Файл: А втономная некоммерческая организация Дополнительного профессионального образования Образовательный центр ПетроПроф.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 227
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
4 возвращается обратно на всас топливного насоса (нарециркуляцию).
Твплида
Воэдц^ Топливо •
Рис. 33. Механическая форсунка с обратным сливом: 1 — корпус, 2 — вставка, 3 — клапан, 4 — каиера отвода топлива, 5 — «авнхритель, 6 — сопло
Рис. 34. Пневматическая форсунка
/ — корпус, 2 — ленточная резьба, 3 — вставка, 4 — отверстия для подвода топлива, 5 — зазор
Перемещая клапан 3, можно регулировать количество возвращаемого топлива и, следовательно, изменять его расход через сопло 6 в камеру сгорания. Форсунки, основанные на этом принципе действия, просты и надежны, но требуют больших циркуляционных расходов топлива.
В корпусе / пневматической форсунки (рис. 34) расположена вставка 3, на наружной поверхности которой выполнены каналы
ленточной резьбы 2, а внутри — отверстия 4 для подвода топлива. Воздух подается в зазор 5 между корпусом и вставкой под большим давлением. Топливо из отверстия 4 вставки попадает в каждый из каналов ленточной резьбы и дробится на капли в струе воздуха. Угол распиливания меняется с изменением угла подъема ленточной резьбой.
Механические форсунки подают топливо в пространство, совпадающее с конусом распыливания (рис. 35, а), а пневматические — в .центр факела (рис. 35, б), причем по периферии его располагаются более мелкие фракции, что является преимуществом этих форсунок.
Для сжигания газообразного топлива используются горелки. Так как объемные расходы газообразного топлива велики, велики и размеры горелок. На рис. 36, а — в показаны горелки, отличающиеся способом перемешивания газа и воздуха.
Горелки всех типов, имеют, внутреннюю 2 и наружную 3 частя корпуса, в кольцевое пространство .между которыми подается воздух. Газ поступает через полость 1. Выходит воздух из горелок между лопатками 4. В схеме, показанной на рис. 36, а, газ поступает внутрь лопаток, выходит из них через открытую заднюю кромку, и перемешивается с воздухом. В схемах, показанных на рис. 36, б, в, газ соответственно выходит через отверстие в боковой поверхности лопаток и через отверстия 8.
Обычно в горелки встраивают форсунки
6, которые позволяют использовать также жидкое топливо.
Рис. 35. Плотность орошения механическими (о) и пневматическими (б) форсунками
/
Рис. 61. Предельный цикл ГТУ в Т, s-диаграмме, при котором регенерация нецелесообразна
Рис. 62. Влияние регенерации на оптимальную степень сжатия.
При дальнейшем увеличении степени сжатия е температура воздуха на входе в регенератор становится больше температуры газа на выходе из турбины (Tb>Td) и газ, отбирая теплоту у воздуха, выбрасывает в атмосферу.
Регенерация' увеличивает кпд цикла и уменьшает оптимальную степень сжатия вц. С увеличением степени сжатия е при постоянных температурах Таи Тсуменьшается разница температур Та —
— Ть ъ регенераторе, а следовательно, и эффект регенерации (рис. 62).
Удельную полезную работу ГТУ с регенерацией теплоты определяют по той же формуле, что и простой ГТУ, т. е. оптимальная степень сжатия гн формально не зависит от степени регенерации ст. Зависимость степени сжатия en, при которой достигается наибольший кпд, от степени регенерации приведена
на рис. 63.
-При степени регенерации ст=0,64-0,8 для уменьшения размеров и массы ГТУ нужно выбирать рабочую степень сжатия несколько больше, оптимальной е,,, так как 'наибольшую удельную работу получают при
,Рис. 63. Зависимость оптимальной степени сжатия от степени регенерации
Коэффициент полезной работы ц> с введением регенерации возрастает, так как уменьшается оптимальная степень сжатия е„.
§ 12. Газотурбинная установка с промежуточными подогревом рабочего тела и охлаждением воздуха
Простые ГТУ наиболее распространены из-за несложности конструкции и надежности в эксплуатации. Однако их экономичность недостаточна/Одним из способов увеличения экономичности ГТУ является введение промежуточных подогрева газа и охлаждения воздуха.
Схема одновальной ГТУ с промежуточными подводом теплоты и охлаждением воздуха показана на рис. 64. Воздух из атмосферы направляется в компрессор низкого давления КНД, откуда поступает в охладитель О, где охлаждается от температуры Ты до температуры Та2[ а затем сжимается в компрессоре высокого давления КВД. Из компрессора высокого давления воздух подается в регенератор Р, а затем — в камеру сгорания высокого давления КСВД. При сжигании топлива газ нагревается до температуры Тс и направляется в турбину высокого давления
ТВД, а затем — в камеру сгорания низкого давления КСНД, где также сжигается
44
топливо. Нагретый до температуры Тлгаз направляется в.турбину низкого давления ТНД, затем —в регенератор И и далее —в
i
ВГ/в-диаграмме (рис. 65) сжатие воздуха в компрессорах низкого и высокого давления соответственно изображено линиями а и аф2, а охлаждение воздуха в охладителе — линией bia2.
Рис. 64. Схема одновальной ГТУ с промежуточным подводом теплоты н промежуточным охлаждением воздуха
Участок Ь2е — нагрев воздуха в регенераторе, а участок ect —подогрев его в камере сгорания высокого давления. Работе газа в турбинах высокого- и низкого давления соответствуют линии аах и c%d2, подводу теплоты в камеру сгорания низкого давления — линия diCZ, а охлаждению отработавшего газа в регенераторе — участок d2f.
Используются и более сложные схемы ГТУ, позволяющие, на* пример, двукратно охлаждать воздух и размещать турбины и ком-
— щ
Рис. 65. Т, s-диаграмма теплового процесса ГТУ Рис. 66. Схема двух-с промежуточным сжиганием топлива и промежуточным охлаждением воздуха
вальной ГТУ
прессоры на разных валах. Такие ГТУ обладают большей экономичностью, чем простые, хорошими показателями на частичных нагрузках и широким диапазоном устойчивой работы.
Схема двухвальной газотурбинной установки с двукратным охлаждением воздуха и одним промежуточным подводом теплоты показана на рис. 66. Ротор турбины высокого давления ТВД вращает роторы компрессоров среднего КСД и низкого КНД давления. Вал, состоящий из роторов этих агрегатов, называется свободным. Турбина низкого давления ТНД вращает роторы компрессора высокого давления КВД и электрического генератора Г.. Этот вал называют силовым. Возможны также другие схемы расположения турбин и компрессоров на разных валах.
Если в ГТУ имеется s компрессоров с промежуточным охлаждением между ними и
Твплида
Воэдц^ Топливо •
Рис. 33. Механическая форсунка с обратным сливом: 1 — корпус, 2 — вставка, 3 — клапан, 4 — каиера отвода топлива, 5 — «авнхритель, 6 — сопло
Рис. 34. Пневматическая форсунка
/ — корпус, 2 — ленточная резьба, 3 — вставка, 4 — отверстия для подвода топлива, 5 — зазор
Перемещая клапан 3, можно регулировать количество возвращаемого топлива и, следовательно, изменять его расход через сопло 6 в камеру сгорания. Форсунки, основанные на этом принципе действия, просты и надежны, но требуют больших циркуляционных расходов топлива.
В корпусе / пневматической форсунки (рис. 34) расположена вставка 3, на наружной поверхности которой выполнены каналы
ленточной резьбы 2, а внутри — отверстия 4 для подвода топлива. Воздух подается в зазор 5 между корпусом и вставкой под большим давлением. Топливо из отверстия 4 вставки попадает в каждый из каналов ленточной резьбы и дробится на капли в струе воздуха. Угол распиливания меняется с изменением угла подъема ленточной резьбой.
Механические форсунки подают топливо в пространство, совпадающее с конусом распыливания (рис. 35, а), а пневматические — в .центр факела (рис. 35, б), причем по периферии его располагаются более мелкие фракции, что является преимуществом этих форсунок.
Для сжигания газообразного топлива используются горелки. Так как объемные расходы газообразного топлива велики, велики и размеры горелок. На рис. 36, а — в показаны горелки, отличающиеся способом перемешивания газа и воздуха.
Горелки всех типов, имеют, внутреннюю 2 и наружную 3 частя корпуса, в кольцевое пространство .между которыми подается воздух. Газ поступает через полость 1. Выходит воздух из горелок между лопатками 4. В схеме, показанной на рис. 36, а, газ поступает внутрь лопаток, выходит из них через открытую заднюю кромку, и перемешивается с воздухом. В схемах, показанных на рис. 36, б, в, газ соответственно выходит через отверстие в боковой поверхности лопаток и через отверстия 8.
Обычно в горелки встраивают форсунки
6, которые позволяют использовать также жидкое топливо.
Рис. 35. Плотность орошения механическими (о) и пневматическими (б) форсунками
| | 3 \ | | | |
| | | | / | |
| | Воздух А | | *9 | |
| | | | | |
| А | | <—i | | |
/
§ 7. Теплообменные аппараты
Теплообменные аппараты служат в ГТУ для подогрева и охлаждения воздуха и масла. По способу передачи теплоты от одного теплоносителя к другому теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплоносители постоянно разделены твердой стенкой, а в регенеративных одни и те же поверхности поочередно омываются горячим и холодным теплоносителем.
Регенераторами ГТУ являются теплообменные аппараты, предназначенные для подогрева воздуха после компрессора теплотой газов,, уходящих из турбины. Регенераторы ГТУ могут быть рекуперативного и регенеративного типов. В настоящее время наиболее часто используют трубчатые и пластинчатые регенераторы рекуперативного типа и вращающиеся регенеративного.
В трубчатом противоточном теплообменнике рекуперативного типа (рис. 37) к цилиндрическому корпусу / крепятся трубные доски 3, в которых закреплены трубки 6, образующие трубный пучок.
Выход газа
Вход газа
Рис. 37. Трубчатый регенератор рекуперативного типа:
/ — корпус, 2, 8 — входной и выходной патрубки газа,
3 — трубные доски, 4 — крышки, 5 — компенсатор, 6 — трубки, 7 — разделитель
Трубные доски закрыты крышками 4. Воздух после компрессора проходит внутри трубок. Навстречу ему снаружи трубки омывает газ, подаваемый после турбины в регенератор через патрубок 8. Охлажденный газ выбрасывается в атмосферу через патрубок 2.
Этот регенератор одноходовой как по газу, так и по воздуху. Чтобы не увеличивать гидравлического сопротивления за турбиной, регенераторы ГТУ по газу всегда выполняются одноходовыми.
Вход Воздуха
По воздуху они могут быть двух-, трех- и четырехходовыми. В трехходовом регенераторе (рис. 38) воздух совершает два поворота, проходя каждый раз через одну треть трубок. После ре-v генератора нагретый воздух направляется в камеру сгорания.
В пластинчатых регенераторах в качестве поверхностей, разделяющих теплоносители, используются тонкие пластины различной формы, которые собирают в пакеты, имеющие места для подвода и отвода теплоносителей. Расположение пластин в набивке показано на рис. 39. Газ проходит по двухугольным каналам /, а воздух — волнообразным каналам 2. Пакет, собранный из пластин, показан на рис. 40. Каналы между пластинами расположены гак, что газ проходит пакет напрямую, а воздух совершает два поворота.
В пластинчатом регенераторе (рис. 41) пакеты 1 располагаются по три в двух вертикальных колоннах, разделенных камерой 3. Для подвода и отвода воздуха в корпусе 2 регенератора имеются патрубки 4 к 6. Конструкция корпуса такова, что воздух может попасть из патрубка 4 только в камеру 3, где он распределяется по всем пакетам. После выхода из пакетов воздух попадает только в патрубок 6.
выход газа'
Выход воздуха
Рис. 38. Трехходовой регенератор рекуперативного типа: /, 4 — выходной и входной патрубки воздуха, 2— трубный пучок, 3, в — выходной и входной патрубки газа, 5 — корпус, 7 — трубные доски
Газ входит в набивку с торцовой поверхности регенератора, образованной пакетами 1. Вход в камеру 3 преграждает обтекатель 7. ^Пластинчатые теплообменники гораздо компактнее и легче трубчатых.
Вращающиеся регенераторы используются в основном в транспортных ГТУ. Схема регенератора с вращающимся диском показана на рис. 42. В корпусе У медленно вращается диск 2, состоящий из вала 3, опирающегося на подшипники 4, и набивки, изготовленной из путаной проволоки.
Воздух
Рис. 39. Расположение пластин в на-бивке регенератора:
/ — двухугольные каналы, 2 — волнообразные каналы
Вход газа
BblXJd
Выход гам
Рис. 40. Пакет регенератора
Газ и воздух проходят параллельно друг другу, разделенные перегородкой 5 в корпусе /. Проходя поток воздуха, набивка остывает, а поток газа нагревается. Вращающиеся теплообменники наиболее компактны и легки. Однако они имеют недостаток: невозможно полностью избежать утечек газа и воздуха, так как небольшая часть их вместе с набивкой постоянно переносится из одной камеры в другую.
Рис! 41. Пластинчатый регенератор:
Хо-шрсет, 2 —корпус. 3 — воздушная ка-Wpa, 4, 6 — патрубки для входа и выхода •овдуха, 5 — перегородка, 7 — обтекатель
Рис 42. Регенератор с вращающимся диском:
/ — корпус, 2 — диск с набивкой, 3 — вал, 4 — подшипники, S— перегородка
Воздухоохладители предназначены для охлаждения воздуха в процессе сжатия его в компрессоре.
Маслоохладители служат для охлаждения масла, идущего на смазку подшипников турбины и компрессора. Охладителем служит вода, а иногда воздух.
Воздухо- и маслоохладители представляют собой трубчатые теплообменники. Обычно по воздуху они выполняются одноходовыми, по воде — двухходовыми, а по маслу — многоходовыми.
