Аэромеханика и тепловой режим высокотемпературных газоходных систем газотурбинных и парогазовых установок

З. С. Багаутдинов

АЭРОМЕХАНИКА И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ 
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОХОДНЫХ 
СИСТЕМ ГАЗОТУРБИННЫХ  
И ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2017

УДК 533:621.438
ББК 31.363.3+30.124
 
Б 14

Р е ц е н з е н т

В. С. Белоусов, доктор технических наук,  
профессор Уральского федерального университета

Н ау ч н ы й  р е д а к т о р

А. В. Некрасов, кандидат технических наук,  
доцент Уральского федерального университета

Багаутдинов, З. С.
Б 14  
Аэромеханика и тепловой режим высокотемпературных 
газоходных систем газотурбинных и парогазовых установок / 
З. С. Багаутдинов. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2017. — 
320 с. 

ISBN 978‑5‑7996‑1933‑6

В книге раcсмотрены общее устройство высокотемпературных газоходных систем газотурбинных и парогазовых установок, силовые и температурные воздействия газового потока на отдельные элементы газоходных систем, а также представлены аэродинамические и тепловые расчеты, 
учитывающие особенности газоходных систем в целом и их отдельных 
элементов.
Книга предназначена для инженерно‑технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией парогазовых и газотурбинных установок ТЭС.

УДК 533:621.438
ББК 31.363.3+30.124

© Багаутдинов З. С., 2017
ISBN 978‑5‑7996‑1933‑6

Оглавление

ввеДение .................................................................................................................5

1. ОБЩие СвеДениЯ О гаЗОХОДнЫХ СиСТеМаХ (гС) .......................10

2. СилЫ, ДейСТвуюЩие на элеМенТЫ гаЗОХОДнЫХ  
СиСТеМ при Течении вЫСОкОСкОрОСТнЫХ гаЗОв .................44
2.1. Назначение газоходной системы  
и основные требования при ее разработке ..................................................44
2.2. Принципиальные схемы газоходной системы и конструкции  
основных элементов ......................................................................................47
2.3. Аэромеханические силы, возникающие при течении газов  
и действующие на элементы газоходных систем........................................51
2.3.1. Течение газового потока в линейном газоходном блоке ..................53
2.3.1.1. Силы трения ...........................................................................54
2.3.1.2. Силы давления на стенки газоходного блока ......................60
2.3.2. Течение газового потока в прямоугольном газоходном блоке 
с одним поворотом .............................................................................64
2.3.3. Течение газового потока в газоходном блоке  
с двумя поворотами в разных плоскостях ........................................68
2.3.4. Течение газов в газоходном блоке с боковым ответвлением ...........75
2.3.5. Течение газов в выхлопных диффузорах ГТУ ..................................81
2.3.6. Пример расчета сил, действующих на конический диффузор  
с поворотной камерой на 90° ...........................................................106
2.3.7. Аэродинамические силы и аэродинамический момент  
при течении газа в поворотных клапанах ...................................... 111
2.3.7.1. Прямоугольные клапаны ..................................................... 111
2.3.7.2. Круглые клапаны .................................................................132
2.3.7.3. Диверторы (байпасные клапаны) .......................................146
2.3.8. Отсечные задвижки с полной герметизацией .................................160
2.3.9. Воздухосмесители для газов газовой турбины ...............................173

3. ТеМпераТурнЫй реЖиМ раБОТЫ  
гаЗОХОДнОй СиСТеМЫ .............................................................................181
3.1. Температурные перемещения газоходных блоков ....................................181
3.2. Нестационарное одномерное температурное поле газоходных  
блоков с прямоугольным сечением ............................................................185
3.3. Тепловые напряжения в плоской стенке  
при нестационарном режиме ......................................................................196
3.4. Нестационарное температурное поле цилиндрической оболочки ..........199
3.5. Тепловые напряжения в цилиндрической оболочке .................................208

Оглавление

4. ТеплОваЯ ЗаЩиТа гаЗОХОДнЫХ БлОкОв .......................................221
4.1. Воздушные течения в термоизоляционном слое  
около плоской нагретой вертикальной стенки ..........................................225
4.2. Воздушные течения в пористом слое вертикальной полости  
в условиях негерметичности верхней и нижней частей наружной 
оболочки термоизолятора ...........................................................................247
4.3. Перенос тепла в вертикальных прямоугольных полостях,  
заполненных пористым материалом ..........................................................256
4.4. Перенос тепла в горизонтальных прямоугольных полостях,  
заполненных пористым материалом и нагреваемых снизу .....................261
4.5. Перенос тепла в горизонтальных прямоугольных полостях,  
заполненных пористым материалом и нагреваемых сверху ....................265

