Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок

Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок

Под редакцией академика РАН
А.И. Леонтьева

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов ’’Энергомашиностроение”





Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2003

       УДК 621.4-536.27
       ББК 31.36
            Т34
                       Рецензенты: д-р техн, наук, проф. Г.А. Дрейцер, д-р техн, наук, проф. А.Д. Трухний

                      Авторы: В.Л. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.Л. Манушин, М.И. Осипов



                     Теплообменные аппараты и системы охлаждения газо-Т34 турбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов / В.Л. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.Л. Манушин, М.И. Осипов; Под ред. А.И. Леонтьева. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 592 с.: ил.



                  ISBN 5- 7038 - 2138 -X





                        Изложены основы расчета и проектирования теплообменных аппаратов и систем охлаждения газовых турбин как элементов газотурбинного комплекса, все агрегаты которого влияют друг на друга, и их параметры взаимосвязаны.
                        Содержание учебника соответствует курсу лекций, читаемому авторами в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
                        Для студентов высших учебных заведений энергомашиностроительных специальностей. Может быть полезен аспирантам, инженерам и научным работникам.





УДК 621.4-536.27
ББК 31.36





Издание учебника осуществлено при финансовой поддержке ФГУП ММПП « Салют»

ISBN 5 - 7038 - 2138 - X

© Коллектив авторов, 2003
© Изд.-во МГТУ
   им. Н.Э. Баумана, 2003

                                Столетию со дня рождения В.В. Уварова — основателя кафедры газовых турбин МГТУ им. Н.Э. Баумана и пятидесятилетию со дня основания кафедры посвящается

ПРЕДИСЛОВИЕ

    Газотурбинные двигатели и газотурбинные установки прошли за короткое время интенсивный путь развития и получают все большее распространение в различных отраслях народного хозяйства и военных технологиях — в авиации, наземном и водном транспорте, на электростанциях, работающих на органическом и ядерном топливе, в энергоустановках с альтернативными источниками энергии, в энерготехнологических и энергоутилизационных установках различного назначения. Газотурбинные установки являются также основным приводным устройством газокомпрессорных станций магистральных газопроводов.
    Высокая экономичность и хорошая приспособляемость к различного рода нагрузкам, компактность и надежность в эксплуатации обеспечили возможность использования газотурбинных установок совместно с другими энергетическими установками. Комбинированным парогазовым установкам предстоит сыграть доминирующую роль в электротеплоэнергетике XXI в., особенно при реконструкции вырабатывающих свой ресурс паротурбинных теплоэлектростанций.
    КПД газотурбинных установок составляет 40 %, а КПД парогазовых установок превышает 55 %. Тем не менее резервы дальнейшего совершенствования газотурбинных установок (в отличие от многих других тепловых двигателей) еще далеко не исчерпаны. Основными путями такого совершенствования являются: повышение температуры газа перед турбиной, усложнение термодинамического цикла введением промежуточного охлаждения при сжатии и промежуточного подогрева при расширении, а также глубокой утилизации теплоты уходящих газов. Эти способы опираются на использование эффективной системы тепловой защиты элементов горячего тракта и высокоэффективных теплообменных аппаратов.
    Работа системы охлаждения высокотемпературной газовой турбины и теплообменной аппаратуры связана с затратами энергии на их функционирование. Поэтому важно спроектировать эти устройства таким образом, чтобы затраты энергии не “свели на нет” эффект от их введения. Этого можно достичь лишь при рассмотрении данных устройств как элементов всего газотурбинного комплекса, в котором все агрегаты взаимно влияют друг на друга. Такой подход лежит в основе конструкторско-исследовательского направления в обучении студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана.
    Основу учебника составляют материалы читаемого авторами курса лекций по теплообменным аппаратам и системам охлаждения, введенного в программу подготовки студентов газотурбинной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана более 35 лет назад, сначала как единый курс, а позднее — в виде двух самостоятельных дисциплин, имеющих общие научные основы. Соответственно и настоящий учебник состоит из двух частей. Первая включает вопросы теории, расчета и проектирования теплообменных аппаратов газотурбинных и комбинированных установок, а вторая посвящена рассмотрению систем охлаждения высокотемпературных газовых турбин.
    Введение к учебнику написано А.И. Леонтьевым и В.Л. Ивановым, автор раздела I учебника — В.Л. Иванов, авторы раздела II — Э.А. Манушин и М.И. Осипов, глава 10 написана IO.С. Елисеевым.