§ 8. Фильтры и глушители
Воздух, поступающий в компрессор, содержит пыль, влагу, и шт>Че°КИе загрязнения (насекомые, цветочная пыльца, листья) Ару ие примеси. Пыль, содержащаяся в воздухе, попадает в 32
доздух из атмосферы
проточную часть компрессора и турбины. При ударе твердых частиц о поверхность лопаток частички металла отрываются. Этот процесс называют эрозией.
С промышленными выбросами, а также на берегу моря в атмосферу попадают соли. Если они засасываются в тракт ГТУ, возникает коррозия деталей проточной части.
Назначение фильтров — уменьшить содержание пыли и солей в воздухе, попадающем в проточную часть компрессора и турбины. В настоящее время применяется три типа фильтров: инерционные, масляные и сетчатые.
Инерционные фильтры (рис. 43) основаны на принципе механического отделения (сепарации) твердых частиц при резком изменении направления движения воздуха. Воздух попадает в камеру, образованную стенками в виде жалюзи 2. При повороте потока воздуха твердые частицы отделяются от него и на выход идет очищенный воздух. Загрязненный воздух с больший концентрацией пыли удаляется из камеры отсоса 3. Однако такие фильтры плохо улавливают мелкие частицы. Для улавливания мелких частиц используют масляные фильтры разных типов.
Кассетные масляные фильтры состоят из неподвижных металлических сеток, смазанных маслом. При проходе воздуха' через сетки пыль налипает на них. По мере засорения сетки очищают и вновь смазывают маслом
Самоочищающиеся фильтры представляют собой полотно, которое, постоянно перематываясь, проходит через ванну с маслом. При проходе воздуха через полотно пыль налипает на его волокнах, смазанных маслом.
Чиетый воздух '
Рис. 43. Инерционный-фильтр:
/ — корпус, 2 — жалюзи, 3 — камера отсоса
Загрязненный _
атмосферы
'' Чистый воздух
Рис. 44. Сухой фильтр:
/ — валы, 2 — полотно, 3 — корпус
квппрессври
Рис. 45. Заборное устройство: , / — крышки, 2 — воздухопровод
Кроме масляных применяют сухие фильтры (рис. 44), представляющие собой полотно из специальной ткани, стекловолокна или металлической сетки, которое перематывается с одного вала на другой. Воздух проходит сквозь полотно, которое задерживает ПЫЛЬ,При очень малой запыленности воздуха фильтры не устанавливают. В этом случае воздух забирают с помощью трубы высотой 50—70 м. На такой высоте запыленность воздуха мала. Верх трубы оснащают специальным заборным устройством- (рис. 45), которое исключает прямое попадание в ГТУ дождя и снега.
При большой запыленности (например, при частых пылевых бурях) воздух подвергается двухступенчатой очистке в инерционном и сухом рулонном фильтрах, которые воздух проходит последовательно, прежде чем попадает в компрессор.
Газотурбинные установки являются источниками • шума большой интенсивности, излучаемого их элементами или потоком рабочего тела. Основным источником шума является компрессор.
Для снижения шума внутри помещений, где работают ГТУ, особенно тщательно выполняют теплоизоляцию, которая одновременно служит и звукоизоляцией. Наружу звук проникает в основном через всасывающий воздухопровод. Чтобы уменьшить интенсивность этого шума, в воздухопроводе устанавливают специальное устройство — глушитель (рис. 46), который представляет собой канал, заполненный отражателями 3 и экранами 2 из поролона или стеклянной ваты. Эти материалы хорошо гасят звуковые колебания. ■ . -
На выходе из газовой турбины шум значительно меньше. Если канал, через который выбрасывают в атмосферу отработанные газы, имеет значительную длину и повороты, то специальных мер для . шумоглушения не предпринимают. Если1
Вход воздуха
воздуха
Рис, 46. Глушитель: I — корпус, 2 —экраны, 3 — отражатели
—_,----j----.....- —г-,_,—г-------- —
же канал короткий, на выхлопе из турбины также устанавливают устройства для глушения шума.
§ 9. Пусковые устройства
Для работы ГТУ в камеру сгорания должен подаваться воздух, необходимый для сжигания топлива. Следовательно, для запуска ГТУ прежде всего нужно привести в действие компрессор. Для раскрутки ротора компрессора используют посторонний источник энергии — пусковой двигатель (рис. 47), присоединяемый через, редуктор 2 и обгонную муфту 3.
Рис. 47. Схема присоединения пускового двигателя к ГТУ: ; _ пусковой двигатель, 2 — редуктор, 3 — обгонная муфта, 4 — компрессор, б — турбина, 6 — потребитель мощновта
При пуске прежде всего включают пусковой двигатель, который начинает раскручивать ротор. При этом компрессор начинает прогонять воздух через камеру сгорания и газовую турбину. Когда расход воздуха достигает необходимого значения, в камеру сгорания подается топливо. После того как газовая турбина начинает вырабатывать мощность, достаточную для самостоятельной работы ГТУ, пусковой двигатель отключается.
В качестве пусковых используются электродвигатели постоянного и переменного тока, двигатели внутреннего сгорания и турбоприводы.
Электродвигатели постоянного тока, применяемые в автономных ГТУ, получают питание от аккумуляторных батарей. Электродвигатели переменного тока питаются от электрической сети и могут быть использованы в любых ГТУ. Двигатели внутреннего сгорания обычно используются для запуска автономных ГТУ относительно небольшой мощности (до нескольких тысяч киловатт)«
Используемые для запуска ГТУ-турбоприводы могут быть нескольких типов. Воздушные турбинки приводятся в действие сжатым воздухом, расход которого для выработки достаточной мощности довольно велик. Паровые турбинки приводятся в действие паром и используются в ГТУ, работающих на паротурбинных тепловых электрических станциях. Отработавший в этих турбинках пар выбрасывается в атмосферу.
Турбо детандеры (турбинки, работающие на сжатом газе) обычно применяют для пуска ГТУ, установленных на газоперекачивающих станциях». Природный газ, перекачиваемый по магистральным газопроводам, также может служить рабочим телом в турбодетандерах.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение газотурбинных установок?
2. Из каких элементов состоят газовые турбины и компрессоры?
3. Какие виды роторов турбин и компрессоров вы знаете?
4. Каково назначение упорных и опорных подшипников?
5. Каково устройство камер сгорания и теплообменных аппаратов?
6. Какие типы фильтров используются в ГТУ?
Глава вторая
Схемы и экономичность газотурбинных установок
§ 10. Простая газотурбинная установка
Простая ГТУ (рис. 48) состоит из компрессора /, камеры сгорания 2 и турбины 4. Цикл такой ГТУ в Т, s-диаграмме показан на рис. 49.
Точка а соответствует параметрам воздуха перед компрессором: давлению ра' и температуре Та. Линия abусловно изображает процесс сжатия воздуха в компрессоре от давления' радо давления рь, а линия be— подвод теплоты в камеру сгорания при постоянном давлении, в результате чего температура газа воз-
Рис. 48. Распределение основных • .Рис. 49. Цикл простой ГТУ параметров по элементам простой
ГТУ:
/ — компрессор, 2 — камера сгорания,
3 — топливный насос, 4 — турбина, 5потребитель мощности
растает от Тъ до Те. Линия cdизображает процесс расширения газа в турбине от давления рсдо давления ра- Линия daусловно замыкает цикл, так как в простой ГТУ цикл открытый (незамкнутый). Однако этой линии соответствует реальный физический процесс — охлаждение и очистка отработавших газов в атмосфере. Отношение давления рь за компрессором к давлению раперед ним называют степенью сжатия в компрессоре:
Отношение давления рсперед турбиной к давлению ра за ней называют степенью расширения в турбине:
Потери давления в воздушном тракте между компрессором и турбиной, включая камеру сгорания, учитываются коэффициентом Я*, связывающим давления перед турбиной и за компрессором:
Обычно А,1=0,97ч-0,98.
Вследствие потерь давления в газовом тракте давление за турбиной больше, чем перед компрессором (Ра>ра)'-
Ра —
где А,2=0,97-^-0,98. 36
Связь между степенью сжатия е в компрессоре и степенью расширения б в турбине выражается следующей формулой:
8 = Ц
где K=KiK2— потери давления в тракте ГТУ.
Удельной полезной работой ГТУ называют разность удельной работы турбины и компрессора:
Н = #т —• #к,
где Hi=ie — ia^Cp(Te— Та) — работа расширения 1 кг газа в турбине; Нк==ль — ia=cp(Tb— Та)—работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре; ia, t&, ic, ia— энтальпии рабочего тела в точках а, Ь, с, dна Т, s-диаграмме; ср — средняя теплоемкость рабочего тела.
Совершенство турбины и компрессора как преобразователей энергии характеризуется их изоэтроиийными кпд:
ic'
Тс
Лс-'Ht
ТЫ — Тд
' T.b
Ta
где ktи iat—энтальпии рабочего тела в точках Ь' и d'-на Т, s-диаграмме при изоэнтропийных расширении и сжатии.
Изоэнтропийные кпд турбин и компрессоров могут достигать 88—91%.,
Удельную работу турбины и компрессора можно, связать соответственно со степенью сжатия е и степенью расширения б:
Як
Количество подведенной теплоты qiзависит от разности температур перед турбиной и за компрессором и совершенства камеры сгорания:
где ср — средняя теплоемкость газов в камере сгорания, а цксее кпд, учитывающий неполноту сгорания .топлива и потери теплоты в окружающую среду. Обычно т)кс = 0,97-^0,98.
Удельную полезную работу ГТУ можно определить по формуле
Рассмотрим характер изменения удельной полезной работы ГТУ в зависимости от степени сжатия е в компрессоре, считая, что она равна степени расширения в турбине. Тогда
Я *= СрТа[т т)т (1 - е-*) - '* \],
етГс/Га.
Эта зависимость имеет характерные точки. Если е=1, то п = = 0, так как работы турбины и компрессора равны нулю. Цикл ГТУ при этом выражается в изобару ра(сплошная линия на рис. 50). В этом случае перед компрессором и за ним, а также перед турбиной и за ней будут одинаковые температуры (Ть=Таи Td=Tc).
Если увеличивать давление за компрессором, то при некотором
значении е= у тт)тт]к удельная полезная работа ГТУ вновь станет равной нулю. Это условие означает, что работа турбины и работа компрессора отличны от нуля и одинаковы. При определенной
степени сжатия ен= у Щкг\т удельная полезная работа Я достигает максимума Ятах (рис. 51). Процессы сжатия воздуха
в компрессоре и расширения газа в турбине при постоянной относительной температуре (t=const) показаны на рис. 50'-пунктиром.
Изменение удельной полезной работы Я в зависимости от степени сжатия е и относительной температуры т показано на рис. 52. С ростом т увеличивается удельная полезная работа, а также оптимальная степень сжатия ен.
Кпд цикла ГТУ в общем случае можно определить по формуле
Ь, с Тс = const
Я_ с __^„
Рис. 50. Предельные циклы простой ГТУ
Связь кпд простой ГТУ с величинами, характеризующими ее цикл, определяется формулой
— Ь-т)-ср
7,
—1 -■
е"1-!
7)кс.
Следует отметить, что кпд ГТУ зависит не от абсолютных значений температур и давлений, а от относительных значений т, е
Зависимость кпд ГТУ от степени сжатия е также имеет характерные точки. Так, кпд ГТУ будет равен нулю при тех же значениях е, что и удельная полезная работа, т. е. при е= 1 и при е=
38
=у тпк11т(рис. 53). При определенной степени сжатия г^ кпд ГТУ максимален. Значение г^ можно найти, построив график зависимости ti=t)(8) при заданном отношении температур.
При увеличении относительной температуры газа t кпд ГТУ увеличивается, так как увеличивается разница между верхней Тс
Рис. 51. Характерные точки зависимости полезной работы простой ГТУ от степени сжатия
Рис. 52. Зависимость удельной работы ГТУ от степени сжатия при разных относительных температурах
и нижней Го температурами цикла и, следовательно, должен повышаться термодинамический кпд (рис, 54). При одинаковых значениях т максимальный кпд достигается при большей степени сжатия, чем максимальная удельная полезная работа, т. е. вп>ел (рис. 55). Это объясняется тем, что.г) зависит не только от удель-.
Рис. 53. Зависимость кпд простой ГТУ от степени сжатия
Рис. 54. Влияние температуры , на кпд простой ГТУ
ной полезной работы Я, но и от количества теплоты quподведенной в камеру сгорания. Максимальное количество теплоты при т=const должно подводиться при в=1, когда разница температур Тс — Тьнаибольшая.
При е= у тг]кт]т температура за компрессором Ть равна температуре перед турбиной Тс, т. е. разница температур равна нулю и, следовательно, количество теплоты дч также равно нулю. Таким образом, q± уменьшается от некоторого максимального значения
до нуля при l^e^y тт1Тт1К. Уменьшение количества подведенной
Рис. 55. Смещение максимума кпд по отношению к максимуму удельной работы простой ГТУ
Рис. 56. Зависимость удельного расхода газа (рабочего тела) от степени сжатия
теплоты #1 смещает максимум кпд в сторону больших степеней сжатия по сравнению с удельной полезной работой.
Одной из важных характеристик цикла ГТУ является коэффициент полезной работы, который, равен отношению полезной работы ГТУ к работе турбины:
Ф = Я/ЯТ=(ЯТ — НЧ)ШТ.
Если полезная работа цикла ГТУ по сравнению с работой турбины мала, коэффициент полезной работы также мал. В этом случае большая часть работы турбины расходуется на привод компрессора.
При используемом в современных ГТУ уровне температур газа перед турбиной Тскоэффициент полезной работы простой ГТУ действительно мал. Так, при т=3,6, е=8, тут=0,87 и tik=0,84 коэффициент полезной работы ф=0,37. При "е=1 коэффициент полезной работы ф=1 — 1/(т)тТ|кт), а ПРИ е=у гптПк он равен нулю, так как удельная полезная работа турбины Ят равна удельной работе, потребляемой "компрессором Як. ;
Еще одной характеристикой ГТУ является удельный расход
газа
d= GIN,
где G— ^расход газа; N — полезная мощность ГТУ.