5. гиБкие кОМпенСируюЩие уСТрОйСТва ....................................267
5.1. Конструкция гибких неметаллических  
компенсирующих устройств .......................................................................278
5.2. Поперечные сдвиговые движения гибких оболочек .................................288
5.2.1. Форма оболочки — плоский прямоугольник ..................................288
5.2.2. Форма оболочки — прямоугольник с волновыми элементами .....292
5.3. Цилиндрические оболочки ..........................................................................297
5.4. Расчет элементов гибкого прямоугольного  
компенсирующего устройства ....................................................................298
5.4.1. Расчет толщины и ширины температурных  
термических мостов в рамных конструкциях ................................298
5.4.2. Изгиб прямоугольных пластин термического моста,  
жестко закрепленных двумя длинными кромками  
и свободно опертых двумя короткими сторонами ........................303
5.4.3. Изгиб пластин термических мостов компенсирующего  
устройства круглого сечения под действием  
внутреннего давления ......................................................................304
5.4.4. Расчет на прочность гибкой оболочки .............................................307

Заключение ......................................................................................................312

СпиСОк лиТераТурЫ .....................................................................................315

ввеДение

При проектировании и монтаже высокотемпературных газоходных систем, чувствительных к действию аэродинамических нагрузок и температурных режимов, можно 
условно выделить три этапа. На первом этапе в основном доминирует определение статической прочности 
элементов газоходных систем и повышение их изгибной 
жесткости с учетом температурного фактора, при этом 
обеспечение аэродинамической и тепловой устойчивости 
не принималось во внимание.
Начало второго этапа связано с возникновением многочисленных трещин и разрушений в корпусах газоходных блоков и, следовательно, с потерей их тепловой и 
газовой герметичности. С этого момента вопросам аэродинамической и тепловой устойчивости уделяется особое внимание, активно проводятся экспериментальные 
и наладочные работы, направленные на повышение жесткости отдельных узлов газоходной системы.
Третий этап характеризуется научно обоснованным 
подходом к разработке конструктивных решений с точки 
зрения обеспечения аэродинамической и тепловой устойчивости, т. е. способности газоходной системы и ее элементов противостоять воздействиям динамических нагрузок и высоких температур.
При проектировании и расчете элементов газоходной системы вопросы обеспечения их аэродинамической 

Введение

и тепловой устойчивости в эксплуатационной стадии 
относятся к одним из самых важных, и их успешное решение во многом определяет несущую способность и надежность газоходной системы. Кроме того, изучение аэродинамического и теплового воздействия потока горячих 
газов на элементы этой системы составляет одну из самых 
актуальных научных проблем аэромеханики. Особенность 
этой научной проблемы в прикладном, инженерном подходе — необходимости проведения комплексных исследований, таких как:
1) экспериментальное определение аэродинамических 
характеристик и свойств конструкции и ее отдельных составных частей;
2) построение достоверных математических моделей 
процессов, происходящих в системе, в условиях 
высокой скорости и температуры газового потока;
3) теоретический анализ возможных режимов аэроупругой и тепловой неустойчивости, оценка критериев их возникновения и условий существования;
4) натурные экспериментальные исследования и длительные наблюдения в ходе эксплуатации, цель 
которых — изучение фактической работы конструкций, их фактических тепловых и динамических свойств, изучение реакции отдельных элементов и узлов на реальные динамические и тепловые 
воздействия.
Совершенно очевидно, что со стороны рабочей среды 
на элементы газоходной системы действует пульсирующее 
давление газов, которое сильно меняется по ее длине. При 
этом температура газов весьма высокая (600 °С и более), 
и температура поверхности, соприкасающейся с газами, 

