Файл: А втономная некоммерческая организация Дополнительного профессионального образования Образовательный центр ПетроПроф.doc

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 26.10.2023

Просмотров: 237

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

Глава первая Основные элементы газотурбинных установок§ 1. Общие сведения о газотурбинных установкахГазотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора.На рис. 1, а показана газотурбинная установка, компрессор 1, камеры сгорания 2 и газовая турбина 3 которой расположены в едином сборном корпусе. Роторы 6 и 5 компрессора и турбины жестко соединены друг с другом и опираются на три подшипника. Четырнадцать камер сгорания располагаются вокруг компрессора каждая в своем корпусе. Воздух поступает в компрессор через входной патрубок и уходит из газовой турбины через выхлопной патрубок. Корпус газотурбинной установки опирается на четыре опоры 4 и 8, которые расположены на единой раме 7.Тепловая схема такой газотурбинной установки показана на рис. 1, б. В камеры сгорания топливным насосом подаются топли­во и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, что­бы температура газа, получившегося после смешения, не превы­шала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в га­зовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду.Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В ком­прессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, назы­вают установками открытого цикла. Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 2). В замкну­тых ГТУ также имеются компрессор / и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 4, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В ка­честве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 4 нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воз­дух, а затем охлаждается в ох­ладителе 6, поступает в компрессор /, и цикл повторяется, В качестве источника теп- лоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего-тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы. Охладитель Рис. 2. Схема замкнутой ГТУ:5-регенератор, в-охладитель § 2. Устройство газовой турбины и компрессораГазовая турбина представляет собой тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия газа преобразуется в механиче­скую энергию.Продольный разрез простейшей газовой турбины показан на рис. 3. На вал / насажен диск 2, в котором укреплены рабочиелопатки 4. Вал с диском и ло­патками в сборе называют ро­тором. Ротор турбины распо­ложен внутри корпуса 5 и опи­рается на подшипники сколь­жения 6. Газ поступает к ро­тору турбины через сопла, об­разованные сопловыми лопат­ками 3. Сопла предназначены для преобразования потен­циальной энергии газа в ки­нетическую. Внутри сопла дав­ление газа уменьшается, а его скорость увеличивается. Перегородки, разделяющие сопла, называют сопловыми лопатка­ми, а все сопловые лопатки, расположенные на одной окружности, — сопловой решет­кой.После сопловой решетки газ поступает к рабочим ло­паткам. Промежутки между рабочими лопатками называют рабочими каналами, а все рабочие лопатки на диске — рабочей решеткой. Сопловую решетку и рас­положенную за ней по ходу газа рабочую решетку называют степенью. Рабочие лопатки изготовлены так, что каналы между ними имеют определенную форму. За счет изменения количества дви­жения газа в рабочих каналах часть его энергии преобразуется в механическую, заставляя вращаться ротор. Ротор соединяется с потребителем механической энергии, которым на электрических станциях является электрический генератор, а на газоперекачивающих—- нагнетатель газа. Рис. 3. Простейшая турбина:' 'Г*' <Гсопло»"е н рабочиеaПоступает газ в турбину через входной патрубок £, а уходит из нее отработавший газ через выхлопной патрубок 8.Корпус турбины состоит из входного и выхлопного патрубков и той части, где расположены сопловые и рабочие лопатки. Та­ким образом корпус отделяет газ повышенного давления от окру­жающей среды. Однако в местах выхода ротора из корпуса име­ются зазоры, и чтобы предотвратить утечку газа, в корпусе уста­навливают уплотнения 7. Корпус турбины внутри или снаружи обязательно покрывают теплоизоляцией.