Долговечность газотурбинной установки при работе с изменяющейся по времени температурой газа перед турбиной

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ПРИ РАБОТЕ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ПО ВРЕМЕНИ ТЕМПЕРАТУРОЙ ГАЗА ПЕРЕД ТУРБИНОЙ

Ю.А. Антипов, И.К. Шаталов, Е.В. Собенников, Е.В. Белова

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Долговечность рабочих лопаток газотурбинной установки (ГТУ) уменьшается на 25—35% при медленных циклических изменениях температуры, связанных с работой на частичных нагрузках. Повышение долговечности охлаждаемых лопаток может быть получено за счет сохранения их постоянной температуры путем регулирования расхода охлаждающего воздуха.

Ключевые слова: газотурбинная установка, охлаждение лопаток, пределы прочности и текучести.

Долговечность и ресурс — это срок службы газотурбинной установки (ГТУ) до капитального ремонта. Опыт эксплуатации [1; 2] показывает, что долговечность определяется главным образом работоспособностью жаровых труб камеры сгорания и лопаток турбины. Замена жаровых труб занимает сравнительно мало времени и производится в процессе эксплуатации [1]. Замена лопаток турбины, особенно рабочих, производится при капитальном ремонте. Ниже рассматривается влияние медленно меняющейся температуры газа на срок службы рабочих лопаток.

Современные стационарные ГТУ (энергетические и ГТУ газоперекачивающих станций) должны иметь срок службы в десятки тысяч часов. На долговечность лопаток сильно влияет изменение их температуры. Наибольшие скачки температур происходят при пуске. Но и при рабочих режимах происходят изменения температур вследствие изменения мощности потребителя и температуры окружающей среды. Энергетические ГТУ испытывают изменения нагрузки по времени суток, газоперекачивающие агрегаты (ГПА) — при изменении расхода газа.

Влияние резких скачков температуры газа при пуске на ресурс ГТД хорошо известно. Так, авиационный турбовинтовой двигатель (ТВД) АИ-20 при установке на самолетах, летающих на длинных линиях, имеет вдвое больший ресурс, чем на самолетах, работающих на коротких линиях [1; 3]. Однако и при редких пусках срок службы горячих деталей снижается из-за сравнительно медленных изменений температуры газа, связанных с изменением нагрузки.

При повышенных температурах (более 500—600 °С) происходит непрерывное нарастание деформации даже в том случае, если механические напряжения ниже предела упругости. Это явление называется ползучестью (крип). Предел ползучести ниже предела прочности ов, например, у хромоникелевого сплава ЭИ437Б (20% хрома и 75% никеля) в диапазоне температур 600—800 °С величина о0,2 составляет 60—70% от ов.

Антипов Ю.А. и др. Долговечность газотурбинной установки при работе с изменяющейся.

Имеются параметрические зависимости, связывающие напряжения, время и температуру сплавов [4; 6].

Уравнение Манкмана—Гранта связывает скорость ползучести и с временем до разрушения т:

ти" = с,

где с и т — постоянные, т — срок службы, ч.

Широкое применение получил параметр Ларсена—Миллера

Р = Т

где Т — температура, К; с — постоянная, равная около 20 у хромоникелевых сплавов.

Испытания, проведенные в Центральном котлотурбинном институте, НИИ черной металлургии, Центральном институте авиационного моторостроения и в других организациях, позволили получить зависимость о = /(р) (рис. 1), которая практически не зависит от температуры. Задавшись сроком службы и температурой, из (1) определяют Р, и по графику (рис. 1) находят допускаемое напряжение о.

Рис. 1. Зависимость пределов прочности ав и ползучести а02 от параметра Ларсена—Миллера

Опыты показывают, что при повторных нагревах деталей из жаропрочных сплавов их долговечность снижается по сравнению с той, какой она была бы при постоянном длительном нагреве [4; 5]. Был испытан образец из хромоникелевого сплава ЭИ-929 при t = 850 °С, причем каждые 2 часа в течение 10 минут температура поднималась до 950 °С. Испытания показали, что пределы прочности и ползучести снизились до 30% от той величины, которая была бы при постоянной температуре. Можно считать, что amt = const, причем у сплава ЭИ-437Б m = 5—6 [4].

При циклическом изменении температуры существенно повышается скорость ползучести. Для определения связи числа циклов N и пластической деформации е0, вызванной ползучестью, предложено уравнение [5]

£0 = №'5 = const.

Из этого уравнения следует, что при увеличении числа циклов с 1 до 100 пластическая деформация растет в 10 раз.

Зависимость предела прочности от колебания температуры At дает формула [6]

ов = 00e-Mi,

где о0 — предел прочности при исходной температуре; e = 2,718; k = 0,77 • 10 2.

Расчет по формуле (3) показывает, что при колебаниях температуры At = = ±50—100 °С предел прочности снижается в 2,16 раза.

Зависимость предела прочности от срока службы дает уравнение

а„ =оА

где m = 0,14; т0 и т — исходный и искомый срок службы в часах.

На рис. 2 показаны зависимости температуры газа перед турбиной ВДГТУ

— N

от относительной мощности Ne = —— (N — мощность на номинальном режи-

Nв0

ме) для одновальных (1), двухвальных и трехвальных (2) установок. Видно, что при снижении мощности до 40% от полной в одновальной ГТУ температура газа снижается от 1400 до 1500 К и А^ = 350 °С. При таком же снижении мощности двухвальных и трехвальных ГТУ ^ снижается до 1150 К (А^ = 250 °С).