Удельная полезная работа ГТУ обратно пропорциональна удельному расходу газа:
Удельная работа ГТУ и расход рабочего тела определяют работоспособность 1 кг газа. Чем выше Я и меньше d, тем меньший расход газа необходим для получения заданной мощности, а следовательно, меньше размеры установки. Зависимость удельного расхода газа (рабочего тела) dот степени сжатия е приведена на рис. 56.
Для сравнения схем ТТУ используют прежде всего их кпд, коэффициенты полезной работы и удельные полезные работы или удельные расходы газа.
§ 11. Газотурбинная установка с регенерацией теплоты
В простой ГТУ газы, отработавшие в турбине, покидают ее, имея высокую температуру Td. Таким образом, теплота q= = Cj,(Xd — Та) теряется, что является основной причиной низкой экономичности таких ГТУ. Часть теплоты уходящих газов можно использовать с помощью теплообменных аппаратов — регенерато-
Рис. 57. Схема ГТУ с регенерацией теплоты:
I— компрессор. 1 — турбина,
3 — потребитель мощности, 4 —
топливный насос, 5 — камера
сгорания, 6 — регенератор
Рис. 58. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты в Г, s-диаграмме
40
ров. В этих аппаратах уходящие газы передают теплоту сжатому компрессором воздуху.
Схема ГТУ с регенерацией теплоты показана на рис. 57. Рабочий газ покидает турбину 2, имея температуру Та, и направляется в регенератор 6, куда после компрессора / поступает воздух, имеющий температуру Ть- В регенераторе воздух нагревается до температуры Те. Чтобы подогреть его в камере сгорания до необходимой температуры Тс, нужно уменьшить на ср(Тв— Ть) количество* подведенной теплоты. Таким образом, экономичность ГТУ с.регенерацией выше, чем простых ГТУ. В регенераторе газ остывает до температуры Tfи выбрасывается в атмосферу.
Цикл ГТУ с регенерацией теплоты в Т, s-диаграмме показан на рис. 58. Линия be—соответствует нагреву воздуха в регенераторе, а линия df— охлаждению газа. Количество теплоты, переданное воздуху в регенераторе, qb=ie— ib, а наибольшее количество теплоты, которое могло быть передано в идеальном регенераторе, qm=id— ib- Эффективность передачи теплоты в регенераторе оценивается степенью регенерации, которая равна отношению этих количеств теплоты:
а —
Ят
Те
Ть
Степень регенерации зависит от конструкции регенератора и прежде всего от площади его теплопередающей поверхности. Так, в регенераторе с противотоком воздуху в единицу времени передается количество теплоты
где kи / — коэффициент теплопередачи и площадь теплопередающей поверхности регенератора.
При нагреве воздуха его температура увеличивается от Ть до 7'е» поэтому то же самое количество теплоты можно определить по формуле Q=Cp(Te— Tb).
Эти два соотношения для Qпозволяют определить удельную площадь теплопередающей поверхности регенератора на 1 кг воздуха через степень регенерации:
fсрв
G
fe(l — о) '
где G— расход воздуха через регенератор.
Так как мощность газотурбинной установки N—GH, то
N kH(1-о)
Удельная поверхность регенератора f/Nпри степени регенерации а; стремящейся к единице, неограниченно растет (рис. 59) и одновременно растут масса и размеры регенератора. На практике нецелесообразно изготавливать регенераторы со степенью регенерации более 0,8. Размеры и масса их при этом получаются приемлемыми.
В газотурбинных установках с регенерацией в камеру сгорания подводится количество теплоты.
Температуру воздуха за регенератором можно определить из формулы для расчета степени регенерации:
В общем виде кпд газотурбинной установки с регенерацией, определяемый, кш и простой ГТУ (т,= (Я,-Я,)/*), зависит от степеней сжатия в компрессоре и расширения в турбине, относительной температуры и экономичности агрегатов, входящих в состав ГТУ (турбины, компрессоры, камеры сгорания), а также от степени регенерации:
1
-*-->-
Рис. 59. Зависимость удельной
поверхности регенератора от
степени регенерации
Рис. 60. Зависимость кпд ГТУ с регенерацией теплоты от степени сжатия и степени регенерации
Зависимость кпд ГТУ с регенерацией теплоты от степени сжатия е и степени регенерации а показана на рис. 60. Как видно из этого рисунка, все кривые при определенной степени сжатия сходятся в одну точку. При такой степени сжатия температура газа за турбиной равна температуре воздуха за компрессором (Td= — Ть) и передача теплоты в регенераторе невозможна (рис. 61).
Г (
т
§ 7. Теплообменные аппараты
Теплообменные аппараты служат в ГТУ для подогрева и охлаждения воздуха и масла. По способу передачи теплоты от одного теплоносителя к другому теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплоносители постоянно разделены твердой стенкой, а в регенеративных одни и те же поверхности поочередно омываются горячим и холодным теплоносителем.
Регенераторами ГТУ являются теплообменные аппараты, предназначенные для подогрева воздуха после компрессора теплотой газов,, уходящих из турбины. Регенераторы ГТУ могут быть рекуперативного и регенеративного типов. В настоящее время наиболее часто используют трубчатые и пластинчатые регенераторы рекуперативного типа и вращающиеся регенеративного.
В трубчатом противоточном теплообменнике рекуперативного типа (рис. 37) к цилиндрическому корпусу / крепятся трубные доски 3, в которых закреплены трубки 6, образующие трубный пучок.
Выход газа
Вход газа
Рис. 37. Трубчатый регенератор рекуперативного типа:
/ — корпус, 2, 8 — входной и выходной патрубки газа,
3 — трубные доски, 4 — крышки, 5 — компенсатор, 6 — трубки, 7 — разделитель
Трубные доски закрыты крышками 4. Воздух после компрессора проходит внутри трубок. Навстречу ему снаружи трубки омывает газ, подаваемый после турбины в регенератор через патрубок 8. Охлажденный газ выбрасывается в атмосферу через патрубок 2.
Этот регенератор одноходовой как по газу, так и по воздуху. Чтобы не увеличивать гидравлического сопротивления за турбиной, регенераторы ГТУ по газу всегда выполняются одноходовыми.
Вход Воздуха
По воздуху они могут быть двух-, трех- и четырехходовыми. В трехходовом регенераторе (рис. 38) воздух совершает два поворота, проходя каждый раз через одну треть трубок. После ре-v генератора нагретый воздух направляется в камеру сгорания.
В пластинчатых регенераторах в качестве поверхностей, разделяющих теплоносители, используются тонкие пластины различной формы, которые собирают в пакеты, имеющие места для подвода и отвода теплоносителей. Расположение пластин в набивке показано на рис. 39. Газ проходит по двухугольным каналам /, а воздух — волнообразным каналам 2. Пакет, собранный из пластин, показан на рис. 40. Каналы между пластинами расположены гак, что газ проходит пакет напрямую, а воздух совершает два поворота.
В пластинчатом регенераторе (рис. 41) пакеты 1 располагаются по три в двух вертикальных колоннах, разделенных камерой 3. Для подвода и отвода воздуха в корпусе 2 регенератора имеются патрубки 4 к 6. Конструкция корпуса такова, что воздух может попасть из патрубка 4 только в камеру 3, где он распределяется по всем пакетам. После выхода из пакетов воздух попадает только в патрубок 6.
выход газа'
Выход воздуха
Рис. 38. Трехходовой регенератор рекуперативного типа: /, 4 — выходной и входной патрубки воздуха, 2— трубный пучок, 3, в — выходной и входной патрубки газа, 5 — корпус, 7 — трубные доски
Газ входит в набивку с торцовой поверхности регенератора, образованной пакетами 1. Вход в камеру 3 преграждает обтекатель 7. ^Пластинчатые теплообменники гораздо компактнее и легче трубчатых.
Вращающиеся регенераторы используются в основном в транспортных ГТУ. Схема регенератора с вращающимся диском показана на рис. 42. В корпусе У медленно вращается диск 2, состоящий из вала 3, опирающегося на подшипники 4, и набивки, изготовленной из путаной проволоки.
Воздух
Рис. 39. Расположение пластин в на-бивке регенератора:
/ — двухугольные каналы, 2 — волнообразные каналы
Вход газа
BblXJd
Выход гам
Рис. 40. Пакет регенератора
Газ и воздух проходят параллельно друг другу, разделенные перегородкой 5 в корпусе /. Проходя поток воздуха, набивка остывает, а поток газа нагревается. Вращающиеся теплообменники наиболее компактны и легки. Однако они имеют недостаток: невозможно полностью избежать утечек газа и воздуха, так как небольшая часть их вместе с набивкой постоянно переносится из одной камеры в другую.
Рис! 41. Пластинчатый регенератор:
Хо-шрсет, 2 —корпус. 3 — воздушная ка-Wpa, 4, 6 — патрубки для входа и выхода •овдуха, 5 — перегородка, 7 — обтекатель
Рис 42. Регенератор с вращающимся диском:
/ — корпус, 2 — диск с набивкой, 3 — вал, 4 — подшипники, S— перегородка
Воздухоохладители предназначены для охлаждения воздуха в процессе сжатия его в компрессоре.
Маслоохладители служат для охлаждения масла, идущего на смазку подшипников турбины и компрессора. Охладителем служит вода, а иногда воздух.
Воздухо- и маслоохладители представляют собой трубчатые теплообменники. Обычно по воздуху они выполняются одноходовыми, по воде — двухходовыми, а по маслу — многоходовыми.
§ 8. Фильтры и глушители
Воздух, поступающий в компрессор, содержит пыль, влагу, и шт>Че°КИе загрязнения (насекомые, цветочная пыльца, листья) Ару ие примеси. Пыль, содержащаяся в воздухе, попадает в 32
доздух из атмосферы
проточную часть компрессора и турбины. При ударе твердых частиц о поверхность лопаток частички металла отрываются. Этот процесс называют эрозией.
С промышленными выбросами, а также на берегу моря в атмосферу попадают соли. Если они засасываются в тракт ГТУ, возникает коррозия деталей проточной части.
Назначение фильтров — уменьшить содержание пыли и солей в воздухе, попадающем в проточную часть компрессора и турбины. В настоящее время применяется три типа фильтров: инерционные, масляные и сетчатые.
Инерционные фильтры (рис. 43) основаны на принципе механического отделения (сепарации) твердых частиц при резком изменении направления движения воздуха. Воздух попадает в камеру, образованную стенками в виде жалюзи 2. При повороте потока воздуха твердые частицы отделяются от него и на выход идет очищенный воздух. Загрязненный воздух с больший концентрацией пыли удаляется из камеры отсоса 3. Однако такие фильтры плохо улавливают мелкие частицы. Для улавливания мелких частиц используют масляные фильтры разных типов.
Кассетные масляные фильтры состоят из неподвижных металлических сеток, смазанных маслом. При проходе воздуха' через сетки пыль налипает на них. По мере засорения сетки очищают и вновь смазывают маслом
Самоочищающиеся фильтры представляют собой полотно, которое, постоянно перематываясь, проходит через ванну с маслом. При проходе воздуха через полотно пыль налипает на его волокнах, смазанных маслом.
Чиетый воздух '
Рис. 43. Инерционный-фильтр:
/ — корпус, 2 — жалюзи, 3 — камера отсоса
Загрязненный _
атмосферы
'' Чистый воздух
Рис. 44. Сухой фильтр:
/ — валы, 2 — полотно, 3 — корпус
квппрессври
Рис. 45. Заборное устройство: , / — крышки, 2 — воздухопровод
Кроме масляных применяют сухие фильтры (рис. 44), представляющие собой полотно из специальной ткани, стекловолокна или металлической сетки, которое перематывается с одного вала на другой. Воздух проходит сквозь полотно, которое задерживает ПЫЛЬ,При очень малой запыленности воздуха фильтры не устанавливают. В этом случае воздух забирают с помощью трубы высотой 50—70 м. На такой высоте запыленность воздуха мала. Верх трубы оснащают специальным заборным устройством- (рис. 45), которое исключает прямое попадание в ГТУ дождя и снега.
При большой запыленности (например, при частых пылевых бурях) воздух подвергается двухступенчатой очистке в инерционном и сухом рулонном фильтрах, которые воздух проходит последовательно, прежде чем попадает в компрессор.
Газотурбинные установки являются источниками • шума большой интенсивности, излучаемого их элементами или потоком рабочего тела. Основным источником шума является компрессор.
Для снижения шума внутри помещений, где работают ГТУ, особенно тщательно выполняют теплоизоляцию, которая одновременно служит и звукоизоляцией. Наружу звук проникает в основном через всасывающий воздухопровод. Чтобы уменьшить интенсивность этого шума, в воздухопроводе устанавливают специальное устройство — глушитель (рис. 46), который представляет собой канал, заполненный отражателями 3 и экранами 2 из поролона или стеклянной ваты. Эти материалы хорошо гасят звуковые колебания. ■ . -
На выходе из газовой турбины шум значительно меньше. Если канал, через который выбрасывают в атмосферу отработанные газы, имеет значительную длину и повороты, то специальных мер для . шумоглушения не предпринимают. Если1
Вход воздуха
воздуха
Рис, 46. Глушитель: I — корпус, 2 —экраны, 3 — отражатели
—_,----j----.....- —г-,_,—г-------- —
же канал короткий, на выхлопе из турбины также устанавливают устройства для глушения шума.
§ 9. Пусковые устройства
Для работы ГТУ в камеру сгорания должен подаваться воздух, необходимый для сжигания топлива. Следовательно, для запуска ГТУ прежде всего нужно привести в действие компрессор. Для раскрутки ротора компрессора используют посторонний источник энергии — пусковой двигатель (рис. 47), присоединяемый через, редуктор 2 и обгонную муфту 3.
Рис. 47. Схема присоединения пускового двигателя к ГТУ: ; _ пусковой двигатель, 2 — редуктор, 3 — обгонная муфта, 4 — компрессор, б — турбина, 6 — потребитель мощновта
При пуске прежде всего включают пусковой двигатель, который начинает раскручивать ротор. При этом компрессор начинает прогонять воздух через камеру сгорания и газовую турбину. Когда расход воздуха достигает необходимого значения, в камеру сгорания подается топливо. После того как газовая турбина начинает вырабатывать мощность, достаточную для самостоятельной работы ГТУ, пусковой двигатель отключается.
В качестве пусковых используются электродвигатели постоянного и переменного тока, двигатели внутреннего сгорания и турбоприводы.
Электродвигатели постоянного тока, применяемые в автономных ГТУ, получают питание от аккумуляторных батарей. Электродвигатели переменного тока питаются от электрической сети и могут быть использованы в любых ГТУ. Двигатели внутреннего сгорания обычно используются для запуска автономных ГТУ относительно небольшой мощности (до нескольких тысяч киловатт)«
Используемые для запуска ГТУ-турбоприводы могут быть нескольких типов. Воздушные турбинки приводятся в действие сжатым воздухом, расход которого для выработки достаточной мощности довольно велик. Паровые турбинки приводятся в действие паром и используются в ГТУ, работающих на паротурбинных тепловых электрических станциях. Отработавший в этих турбинках пар выбрасывается в атмосферу.
Турбо детандеры (турбинки, работающие на сжатом газе) обычно применяют для пуска ГТУ, установленных на газоперекачивающих станциях». Природный газ, перекачиваемый по магистральным газопроводам, также может служить рабочим телом в турбодетандерах.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение газотурбинных установок?
2. Из каких элементов состоят газовые турбины и компрессоры?
3. Какие виды роторов турбин и компрессоров вы знаете?
4. Каково назначение упорных и опорных подшипников?
5. Каково устройство камер сгорания и теплообменных аппаратов?
6. Какие типы фильтров используются в ГТУ?
Глава вторая
Схемы и экономичность газотурбинных установок
§ 10. Простая газотурбинная установка
Простая ГТУ (рис. 48) состоит из компрессора /, камеры сгорания 2 и турбины 4. Цикл такой ГТУ в Т, s-диаграмме показан на рис. 49.
Точка а соответствует параметрам воздуха перед компрессором: давлению ра' и температуре Та. Линия abусловно изображает процесс сжатия воздуха в компрессоре от давления' радо давления рь, а линия be— подвод теплоты в камеру сгорания при постоянном давлении, в результате чего температура газа воз-
Рис. 48. Распределение основных • .Рис. 49. Цикл простой ГТУ параметров по элементам простой
ГТУ:
/ — компрессор, 2 — камера сгорания,
3 — топливный насос, 4 — турбина, 5потребитель мощности
растает от Тъ до Те. Линия cdизображает процесс расширения газа в турбине от давления рсдо давления ра- Линия daусловно замыкает цикл, так как в простой ГТУ цикл открытый (незамкнутый). Однако этой линии соответствует реальный физический процесс — охлаждение и очистка отработавших газов в атмосфере. Отношение давления рь за компрессором к давлению раперед ним называют степенью сжатия в компрессоре:
Отношение давления рсперед турбиной к давлению ра за ней называют степенью расширения в турбине:
Потери давления в воздушном тракте между компрессором и турбиной, включая камеру сгорания, учитываются коэффициентом Я*, связывающим давления перед турбиной и за компрессором:
Обычно А,1=0,97ч-0,98.
Вследствие потерь давления в газовом тракте давление за турбиной больше, чем перед компрессором (Ра>ра)'-
Ра —
где А,2=0,97-^-0,98. 36
Связь между степенью сжатия е в компрессоре и степенью расширения б в турбине выражается следующей формулой:
8 = Ц
где K=KiK2— потери давления в тракте ГТУ.
Удельной полезной работой ГТУ называют разность удельной работы турбины и компрессора:
Н = #т —• #к,
где Hi=ie — ia^Cp(Te— Та) — работа расширения 1 кг газа в турбине; Нк==ль — ia=cp(Tb— Та)—работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре; ia, t&, ic, ia— энтальпии рабочего тела в точках а, Ь, с, dна Т, s-диаграмме; ср — средняя теплоемкость рабочего тела.
Совершенство турбины и компрессора как преобразователей энергии характеризуется их изоэтроиийными кпд:
ic'
Тс
Лс-'Ht
ТЫ — Тд
' T.b
Ta
где ktи iat—энтальпии рабочего тела в точках Ь' и d'-на Т, s-диаграмме при изоэнтропийных расширении и сжатии.
Изоэнтропийные кпд турбин и компрессоров могут достигать 88—91%.,
Удельную работу турбины и компрессора можно, связать соответственно со степенью сжатия е и степенью расширения б:
Як
Количество подведенной теплоты qiзависит от разности температур перед турбиной и за компрессором и совершенства камеры сгорания:
где ср — средняя теплоемкость газов в камере сгорания, а цксее кпд, учитывающий неполноту сгорания .топлива и потери теплоты в окружающую среду. Обычно т)кс = 0,97-^0,98.
Удельную полезную работу ГТУ можно определить по формуле
Рассмотрим характер изменения удельной полезной работы ГТУ в зависимости от степени сжатия е в компрессоре, считая, что она равна степени расширения в турбине. Тогда
Я *= СрТа[т т)т (1 - е-*) - '* \],
етГс/Га.
Эта зависимость имеет характерные точки. Если е=1, то п = = 0, так как работы турбины и компрессора равны нулю. Цикл ГТУ при этом выражается в изобару ра(сплошная линия на рис. 50). В этом случае перед компрессором и за ним, а также перед турбиной и за ней будут одинаковые температуры (Ть=Таи Td=Tc).
Если увеличивать давление за компрессором, то при некотором
значении е= у тт)тт]к удельная полезная работа ГТУ вновь станет равной нулю. Это условие означает, что работа турбины и работа компрессора отличны от нуля и одинаковы. При определенной
степени сжатия ен= у Щкг\т удельная полезная работа Я достигает максимума Ятах (рис. 51). Процессы сжатия воздуха
в компрессоре и расширения газа в турбине при постоянной относительной температуре (t=const) показаны на рис. 50'-пунктиром.
Изменение удельной полезной работы Я в зависимости от степени сжатия е и относительной температуры т показано на рис. 52. С ростом т увеличивается удельная полезная работа, а также оптимальная степень сжатия ен.
Кпд цикла ГТУ в общем случае можно определить по формуле
Ь, с Тс = const
Я_ с __^„
Рис. 50. Предельные циклы простой ГТУ
Связь кпд простой ГТУ с величинами, характеризующими ее цикл, определяется формулой
— Ь-т)-ср
7,
—1 -■
е"1-!
7)кс.
Следует отметить, что кпд ГТУ зависит не от абсолютных значений температур и давлений, а от относительных значений т, е
Зависимость кпд ГТУ от степени сжатия е также имеет характерные точки. Так, кпд ГТУ будет равен нулю при тех же значениях е, что и удельная полезная работа, т. е. при е= 1 и при е=
38
=у тпк11т(рис. 53). При определенной степени сжатия г^ кпд ГТУ максимален. Значение г^ можно найти, построив график зависимости ti=t)(8) при заданном отношении температур.
При увеличении относительной температуры газа t кпд ГТУ увеличивается, так как увеличивается разница между верхней Тс
Рис. 51. Характерные точки зависимости полезной работы простой ГТУ от степени сжатия
Рис. 52. Зависимость удельной работы ГТУ от степени сжатия при разных относительных температурах
и нижней Го температурами цикла и, следовательно, должен повышаться термодинамический кпд (рис, 54). При одинаковых значениях т максимальный кпд достигается при большей степени сжатия, чем максимальная удельная полезная работа, т. е. вп>ел (рис. 55). Это объясняется тем, что.г) зависит не только от удель-.
Рис. 53. Зависимость кпд простой ГТУ от степени сжатия
Рис. 54. Влияние температуры , на кпд простой ГТУ
ной полезной работы Я, но и от количества теплоты quподведенной в камеру сгорания. Максимальное количество теплоты при т=const должно подводиться при в=1, когда разница температур Тс — Тьнаибольшая.
При е= у тг]кт]т температура за компрессором Ть равна температуре перед турбиной Тс, т. е. разница температур равна нулю и, следовательно, количество теплоты дч также равно нулю. Таким образом, q± уменьшается от некоторого максимального значения
до нуля при l^e^y тт1Тт1К. Уменьшение количества подведенной
Рис. 55. Смещение максимума кпд по отношению к максимуму удельной работы простой ГТУ
Рис. 56. Зависимость удельного расхода газа (рабочего тела) от степени сжатия
теплоты #1 смещает максимум кпд в сторону больших степеней сжатия по сравнению с удельной полезной работой.
Одной из важных характеристик цикла ГТУ является коэффициент полезной работы, который, равен отношению полезной работы ГТУ к работе турбины:
Ф = Я/ЯТ=(ЯТ — НЧ)ШТ.
Если полезная работа цикла ГТУ по сравнению с работой турбины мала, коэффициент полезной работы также мал. В этом случае большая часть работы турбины расходуется на привод компрессора.
При используемом в современных ГТУ уровне температур газа перед турбиной Тскоэффициент полезной работы простой ГТУ действительно мал. Так, при т=3,6, е=8, тут=0,87 и tik=0,84 коэффициент полезной работы ф=0,37. При "е=1 коэффициент полезной работы ф=1 — 1/(т)тТ|кт), а ПРИ е=у гптПк он равен нулю, так как удельная полезная работа турбины Ят равна удельной работе, потребляемой "компрессором Як. ;
Еще одной характеристикой ГТУ является удельный расход
газа
d= GIN,
где G— ^расход газа; N — полезная мощность ГТУ.
Удельная полезная работа ГТУ обратно пропорциональна удельному расходу газа:
Удельная работа ГТУ и расход рабочего тела определяют работоспособность 1 кг газа. Чем выше Я и меньше d, тем меньший расход газа необходим для получения заданной мощности, а следовательно, меньше размеры установки. Зависимость удельного расхода газа (рабочего тела) dот степени сжатия е приведена на рис. 56.
Для сравнения схем ТТУ используют прежде всего их кпд, коэффициенты полезной работы и удельные полезные работы или удельные расходы газа.
§ 11. Газотурбинная установка с регенерацией теплоты
В простой ГТУ газы, отработавшие в турбине, покидают ее, имея высокую температуру Td. Таким образом, теплота q= = Cj,(Xd — Та) теряется, что является основной причиной низкой экономичности таких ГТУ. Часть теплоты уходящих газов можно использовать с помощью теплообменных аппаратов — регенерато-
Рис. 57. Схема ГТУ с регенерацией теплоты:
I— компрессор. 1 — турбина,
3 — потребитель мощности, 4 —
топливный насос, 5 — камера
сгорания, 6 — регенератор
Рис. 58. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты в Г, s-диаграмме
40
ров. В этих аппаратах уходящие газы передают теплоту сжатому компрессором воздуху.
Схема ГТУ с регенерацией теплоты показана на рис. 57. Рабочий газ покидает турбину 2, имея температуру Та, и направляется в регенератор 6, куда после компрессора / поступает воздух, имеющий температуру Ть- В регенераторе воздух нагревается до температуры Те. Чтобы подогреть его в камере сгорания до необходимой температуры Тс, нужно уменьшить на ср(Тв— Ть) количество* подведенной теплоты. Таким образом, экономичность ГТУ с.регенерацией выше, чем простых ГТУ. В регенераторе газ остывает до температуры Tfи выбрасывается в атмосферу.
Цикл ГТУ с регенерацией теплоты в Т, s-диаграмме показан на рис. 58. Линия be—соответствует нагреву воздуха в регенераторе, а линия df— охлаждению газа. Количество теплоты, переданное воздуху в регенераторе, qb=ie— ib, а наибольшее количество теплоты, которое могло быть передано в идеальном регенераторе, qm=id— ib- Эффективность передачи теплоты в регенераторе оценивается степенью регенерации, которая равна отношению этих количеств теплоты:
а —
Ят
Те
Ть
Степень регенерации зависит от конструкции регенератора и прежде всего от площади его теплопередающей поверхности. Так, в регенераторе с противотоком воздуху в единицу времени передается количество теплоты
где kи / — коэффициент теплопередачи и площадь теплопередающей поверхности регенератора.
При нагреве воздуха его температура увеличивается от Ть до 7'е» поэтому то же самое количество теплоты можно определить по формуле Q=Cp(Te— Tb).
Эти два соотношения для Qпозволяют определить удельную площадь теплопередающей поверхности регенератора на 1 кг воздуха через степень регенерации:
fсрв
G
fe(l — о) '
§ 7. Теплообменные аппараты
Теплообменные аппараты служат в ГТУ для подогрева и охлаждения воздуха и масла. По способу передачи теплоты от одного теплоносителя к другому теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплоносители постоянно разделены твердой стенкой, а в регенеративных одни и те же поверхности поочередно омываются горячим и холодным теплоносителем.
Регенераторами ГТУ являются теплообменные аппараты, предназначенные для подогрева воздуха после компрессора теплотой газов,, уходящих из турбины. Регенераторы ГТУ могут быть рекуперативного и регенеративного типов. В настоящее время наиболее часто используют трубчатые и пластинчатые регенераторы рекуперативного типа и вращающиеся регенеративного.
В трубчатом противоточном теплообменнике рекуперативного типа (рис. 37) к цилиндрическому корпусу / крепятся трубные доски 3, в которых закреплены трубки 6, образующие трубный пучок.
Выход газа
Вход газа
Рис. 37. Трубчатый регенератор рекуперативного типа:
/ — корпус, 2, 8 — входной и выходной патрубки газа,
3 — трубные доски, 4 — крышки, 5 — компенсатор, 6 — трубки, 7 — разделитель
Трубные доски закрыты крышками 4. Воздух после компрессора проходит внутри трубок. Навстречу ему снаружи трубки омывает газ, подаваемый после турбины в регенератор через патрубок 8. Охлажденный газ выбрасывается в атмосферу через патрубок 2.
Этот регенератор одноходовой как по газу, так и по воздуху. Чтобы не увеличивать гидравлического сопротивления за турбиной, регенераторы ГТУ по газу всегда выполняются одноходовыми.
Вход Воздуха
По воздуху они могут быть двух-, трех- и четырехходовыми. В трехходовом регенераторе (рис. 38) воздух совершает два поворота, проходя каждый раз через одну треть трубок. После ре-v генератора нагретый воздух направляется в камеру сгорания.
В пластинчатых регенераторах в качестве поверхностей, разделяющих теплоносители, используются тонкие пластины различной формы, которые собирают в пакеты, имеющие места для подвода и отвода теплоносителей. Расположение пластин в набивке показано на рис. 39. Газ проходит по двухугольным каналам /, а воздух — волнообразным каналам 2. Пакет, собранный из пластин, показан на рис. 40. Каналы между пластинами расположены гак, что газ проходит пакет напрямую, а воздух совершает два поворота.
В пластинчатом регенераторе (рис. 41) пакеты 1 располагаются по три в двух вертикальных колоннах, разделенных камерой 3. Для подвода и отвода воздуха в корпусе 2 регенератора имеются патрубки 4 к 6. Конструкция корпуса такова, что воздух может попасть из патрубка 4 только в камеру 3, где он распределяется по всем пакетам. После выхода из пакетов воздух попадает только в патрубок 6.
выход газа'
Выход воздуха
Рис. 38. Трехходовой регенератор рекуперативного типа: /, 4 — выходной и входной патрубки воздуха, 2— трубный пучок, 3, в — выходной и входной патрубки газа, 5 — корпус, 7 — трубные доски
Газ входит в набивку с торцовой поверхности регенератора, образованной пакетами 1. Вход в камеру 3 преграждает обтекатель 7. ^Пластинчатые теплообменники гораздо компактнее и легче трубчатых.
Вращающиеся регенераторы используются в основном в транспортных ГТУ. Схема регенератора с вращающимся диском показана на рис. 42. В корпусе У медленно вращается диск 2, состоящий из вала 3, опирающегося на подшипники 4, и набивки, изготовленной из путаной проволоки.
Воздух
Рис. 39. Расположение пластин в на-бивке регенератора:
/ — двухугольные каналы, 2 — волнообразные каналы
Вход газа
BblXJd
Выход гам
Рис. 40. Пакет регенератора
Газ и воздух проходят параллельно друг другу, разделенные перегородкой 5 в корпусе /. Проходя поток воздуха, набивка остывает, а поток газа нагревается. Вращающиеся теплообменники наиболее компактны и легки. Однако они имеют недостаток: невозможно полностью избежать утечек газа и воздуха, так как небольшая часть их вместе с набивкой постоянно переносится из одной камеры в другую.
Рис! 41. Пластинчатый регенератор:
Хо-шрсет, 2 —корпус. 3 — воздушная ка-Wpa, 4, 6 — патрубки для входа и выхода •овдуха, 5 — перегородка, 7 — обтекатель
Рис 42. Регенератор с вращающимся диском:
/ — корпус, 2 — диск с набивкой, 3 — вал, 4 — подшипники, S— перегородка
Воздухоохладители предназначены для охлаждения воздуха в процессе сжатия его в компрессоре.
Маслоохладители служат для охлаждения масла, идущего на смазку подшипников турбины и компрессора. Охладителем служит вода, а иногда воздух.
Воздухо- и маслоохладители представляют собой трубчатые теплообменники. Обычно по воздуху они выполняются одноходовыми, по воде — двухходовыми, а по маслу — многоходовыми.
§ 8. Фильтры и глушители
Воздух, поступающий в компрессор, содержит пыль, влагу, и шт>Че°КИе загрязнения (насекомые, цветочная пыльца, листья) Ару ие примеси. Пыль, содержащаяся в воздухе, попадает в 32
доздух из атмосферы
проточную часть компрессора и турбины. При ударе твердых частиц о поверхность лопаток частички металла отрываются. Этот процесс называют эрозией.
С промышленными выбросами, а также на берегу моря в атмосферу попадают соли. Если они засасываются в тракт ГТУ, возникает коррозия деталей проточной части.
Назначение фильтров — уменьшить содержание пыли и солей в воздухе, попадающем в проточную часть компрессора и турбины. В настоящее время применяется три типа фильтров: инерционные, масляные и сетчатые.
Инерционные фильтры (рис. 43) основаны на принципе механического отделения (сепарации) твердых частиц при резком изменении направления движения воздуха. Воздух попадает в камеру, образованную стенками в виде жалюзи 2. При повороте потока воздуха твердые частицы отделяются от него и на выход идет очищенный воздух. Загрязненный воздух с больший концентрацией пыли удаляется из камеры отсоса 3. Однако такие фильтры плохо улавливают мелкие частицы. Для улавливания мелких частиц используют масляные фильтры разных типов.
Кассетные масляные фильтры состоят из неподвижных металлических сеток, смазанных маслом. При проходе воздуха' через сетки пыль налипает на них. По мере засорения сетки очищают и вновь смазывают маслом
Самоочищающиеся фильтры представляют собой полотно, которое, постоянно перематываясь, проходит через ванну с маслом. При проходе воздуха через полотно пыль налипает на его волокнах, смазанных маслом.
Чиетый воздух '
Рис. 43. Инерционный-фильтр:
/ — корпус, 2 — жалюзи, 3 — камера отсоса
Загрязненный _
атмосферы
'' Чистый воздух
Рис. 44. Сухой фильтр:
/ — валы, 2 — полотно, 3 — корпус
квппрессври
Рис. 45. Заборное устройство: , / — крышки, 2 — воздухопровод
Кроме масляных применяют сухие фильтры (рис. 44), представляющие собой полотно из специальной ткани, стекловолокна или металлической сетки, которое перематывается с одного вала на другой. Воздух проходит сквозь полотно, которое задерживает ПЫЛЬ,При очень малой запыленности воздуха фильтры не устанавливают. В этом случае воздух забирают с помощью трубы высотой 50—70 м. На такой высоте запыленность воздуха мала. Верх трубы оснащают специальным заборным устройством- (рис. 45), которое исключает прямое попадание в ГТУ дождя и снега.
При большой запыленности (например, при частых пылевых бурях) воздух подвергается двухступенчатой очистке в инерционном и сухом рулонном фильтрах, которые воздух проходит последовательно, прежде чем попадает в компрессор.
Газотурбинные установки являются источниками • шума большой интенсивности, излучаемого их элементами или потоком рабочего тела. Основным источником шума является компрессор.
Для снижения шума внутри помещений, где работают ГТУ, особенно тщательно выполняют теплоизоляцию, которая одновременно служит и звукоизоляцией. Наружу звук проникает в основном через всасывающий воздухопровод. Чтобы уменьшить интенсивность этого шума, в воздухопроводе устанавливают специальное устройство — глушитель (рис. 46), который представляет собой канал, заполненный отражателями 3 и экранами 2 из поролона или стеклянной ваты. Эти материалы хорошо гасят звуковые колебания. ■ . -
На выходе из газовой турбины шум значительно меньше. Если канал, через который выбрасывают в атмосферу отработанные газы, имеет значительную длину и повороты, то специальных мер для . шумоглушения не предпринимают. Если1
Вход воздуха
воздуха
Рис, 46. Глушитель: I — корпус, 2 —экраны, 3 — отражатели
—_,----j----.....- —г-,_,—г-------- —
же канал короткий, на выхлопе из турбины также устанавливают устройства для глушения шума.
§ 9. Пусковые устройства
Для работы ГТУ в камеру сгорания должен подаваться воздух, необходимый для сжигания топлива. Следовательно, для запуска ГТУ прежде всего нужно привести в действие компрессор. Для раскрутки ротора компрессора используют посторонний источник энергии — пусковой двигатель (рис. 47), присоединяемый через, редуктор 2 и обгонную муфту 3.
Рис. 47. Схема присоединения пускового двигателя к ГТУ: ; _ пусковой двигатель, 2 — редуктор, 3 — обгонная муфта, 4 — компрессор, б — турбина, 6 — потребитель мощновта
При пуске прежде всего включают пусковой двигатель, который начинает раскручивать ротор. При этом компрессор начинает прогонять воздух через камеру сгорания и газовую турбину. Когда расход воздуха достигает необходимого значения, в камеру сгорания подается топливо. После того как газовая турбина начинает вырабатывать мощность, достаточную для самостоятельной работы ГТУ, пусковой двигатель отключается.
В качестве пусковых используются электродвигатели постоянного и переменного тока, двигатели внутреннего сгорания и турбоприводы.
Электродвигатели постоянного тока, применяемые в автономных ГТУ, получают питание от аккумуляторных батарей. Электродвигатели переменного тока питаются от электрической сети и могут быть использованы в любых ГТУ. Двигатели внутреннего сгорания обычно используются для запуска автономных ГТУ относительно небольшой мощности (до нескольких тысяч киловатт)«
Используемые для запуска ГТУ-турбоприводы могут быть нескольких типов. Воздушные турбинки приводятся в действие сжатым воздухом, расход которого для выработки достаточной мощности довольно велик. Паровые турбинки приводятся в действие паром и используются в ГТУ, работающих на паротурбинных тепловых электрических станциях. Отработавший в этих турбинках пар выбрасывается в атмосферу.
Турбо детандеры (турбинки, работающие на сжатом газе) обычно применяют для пуска ГТУ, установленных на газоперекачивающих станциях». Природный газ, перекачиваемый по магистральным газопроводам, также может служить рабочим телом в турбодетандерах.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение газотурбинных установок?
2. Из каких элементов состоят газовые турбины и компрессоры?
3. Какие виды роторов турбин и компрессоров вы знаете?
4. Каково назначение упорных и опорных подшипников?
5. Каково устройство камер сгорания и теплообменных аппаратов?
6. Какие типы фильтров используются в ГТУ?
Глава вторая
Схемы и экономичность газотурбинных установок
§ 10. Простая газотурбинная установка
Простая ГТУ (рис. 48) состоит из компрессора /, камеры сгорания 2 и турбины 4. Цикл такой ГТУ в Т, s-диаграмме показан на рис. 49.
Точка а соответствует параметрам воздуха перед компрессором: давлению ра' и температуре Та. Линия abусловно изображает процесс сжатия воздуха в компрессоре от давления' радо давления рь, а линия be— подвод теплоты в камеру сгорания при постоянном давлении, в результате чего температура газа воз-
Рис. 48. Распределение основных • .Рис. 49. Цикл простой ГТУ параметров по элементам простой
ГТУ:
/ — компрессор, 2 — камера сгорания,
3 — топливный насос, 4 — турбина, 5потребитель мощности
растает от Тъ до Те. Линия cdизображает процесс расширения газа в турбине от давления рсдо давления ра- Линия daусловно замыкает цикл, так как в простой ГТУ цикл открытый (незамкнутый). Однако этой линии соответствует реальный физический процесс — охлаждение и очистка отработавших газов в атмосфере. Отношение давления рь за компрессором к давлению раперед ним называют степенью сжатия в компрессоре:
Отношение давления рсперед турбиной к давлению ра за ней называют степенью расширения в турбине:
Потери давления в воздушном тракте между компрессором и турбиной, включая камеру сгорания, учитываются коэффициентом Я*, связывающим давления перед турбиной и за компрессором:
Обычно А,1=0,97ч-0,98.
Вследствие потерь давления в газовом тракте давление за турбиной больше, чем перед компрессором (Ра>ра)'-
Ра —
где А,2=0,97-^-0,98. 36
Связь между степенью сжатия е в компрессоре и степенью расширения б в турбине выражается следующей формулой:
8 = Ц
где K=KiK2— потери давления в тракте ГТУ.
Удельной полезной работой ГТУ называют разность удельной работы турбины и компрессора:
Н = #т —• #к,
где Hi=ie — ia^Cp(Te— Та) — работа расширения 1 кг газа в турбине; Нк==ль — ia=cp(Tb— Та)—работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре; ia, t&, ic, ia— энтальпии рабочего тела в точках а, Ь, с, dна Т, s-диаграмме; ср — средняя теплоемкость рабочего тела.
Совершенство турбины и компрессора как преобразователей энергии характеризуется их изоэтроиийными кпд:
ic'
Тс
Лс-'Ht
ТЫ — Тд
' T.b
Ta
где ktи iat—энтальпии рабочего тела в точках Ь' и d'-на Т, s-диаграмме при изоэнтропийных расширении и сжатии.
Изоэнтропийные кпд турбин и компрессоров могут достигать 88—91%.,
Удельную работу турбины и компрессора можно, связать соответственно со степенью сжатия е и степенью расширения б:
Як
Количество подведенной теплоты qiзависит от разности температур перед турбиной и за компрессором и совершенства камеры сгорания:
где ср — средняя теплоемкость газов в камере сгорания, а цксее кпд, учитывающий неполноту сгорания .топлива и потери теплоты в окружающую среду. Обычно т)кс = 0,97-^0,98.
Удельную полезную работу ГТУ можно определить по формуле
Рассмотрим характер изменения удельной полезной работы ГТУ в зависимости от степени сжатия е в компрессоре, считая, что она равна степени расширения в турбине. Тогда
Я *= СрТа[т т)т (1 - е-*) - '* \],
етГс/Га.
Эта зависимость имеет характерные точки. Если е=1, то п = = 0, так как работы турбины и компрессора равны нулю. Цикл ГТУ при этом выражается в изобару ра(сплошная линия на рис. 50). В этом случае перед компрессором и за ним, а также перед турбиной и за ней будут одинаковые температуры (Ть=Таи Td=Tc).
Если увеличивать давление за компрессором, то при некотором
значении е= у тт)тт]к удельная полезная работа ГТУ вновь станет равной нулю. Это условие означает, что работа турбины и работа компрессора отличны от нуля и одинаковы. При определенной
степени сжатия ен= у Щкг\т удельная полезная работа Я достигает максимума Ятах (рис. 51). Процессы сжатия воздуха
в компрессоре и расширения газа в турбине при постоянной относительной температуре (t=const) показаны на рис. 50'-пунктиром.
Изменение удельной полезной работы Я в зависимости от степени сжатия е и относительной температуры т показано на рис. 52. С ростом т увеличивается удельная полезная работа, а также оптимальная степень сжатия ен.
Кпд цикла ГТУ в общем случае можно определить по формуле
Ь, с Тс = const
Я_ с __^„
Рис. 50. Предельные циклы простой ГТУ
Связь кпд простой ГТУ с величинами, характеризующими ее цикл, определяется формулой
— Ь-т)-ср
7,
—1 -■
е"1-!
7)кс.
Следует отметить, что кпд ГТУ зависит не от абсолютных значений температур и давлений, а от относительных значений т, е
Зависимость кпд ГТУ от степени сжатия е также имеет характерные точки. Так, кпд ГТУ будет равен нулю при тех же значениях е, что и удельная полезная работа, т. е. при е= 1 и при е=
38
=у тпк11т(рис. 53). При определенной степени сжатия г^ кпд ГТУ максимален. Значение г^ можно найти, построив график зависимости ti=t)(8) при заданном отношении температур.
При увеличении относительной температуры газа t кпд ГТУ увеличивается, так как увеличивается разница между верхней Тс
Рис. 51. Характерные точки зависимости полезной работы простой ГТУ от степени сжатия
Рис. 52. Зависимость удельной работы ГТУ от степени сжатия при разных относительных температурах
и нижней Го температурами цикла и, следовательно, должен повышаться термодинамический кпд (рис, 54). При одинаковых значениях т максимальный кпд достигается при большей степени сжатия, чем максимальная удельная полезная работа, т. е. вп>ел (рис. 55). Это объясняется тем, что.г) зависит не только от удель-.
Рис. 53. Зависимость кпд простой ГТУ от степени сжатия
Рис. 54. Влияние температуры , на кпд простой ГТУ
ной полезной работы Я, но и от количества теплоты quподведенной в камеру сгорания. Максимальное количество теплоты при т=const должно подводиться при в=1, когда разница температур Тс — Тьнаибольшая.
При е= у тг]кт]т температура за компрессором Ть равна температуре перед турбиной Тс, т. е. разница температур равна нулю и, следовательно, количество теплоты дч также равно нулю. Таким образом, q± уменьшается от некоторого максимального значения
до нуля при l^e^y тт1Тт1К. Уменьшение количества подведенной
Рис. 55. Смещение максимума кпд по отношению к максимуму удельной работы простой ГТУ
Рис. 56. Зависимость удельного расхода газа (рабочего тела) от степени сжатия
теплоты #1 смещает максимум кпд в сторону больших степеней сжатия по сравнению с удельной полезной работой.
Одной из важных характеристик цикла ГТУ является коэффициент полезной работы, который, равен отношению полезной работы ГТУ к работе турбины:
Ф = Я/ЯТ=(ЯТ — НЧ)ШТ.
Если полезная работа цикла ГТУ по сравнению с работой турбины мала, коэффициент полезной работы также мал. В этом случае большая часть работы турбины расходуется на привод компрессора.
При используемом в современных ГТУ уровне температур газа перед турбиной Тскоэффициент полезной работы простой ГТУ действительно мал. Так, при т=3,6, е=8, тут=0,87 и tik=0,84 коэффициент полезной работы ф=0,37. При "е=1 коэффициент полезной работы ф=1 — 1/(т)тТ|кт), а ПРИ е=у гптПк он равен нулю, так как удельная полезная работа турбины Ят равна удельной работе, потребляемой "компрессором Як. ;
Еще одной характеристикой ГТУ является удельный расход
газа
d= GIN,
где G— ^расход газа; N — полезная мощность ГТУ.
Удельная полезная работа ГТУ обратно пропорциональна удельному расходу газа:
Удельная работа ГТУ и расход рабочего тела определяют работоспособность 1 кг газа. Чем выше Я и меньше d, тем меньший расход газа необходим для получения заданной мощности, а следовательно, меньше размеры установки. Зависимость удельного расхода газа (рабочего тела) dот степени сжатия е приведена на рис. 56.
Для сравнения схем ТТУ используют прежде всего их кпд, коэффициенты полезной работы и удельные полезные работы или удельные расходы газа.
§ 11. Газотурбинная установка с регенерацией теплоты
В простой ГТУ газы, отработавшие в турбине, покидают ее, имея высокую температуру Td. Таким образом, теплота q= = Cj,(Xd — Та) теряется, что является основной причиной низкой экономичности таких ГТУ. Часть теплоты уходящих газов можно использовать с помощью теплообменных аппаратов — регенерато-
Рис. 57. Схема ГТУ с регенерацией теплоты:
I— компрессор. 1 — турбина,
3 — потребитель мощности, 4 —
топливный насос, 5 — камера
сгорания, 6 — регенератор
Рис. 58. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты в Г, s-диаграмме
40
ров. В этих аппаратах уходящие газы передают теплоту сжатому компрессором воздуху.
Схема ГТУ с регенерацией теплоты показана на рис. 57. Рабочий газ покидает турбину 2, имея температуру Та, и направляется в регенератор 6, куда после компрессора / поступает воздух, имеющий температуру Ть- В регенераторе воздух нагревается до температуры Те. Чтобы подогреть его в камере сгорания до необходимой температуры Тс, нужно уменьшить на ср(Тв— Ть) количество* подведенной теплоты. Таким образом, экономичность ГТУ с.регенерацией выше, чем простых ГТУ. В регенераторе газ остывает до температуры Tfи выбрасывается в атмосферу.
Цикл ГТУ с регенерацией теплоты в Т, s-диаграмме показан на рис. 58. Линия be—соответствует нагреву воздуха в регенераторе, а линия df— охлаждению газа. Количество теплоты, переданное воздуху в регенераторе, qb=ie— ib, а наибольшее количество теплоты, которое могло быть передано в идеальном регенераторе, qm=id— ib- Эффективность передачи теплоты в регенераторе оценивается степенью регенерации, которая равна отношению этих количеств теплоты:
а —
Ят
Те
Ть
§ 7. Теплообменные аппараты
Теплообменные аппараты служат в ГТУ для подогрева и охлаждения воздуха и масла. По способу передачи теплоты от одного теплоносителя к другому теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплоносители постоянно разделены твердой стенкой, а в регенеративных одни и те же поверхности поочередно омываются горячим и холодным теплоносителем.
Регенераторами ГТУ являются теплообменные аппараты, предназначенные для подогрева воздуха после компрессора теплотой газов,, уходящих из турбины. Регенераторы ГТУ могут быть рекуперативного и регенеративного типов. В настоящее время наиболее часто используют трубчатые и пластинчатые регенераторы рекуперативного типа и вращающиеся регенеративного.
В трубчатом противоточном теплообменнике рекуперативного типа (рис. 37) к цилиндрическому корпусу / крепятся трубные доски 3, в которых закреплены трубки 6, образующие трубный пучок.
Выход газа
Вход газа
Рис. 37. Трубчатый регенератор рекуперативного типа:
/ — корпус, 2, 8 — входной и выходной патрубки газа,
3 — трубные доски, 4 — крышки, 5 — компенсатор, 6 — трубки, 7 — разделитель
Трубные доски закрыты крышками 4. Воздух после компрессора проходит внутри трубок. Навстречу ему снаружи трубки омывает газ, подаваемый после турбины в регенератор через патрубок 8. Охлажденный газ выбрасывается в атмосферу через патрубок 2.
Этот регенератор одноходовой как по газу, так и по воздуху. Чтобы не увеличивать гидравлического сопротивления за турбиной, регенераторы ГТУ по газу всегда выполняются одноходовыми.
Вход Воздуха
По воздуху они могут быть двух-, трех- и четырехходовыми. В трехходовом регенераторе (рис. 38) воздух совершает два поворота, проходя каждый раз через одну треть трубок. После ре-v генератора нагретый воздух направляется в камеру сгорания.
В пластинчатых регенераторах в качестве поверхностей, разделяющих теплоносители, используются тонкие пластины различной формы, которые собирают в пакеты, имеющие места для подвода и отвода теплоносителей. Расположение пластин в набивке показано на рис. 39. Газ проходит по двухугольным каналам /, а воздух — волнообразным каналам 2. Пакет, собранный из пластин, показан на рис. 40. Каналы между пластинами расположены гак, что газ проходит пакет напрямую, а воздух совершает два поворота.
В пластинчатом регенераторе (рис. 41) пакеты 1 располагаются по три в двух вертикальных колоннах, разделенных камерой 3. Для подвода и отвода воздуха в корпусе 2 регенератора имеются патрубки 4 к 6. Конструкция корпуса такова, что воздух может попасть из патрубка 4 только в камеру 3, где он распределяется по всем пакетам. После выхода из пакетов воздух попадает только в патрубок 6.
выход газа'
Выход воздуха
Рис. 38. Трехходовой регенератор рекуперативного типа: /, 4 — выходной и входной патрубки воздуха, 2— трубный пучок, 3, в — выходной и входной патрубки газа, 5 — корпус, 7 — трубные доски
Газ входит в набивку с торцовой поверхности регенератора, образованной пакетами 1. Вход в камеру 3 преграждает обтекатель 7. ^Пластинчатые теплообменники гораздо компактнее и легче трубчатых.
Вращающиеся регенераторы используются в основном в транспортных ГТУ. Схема регенератора с вращающимся диском показана на рис. 42. В корпусе У медленно вращается диск 2, состоящий из вала 3, опирающегося на подшипники 4, и набивки, изготовленной из путаной проволоки.
Воздух
Рис. 39. Расположение пластин в на-бивке регенератора:
/ — двухугольные каналы, 2 — волнообразные каналы
Вход газа
BblXJd
Выход гам
Рис. 40. Пакет регенератора
Газ и воздух проходят параллельно друг другу, разделенные перегородкой 5 в корпусе /. Проходя поток воздуха, набивка остывает, а поток газа нагревается. Вращающиеся теплообменники наиболее компактны и легки. Однако они имеют недостаток: невозможно полностью избежать утечек газа и воздуха, так как небольшая часть их вместе с набивкой постоянно переносится из одной камеры в другую.
Рис! 41. Пластинчатый регенератор:
Хо-шрсет, 2 —корпус. 3 — воздушная ка-Wpa, 4, 6 — патрубки для входа и выхода •овдуха, 5 — перегородка, 7 — обтекатель
Рис 42. Регенератор с вращающимся диском:
/ — корпус, 2 — диск с набивкой, 3 — вал, 4 — подшипники, S— перегородка
Воздухоохладители предназначены для охлаждения воздуха в процессе сжатия его в компрессоре.
Маслоохладители служат для охлаждения масла, идущего на смазку подшипников турбины и компрессора. Охладителем служит вода, а иногда воздух.
Воздухо- и маслоохладители представляют собой трубчатые теплообменники. Обычно по воздуху они выполняются одноходовыми, по воде — двухходовыми, а по маслу — многоходовыми.
§ 8. Фильтры и глушители
Воздух, поступающий в компрессор, содержит пыль, влагу, и шт>Че°КИе загрязнения (насекомые, цветочная пыльца, листья) Ару ие примеси. Пыль, содержащаяся в воздухе, попадает в 32
доздух из атмосферы
проточную часть компрессора и турбины. При ударе твердых частиц о поверхность лопаток частички металла отрываются. Этот процесс называют эрозией.
С промышленными выбросами, а также на берегу моря в атмосферу попадают соли. Если они засасываются в тракт ГТУ, возникает коррозия деталей проточной части.
Назначение фильтров — уменьшить содержание пыли и солей в воздухе, попадающем в проточную часть компрессора и турбины. В настоящее время применяется три типа фильтров: инерционные, масляные и сетчатые.
Инерционные фильтры (рис. 43) основаны на принципе механического отделения (сепарации) твердых частиц при резком изменении направления движения воздуха. Воздух попадает в камеру, образованную стенками в виде жалюзи 2. При повороте потока воздуха твердые частицы отделяются от него и на выход идет очищенный воздух. Загрязненный воздух с больший концентрацией пыли удаляется из камеры отсоса 3. Однако такие фильтры плохо улавливают мелкие частицы. Для улавливания мелких частиц используют масляные фильтры разных типов.
Кассетные масляные фильтры состоят из неподвижных металлических сеток, смазанных маслом. При проходе воздуха' через сетки пыль налипает на них. По мере засорения сетки очищают и вновь смазывают маслом
Самоочищающиеся фильтры представляют собой полотно, которое, постоянно перематываясь, проходит через ванну с маслом. При проходе воздуха через полотно пыль налипает на его волокнах, смазанных маслом.
Чиетый воздух '
Рис. 43. Инерционный-фильтр:
/ — корпус, 2 — жалюзи, 3 — камера отсоса
Загрязненный _
атмосферы
'' Чистый воздух
Рис. 44. Сухой фильтр:
/ — валы, 2 — полотно, 3 — корпус
квппрессври
Рис. 45. Заборное устройство: , / — крышки, 2 — воздухопровод
Кроме масляных применяют сухие фильтры (рис. 44), представляющие собой полотно из специальной ткани, стекловолокна или металлической сетки, которое перематывается с одного вала на другой. Воздух проходит сквозь полотно, которое задерживает ПЫЛЬ,При очень малой запыленности воздуха фильтры не устанавливают. В этом случае воздух забирают с помощью трубы высотой 50—70 м. На такой высоте запыленность воздуха мала. Верх трубы оснащают специальным заборным устройством- (рис. 45), которое исключает прямое попадание в ГТУ дождя и снега.
При большой запыленности (например, при частых пылевых бурях) воздух подвергается двухступенчатой очистке в инерционном и сухом рулонном фильтрах, которые воздух проходит последовательно, прежде чем попадает в компрессор.
Газотурбинные установки являются источниками • шума большой интенсивности, излучаемого их элементами или потоком рабочего тела. Основным источником шума является компрессор.
Для снижения шума внутри помещений, где работают ГТУ, особенно тщательно выполняют теплоизоляцию, которая одновременно служит и звукоизоляцией. Наружу звук проникает в основном через всасывающий воздухопровод. Чтобы уменьшить интенсивность этого шума, в воздухопроводе устанавливают специальное устройство — глушитель (рис. 46), который представляет собой канал, заполненный отражателями 3 и экранами 2 из поролона или стеклянной ваты. Эти материалы хорошо гасят звуковые колебания. ■ . -
На выходе из газовой турбины шум значительно меньше. Если канал, через который выбрасывают в атмосферу отработанные газы, имеет значительную длину и повороты, то специальных мер для . шумоглушения не предпринимают. Если1
Вход воздуха
воздуха
Рис, 46. Глушитель: I — корпус, 2 —экраны, 3 — отражатели
—_,----j----.....- —г-,_,—г-------- —
же канал короткий, на выхлопе из турбины также устанавливают устройства для глушения шума.
§ 9. Пусковые устройства
Для работы ГТУ в камеру сгорания должен подаваться воздух, необходимый для сжигания топлива. Следовательно, для запуска ГТУ прежде всего нужно привести в действие компрессор. Для раскрутки ротора компрессора используют посторонний источник энергии — пусковой двигатель (рис. 47), присоединяемый через, редуктор 2 и обгонную муфту 3.
Рис. 47. Схема присоединения пускового двигателя к ГТУ: ; _ пусковой двигатель, 2 — редуктор, 3 — обгонная муфта, 4 — компрессор, б — турбина, 6 — потребитель мощновта
При пуске прежде всего включают пусковой двигатель, который начинает раскручивать ротор. При этом компрессор начинает прогонять воздух через камеру сгорания и газовую турбину. Когда расход воздуха достигает необходимого значения, в камеру сгорания подается топливо. После того как газовая турбина начинает вырабатывать мощность, достаточную для самостоятельной работы ГТУ, пусковой двигатель отключается.
В качестве пусковых используются электродвигатели постоянного и переменного тока, двигатели внутреннего сгорания и турбоприводы.
Электродвигатели постоянного тока, применяемые в автономных ГТУ, получают питание от аккумуляторных батарей. Электродвигатели переменного тока питаются от электрической сети и могут быть использованы в любых ГТУ. Двигатели внутреннего сгорания обычно используются для запуска автономных ГТУ относительно небольшой мощности (до нескольких тысяч киловатт)«
Используемые для запуска ГТУ-турбоприводы могут быть нескольких типов. Воздушные турбинки приводятся в действие сжатым воздухом, расход которого для выработки достаточной мощности довольно велик. Паровые турбинки приводятся в действие паром и используются в ГТУ, работающих на паротурбинных тепловых электрических станциях. Отработавший в этих турбинках пар выбрасывается в атмосферу.
Турбо детандеры (турбинки, работающие на сжатом газе) обычно применяют для пуска ГТУ, установленных на газоперекачивающих станциях». Природный газ, перекачиваемый по магистральным газопроводам, также может служить рабочим телом в турбодетандерах.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение газотурбинных установок?
2. Из каких элементов состоят газовые турбины и компрессоры?
3. Какие виды роторов турбин и компрессоров вы знаете?
4. Каково назначение упорных и опорных подшипников?
5. Каково устройство камер сгорания и теплообменных аппаратов?
6. Какие типы фильтров используются в ГТУ?
Глава вторая
Схемы и экономичность газотурбинных установок
§ 10. Простая газотурбинная установка
Простая ГТУ (рис. 48) состоит из компрессора /, камеры сгорания 2 и турбины 4. Цикл такой ГТУ в Т, s-диаграмме показан на рис. 49.
Точка а соответствует параметрам воздуха перед компрессором: давлению ра' и температуре Та. Линия abусловно изображает процесс сжатия воздуха в компрессоре от давления' радо давления рь, а линия be— подвод теплоты в камеру сгорания при постоянном давлении, в результате чего температура газа воз-
Рис. 48. Распределение основных • .Рис. 49. Цикл простой ГТУ параметров по элементам простой
ГТУ:
/ — компрессор, 2 — камера сгорания,
3 — топливный насос, 4 — турбина, 5потребитель мощности
растает от Тъ до Те. Линия cdизображает процесс расширения газа в турбине от давления рсдо давления ра- Линия daусловно замыкает цикл, так как в простой ГТУ цикл открытый (незамкнутый). Однако этой линии соответствует реальный физический процесс — охлаждение и очистка отработавших газов в атмосфере. Отношение давления рь за компрессором к давлению раперед ним называют степенью сжатия в компрессоре:
Отношение давления рсперед турбиной к давлению ра за ней называют степенью расширения в турбине:
Потери давления в воздушном тракте между компрессором и турбиной, включая камеру сгорания, учитываются коэффициентом Я*, связывающим давления перед турбиной и за компрессором:
Обычно А,1=0,97ч-0,98.
Вследствие потерь давления в газовом тракте давление за турбиной больше, чем перед компрессором (Ра>ра)'-
Ра —
где А,2=0,97-^-0,98. 36
Связь между степенью сжатия е в компрессоре и степенью расширения б в турбине выражается следующей формулой:
8 = Ц
где K=KiK2— потери давления в тракте ГТУ.
Удельной полезной работой ГТУ называют разность удельной работы турбины и компрессора:
Н = #т —• #к,
где Hi=ie — ia^Cp(Te— Та) — работа расширения 1 кг газа в турбине; Нк==ль — ia=cp(Tb— Та)—работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре; ia, t&, ic, ia— энтальпии рабочего тела в точках а, Ь, с, dна Т, s-диаграмме; ср — средняя теплоемкость рабочего тела.
Совершенство турбины и компрессора как преобразователей энергии характеризуется их изоэтроиийными кпд:
ic'
Тс
Лс-'Ht
ТЫ — Тд
' T.b
Ta
§ 7. Теплообменные аппараты
Теплообменные аппараты служат в ГТУ для подогрева и охлаждения воздуха и масла. По способу передачи теплоты от одного теплоносителя к другому теплообменные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных теплообменных аппаратах теплоносители постоянно разделены твердой стенкой, а в регенеративных одни и те же поверхности поочередно омываются горячим и холодным теплоносителем.
Регенераторами ГТУ являются теплообменные аппараты, предназначенные для подогрева воздуха после компрессора теплотой газов,, уходящих из турбины. Регенераторы ГТУ могут быть рекуперативного и регенеративного типов. В настоящее время наиболее часто используют трубчатые и пластинчатые регенераторы рекуперативного типа и вращающиеся регенеративного.
В трубчатом противоточном теплообменнике рекуперативного типа (рис. 37) к цилиндрическому корпусу / крепятся трубные доски 3, в которых закреплены трубки 6, образующие трубный пучок.
Выход газа
Вход газа
Рис. 37. Трубчатый регенератор рекуперативного типа:
/ — корпус, 2, 8 — входной и выходной патрубки газа,
3 — трубные доски, 4 — крышки, 5 — компенсатор, 6 — трубки, 7 — разделитель
Трубные доски закрыты крышками 4. Воздух после компрессора проходит внутри трубок. Навстречу ему снаружи трубки омывает газ, подаваемый после турбины в регенератор через патрубок 8. Охлажденный газ выбрасывается в атмосферу через патрубок 2.
Этот регенератор одноходовой как по газу, так и по воздуху. Чтобы не увеличивать гидравлического сопротивления за турбиной, регенераторы ГТУ по газу всегда выполняются одноходовыми.
Вход Воздуха
По воздуху они могут быть двух-, трех- и четырехходовыми. В трехходовом регенераторе (рис. 38) воздух совершает два поворота, проходя каждый раз через одну треть трубок. После ре-v генератора нагретый воздух направляется в камеру сгорания.
В пластинчатых регенераторах в качестве поверхностей, разделяющих теплоносители, используются тонкие пластины различной формы, которые собирают в пакеты, имеющие места для подвода и отвода теплоносителей. Расположение пластин в набивке показано на рис. 39. Газ проходит по двухугольным каналам /, а воздух — волнообразным каналам 2. Пакет, собранный из пластин, показан на рис. 40. Каналы между пластинами расположены гак, что газ проходит пакет напрямую, а воздух совершает два поворота.
В пластинчатом регенераторе (рис. 41) пакеты 1 располагаются по три в двух вертикальных колоннах, разделенных камерой 3. Для подвода и отвода воздуха в корпусе 2 регенератора имеются патрубки 4 к 6. Конструкция корпуса такова, что воздух может попасть из патрубка 4 только в камеру 3, где он распределяется по всем пакетам. После выхода из пакетов воздух попадает только в патрубок 6.
выход газа'
Выход воздуха
Рис. 38. Трехходовой регенератор рекуперативного типа: /, 4 — выходной и входной патрубки воздуха, 2— трубный пучок, 3, в — выходной и входной патрубки газа, 5 — корпус, 7 — трубные доски
Газ входит в набивку с торцовой поверхности регенератора, образованной пакетами 1. Вход в камеру 3 преграждает обтекатель 7. ^Пластинчатые теплообменники гораздо компактнее и легче трубчатых.
Вращающиеся регенераторы используются в основном в транспортных ГТУ. Схема регенератора с вращающимся диском показана на рис. 42. В корпусе У медленно вращается диск 2, состоящий из вала 3, опирающегося на подшипники 4, и набивки, изготовленной из путаной проволоки.
Воздух
Рис. 39. Расположение пластин в на-бивке регенератора:
/ — двухугольные каналы, 2 — волнообразные каналы
Вход газа
BblXJd
Выход гам
Рис. 40. Пакет регенератора
Газ и воздух проходят параллельно друг другу, разделенные перегородкой 5 в корпусе /. Проходя поток воздуха, набивка остывает, а поток газа нагревается. Вращающиеся теплообменники наиболее компактны и легки. Однако они имеют недостаток: невозможно полностью избежать утечек газа и воздуха, так как небольшая часть их вместе с набивкой постоянно переносится из одной камеры в другую.
Рис! 41. Пластинчатый регенератор:
Хо-шрсет, 2 —корпус. 3 — воздушная ка-Wpa, 4, 6 — патрубки для входа и выхода •овдуха, 5 — перегородка, 7 — обтекатель
Рис 42. Регенератор с вращающимся диском:
/ — корпус, 2 — диск с набивкой, 3 — вал, 4 — подшипники, S— перегородка
Воздухоохладители предназначены для охлаждения воздуха в процессе сжатия его в компрессоре.
Маслоохладители служат для охлаждения масла, идущего на смазку подшипников турбины и компрессора. Охладителем служит вода, а иногда воздух.
Воздухо- и маслоохладители представляют собой трубчатые теплообменники. Обычно по воздуху они выполняются одноходовыми, по воде — двухходовыми, а по маслу — многоходовыми.
§ 8. Фильтры и глушители
Воздух, поступающий в компрессор, содержит пыль, влагу, и шт>Че°КИе загрязнения (насекомые, цветочная пыльца, листья) Ару ие примеси. Пыль, содержащаяся в воздухе, попадает в 32
доздух из атмосферы
проточную часть компрессора и турбины. При ударе твердых частиц о поверхность лопаток частички металла отрываются. Этот процесс называют эрозией.
С промышленными выбросами, а также на берегу моря в атмосферу попадают соли. Если они засасываются в тракт ГТУ, возникает коррозия деталей проточной части.
Назначение фильтров — уменьшить содержание пыли и солей в воздухе, попадающем в проточную часть компрессора и турбины. В настоящее время применяется три типа фильтров: инерционные, масляные и сетчатые.
Инерционные фильтры (рис. 43) основаны на принципе механического отделения (сепарации) твердых частиц при резком изменении направления движения воздуха. Воздух попадает в камеру, образованную стенками в виде жалюзи 2. При повороте потока воздуха твердые частицы отделяются от него и на выход идет очищенный воздух. Загрязненный воздух с больший концентрацией пыли удаляется из камеры отсоса 3. Однако такие фильтры плохо улавливают мелкие частицы. Для улавливания мелких частиц используют масляные фильтры разных типов.
Кассетные масляные фильтры состоят из неподвижных металлических сеток, смазанных маслом. При проходе воздуха' через сетки пыль налипает на них. По мере засорения сетки очищают и вновь смазывают маслом
Самоочищающиеся фильтры представляют собой полотно, которое, постоянно перематываясь, проходит через ванну с маслом. При проходе воздуха через полотно пыль налипает на его волокнах, смазанных маслом.
Чиетый воздух '
Рис. 43. Инерционный-фильтр:
/ — корпус, 2 — жалюзи, 3 — камера отсоса
Загрязненный _
атмосферы
'' Чистый воздух
Рис. 44. Сухой фильтр:
/ — валы, 2 — полотно, 3 — корпус
квппрессври
Рис. 45. Заборное устройство: , / — крышки, 2 — воздухопровод
Кроме масляных применяют сухие фильтры (рис. 44), представляющие собой полотно из специальной ткани, стекловолокна или металлической сетки, которое перематывается с одного вала на другой. Воздух проходит сквозь полотно, которое задерживает ПЫЛЬ,При очень малой запыленности воздуха фильтры не устанавливают. В этом случае воздух забирают с помощью трубы высотой 50—70 м. На такой высоте запыленность воздуха мала. Верх трубы оснащают специальным заборным устройством- (рис. 45), которое исключает прямое попадание в ГТУ дождя и снега.
При большой запыленности (например, при частых пылевых бурях) воздух подвергается двухступенчатой очистке в инерционном и сухом рулонном фильтрах, которые воздух проходит последовательно, прежде чем попадает в компрессор.
Газотурбинные установки являются источниками • шума большой интенсивности, излучаемого их элементами или потоком рабочего тела. Основным источником шума является компрессор.