Компрессор служит для сжатия газа (воздуха) и повыше­ния его энергии и температуры. При малых степенях сжатия в ГТУ в основном используют осевые компрессоры.Простейший одноступенчатый компрессор состоит из тех же элементов, что и простейшая турбина, поэтому его устройство можно пояснить, используя рис. Ь. Так же как и турбина, ком­прессор имеет ротор* состоящий из вала /, диска 2 и рабочих ло­паток 4. На внутренней поверхности корпуса компрессора распо­лагаются направляющие лопатки 3. Решетку направляющих ло­паток и следующую за ней рабочую решетку называют ступенью компрессора.Воздух засасывается в компрессор через входной патрубок 9. Каналы между направляющими и рабочими лопатками имеют такую форму, что скорость воздуха в них уменьшается, а давление растет. Чтобы производилась работа сжатия воздуха, от турбины отбирается значительная часть мощности, необходимой для вра­щения ротора компрессора.Выхлопной патрубок 8 (диффузор) служит для вывода воздуха из компрессора. Давление воздуха за диффузором значительно выше, чем во входном патрубке, и является наибольшим давлени­ем в ГТУ.Корпус компрессора состоит из входного патрубка, цилиндри­ческой части, в которой расположены направляющие лопатки, и диффузора. Так же как в турбине, в местах выхода ротора из корпуса компрессора располагаются уплотнения 7 Турбины и компрессоры, имеющие одну ступень, называют од­ноступенчатыми. Турбины и компрессоры большой мощности с одной ступенью сконструировать обычно не удается. В этом случае на роторе приходится располагать несколько ступеней одну за другой. Такие турбины и компрессоры называют многоступен­чатыми.§ 3. Роторы газовых турбин и компрессоровРоторы газовых турбин и компрессоров работают в сложных условиях: температура воздуха перед компрессором в зимнее время может снижаться до —50° С, а температура газа перед тур­биной быть более 1000° С. При слишком низких температурах ме­таллы становятся хрупкими и проявляется такое их свойство, как хладноломкость, а при высоких температурах в результате боль­шой пластичности — ползучесть.В газотурбинных установках используют цельнокованые, свар­ные и сборные роторы.Роторы турбины и компрессора ГТУ могут выполняться как самостоятельные элементы или собираться в единый ротор. Цель­нокованые роторы турбины и компрессора показаны на рис, 4, а—г.Ротор, показанный на рис. 4, а, состоит из роторов турбины и компрессора, изготовленных из одной поковки. В настоящее вре­мя такие роторы в мощных ГТУ не применяют. Основной их недо- статок состоит в том, что роторы турбины и компрессоры прихо­дится изготавливать из одного металла. Рис. 4. Цельнокованые роторы:а — из одной поковки (турбины и компрессора), б, в — ба­рабанного и дискового типов (компрессора), г — турбины; 1, 6 — шейки ротора, 2, 5 — концевые уплотнения, 3 — иазы (места установки лопаток компрессора), 4 — диски турбины. 7 — центральное сверление, S — фланец, S — расточка, 10 — диски с лопатками компрессора; /—// — компрессорная и турбинная частиЭто невыгодно, так как ротор турбины работает при высокой температуре и для него тре­буется металл высокого качества, а ротор компрессора может быть изготовлен из более дешевого металла. Однако на примере этого ротора удобно рассмотреть назначение основных его элементов. . Ротор можно, разделить на две части: компрессорную 7 и турбинную //. На концах ротора выполняются шейки 1 и 6, которыми он опирается на подшипники. За шейками располагаются места установки концевых уплотнений 2 и 5. В компрессорной части ро­тора протачиваются специальные пазы 3, в которых крепятся ра­бочие лопатки компрессора, а в турбинной — диски 4, на цилинд­рической части которых также выполняются пазы, необходимые для крепления рабочих лопаток турбины.Вдоль оси ротора для контроля качества металла протачива­ется центральное отверстие 7. Через него обнаруживают язвы, трещины, пустоты, которые могут возникнуть при ковке заготовки ротора.Цельнокованые роторы барабанного типа (рис. 4, б) приме­няют в компрессорах. Так как внутри ротора выполнена большая полость (расточка) 9, он получается относительно легким и жест­ким. На правом конце такого ротора имеется фланец 8, к которо­му может крепиться концевик с шейкой под подшипник и конце­выми уплотнениями или ротор газовой турбины.