На рис. 3 показана зависимость Аtг и А^ от Ne для одновальной (1) двухваль-ной/трехвальной (2) ГТУ. Из графиков следует, что температура рабочих лопаток tJ¡ меняется меньше, чем температура газа. Это объясняется, во-первых, тем, что температура торможения газа на рабочей лопатке 7М) « (0,85—0,9) 7г на 10— 15% ниже температуры газа; во-вторых, при воздушном охлаждении рабочих лопаток их температура 7л и колебания температуры по режимам существенно ниже, чем А^. Тем не менее при Ne = 0,5 снижение температуры лопатки составляет у одновальной ГТУ на 150 °С, у двухвальных/трехвальных на 100 °С.

Рис. 2. Зависимость температуры газа перед турбиной ВД от относительной

мощности ГТУ: 1 — одновальная; 2 — двух- и трехвальная

Рис. 3. Зависимость уменьшения температуры газа Аtг и рабочих лопаток Аtn от относительной мощности ГТУ: 1 — одновальная; 2 — двух- и трехвальная

Антипов Ю.А. и др. Долговечность газотурбинной установки при работе с изменяющейся...

Зависимости предела прочности ов и предела ползучести а0,2 от Д?л при разных осредненных за цикл температурах лопаток приведены на рис. 4. Кривые получены для жаропрочных хромоникелевых сплавов с помощью формул (1)—(3). Из приведенных кривых видно, что при А(л = ±50—100 °С предел прочности снижается от 420 до 240 МПа, т.е. на 43%. При снижении температуры ов составляет 37%.

Зависимость пределов прочности и текучести от срока службы т можно получить с помощью параметра Ларсена—Миллера (1). Результаты расчета при = = 700 °С приведены в таблице.

Таблица

Зависимость пределов прочности и текучести от срока службы т

Т, ч 100 1000 10 000 1 000 000

ав, МПа 400 283 200 142

а02, МПа 260 184 130 92

При увеличении срока службы со 100 ч (характерного для первых авиационных ГТД) до 100 000 ч допускаемые напряжения уменьшаются в 2,8 раза. Зависимость предела прочности сплава ЭИ-437Б (»75% N1 и 20% Сг) от температуры при сроке службы 100 000 часов приведена на рис. 5.

Рис. 4. Зависимость пределов прочности ав и ползучести а02 от ^ при различных средних по времени температурах лопаток Д^ для сплава ЭИ 437Б

Рис. 5. Зависимость пределов прочности ав и ползучести а02 от температуры (т = 10 000) для сплава ЭИ 437Б

Из (5) следует, что можно при уменьшении tw на частичных нагрузках сохранить постоянную температуру лопатки за счет снижения f Для этого нужно снизить ов за счет уменьшения расхода воздуха через компрессор ВД ГТУ. Расчеты показывают, что за счет уменьшения этой цифры в 2—3 раза в диапазоне NB = 0,4—1,0 можно получить tJ1 = const. Как следует из кривых рис. 4, это позволит увеличить срок службы лопаток на 25—35%.

Температура конвективно охлаждаемой воздухом рабочей лопатки

t = ,

л 1 + f ' W

где f = OИв, ав и а — коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха и газа; ив и ит — аг uT

периметры охлаждаемых поверхностей.

Выводы. Срок службы рабочих лопаток турбин ГТУ определяется ползучестью сплавов. Зависимость пределов прочности и ползучести от температуры и срока службы можно найти с помощью параметра Ларсена—Миллера.

Циклические изменения температуры лопаток на Д^ = ±50—100 °С снижают O и ат в 1,25—1,35 раза.

Для увеличения срока службы охлаждаемых воздухом рабочих лопаток на 25—35% можно предложить уменьшение расхода охлаждающего воздуха на частичных нагрузках, с тем чтобы температура лопаток на всех режимах была постоянной и близкой к таковой на полной мощности.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Акимов В.М. Основы надежности ГТД. — М.: Машиностроение, 1950. [Akimov V.M. Osnovy nadegnosti GTD. — M.: Mashinistroenie, 1950.]

[2] Лозовский В.Н. и др. Диагностика авиационных двигателей. — М.: Машиностроение, 1988. [Lozovskij V.N. i dr. Diagnostika aviatsionnyh dvigatelej. — M.: Mashinostroenie, 1988.]

[3] Барский И.А., Куватова Г.Г. Температура и термические напряжения в турбинных лопатках на неустановившехся режимах // ИВУЗ Машиностроение. — 2005. — № 4. [Barskij I.A., Kuvatova G.G. Temperatura i termitheskie naprjagenija v turbinnyh lopatkah na neustanovivshihsja regimah // IBUZ Mashinostroenie. — 2005. — N 4.]

[4] Сизова Р.Н. Факторы, влияющие на надежность материалов при длительном статическом нагружении // Ресурс и надежность ГТД. — М., 1985. — Вып. II. [Sizova R.N. Factory, vlija-jushie na nadegnost materialov pri dlitelnom statitheskom nagrugenii // Resurs i nadegnost GTD. — M., 1985. — Vyp. II.]

[5] Гецов Л.Б. Поведение жаропрочных материалов при циклических температурах и напряжениях. — М.: Госэнергоиздат, 1980. [Gecov L.B. Povedenie garoprothnyh materialov pri ciklitheskih temperarurah i naprjagenijah. — M.: Gosenergoizdat, 1980.]

[5] Robinson El. Trans. AMSE. — 1982. — V. 74, #5. — P. 777—781.

OVERHAUL TIME OF GAS TURBINE BY TEMPERATURE CHANGE

J.A. Antipov, I.K. Shatalov, E.V. Sobennikov

Department of heating engineers and heat engines

Peoples' Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

Overhaul time of gas turbine by temperature change. Overhaul time of blades decreased on 25— 35% when temperature slow changed owing to work on part load. Overhaul life of cooling blades bay be increase if air flow control retain permanent blade temperature.

Key words: gas turbine, cooling blade, tensile and creep strength.