Современная система охлаждения газовой турбины должна отвечать ряду требований, среди которых различными авторами [1–4] выделяются следующие:
– охлаждение деталей ГТ должно происходить до температуры, при которой их прочность обеспечивает необходимую продолжительность работы;
– увеличение полезной работы вследствие роста начальной температуры газа должно обеспечивать больший экономический эффект, чем затраты, связанные с применением системы охлаждения;
– градиенты температур охлажденных деталей ГТ не должны приводить к опасным значениям температурных напряжений;
– усложнение тепловой схемы ГТУ, ее конструкции и режимов эксплуатации из-за появления системы охлаждения не должно приводить к ее значительному удорожанию и снижению надежности. Система охлаждения должна одинаково эффективно работать на всех режимах работы установки.
В современных ГТУ охлаждаются практически все детали газовой турбины: ротор, подшипники, сопловые и рабочие лопатки, корпус, детали камеры сгорания. Известно несколько различных способов охлаждения элементов газовых турбин – открытые и закрытые системы воздушного охлаждения, паровое охлаждение, внутреннее и внешнее жидкостное охлаждение с использованием дистиллированной воды или жидких металлов (Na, Na + K и т. д.), использование промежуточного теплоносителя и «тепловых трубок» [1, 4, 6, 8, 9].
Существует ряд способов по внешнему охлаждению: отвод теплоты от рабочих лопаток в диск или от сопловых лопаток в элементы статора за счет теплопроводности; применение струйного охлаждения рабочих лопаток, при котором охлаждающий агент (чаще всего вода) распыляется на их поверхность через группу сопл, расположенных в выходных кромках сопловых лопаток; применение парциального подвода охлаждающего воздуха и пр. Способы внешнего охлаждения хотя и находят в ряде случаев свое применение, однако из-за технологических сложностей используются сравнительно редко, и, как правило, на турбинах малой мощности.
Для элементов высокотемпературных турбин сейчас практически повсеместно применяется открытое воздушное охлаждение из-за наличия ряда сложных технологических и конструктивных задач, возникающих при реализации и проектировании других способов охлаждения. В настоящей работе рассматривается система открытого воздушного охлаждения, поэтому прочие виды охлаждения (паровое, водяное, на основе жидких металлов и пр.) далее рассматриваться не будут.