Системы охлаждения конструктивных узлов ГТУ

 

Охлаждение деталей газовой турбины, подверженных воздействию высоких температур, применяется для достижения того температурного уровня и перепадов температур, которые обеспечивают надежную работу ГТД на всех режимах.

 

К системам охлаждения конструктивных элементов ГТУ относятся:

- система охлаждения забортной водой оборудования ГТУ;

- система охлаждения пресной водой конструктивных узлов ГТУ;

- система воздушного охлаждения конструктивных узлов ГТУ.

 

Система охлаждения забортной водой оборудования ГТУ (рис. 72)  предназначена для отвода тепла от маслоохладителей, воздухоохладителей и охладителя пресной воды (в случае использования системы охлаждения пресной водой конструктивных узлов ГТУ). Система охлаждения выполняется как с принудительной подачей воды − с помощью насоса центробежного или осевого типа, так и самопроточной. В самопроточных системах насос охлаждающей забортной воды используется только на режимах малого хода, стопа или заднего хода, когда в приемном патрубке не может быть создан напор, достаточный для преодоления гидравлического сопротивления тракта охлаждения.

Рис. 72. Схема систем водяного охлаждения ГТУ.   РЦПВ – расходная цистерна пресной воды; ОН – основной насос контура охлаждения; РН – резервный насос контура охлаждения; Ф – фильтры; 1 – подвод охлаждающей воды к нижней части корпуса; 2 – подвод охлаждающей воды к верхней части корпуса; 3 – отвод горячей воды от нижней части корпуса; 4 – отвод горячей воды от верхней части корпуса; ОПВ – охладитель пресной воды; МО – маслоохладитель;   ВО – воздухоохладитель; ПЗВ – прием забортной воды; ФЗВ – фильтр забортной воды; ЦН – циркуляционный насос забортной воды; СЗВ – слив забортной воды; М – масло; В – воздух.

 

Система охлаждения пресной водой (рис. 72) выполняется только для неподвижных частей (корпусов компрессоров, газовых турбин, выхлопных и улиточных патрубков и т.д.) ГТД непрямоточного типа.

Охлаждение ГТД осуществляется циркуляцией пресной воды по специальным каналам для охлаждающей воды или по полостям, образованным двойными стенками корпусов турбин и патрубков. Обычно в систему водяного охлаждения входит следующее оборудование: расходная цистерна пресной воды, основной и резервный циркуляционные насосы, охладитель пресной воды, фильтры и арматура. Охлаждение контура пресной воды осуществляется в охладителе забортной водой.

 

Системы воздушного охлаждения корпусов турбин (рис. 73) используются в прямоточных двигателях с осевым движением воздуха и газа, корпус которых имеет простую цилиндрическую форму. Охлаждающий воздух поступает в кольцевое пространство между наружным кожухом и корпусами турбин, омывает корпуса и выводится в газоход за счет эжектирующего действия струи газа. В качестве охлаждающей среды могут использоваться: воздух машинного отделения, атмосферный воздух или воздух, отбираемый от одной из ступеней компрессора.

Охлаждение элементов проточ-ной части турбин: сопловых, рабочих лопаток и дисков ротора, осуществляется воздухом, отбирае-мым от одной из ступеней компрессора.

К наиболее распространенным схемам охлаждения элементов проточной части относятся открытая наружная и открытая внутренняя системы охлаждения.

Рис. 73. Схема воздушного охлаждения корпуса ГТД.   УПГ – утилизационный парогенератор; В – трубопровод охлаждающего воздуха; Г – газоход.

Открытые наружные системы охлаждения (парциальные, экранные и струйные) снижают температуру металла деталей проточной части на 50 ÷ 70 ^оС. Воздух через отверстия в роторе подводится к зазору между ротором и направляющим аппаратом по каналам, обдувая вершину направляющего аппарата, корень рабочих лопаток, и смешивается с потоком газа в проточной части турбины (рис. 74.а).

При внутреннем воздушном охлаждении воздух поступает внутрь рабочей лопатки через специальные отверстия в ее корне. В зависимости от конструкции охлаждаемых лопаток, воздух проходит по каналам внутри лопатки (рис. 74.б-в), либо через щель между дефлектором (внутренней вставкой) и наружной оболочкой лопатки (рис. 74.г), и затем выбрасывается в проточную часть через отверстия в торцевой части или задней кромке, где смешивается с потоком газа. Применение внутреннего охлаждения лопаток позволяет снизить температуру металла рабочих лопаток на 150 ÷ 300 ^оС.