Введение

может достигнуть этих значений за короткий промежуток 
времени. Влияющим на это фактором, в первую очередь, 
является теплозащита наружной поверхности. Чем эффективнее теплозащита, тем быстрее прогреваются стенки 
газоходов и исчезает их неблагоприятное напряженное 
состояние. Кроме того, температурное состояние стенки в 
период пуска газовой турбины сильно зависит от ее толщины. Чем толще стенка, тем выше ее тепловое сопротивление, тем выше неравномерность распределения температуры по толщине, а следовательно, ниже прочностные 
показатели материала.
Таким образом, внутренняя несущая оболочка должна 
быть достаточно тонкой, чтобы обеспечить быстрый прогрев, и достаточно прочной, чтобы выдержать перепад 
давления высокотемпературных газов. В данном случае 
температуру следует рассматривать как внешний воздействующий фактор. Вопрос в том, в каком соответствии с 
другими внешними силами должна возрастать температура, чтобы деформация была простой. Эта задача представляется достаточно сложной, поскольку температурное 
воздействие не ограничивается одними температурными 
удлинениями. С повышением температуры меняются 
механические характеристики материала и вид диаграммы 
растяжения. Частично ответ может быть получен при анализе процессов нагрева оболочки в некоторых режимах 
запуска газовой турбины.
Эти задачи, однако, имеют самостоятельное значение. Поэтому, отвлекаясь от особенностей закона возрастания температуры, примем, что теория пластичности 
в ее настоящем виде с какой‑то степенью приближения 
отражает процесс деформирования оболочки газохода 

Введение

при температурном воздействии. Если нет температурного воздействия, т. е. рассматривается режим опрессовки 
газоходной системы, этот вопрос сомнения не вызывает, 
поскольку в этом случае нагружение будет простым. При 
простом нагружении возникает большей частью активная 
деформация. Наличие температуры усложняет явление 
и его анализ при условии, что закон возрастания температур неизвестен. В дальнейшем будем считать, что рост 
температур происходит одновременно с ростом внутренних сил и деформация конструкции является активной. Можно надеяться, что это не приведет к большим 
погрешностям.
Прочностные параметры материала оболочек отдельных узлов газоходных систем существенным образом 
зависят от эффективности термоизоляции. Обеспечение 
работоспособности теплонапряженных элементов конструкций достигается путем использования совершенных 
конструкций термоизоляции, исключающих возникновение в их пористой структуре свободных конвективных 
течений. Их наличие существенным образом ухудшает 
прочностные параметры материала с последующим возникновением локальных разрушений.
Появлению внутренних конвективных течений в слое 
термоизоляции способствует ненадежное крепление материала термоизоляции на поверхности оболочек газоходных систем, а иногда тепловое разрушение самого материала термоизоляции (термическое разложение, плавление, 
испарение компонентов и т. п.), а также механическое воздействие потока рабочей среды, обтекающего внутренние 
поверхности и уносящего отдельные частицы термоизоляционного слоя.

Введение

Автор приносит благодарность своим коллегам 
Г. И. Борисову, 
А. И. Хайдукову, 
Р. З. Багаутдино ву, 
Н. В. Смольской и др. за использование результатов совместного труда в монографии. Особую признательность автор выражает профессору В. С. Белоусову 
и доценту А. В. Некрасову, активно поддержавшим целесообразность издания данной монографии и способствовавшим ее совершенствованию.
Выражает особую благодарность Б. М. Крохалеву, 
который ввел автора в эту область и с которым его связывают многие годы плодотворного сотрудничества. Некоторые проблемы, рассмотренные в монографии, отражают 
совместную работу с А. В. Третьяковым в области газовоздушных трактов ПГУ, автор также выражает ему свою 
благодарность.

1. ОБЩие СвеДениЯ  
О гаЗОХОДнЫХ СиСТеМаХ (гС)

ГС газотурбинных установок (ГТУ) и парогазовых 
установок (ПГУ) предназначены для транспортирования 
высокотемпературных продуктов сгорания газовой турбины (ГТ) до котлов‑утилизаторов (КУ) или до горелочных устройств парогенераторов (ПГ). Обычно в состав ГС 
входят:
 – диффузор ГТ;
 – газоходные блоки;
 – компенсирующие устройства;
 – отсечная задвижка;
 – запорно‑регулирующие клапаны;
 – воздухосмеситель;
 – поворотные камеры;
 – шумоглушитель и т. д.
Общие виды газоходных систем ПГУ и ГТУ показаны 
на рис. 1.1–1.8.
Диффузоры и газоходные блоки изготавливаются 
с внутренней или наружной несущими оболочками 
круглого или прямоугольного сечения. Для них характерны условия эксплуатации c высокой температурой (до 
600 °C и более) и значительным внутренним давлением 
(до 10 кПа) отходящих газов, основными компонентами 
которых являются СО2, Н2О, О2, оксиды азота и т. п.