Цельнокованые роторы дискового типа (рис. 4, в) чаще всего используются в компрессорах. Рабочие лопатки компрессора рас­полагаются в пазах, выполненных на цилиндрической части дис­ков 10. Если число ступеней в газовых турбинах невелико, в них также применяют цельнокованые роторы. На рис. 4, г показан цельнокованый ротор двухступенчатой газовой турбины, который фланцем 8 крепится к ротору компрессора.Роторы компрессоров изготавливают также сварными (рис. 5). Такие роторы состоят из нескольких сваренных, друг с другом дис­ков 6. К первому (левому) диску приварен концевик 2 с концевы­ми уплотнениями 3 и шейкой У, последний (правый) диск имеет выступ, который заканчивается фланцем 5. Сварные роторы обла­дают большой прочностью и жесткостью.В газотурбинных установках часто используются сборные ро­торы турбин и компрессоров: с насадными дисками, а также из сплошных дисков и из дисков с центральными отверстиями, скреп­ляемых стяжками.Роторы с насадными дисками (рис. 6) в основном применяют в компрессорах. Диски 1 насаживают на вал 2 с натягом, для чего их предварительно нагревают, чтобы диаметр внутренней расточки увеличился. После остывания диски плотно охватывают вал. Роторы такой конструкции можно использовать при относи­тельно небольших температурах.Роторы турбины и компрессора, состоящие из отдельных дис­ков и концевиков без центрального отверстия, показаны на рис. 7, а, б. Диски имеют отверстия 10, расположенные вдали от оси вращения ротора. Через эти отверстия пропущены стяжки 4. С по­мощью гаек 2 и 6, которые навинчиваются на стяжки, диски и концевики плотно прижимаются друг к другу. Центровка дисков и концевиков обеспечивается окружными поясками 5 (рис. 7, а) или специальным зубчиковым (хиртовым) соединением 8 (Рис.7, б). Рис. 5. Сварной ротор компрессора: / — шейка, 2 — концевик, 3 — концевые уп­лотнения, < —места установки лопаток, 5 —фланец, 6 — диски Рис. 6. Ротор компрессора с насадными дисками: / — диски, 2 — вал, 3 — концевые уплотнения, 4 — шейка Рис. 7. Сборные роторы:^'„-J

§ 4. Подшипники роторовРоторы турбин и компрессоров опираются на опорные подшипники, которые воспринимают их вес. В свою очередь, на ротор действуют силы, возникающие при работе турбины или компрес­сора. Эти силы возникают при воздействии газа, который стре­мится сдвинуть ротор в осевом направлении в сторону меньшего давления. По направлению действия эти силы называют осевыми. Перемещению ротора в осевом направлении препятствует упор­ный подшипник.При больших нагрузках длительно работают подшипники скольжения, которые в мощных ГТУ используются в качестве опорных и упорных. Для смазывания подшипников применяют турбинное масло.В опорном подшипнике (рис. 14) шейка 3 ротора рас­полагается в цилиндрической полости, образованной верхним 2 и нижним / неподвижными вкладышами. Направление вращения ротора показано стрелкой 4. Масло под небольшим давлением по­дается в зазор между шейкой и вкладышами, омывает шейку в верхней части, проходя по" полости 8 в верхнем вкладыше, и си­лами трения о поверхность вращающегося ротора увлекается вД 8. Рис. 14. Устройство опорного подшипника: 1, 2 — нижний в верхний вкладыши, 3 — шейка ротора, 4 — на­правление вращения, 5 — баббитовая заливка, 6 — ось расточки вкладышей, 7 — ось ротора, 8 — полость для прохода масла .зазор между шейкой и нижним вкладышем. Таким образом между шейкой ротора и нижним вкладышем подшипника создается тон­кая пленка масла (масляный клин). Давление масла в масляном клине резко повышается. В результате создается усилие, равное весу той части ротора, которая приходится на данный подшипник, и ротор как бы «плавает» на масляной пленке.При работе ГТУ ротор «всплывает» на масляной пленке так, что центр расточки подшипников и ось 7 шейки ротора не совпа­дают. Расстояние между ними "составляет 0,5—0,7 мм. Коэффици­ент трения при нормальной работе подшипника составляет 0,002—0,005; Но даже при таком малом коэффициенте трения вы­деляется большое количество теплоты и масло нагревается на ,20—25° С. Чтобы уменьшить трение при пуске и останове ГТУ, поверхность вкладышей заливают баббитом 5 — легкоплавким спла­вом, обладающим низким коэффициентом трения.