Рис. 74. Способы охлаждения турбинных лопаток а – наружная открытая система; б, в,  г – внутренние открытые системы охлаждения.

Охлаждение дисков  и роторов газовых турбин производится с помощью циклового воздуха и может происходить несколькими способами:

- радиальным обдувом, когда воздух подводится через отверстия в роторе к корневой части диска и движется к его периферии;

- струйным охлаждением, при котором струйки воздуха обдувают непосредственно обод диска;

- продувкой воздуха через зазоры хвостовиков лопаток;

- заградительным охлаждением, при котором между газами и поверхностью диска создается защитная воздушная пленка;

- комбинированным способом, сочетающим в себе несколько вышеперечисленных.

 

 

Система регулирования, управления и защиты (РУЗ ГТД)

В ходе эксплуатации судовой ГТУ возможны частые смены ходов судна и работа установки на переменных режимах. При работе ГТД на всех рабочих режимах необходимо обеспечить:

- возможно более экономичную работу установки;

- температуру газов перед газовой турбиной, не превышающую допустимую по условиям жаропрочности материалов проточной части;

- устойчивый процесс горения топлива без срывов факела;

- безпомпажный режим работы осевого компрессора.

 

Выполнение всех этих условий при работе ГТД обеспечивается системами регулирования, управления и защиты – РУЗ ГТД, на которые возлагаются  следующие функции:

 

1. Осуществление и поддержание всех эксплуатационных, стационарных и переходных режимов ГТУ при минимальном числе воздействий на ручные органы управления.

2. Преобразование и передача импульсов от ручных органов управления к техническим средствам, управляющим режимами работы ГТУ и обслуживающим ее.

3. Исключение возможности неправильных манипуляций обслуживаю­щего персонала при управлении установкой на всех режимах.

4. Вывод установки из действия или ограничение возможности ее эксплуатации без вмешательства обслуживающего персонала на режимах, которые сопровождаются нарушениями нормаль­ных условий работы любого конструктивного узла или составного элемента установки.

5. Предоставление обслуживающему персоналу информации, необходи­мой для наблюдения за условиями работы ГТД и элементов установки и сигнализация о нарушениях нормальных условий их работы.

 

Мощность, получаемая на выходном фланце ГТД, зависит от расхода топлива, подаваемого в камеры сгорания, поэтому система регулирования обычно объединяется с топливной системой самого двигателя. Изменение мощности ГТД можно осуществить воздействием на элемент, управляющий подачей топлива, а характер воздействия зависит от типа топливных форсунок, установленных на двигателе (регулируемые или нерегулируемые), и способа изменения производительности регулируемых форсунок.

В зависимости от того, как осуществляется процесс регулирования, различают два основных способа регулирования мощности ГТД: качественное и количественное.

 

Качественное регулирование производится изменением температуры газа перед газовой турбиной при малом изменении расхода нагнетаемого воздуха. В этом случае для уменьшения нагрузки уменьшается количество подаваемого в камеры сгорания топлива. При этом увеличивается коэффициент избытка воздуха и снижается температура газов перед газовой турбиной, что приводит к снижению теплоперепада, срабатываемого на турбине и уменьшению мощности установки. Качественное регулирование является наиболее простым, но приводит к значительному снижению КПД при отклонении режима работы двигателя от расчетного.

 

Количественное регулирование осуществляется изменением частоты вращения компрессора, что в свою очередь вызывает изменение расхода воздуха и степени повышения давления. При таком способе регулирования резко меняются температуры газа перед газовой турбиной, что вызывает максимальные термические напряжения в деталях проточной части.

 

В реальных ГТУ исключительно редко применяют какой-то отдельный способ регулирования мощности, а обычно используют смешанное регулирование, сочетающее в себе оба описанных способа. Во всех случаях изменение полезной мощности в конечном счете достигается изменением расхода сжигаемого топлива.

 

При использовании нерегулируемых форсунок изменение расхода топлива в камеры сгорания может производиться с помощью насоса переменной производительности, либо изменением слива части топлива с напора топливного насоса в расходную топливную цистерну. Способы изменения расхода топлива в регулируемых форсунках будут рассмотрены во второй части пособия при рассмотрении систем регулирования паровых котлов.

