свойств выбранного материала лопатки.
Сообщение с желобом не только входных, но и выходных концов охлаждающих каналов позволяет удержать свободный уровень поверхности охлаждающей жидкости на отметке желоба и организовать отвод пара с указанной поверхности через проточную часть турбины. Превышение в 100…110 раз емкостью желоба емкости охлаждающего тракта одной лопатки обеспечивает удержание в нем охлаждающей жидкости при возникновении ее незначительных течей в случае образования усталостных микротрещин в отдельных лопатках, а выбор суммарной производительности всех форсунок из условия поддержания стабильного уровня свободной поверхности охлаждающей жидкости в пределах указанного желоба при вращении ротора обеспечивает надежное функционирование системы охлаждения лопаток однофазной жидкостью.
Краткое описание фигур чертежа
На фиг.1 изображен в продольном разрезе участок газовой турбины с одной из высокотемпературных ступеней, оборудованных системой жидкостного охлаждения лопаток согласно изобретению; на фиг.2 - поперечный разрез по А-А профильной части охлаждаемой согласно изобретению лопатки.
Подробное описание изобретения
Газовая турбина на участке согласно фиг.1 содержит корпус 1, вал 2 ротора с несущим диском 2.1, обод 3 указанного несущего диска 2.1, переднюю пазуху 4 между диском 2.1 и корпусом 1, уплотнение 5 переднего осевого зазора между диском 2.1 и корпусом 1 и лопатки 6 с профильной частью 6.1 (фиг.1,2) и хвостовой частью 6.2 (фиг.1) для их закрепления внутри обода 3 диска 2.1. Профильная часть лопатки 6 имеет (фиг.2) сердечник 6.3, поверхностную оболочку 6.4 и подповерхностный слой в виде продольных выемок 6.5.
Система жидкостного охлаждения лопаток 6 содержит в данном примере с передней стороны диска 2.1 осесимметричный ему открытый вниз (в сторону оси ротора) кольцевой желоб 7 и по меньшей мере две неподвижные форсунки 8, направленные симметрично в сторону указанного желоба 7 (фиг.1) для подачи в него охлаждающей жидкости 9 (как правило, конденсата водяного пара из паротурбинной части ПГУ). Указанная жидкость 9 при вращении ротора газовой турбины образует внутри желоба 7 уровень 10 ее свободной поверхности. По периметру профиля лопатки 6 в продольных выемках 6.5 ее подповерхностного слоя расположены продольные охлаждающие каналы 11 (фиг.1,2). В верхней части указанные каналы попарно объединены дуговыми перемычками 11.1 (фиг.1), в нижней части их входные и выходные концы сообщены с желобом 7 соединительными каналами с образованием петлевидного охлаждающего тракта в каждой лопатке 6. Соединительные каналы для каждой лопатки 6 выполнены в виде коллектора 12 в подошве ее хвостовой части 6.2, соединенного с желобом 7 радиальной трубкой 13 с разъемом 14, обеспечивающим возможность индивидуальной замены каждой лопатки. Желоб 7 расположен в зоне диска 2.1 со средним радиусом п, определяемым из соотношения
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>п</mi></msub><mo>+</mo><mn>0,5</mn><mi>ρ</mi><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>r</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>r</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1,07</mn><mo>…</mo><mn>1,10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
п
кр
2
где P - давление жидкости 9 в охлаждающих каналах 11 у корневого сечения лопатки 6 при вращении ротора, P - давление газообразной среды над свободной поверхностью 10 жидкости 9 в желобе 7, P - критическое давление для данной жидкости, при котором исчезает граница между ее паровой и жидкой фазами, ρ - плотность охлаждающей жидкости при ожидаемой ее средней температуре в соединительных каналах 12, 13 до корневого сечения лопатки, ω - угловая скорость вращения ротора, r - радиус диска 2.1 у корневого сечения лопаток 6 (фиг.1).
Емкость желоба 7 в 100…110 раз превышает емкость охлаждающего тракта (охлаждающих каналов 11 вместе с соединительными каналами 12, 13) одной лопатки 6, а суммарная производительность всех форсунок 8 выбрана из условия поддержания стабильного уровня 10 свободной поверхности охлаждающей жидкости 9 в пределах желоба 7 при вращении ротора. Последний со стороны расположения форсунок 8 снабжен примыкающим к нему и окружающим вал 2 защитным кольцевым дефлектором 15, а желоб выполнен в данном примере заодно с указанным дефлектором 15. Система жидкостного охлаждения дополнительно содержит измеритель уровня 10 свободной поверхности охлаждающей жидкости 9 в желобе 7, выполненный в виде соединенной с воздушными компрессором и расходомером трубки 16 с открытым торцом 16.1, расположенным под указанным желобом 7. В нижней части диска 2.1 с охлаждаемыми жидкостью лопатками 6 под окружающей вал 2 ротора частью дефлектора 15 предусмотрены сквозные отверстия 17 для пропуска воздуха, подводимого из компрессора ГТУ, на охлаждение лопаток последующих менее теплонапряженных ступеней турбины (на чертеже не показаны)
Описание работы системы охлаждения
1
2
кр
Система жидкостного охлаждения лопаток высокотемпературных ступеней газовой турбины согласно изобретению работает следующим образом. Охлаждающую жидкость (конденсат водяного пара) начинают подавать через форсунки 8 (фиг.1) в процессе пусковой раскрутки ротора турбины до розжига камеры сгорания ГТУ. При этом расход жидкости до окончания розжига ограничивают по условию заполнение элементов 11, 12, 13 охлаждающего тракта высокотемпературных ступеней с образованием (под действием обусловленных вращением ротора центробежных сил) в желобе 7 уровня 10 свободной поверхности (зеркала) жидкости. После розжига камеры сгорания требуемое положение уровня 10 в желобе 7 поддерживается путем регулирования подачи жидкости в форсунки 8 по показаниям измерителя указанного уровня, выполненного в виде трубки 16, соединенной с воздушным компрессором ГТУ. После прогрева лопаток 6 поступающим из камеры сгорания ГТУ газовым потоком возникает (вследствие неизбежной первоначально небольшой разности температур нагретой охлаждающей жидкости в ветвях петлевых каналов 11) естественная циркуляция жидкости в каждом охлаждающем петлевом тракте. В следствие выбранного при проектировании системы охлаждения по математическому соотношению (1) радиуса r расположения желоба 7 на несущем диске 2.1 в охлаждающих каналах 11 выше корневого сечения лопаток 6 (r>r) поддерживается давление P>P, в пределе, определяемом длиной лопатки, что обеспечивает однофазное состояние жидкости в каналах 11 профильной части 6.2 лопаток 6. Двухфазное состояние охлаждающей жидкости допускается на участках опускных ветвей петлевых каналов 11 до коллектора 12, где давление жидкости понижается ниже критического и ее температура оказывается выше температуры насыщения. Двухфазное состояние на этих участках допустимо, во-первых, потому, что практически отсутствует теплоподвод к жидкости, а, во-вторых, вследствие того, что при докритическом, но еще высоком давлении пар выделяется в виде мельчайших пузырьков, которые затем конденсируются в объеме заполняющей коллектор 12 жидкости. При этом температура жидкости повышается, что способствует уменьшению термических напряжений растяжения. Однофазное состояние жидкости сохраняется и на участке от коллектора 12 до дна желоба 7, представляющем собой радиальную трубку 13, в поперечном сечении которой осуществляется разнонаправленная естественно-конвективная (термосифонная) циркуляция жидкости. Парообразование возобновляется в объеме жидкости 9. Пар выделяется на свободной поверхности 10 и отводится в переднюю пазуху 4, откуда он поступает на герметизацию уплотнения 5 переднего осевого зазора между диском 2.1 и корпусом 1 и, проходя через указанный зазор, обеспечивает завесное охлаждение оснований лопаток 6, смешивается с рабочим телом (газовым потоком продуктов сгорания) и расширяется вместе с ним, повышая тем самым вырабатываемую турбиной мощность. Ожидаемый расход жидкости в системе охлаждения согласно изобретению примерно в 1,5 раза меньше, по сравнению с расходом охлаждающей жидкости согласно ближайшему аналогу, как уже отмечалось, за счет поддержания более высокой температуры лопаток. Потеря этого уменьшенного количества охлаждающей жидкости, связанная с подмешиванием образующегося пара к рабочему телу ГТУ, таким образом, незначительна, а энергия пара полезно используется при его расширении в газовой турбине и последующем охлаждении в котле-утилизаторе до температуры уходящих газов. Наличие дефлектора 15 предохраняет вал 2 и несущие диски 2.1 высокотемпературных ступеней ротора газовой турбины от температурных напряжений и эрозии, связанных с попаданием на них капель охлаждающей жидкости из форсунок 8. Охлаждение лопаток менее теплонапряженных турбинных ступеней может производиться компрессорным воздухом, поступающим в соответствующие полости между их дисками через сквозные отверстия 17 в дисках 2.1 высокотемпературных ступеней, оборудованных системой жидкостного охлаждения лопаток.
При останове ГТУ после отключения подачи топлива в камеру сгорания сразу же прекращается поступление охлаждающей жидкости через форсунки 8. Продолжительность выбега массивного ротора одновальной энергетической ГТУ вместе с ротором электрогенератора составляет порядка 20 минут. Она достаточна для полного испарения жидкости в объеме охлаждающего тракта лопаток за счет аккумулированной ими теплоты.