Этот сплав состоит из 83% олова, 11% сурьмы и 6% меди (мар­ка Б-83).В простейшем опорном подшипнике (рис. 15) нижний вкла­дыш 7, установленный' в корпус /, обычно опирается на него через три колодки 8 и установочные прокладки 9. Изменяя толщину этих прокладок, устанавливают нижний вкладыш в требуемое по­ложение, что необходимо при центровке ротора. Вследствие тре­ния вращающейся шейки ротора о масляную пленку на вкладыши действуют силы, стремящиеся сдвинуть их по окружности (про­вернуть). Нижний вкладыш фиксируется от поворота планками 6.Шейка ротора 10 накрывается верхним вкладышем, который шпильками крепится к нижнему. Сверху, устанавливается крышка 4, которую соединяют болтами с корпусом подшипника через фланцы 3. Между крышкой и верхним вкладышем также разме­щают колодку с установочными прокладками. Масло поступает к подшипнику по трубе 2, размещенной в корпусе, через отверстие в колодке, установочной прокладке и нижнем вкладыше.Так как при работе турбин и компрессоров их роторы враща­ются в прогнутом состоянии, подшипники устанавливают с учетом этого прогиба, возникающего под действием сил тяжести. Однако положение ротора относительно подшипников может изменяться и по другим причинам, например из-за изменения осевого усилия или деформации корпуса. Чтобы уменьшить перекосы шейки ротора относительно подшипника, применяют подшипники со сфери­ческими вкладышами (рис. 16). Рис. 15. Поперечный разрез опор­ного подшипника: / — корпус, 2 —труба (подвод масла), 3 — фланец, 4 — крышка, 5, 7 — верх­ний н нижний вкладыши, 6 — планки, 8 — колодка, 9— установочная про­кладка, /0 —шейка ротора, // — кар­тер Рис. 16. Опорный подшип­ник со сферическими вкладышами:1, 4 — обоймы, 2, 3 — нижний и верхний вкладыши, 5 —"подвод масла, в — сферическая поверх­ность, 7 —канал подвода масла от аварийного бачкаВ этом случае наружную поверхность нижнего 2 и верхнего 3 вкладышей, соединенных между собой болтами, обтачивают по сфере радиусом R. Аналогично обрабатывают внутреннюю поверх­ность также соединенных между собой болтами верхней 4 и ниж­ней 1 половинок обоймы. Детали обрабатываются так, чтобы центр сферы радиусом Rнаходился точно на оси вращения ротора. Сопрягающиеся сферические поверхности обойм и вкладышей смазываются маслом, поступающим в каналы 5 и 7. Основным назначением канала 5 является подвод масла в подшипник. Канал 7 заполняется маслом из аварийного бачка. Обоймы 4 ъ 1 крепятся в корпусе подшипника неподвижно, а нижний и верхний вкладыши могут поворачиваться относительно точки О при изме­нении положения ротора относительно подшипника.В настоящее время в опорных подшипниках почти не применяют круговую расточку (см. рис. 14), так как при этом велики рас­ходы масла, возникает низкочастотная вибрация ротора и замет­ное смещение вала в работающем подшипнике по отношению к неработающему.Другие формы расточки опорных подшипников позволяют из­бавиться от тех или иных недостатков. На рис. 17, а—в показаны круговая расточка со смещением верхнего вкладыша относительно нижнего; овальная и трехклиновая (по числу масляных «клинь­ев», возникающих при работе подшипника). Рис. 17. Опорные подшипники: а — с круговой расточкой со смещением верхней половины относительно ниж­ней, б, в — с овальной и трехклиновой расточкой, г — с. качающимися сегмен­тами, /, 3— верхний и нижний вкла­дыши, 2 — сегменты; Oi O2 — оси верх­него и нижнего вкладышей, RB— ра­диус вала, R, — радиусы расточек вкла­дышейИспользуются также подшипники с качающимися сегментами (рис. 17, г), на которые опираются шейки ротора, сегменты 2 в свою очередь опираются на поверхность внутренней расточки верхнего / и нижнего 3 вкладышей. При вращении ротора они самоустанавливаются так, что давление в масляном клине компен­сирует ту часть ротора, которую воспри­нимает данный сегмент.На рис. 18 показана схема работы подшипника с качающимися сегментами. Сегменты 1 устанавливаются под неко­торым углом к поверхности вала 5. Мас­ло увлекается силами трения о поверх­ность вращающегося вала в зазор между сегментами и валом. Давление в масля­ном клине 3 повышается и препятствует смещению ротора вниз.Как уже отмечалось, кроме опорных применяются упорные подшипники, наз­начение которых препятствовать смеще­нию ротора относительно корпуса вдоль оси вращения под действием осевого усилия. Рис. 18. Схема работы опор-ноге подшипника с качаю­щимися сегментами: / — сегменты, 2 — шейка рото­ра, 3 —масляный клин (распре­деление давления), 4 — направ­ление вращения ротора, 5 — валСегментный упорный подшипник (рис. 19) имеет. корпус, состоящий из верхней 8 и нижней Г половин, соединенных друг с другом по горизонтальному разъему. Внутри на корпус опираются упорные колодки 2. На валу ротора выточен упорный диск -(гребень) 6. Осевое усилие с вала 3 передается через упор­ный диск 6 колодкам 2, а через них — верхней половине 8 корпусаподшипника.Полость, в которой расположены упорные колодки 2, заполне­на маслом, поступающим вдоль поверхности вала. Нагретое мас­ло удаляется из подшипника через отверстия 5. Упорные колодкиА-А - работают по тому же принципу, что и сегменты трехклинового подшипника. Рис. 19. Сегментный упорный подшипник: 1,8 — нижняя и верхняя половины корпуса, 2, 4 — упор­ные и установочные колодки, 3 — вал, 5 — отверстия для выхода масла, 6 — упорный диск (гребень), 7— места опирания колодокМасляный клин создается между упорными колодка­ми 2 и поверхностью упорного диска 6. Давление, возникающее в масляном клине, позволяет компенсировать осевое усилие.г г 1 2.

§ 7. Теплообменные аппаратыТеплообменные 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 газаВход газаРис. 37. Трубчатый регенератор рекуперативного типа:/ — корпус, 2, 8 — входной и выходной патрубки газа,3 — трубные доски, 4 — крышки, 5 — компенсатор, 6 — трубки, 7 — разделительТрубные 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 ВоздухаПо 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 воздухаРис. 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 доскиГаз 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. ВоздухРис. 39. Расположение пластин в на-бивке регенератора:/ — двухугольные каналы, 2 — волно­образные каналыВход газаBblXJd Выход гамРис. 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— перегородкаВоздухоохладители 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 глушителиВоздух, поступающий в компрессор, содержит пыль, влагу, и шт>Че°КИе загрязнения (насекомые, цветочная пыльца, листья) Ару ие примеси. Пыль, содержащаяся в воздухе, попадает в 32доздух из атмосферыпроточную 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 масломСамоочищающиеся 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 отсосаЗагрязненный _атмосферы '' Чистый воздух Рис. 44. Сухой фильтр:/ — валы, 2 — полотно, 3 — корпусквппрессвриРис. 45. Заборное устройство: , / — крышки, 2 — воздухопроводКроме 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. Если1Вход воздуха воздухаРис, 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 устройстваДля 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 мощновтаПри 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 вопросы1. 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 втораяСхемы и экономичность газотурбинных установок§ 10. Простая газотурбинная установкаПростая 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 простойГТУ:/ — компрессор, 2 — камера сгорания,3 — топливный насос, 4 — турбина, 5потребитель мощностирастает 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. 36Связь между степенью сжатия е в компрессоре и степенью расширения б в турбине выражается следующей формулой:8 = Цгде 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'ТсЛс-'HtТЫ — Тд' T.bTaгде 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:ЯкКоличество 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 фор­мулеРассмотрим характер изменения удельной полезной работы ГТУ в зависимости от степени сжатия е в компрессоре, считая, что она равна степени расширения в турбине. ТогдаЯ *= 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 некоторомзначении 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 определеннойстепени сжатия ен= у Щкг\т удельная полезная работа Я дости­гает максимума Ятах (рис. 51). Процессы сжатия воздухав 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 формулеЬ, с Тс = constЯ_ с __^„ Рис. 50. Предельные циклы простой ГТУСвязь кпд простой ГТУ с величинами, характеризующими ее цикл, определяется формулой— Ь-т)-ср7,—1 -■е"1-!7)кс.Следует отметить, что кпд ГТУ зависит не от абсолютных зна­чений температур и давлений, а от относительных значений т, еЗависимость 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 сжатияРис. 52. Зависимость удель­ной работы ГТУ от степени сжатия при разных относительных температурахи 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 сжатияРис. 54. Влияние температуры , на кпд простой ГТУной 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 значениядо нуля при l^e^y тт1Тт1К. Уменьшение количества подведенной Рис. 55. Смещение максимума кпд по от­ношению к максимуму удельной работы простой ГТУРис. 56. Зависимость удельного рас­хода газа (рабочего тела) от сте­пени сжатиятеплоты #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 расходгазаd= 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 теплотыВ 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 — камерасгорания, 6 — регенераторРис. 58. Цикл ГТУ с регенера­цией теплоты в Г, s-диаграмме40ров. 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 —ЯтТеТьСтепень регенерации зависит от конструкции регенератора и прежде всего от площади его теплопередающей поверхности. Так, в регенераторе с противотоком воздуху в единицу времени пере­дается количество теплотыгде 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, тоN 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 удельнойповерхности регенератора отстепени регенерацииРис. 60. Зависимость кпд ГТУ с реге­нерацией теплоты от степени сжатия и степени регенерацииЗависимость 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

Обычно мощность ГТУ парогазовой установки составляет Рис. 72. Схема парога­зовой установки с высо­конапорным котлом:1, 4 — газовая и паровая турбины, 2 — топливоподача, 3 — котел, 5, 8—генераторы паровой турбины и ГТУ, S— конденсатор, 7 — экономай­зер, 9 — компрессор12—15% от мощности паровой турбины. Удельный расход тепло­ты НПГУ по сравнению с ПТУ меньше на 3—5%.Схема парогазовой установки с высоконапорным котлом пока­зана на рис. 72. Компрессор 9 подает в топку воздух под давле­нием 0,4—0,6 МПа. Температура газов, поступающих из топки в газовую турбину, равна 750° С. Из турбины газы поступают в экономайзер. За экономайзером их температура на 150—250° С ниже, чем после отдельной ГТУ. Средняя температура газов в котле повышается из-за наличия ГТУ в схеме паротурбинной ус­тановки (по сравнению с отдельной ПТУ). В результате кпд па­рогазовой установки по сравнению с отдельными ПТУ и ГТУ увеличивается; при этом на 5—8% снижается удельный расход топлива. Вследствие увеличения давления в котле его размеры уменьшаются и снижаются затраты на сооружение станции.Одним из недостатков ПГУ является некоторое снижение на­дежности станции из-за услож­нения тепловой схемы. Кроме того, в ПГУ с высоконапорным котлом можно применять только жидкое или газообразное топли­во, так как при работе на твер­дых топливах негорючие частицы, содержащиеся в продуктах сго­рания, вызывают эрозию лопа­ток газовой турбины.Кроме того, ГТУ используют для подогрева питательной воды в паротурбинных установках (рис. 73), отключая в часы пик регенеративные отборы паровой турбины и подогревая воду вы­хлопными газами газовой турби­ны. Выхлопные газы ГТУ посту­пают в подогреватель 4, через ко­торый пропускают питательную JРис. 73. Схема паротурбинной уста­новки с подогревом питательной «во­ды выхлопными газами ГТУ:4-949/ — компрессор, 2 — камера сгорания, 3 — газовая турбина, 4, S — подогреватели пи­тательной воды, 6 — котел, 7 — паровая турбина, 8, // — генераторы, 9 — конденса­тор, 10 — питательный насосводу. В результате отключения регенерации мощность, вырабаты­ваемая царовой турбиной, увеличивается. Дополнительную мощ­ность вырабатывает также ГТУ. Эту схему применяют для увели­чения мощности уже действующей станции без замены котла.