 

В ГТУ наиболее частым способом регулирования расхода топлива, поступающего в камеры сгорания, является использование многокаскадных или многоканальных форсунок. Использование многоканальных форсунок позволяет существенно увеличить диапазон изменения подачи топлива при ограниченном изменении давления топлива за топливным насосом. Объектом регулирования в таких системах является дроссельный кран (рис. 75).

Рис. 75. Схема управления подачей топлива при применении многоканальных форсунок.   ТН – топливный насос переменной производительности; Ш – шайба топливного насоса; Т – тяга подачи топливного насоса; РЗ – распределительный золотник (входит в состав АРТ); П – поршень распределительного золотника; Ф – топливная форсунка; Р – рукоятка управления дроссельным краном – «сектор газа»; ДК – дроссельный кран; 1К – подача топлива в первый канал форсунок; 2К – подача топлива во второй канал форсунок; 1 – всасывающий трубопровод топливного насоса; 2 – напорный трубопровод топливного насоса; 3 – слив топлива в цистерну.

 

Количество топлива, подаваемого в камеры сгорания двигателя (рис. 75) определяется давлением топлива в полости распределительного золотника. При полностью открытом дроссельном кране, управляемом системой регулирования, давления топлива, подаваемого топливным насосом, недостаточно для того, чтобы передвинуть поршень, нагруженный пружиной. Поршень находится в крайнем левом положении и перекрывает своим телом отверстия, подающие топливо к первому и второму каналам форсунок. При этом все топливо, поступившее в полость золотника, сливается по сливной магистрали в расходную топливную цистерну. По мере прикрывания дросселя давление в полости золотника постепенно увеличивается, и поршень начинает отодвигаться к крайнему правому положению, открывая сначала отверстие подачи топлива в первые каналы форсунок (показано на рисунке), а при дальнейшем закрывании золотника – во вторые каналы форсунок. Управление ГТД в рассматриваемом случае сводится к управлению положением дроссельного крана.

Системы управления ГТД, работающих на ВРШ, более сложны. Одна и та же мощность может быть получена большим количеством различных сочетаний расхода топлива и угла поворота лопастей винта. Из этих сочетаний, как правило, выбирается то, которое обеспечивает максимальную экономичность установки (т.е. каждому углу поворота лопастей винта должен соответствовать определенный расход топлива).

 

Обычно регулированию подвергаются следующие параметры работы газотурбинного двигателя:

 

1. Расход топлива в камеры сгорания;

2. Температура газа перед газовой турбиной – ;

3. Частота вращения ротора компрессора – ;

4. Соотношение расходов топлива и воздуха;

Система защиты ГТД предназначена для ограничения мощности двигателя или обеспечения его экстренной остановки при возникновении аварийных ситуаций.

Защитные устройства по степени влияния на работу двигателя делятся на ограничительные и предельные.

 

Ограничительные защитные устройства срабатывают в том случае, когда нарушения нормальных условий работы ГТУ носят кратковременный харак­тер и (или) когда нормальные условия могут быть восстановлены воздействием на специальные устройства, устраняющие причину нарушения работы. К ограничительным защитным устройствам относятся:

- противопомпажная защита, предотвращающая возникновение помпажа компрессора путем воздействия на противопомпажные устройства при при­ближении режимных точек к границам помпажных зон;

- защита против угона роторов турбомашин, предотвращающая по­вышение частоты вращения роторов сверх расчетной путем уменьшения рас­хода топлива, подаваемого в камеры сгорания; Этот вид защиты ограничивает частоту вращения турбомашин в диапазоне 100 ÷ 110 % по сравнению с режимом но­минальной нагрузки. При дальнейшем повышении частоты вращения срабаты­вает защитное устройство предельного действия, полностью прекращающее подачу топлива в камеры сгорания;

 

Предельные защитные устройства применяются в тех случаях, когда нарушения нормальных условий работы ГТУ носят длительный характер и когда эти нарушения могут привести к авариям установки. В качестве предельной защиты используют:

- защиту по частоте вращения ротора пропульсивной турбины (защиту от угона ротора);

- защиту по частоте вращения роторов компрессоров;

- защиту по снижению давления масла в системе смазки ГТД.

 

Все предельные защитные устройства выдают импульс на стоп-кран топливной системы (см. рис. 67), мгновенно отключающий подачу топлива на форсунки двигателя.

 

 

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: