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 газо‑
ходных систем газотурбинных и парогазовых установок, силовые и тем‑
пературные воздействия газового потока на отдельные элементы газоход‑
ных систем, а также представлены аэродинамические и тепловые расчеты, 
учитывающие особенности газоходных систем в целом и их отдельных 
элементов.
Книга предназначена для инженерно‑технических работников, зани‑
мающихся проектированием и эксплуатацией парогазовых и газотурбин‑
ных 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 высокотемператур‑
ных газоходных систем, чувствительных к действию аэро‑
динамических нагрузок и температурных режимов, можно 
условно выделить три этапа. На первом этапе в основ‑
ном 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 мно‑
гочисленных трещин и разрушений в корпусах газоход‑
ных блоков и, следовательно, с потерей их тепловой и 
газовой герметичности. С этого момента вопросам аэро‑
динамической и тепловой устойчивости уделяется осо‑
бое внимание, активно проводятся экспериментальные 
и наладочные работы, направленные на повышение жест‑
кости отдельных узлов газоходной системы.
Третий этап характеризуется научно обоснованным 
подходом к разработке конструктивных решений с точки 
зрения обеспечения аэродинамической и тепловой устой‑
чивости, т. е. способности газоходной системы и ее эле‑
ментов противостоять воздействиям динамических нагру‑
зок и высоких температур.
При проектировании и расчете элементов газоход‑
ной системы вопросы обеспечения их аэродинамической 

Введение

и тепловой устойчивости в эксплуатационной стадии 
относятся к одним из самых важных, и их успешное реше‑
ние во многом определяет несущую способность и надеж‑
ность газоходной системы. Кроме того, изучение аэро‑
динамического 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 под‑
ходе — необходимости проведения комплексных исследо‑
ваний, таких как:
1) экспериментальное определение аэродинамических 
характеристик и свойств конструкции и ее отдель‑
ных составных частей;
2) построение достоверных математических моделей 
процессов, происходящих в системе, в условиях 
высокой скорости и температуры газового потока;
3) теоретический анализ возможных режимов аэро‑
упругой и тепловой неустойчивости, оценка крите‑
риев их возникновения и условий существования;
4) натурные экспериментальные исследования и дли‑
тельные наблюдения в ходе эксплуатации, цель 
которых — изучение фактической работы кон‑
струкций, их фактических тепловых и динамиче‑
ских свойств, изучение реакции отдельных элемен‑
тов 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 эффек‑
тивнее 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 тол‑
щины. Чем толще стенка, тем выше ее тепловое сопротив‑
ление, тем выше неравномерность распределения темпе‑
ратуры по толщине, а следовательно, ниже прочностные 
показатели материала.
Таким образом, внутренняя несущая оболочка должна 
быть достаточно тонкой, чтобы обеспечить быстрый про‑
грев, и достаточно прочной, чтобы выдержать перепад 
давления высокотемпературных газов. В данном случае 
температуру следует рассматривать как внешний воздей‑
ствующий фактор. Вопрос в том, в каком соответствии с 
другими внешними силами должна возрастать темпера‑
тура, чтобы деформация была простой. Эта задача пред‑
ставляется 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 ана‑
лизе процессов нагрева оболочки в некоторых режимах 
запуска газовой турбины.
Эти задачи, однако, имеют самостоятельное значе‑
ние. Поэтому, отвлекаясь от особенностей закона возра‑
стания 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 температур‑
ного 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 темпе‑
ратур неизвестен. В дальнейшем будем считать, что рост 
температур происходит одновременно с ростом вну‑
тренних сил и деформация конструкции является актив‑
ной. Можно надеяться, что это не приведет к большим 
погрешностям.
Прочностные параметры материала оболочек отдель‑
ных узлов газоходных систем существенным образом 
зависят от эффективности термоизоляции. Обеспечение 
работоспособности теплонапряженных элементов кон‑
струкций достигается путем использования совершенных 
конструкций термоизоляции, исключающих возникно‑
вение в их пористой структуре свободных конвективных 
течений. Их наличие существенным образом ухудшает 
прочностные параметры материала с последующим воз‑
никновением локальных разрушений.
Появлению внутренних конвективных течений в слое 
термоизоляции способствует ненадежное крепление мате‑
риала термоизоляции на поверхности оболочек газоход‑
ных систем, а иногда тепловое разрушение самого матери‑
ала термоизоляции (термическое разложение, плавление, 
испарение компонентов и т. п.), а также механическое воз‑
действие потока рабочей среды, обтекающего внутренние 
поверхности и уносящего отдельные частицы термоизоля‑
ционного слоя.

Введение

Автор приносит благодарность своим коллегам 
Г. И. Борисову, 
А. И. Хайдукову, 
Р. З. Багаутдино ву, 
Н. В. Смольской и др. за использование результа‑
тов совместного труда в монографии. Особую призна‑
тельность автор выражает профессору В. С. Белоусову 
и доценту А. В. Некрасову, активно поддержавшим целе‑
сообразность издания данной монографии и способство‑
вавшим ее совершенствованию.
Выражает особую благодарность Б. М. Крохалеву, 
который ввел автора в эту область и с которым его связы‑
вают многие годы плодотворного сотрудничества. Некото‑
рые проблемы, рассмотренные в монографии, отражают 
совместную работу с А. В. Третьяковым в области газо‑
воздушных 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 тур‑
бины (ГТ) до котлов‑утилизаторов (КУ) или до горелоч‑
ных 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 харак‑
терны 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.

1. Общие сведения о газоходных системах (ГС)

Рис. 1.1. Компоновочное решение высокотемпературной газоходной системы ПГУ с котлом 
ТГЕ‑435М/ПГУ и газовой турбиной V64.3А. Вид сбоку:
1 — устройство для присоединения «текстильного» компенсатора к газоходу; 2 — переход; 3 — блок БЩ‑1; 4 — блок 
БЩ‑5; 5 — устройство компенсирующее; 6 — задвижка трехсекционная отсечная; 7 — смеситель; 8 — вертикальный 
раздаточный коллектор; 9 — подвески; 10 — опоры газоходного блока; ФП — фикспункт; Н — направляющая;  
разрез А – А — см. рис. 1.2; узлы I, II, III — см. рис. 1.5

1. Общие сведения о газоходных системах (ГС)

Рис. 1.2. Разрез А–А:

1 — горелки; 2 — воздухосмеситель; 3 — двухканальное устройство компенсиру‑
ющее; 4 — устройство компенсирующее; 5 — газоходный блок; 6 — двухканаль‑
ный регулирующий клапан; 7 — подвески; ФП — фикспункт; Н — направляющая

Как правило, в начале и в конце диффузора и газо‑
ходного блока располагаются трехмерные компенсирую‑
щие устройства для поглощения тепловых расширений 
и вибрационных пульсаций.
Диффузор и каждый газоходный блок ГС имеют опоры 
и обеспечивают устойчивость всей системы в целом. 
В зависимости от места расположения, конструктивного 
решения могут применяться опоры различных типов.