Для снижения шума внутри помещений, где работают ГТУ, особенно тщательно выполняют теплоизоляцию, которая одновременно служит и звукоизоляцией. Наружу звук проникает в основном через всасывающий воздухопровод. Чтобы уменьшить интенсивность этого шума, в воздухопроводе устанавливают специальное устройство — глушитель (рис. 46), который представляет собой канал, заполненный отражателями 3 и экранами 2 из поролона или стеклянной ваты. Эти материалы хорошо гасят звуковые колебания. ■ . -
На выходе из газовой турбины шум значительно меньше. Если канал, через который выбрасывают в атмосферу отработанные газы, имеет значительную длину и повороты, то специальных мер для . шумоглушения не предпринимают. Если1
Вход воздуха
воздуха
Рис, 46. Глушитель: I — корпус, 2 —экраны, 3 — отражатели
—_,----j----.....- —г-,_,—г-------- —
же канал короткий, на выхлопе из турбины также устанавливают устройства для глушения шума.
§ 9. Пусковые устройства
Для работы ГТУ в камеру сгорания должен подаваться воздух, необходимый для сжигания топлива. Следовательно, для запуска ГТУ прежде всего нужно привести в действие компрессор. Для раскрутки ротора компрессора используют посторонний источник энергии — пусковой двигатель (рис. 47), присоединяемый через, редуктор 2 и обгонную муфту 3.
Рис. 47. Схема присоединения пускового двигателя к ГТУ: ; _ пусковой двигатель, 2 — редуктор, 3 — обгонная муфта, 4 — компрессор, б — турбина, 6 — потребитель мощновта
При пуске прежде всего включают пусковой двигатель, который начинает раскручивать ротор. При этом компрессор начинает прогонять воздух через камеру сгорания и газовую турбину. Когда расход воздуха достигает необходимого значения, в камеру сгорания подается топливо. После того как газовая турбина начинает вырабатывать мощность, достаточную для самостоятельной работы ГТУ, пусковой двигатель отключается.
В качестве пусковых используются электродвигатели постоянного и переменного тока, двигатели внутреннего сгорания и турбоприводы.
Электродвигатели постоянного тока, применяемые в автономных ГТУ, получают питание от аккумуляторных батарей. Электродвигатели переменного тока питаются от электрической сети и могут быть использованы в любых ГТУ. Двигатели внутреннего сгорания обычно используются для запуска автономных ГТУ относительно небольшой мощности (до нескольких тысяч киловатт)«
Используемые для запуска ГТУ-турбоприводы могут быть нескольких типов. Воздушные турбинки приводятся в действие сжатым воздухом, расход которого для выработки достаточной мощности довольно велик. Паровые турбинки приводятся в действие паром и используются в ГТУ, работающих на паротурбинных тепловых электрических станциях. Отработавший в этих турбинках пар выбрасывается в атмосферу.
Турбо детандеры (турбинки, работающие на сжатом газе) обычно применяют для пуска ГТУ, установленных на газоперекачивающих станциях». Природный газ, перекачиваемый по магистральным газопроводам, также может служить рабочим телом в турбодетандерах.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение газотурбинных установок?
2. Из каких элементов состоят газовые турбины и компрессоры?
3. Какие виды роторов турбин и компрессоров вы знаете?
4. Каково назначение упорных и опорных подшипников?
5. Каково устройство камер сгорания и теплообменных аппаратов?
6. Какие типы фильтров используются в ГТУ?
Глава вторая
Схемы и экономичность газотурбинных установок
§ 10. Простая газотурбинная установка
Простая ГТУ (рис. 48) состоит из компрессора /, камеры сгорания 2 и турбины 4. Цикл такой ГТУ в Т, s-диаграмме показан на рис. 49.
Точка а соответствует параметрам воздуха перед компрессором: давлению ра' и температуре Та. Линия abусловно изображает процесс сжатия воздуха в компрессоре от давления' радо давления рь, а линия be— подвод теплоты в камеру сгорания при постоянном давлении, в результате чего температура газа воз-
Рис. 48. Распределение основных • .Рис. 49. Цикл простой ГТУ параметров по элементам простой
ГТУ:
/ — компрессор, 2 — камера сгорания,
3 — топливный насос, 4 — турбина, 5потребитель мощности
растает от Тъ до Те. Линия cdизображает процесс расширения газа в турбине от давления рсдо давления ра- Линия daусловно замыкает цикл, так как в простой ГТУ цикл открытый (незамкнутый). Однако этой линии соответствует реальный физический процесс — охлаждение и очистка отработавших газов в атмосфере. Отношение давления рь за компрессором к давлению раперед ним называют степенью сжатия в компрессоре:
Отношение давления рсперед турбиной к давлению ра за ней называют степенью расширения в турбине:
Потери давления в воздушном тракте между компрессором и турбиной, включая камеру сгорания, учитываются коэффициентом Я*, связывающим давления перед турбиной и за компрессором:
Обычно А,1=0,97ч-0,98.
Вследствие потерь давления в газовом тракте давление за турбиной больше, чем перед компрессором (Ра>ра)'-
Ра —
где А,2=0,97-^-0,98. 36
Связь между степенью сжатия е в компрессоре и степенью расширения б в турбине выражается следующей формулой:
8 = Ц
где K=KiK2— потери давления в тракте ГТУ.
Удельной полезной работой ГТУ называют разность удельной работы турбины и компрессора:
Н = #т —• #к,
где Hi=ie — ia^Cp(Te— Та) — работа расширения 1 кг газа в турбине; Нк==ль — ia=cp(Tb— Та)—работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре; ia, t&, ic, ia— энтальпии рабочего тела в точках а, Ь, с, dна Т, s-диаграмме; ср — средняя теплоемкость рабочего тела.
Совершенство турбины и компрессора как преобразователей энергии характеризуется их изоэтроиийными кпд:
ic'
Тс
где ktи iat—энтальпии рабочего тела в точках Ь' и d'-на Т, s-диаграмме при изоэнтропийных расширении и сжатии.
Изоэнтропийные кпд турбин и компрессоров могут достигать 88—91%.,
Удельную работу турбины и компрессора можно, связать соответственно со степенью сжатия е и степенью расширения б:
Як
Количество подведенной теплоты qiзависит от разности температур перед турбиной и за компрессором и совершенства камеры сгорания:
где ср — средняя теплоемкость газов в камере сгорания, а цксее кпд, учитывающий неполноту сгорания .топлива и потери теплоты в окружающую среду. Обычно т)кс = 0,97-^0,98.
Удельную полезную работу ГТУ можно определить по формуле
Рассмотрим характер изменения удельной полезной работы ГТУ в зависимости от степени сжатия е в компрессоре, считая, что она равна степени расширения в турбине. Тогда
Я *= СрТа[т т)т (1 - е-*) -
етГс/Га.
Эта зависимость имеет характерные точки. Если е=1, то п = = 0, так как работы турбины и компрессора равны нулю. Цикл ГТУ при этом выражается в изобару ра(сплошная линия на рис. 50). В этом случае перед компрессором и за ним, а также перед турбиной и за ней будут одинаковые температуры (Ть=Таи Td=Tc).
Если увеличивать давление за компрессором, то при некотором
значении е= у тт)тт]к удельная полезная работа ГТУ вновь станет равной нулю. Это условие означает, что работа турбины и работа компрессора отличны от нуля и одинаковы. При определенной
степени сжатия ен= у Щкг\т удельная полезная работа Я достигает максимума Ятах (рис. 51). Процессы сжатия воздуха
в компрессоре и расширения газа в турбине при постоянной относительной температуре (t=const) показаны на рис. 50'-пунктиром.
Изменение удельной полезной работы Я в зависимости от степени сжатия е и относительной температуры т показано на рис. 52. С ростом т увеличивается удельная полезная работа, а также оптимальная степень сжатия ен.
Кпд цикла ГТУ в общем случае можно определить по формуле
Ь, с Тс = const
Степень регенерации зависит от конструкции регенератора и прежде всего от площади его теплопередающей поверхности. Так, в регенераторе с противотоком воздуху в единицу времени передается количество теплоты
где kи / — коэффициент теплопередачи и площадь теплопередающей поверхности регенератора.
При нагреве воздуха его температура увеличивается от Ть до 7'е» поэтому то же самое количество теплоты можно определить по формуле Q=Cp(Te— Tb).
Эти два соотношения для Qпозволяют определить удельную площадь теплопередающей поверхности регенератора на 1 кг воздуха через степень регенерации:
fсрв
где G— расход воздуха через регенератор.
Так как мощность газотурбинной установки N—GH, то
N kH(1-о)
Удельная поверхность регенератора f/Nпри степени регенерации а; стремящейся к единице, неограниченно растет (рис. 59) и одновременно растут масса и размеры регенератора. На практике нецелесообразно изготавливать регенераторы со степенью регенерации более 0,8. Размеры и масса их при этом получаются приемлемыми.
В газотурбинных установках с регенерацией в камеру сгорания подводится количество теплоты.
Температуру воздуха за регенератором можно определить из формулы для расчета степени регенерации:
В общем виде кпд газотурбинной установки с регенерацией, определяемый, кш и простой ГТУ (т,= (Я,-Я,)/*), зависит от степеней сжатия в компрессоре и расширения в турбине, относительной температуры и экономичности агрегатов, входящих в состав ГТУ (турбины, компрессоры, камеры сгорания), а также от степени регенерации:
1
-*-->-
Рис. 59. Зависимость удельной
поверхности регенератора от
степени регенерации
Рис. 60. Зависимость кпд ГТУ с регенерацией теплоты от степени сжатия и степени регенерации
Зависимость кпд ГТУ с регенерацией теплоты от степени сжатия е и степени регенерации а показана на рис. 60. Как видно из этого рисунка, все кривые при определенной степени сжатия сходятся в одну точку. При такой степени сжатия температура газа за турбиной равна температуре воздуха за компрессором (Td= — Ть) и передача теплоты в регенераторе невозможна (рис. 61).
Г (
т
| | Те = const | | | |
| | > | 4, | у* | |
| | | | {\г ' Ть | %(Т*Г |
| ф | ' \/ | Та- | const | |
| | | | | |
Рис. 61. Предельный цикл ГТУ в Т, s-диаграмме, при котором регенерация нецелесообразна
Рис. 62. Влияние регенерации на оптимальную степень сжатия.
При дальнейшем увеличении степени сжатия е температура воздуха на входе в регенератор становится больше температуры газа на выходе из турбины (Tb>Td) и газ, отбирая теплоту у воздуха, выбрасывает в атмосферу.
Регенерация' увеличивает кпд цикла и уменьшает оптимальную степень сжатия вц. С увеличением степени сжатия е при постоянных температурах Таи Тсуменьшается разница температур Та —
— Ть ъ регенераторе, а следовательно, и эффект регенерации (рис. 62).
Удельную полезную работу ГТУ с регенерацией теплоты определяют по той же формуле, что и простой ГТУ, т. е. оптимальная степень сжатия гн формально не зависит от степени регенерации ст. Зависимость степени сжатия en, при которой достигается наибольший кпд, от степени регенерации приведена
на рис. 63.
-При степени регенерации ст=0,64-0,8 для уменьшения размеров и массы ГТУ нужно выбирать рабочую степень сжатия несколько больше, оптимальной е,,, так как 'наибольшую удельную работу получают при
,Рис. 63. Зависимость оптимальной степени сжатия от степени регенерации
Коэффициент полезной работы ц> с введением регенерации возрастает, так как уменьшается оптимальная степень сжатия е„.
§ 12. Газотурбинная установка с промежуточными подогревом рабочего тела и охлаждением воздуха
Простые ГТУ наиболее распространены из-за несложности конструкции и надежности в эксплуатации. Однако их экономичность недостаточна/Одним из способов увеличения экономичности ГТУ является введение промежуточных подогрева газа и охлаждения воздуха.
Схема одновальной ГТУ с промежуточными подводом теплоты и охлаждением воздуха показана на рис. 64. Воздух из атмосферы направляется в компрессор низкого давления КНД, откуда поступает в охладитель О, где охлаждается от температуры Ты до температуры Та2[ а затем сжимается в компрессоре высокого давления КВД. Из компрессора высокого давления воздух подается в регенератор Р, а затем — в камеру сгорания высокого давления КСВД. При сжигании топлива газ нагревается до температуры Тс и направляется в турбину высокого давления
ТВД, а затем — в камеру сгорания низкого давления КСНД, где также сжигается
44
топливо. Нагретый до температуры Тлгаз направляется в.турбину низкого давления ТНД, затем —в регенератор И и далее —в
i
ВГ/в-диаграмме (рис. 65) сжатие воздуха в компрессорах низкого и высокого давления соответственно изображено линиями а и аф2, а охлаждение воздуха в охладителе — линией bia2.
Рис. 64. Схема одновальной ГТУ с промежуточным подводом теплоты н промежуточным охлаждением воздуха
Участок Ь2е — нагрев воздуха в регенераторе, а участок ect —подогрев его в камере сгорания высокого давления. Работе газа в турбинах высокого- и низкого давления соответствуют линии аах и c%d2, подводу теплоты в камеру сгорания низкого давления — линия diCZ, а охлаждению отработавшего газа в регенераторе — участок d2f.
Используются и более сложные схемы ГТУ, позволяющие, на* пример, двукратно охлаждать воздух и размещать турбины и ком-
— щ
Рис. 65. Т, s-диаграмма теплового процесса ГТУ Рис. 66. Схема двух-с промежуточным сжиганием топлива и промежуточным охлаждением воздуха
вальной ГТУ
прессоры на разных валах. Такие ГТУ обладают большей экономичностью, чем простые, хорошими показателями на частичных нагрузках и широким диапазоном устойчивой работы.
Схема двухвальной газотурбинной установки с двукратным охлаждением воздуха и одним промежуточным подводом теплоты показана на рис. 66. Ротор турбины высокого давления ТВД вращает роторы компрессоров среднего КСД и низкого КНД давления. Вал, состоящий из роторов этих агрегатов, называется свободным. Турбина низкого давления ТНД вращает роторы компрессора высокого давления КВД и электрического генератора Г.. Этот вал называют силовым. Возможны также другие схемы расположения турбин и компрессоров на разных валах.
Если в ГТУ имеется s компрессоров с промежуточным охлаждением между ними и