3

Условные обозначения и сокращения

а — скорость звука, м/с
а — температуропроводность, м²/с Ь — ширина, м; хорда профиля лопатки, м
Bi = а//Ас — число Био с — абсолютная скорость, м/с ср — удельная массовая теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг-К) си — удельная массовая теплоемкость при постоянном объеме, Дж/(кГ'К) d — диаметр, м
Е — энергия, Дж; модуль упругости, МПа; энергетический коэффициент Ек — кинетическая энергия, Дж Еп — потенциальная энергия, Дж Ей = Др/рс² — число Эйлера
F — площадь, м²
G — массовый расход, кг/с
Gᵥ — объемный расход, м³/с
Gr = дРр&Г/и² — число Грасгофа д — гравитационное ускорение, м/с²; относительный расход
Н — энтальпия, Дж; теплоперепад, Дж/кг h — высота, м
j — центростремительное ускорение, м/с²

К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²-К)
к — запас прочности
kᵥ — коэффициент компактности поверхности теплообмена, м⁻¹
L — работа, Дж
I — длина, м; масштаб турбулентности
М — число Маха
т — масса, кг; показатель степени
N — мощность, Вт
Nu = а//А — число Нуссельта п — частота вращения, мин⁻¹ Р — сила, Н
р — давление, МПа
Рг = рср/Х — число Прандтля
Q — количество теплоты, Дж; тепловой поток, Вт
q — удельный тепловой поток, Вт/м² R — удельная газовая постоянная, Дж/(кг-К)
Re = cl/и — число Рейнольдса г — радиус, м; коэффициент восстановления
s — зазор, м; удельная массовая энергия, Дж/(кг-К)

4

St = Nu/RePr = a/cpcₚ — число Стантона
T — температура, К
Тг — температура восстановления, К t — время, с; шаг (лопаток, гребней в уплотнениях), м
Ти — степень турбулентности потока U — внутренняя энергия, Дж и — удельная энергия, Дж/кг; окружная скорость, м/с; среднемассовая скорость, м/с
их, иу, иг — проекции скорости, м/с V — объем, м³
v — удельный объем, м³/кг W — водяной эквивалент, Вт/К w — скорость, м/с
х, у, z — декартовы координаты z — число элементов (лопаток, ступеней, гребней в уплотнении)
а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²-К); угол, °
(3 — температурный коэффициент объемного расширения, 1/К; угол, ° А — разность, приращение
<	5 — толщина, зазор, мм
< 5” — толщина вытеснения
< 5** — толщина потери импульса
<      5",   — толщина потери энергии
€ — коэффициент сохранения давления; эффективность теплообменного аппарата

£ — коэффициент потерь давления; коэффициент
у — коэффициент полезного действия (КПД); эффективность
О — степень охлаждения; относительная глубина охлаждения
0 — эффективность газовой завесы к — показатель адиабаты
А — теплопроводность, Вт/(м-К)
/з — динамическая вязкость, Па-с р — р/р — кинематическая вязкость, м²/с
£ — коэффициент потерь на трение; коэффициент
£, г/, С — координаты
тг — степень повышения (понижения) давления
р — плотность, кг/м³
<т — степень нагрева (степень регенерации); коэффициент сохранения полного давления; механическое напряжение, Па
т — касательное напряжение, Па; степень реактивности ступени турбины
ур = Тс/Тг — температурный фактор; коэффициент
и» — угловая скорость, рад/с

5

ВТГР — высокотемпературный газоохлаждаемый реактор
ГТД — газотурбинный двигатель
ГТ и КУ — газотурбинные и комбинированные установки
ГТУ — газотурбинная установка ЗГТУ — замкнутая газотурбинная установка
КО — концевой охладитель
КВД — компрессор высокого давления

КНД — компрессор низкого давления КПД — коэффициент полезного действия

ЛА — лопаточный аппарат МГДГ — магнитогидродинамический генератор
НА — направляющий аппарат
ПО — промежуточный охладитель
Р — регенератор
РК — рабочее колесо
РЛ — рабочая лопатка
СА — сопловой аппарат
СЛ — сопловая лопатка
СО — система охлаждения

ТА — теплообменный аппарат ТВД — турбина высокого давления ТНД — турбина низкого давления

ВТИ — Всесоюзный теплотехнический институт
АО ЛМЗ - Акционерное общество “Ленинградский металлический завод” (ранее ЛМЗ)
КАИ — Казанский авиационный институт им. А.Н. Туполева ныне КГТУ — Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
НМЗ — Невский машиностроительный завод(ранее НЗЛ — Невский завод им. В.И. Ленина)
НПО НАМИ — Научно-производственное объединение “Центральный научно-исследовательский автомобильный и тракторный институт” (ранее НАМИ)

ЦИАМ — Центральный институт авиационного моторостроения
ЦКТИ — Центральный котлотурбинный институт им. И.И. Ползунова (ныне Научно-производственное объединение “Центральный котлотурбинный институт им. И.И. Ползунова” )
ИТТФ — Институт технической теплофизики Академии наук Украины ХТГЗ — Харьковский турбогенераторный завод (ныне ХТЗ — Харьковский турбинный завод)
ХТУ — Харьковский технический университет (ранее ХПИ — Харьковский политехнический институт)

6

ВВЕДЕНИЕ



    Газотурбинные двигатели (ГТД) и газотурбинные установки (ГТУ) — одни из лучших преобразователей тепловой энергии в механическую.
    Первый патент (Д. Барбера) на газотурбинную установку датирован 1791 г., описание принципов работы газовой турбины относится к еще более раннему периоду, реальная же история развития газовой турбины достаточно коротка. При этом получившее развитие газотурбостроение было сопряжено с реализацией ГТУ по циклу с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const), со сжатием воздуха в компрессоре, нагревом в камере сгорания и расширением продуктов сгорания в турбине. Практическая реализация ГТУ такого цикла относится к 1920-м годам, когда поршневой двигатель внутреннего сгорания и паровая турбина достигли высокой степени совершенства, став практически доминирующими преобразователями тепловой энергии в механическую. К этому времени относятся также разработки ГТУ, работающей по циклу периодического сгорания.
    В 1925 г. профессор Харьковского политехнического института (ХПИ) В.М. Маковский в работе “Опыт исследования турбины внутреннего сгорания при постоянном давлении сгорания” высказал мнение, что многотактный процесс органически не свойствен роторному двигателю и что следует искать пути создания эффективной ГТУ, которая работала бы с непрерывным процессом сгорания при постоянном давлении. Практические работы в этом направлении были начаты в 1926 г., когда профессор МВТУ Н.Р. Бриллинг организовал первую в стране лабораторию по исследованию газовых турбин. Первоначально лаборатория располагалась в НАМИ, а в 1928 г. была, переведена в МВТУ. С 1931г. работы над газовой турбиной были продолжены в объединенной лаборатории МВТУ — ВТИ под руководством профессора МВТУ В.В. Уварова. В 1930 г. лабораторию по исследованию газовых турбин в ХПИ организовал В.М. Маковский.

7

    Оба коллектива направили усилия на разработку ГТУ цикла р = = const. Низкие КПД турбины и компрессора, свойственные лопаточным машинам того времени, предопределили выбор высокой температуры газа для создания ГТУ приемлемой экономичности. Поэтому определяющей стала работа по разработке и исследованию высокотемпературной газовой турбины. С этого времени разработка и исследование систем охлаждения турбины сопровождают все этапы развития ГТУ.
    Технологические возможности тех лет определяли конструкцию и способ изготовления охлаждаемой лопатки: каналы охлаждения выполнялись сверлением. Это обстоятельство, а также опыт охлаждения водой различных устройств определили выбор жидкостной (водяной) системы охлаждения лопаток. Такие же направления характерны для исследований ученых других стран. Таковыми, например, явились разработки высокотемпературной турбины профессором Э. Шмидтом в Германии. Три варианта водяной системы охлаждения представлены на рис. В.1. В турбине Маковского лопатки приварены к ободу диска. Вода подается по каналу 1 к кольцевой полости 2 на периферии диска, куда имеют выходы каналы 3 охлаждения в лопатках. Движение воды в тупиковых каналах охлаждения происходит за счет естественной конвекции в интенсивном (более 10000 <7) поле инерционных сил. Теплота охлаждения из каналов переносится в полость 2 и воспринимается циркулирующей через нее водой,



а                   б                    в


      Рис. В.1. Водяная система охлаждения:
      а - турбина Маковского; б - турбина Шмидта; в - турбина Уварова; 1 - канал подвода воды; 2 - кольцевая полость (коллектор); 3 - каналы охлаждения в лопатках; 4 ~ канал отвода воды; г - радиус присоединения лопаток к ротору; гп - радиус свободной поверхности жидкости; D - регулирующий диск; h - радиальный зазор между периферией диска и зеркалом жидкости; В - ввод и вывод воды; П - вывод пара

8

     которая затем по каналу 4 выводится из ротора. Давление воды по радиусу диска изменяется по закону параболы и на радиусе г присоединения лопаток к ротору может превысить 20 МПа, что создает большие трудности, связанные с уплотнением тракта жидкости.
    В турбине Шмидта давление на радиусе тп практически определяется давлением пара в полости ротора. Кроме того, циркуляционный расход воды существенно меньше, поскольку процесс тепловосприятия сопровождается парообразованием. Однако в роторе трудно удержать стабильный радиус свободной поверхности жидкости, что предопределило неудачи с такой системой охлаждения.
    В турбине Уварова также использована водоиспарительная система охлаждения, но в ней радиус гп свободной поверхности жидкости поддерживается автоматически (система саморегулируема). Ключевым элементом является регулирующий диск D. При стабильном режиме между диском и свободной поверхностью жидкости устанавливается радиальный зазор h, а внутри ротора — определенное давление пара, зависящее от этого зазора. При этом система “подающий насос — гидравлический тракт ротора” работает на соответствующей режимной точке гидравлической характеристики. При увеличении зазора h, вследствие увеличения теплового потока или меньшей подачи воды, сопротивление гидравлического тракта уменьшается и, согласно характеристике, насос увеличивает подачу воды, а при уменьшении зазора происходит уменьшение подачи воды до восстановления размера зазора. Экспериментальные исследования турбины с водоиспарительной системой охлаждения показали возможность работы турбины при температуре газа выше 1650 ... 1750 К.
    Исследования турбин с жидкостными системами охлаждения сопровождались изучением закономерностей теплообмена на внешней поверхности лопаток и в каналах охлаждения, а также гидравлических характеристик охлаждающего тракта и послужили основой для последующих исследований и разработок различных систем охлаждения, эффективных конструкций охлаждаемых лопаток и технологии их изготовления. Однако этот процесс оказался достаточно длительным, и лишь почти через 40 лет были созданы серийные конструкции турбин, работающих при высоких' температурах газа.
    Наиболее быстрыми темпами шло развитие высокотемпературных турбин ГТД для отраслей оборонной промышленности, в частности авиационных ГТД. Однако, по понятным причинам, распространение этого опыта на отрасли общегражданского газотурбостроения носило ограниченный характер.
    Начиная с середины 1950-х годов комплекс научных работ, направленных на разработку и исследование систем охлаждения лопаток газовых турбин ГТУ большой мощности и большого ресурса, в частности

9

стационарных ГТУ, сосредоточивается в лабораториях турбостроительных кафедр вузов под руководством ведущих ученых Г.С. Жирицкого, И.И. Кириллова, Я.И. Шнее, В.В. Уварова и других. Результаты исследований, выполненных коллективами МВТУ им. Н.Э. Баумана и КАИ, явились базой для публикации в 1971г. под редакцией В.Л. Иванова и В.И.Локая книги “Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины”, в которой, по существу, впервые в отечественной открытой литературе был представлен материал по расчету и проектированию систем охлаждения высокотемпературных газовых турбин. В книге были изложены результаты оригинальных исследований, выполненных в КАИ и МВТУ им. Н.Э. Баумана, а также обобщены результаты некоторых других работ. Эта. публикация оказалась полезной не только значимостью содержащегося в ней материала, но и тем, что она проложила путь к открытым публикациям результатов многих других исследований, выполненных в НИИ, КБ и на заводах.
    В 1933 г. Г.И. Зотиков опубликовал работу “Проблемы турбин внутреннего сгорания. Турбина равного давления”, в которой он, не отрицая полезности цикла Брайтона и высоких температур газа, но видя практические трудности реализации этого направления, предлагает схему ГТУ более сложного термодинамического цикла с промежуточным охлаждением при сжатии, промежуточным сгоранием при расширении и регенерацией теплоты уходящих газов. В пределе при бесконечно большом числе промежуточных охлаждений и подогревов цикл превращается в регенеративный, с изотермическим сжатием и изотермическим расширением. Если ввести стопроцентную регенерацию, то КПД такого цикла достигнет КПД цикла Карно. Работа Г.И. Зотикова показала, что приемлемые КПД ГТУ могут быть достигнуты при температурах газа, не требующих охлаждения лопаток, по это происходит путем введения в состав ГТУ охладителей, подогревателей или промежуточных камер сгорания, а также регенератора.
    Позднее В.В. Уваров в работе “К созданию газотурбинных установок большой мощности” (1959 г.) предложил и теоретически обосновал безре-генеративный изотермно-адиабатный цикл, позволяющий даже при умеренной температуре перед турбиной (лопатка неохлаждаемая) достичь высоких КПД и удельной мощности (реализация ГТУ сверхвысокой мощности). Но такая ГТУ должна иметь развитую систему промежуточного охлаждения при сжатии и промежуточного подогрева при расширении.
    Таким образом, с самого начала практических работ по созданию ГТУ с непрерывным процессом сгорания ключевыми являются работы по созданию теплообменных аппаратов и систем охлаждения, работы, сопутствующие друг другу и дополняющие друг друга. Благодаря этому достигается высокий уровень экономичности современных ГТУ, иллюстрируемый приведенными в табл. В.1 примерами стационарных ГТУ.

10