На атомных электростанциях применяют замкнутые ГТУ (рис. 74). Рабочее тело сжимается в компрессоре низкого давле­ния 6, охлаждается в промежуточном охладителе 7, сжимается в Рис. 74. Схема замкнутой ГТУ:i— аккумулятор, 2 — регулятор, 3 — регенератор, 4 — атомный реактор, 5 — турбина, в. 8, 12 — компрессоры низкого и высоко­го давления и подкачивающий, 7 — промежуточный охладитель, 0, // — генераторы, 10 — охладителькомпрессоре высокого давления 8, а затем поступает в регенера­тор 3 и атомный реактор 4. Нагретое в атомном реакторе рабочее тело поступает в турбину 5, оттуда — в регенератор 3, а затем — в водяной охладитель 10.Утечки восполняются подкачивающим компрессором /2, нагне­тающим рабочее тело в аккумулятор 1. Через управляемый регулятор 2 рабочее тело при необходимости может подаваться в тракт ГТУ. Турбина и компрессор замкнутой ГТУ имеют неболь­шие размеры, так как давление в тракте ГТУ может быть значи­тельно выше атмосферного. Однако в результате появления дополнительных агрегатов (промежуточного охладителя) замкнутые ГТУ больше по массе и размерам, чем ГТУ открытого цикла.Достоинством замкнутых ГТУ является небольшое изменение экономичности при изменении мощности, а также отсутствие эро­зии или отложений пыли в проточной части. Замкнутые ГТУ по­требляют много воды для охлаждения рабочего тела в охладите­ле 10. Предполагается использовать замкнутые ГТУ на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, в которых гелий служит- в ка­честве рабочего тела.§ 14. Влияние потерь на экономичность газотурбинных установокРост потерь в турбине и компрессоре уменьшает полезную ра­боту турбины и увеличивает мощность, потребляемую компрессо­ром, что приводит к уменьшению удельной работы Я, коэффици­ента полезной работы tp и кпд газотурбинной установки х\ соответ­ственно на Д#, Аф и, Ат).Влияние кпд турбины и компрессора на удельную работу, ко­эффициент полезной работы и кпд ГТУ можно оценить по следу­ющим формулам:где Дт]т> Ат)к — изменения кпд турбины и компрессора.Изменение кпд турбины и компрессора на 1 % изменяет соответственно удельную работу ГТУ на 4/ф и на (11<р— 1)%. Влияние, компрессора меньше, так как его мощность меньше мощности турбины. По тем же причинам коэффициент полезной работы ГТУ больше зависит от потерь в турбине, чем в компрессоре.Относительное изменение кпд ГТУ г\ зависит от степени реге­нерации а, кпд турбины т)т и компрессора т]к.Сопротивление газового и воздушного трактов также влияет на основные показатели ГТУ. Разобьем газовый и воздушный тракты на простые участки (рис. 75). На каждом из них относи­тельная потеря давленияР»с. 75. Схема трактов ГТУ:1 — фильтр и глушитель на входе, 2 — воздуховод низкого давления, 3 — воз­духовод высокого давления, 4 — реге­нератор, 5, 7 — тракты выхлопных га­зов после регенератора в до него, 6 — глушитель на выходе, 8 — камера сго­рания, 9 — тракт подогретого воздухагде Apt — потеря давления на t-м участке; pt — давление в начале-t-ro участка.Отношение давления за t-м участком к давлению перед ним51 Полная потеря давления связана с потерями на отдельных уча­стках:где g=2g<. ■В ГТУ с .регенерацией А,0,9.Влияние потерь давления на коэффициент полезной работы можно определить по формулеДер .где Аф=ф —q>o; Фо — значение ф при отсутствии гидравлических потерь.Влияние гидравлических потерь на кпд ГТУ можно рассчитать по формуле■1о 1—«Vгде Ar\ = ц — т]о, a v*= mg/[ (em — 1) фо].Уменьшение коэффициента полезной работы и кпд ГТУ прямо пропорциональны относительной потер£ давления |.Механические потери в подшипниках, на привод масляного на­соса и другие влияют на кпд ГТУ так же, как потери в турбине и компрессоре.Эффективную мощность ГТУ определяют как разность мощно­стей турбины Nitкомпрессора NKи мощности ANM, затрачиваемой на механические потери:Отношение разности мощности турбины -я мощности, затрачи­ваемой на механические потери, к мощности турбины называют механическим кпд ГТУ:Снижение кпд из-за механических потерь зависит не только от , но и от ф:Утечки воздуха и газа прежде всего возникают в уплотнениях компрессора и турбины.Пусть AGK— утечка воздуха высокого давления через уплот­нение компрессора, aAGT— утечка газа высокого давления через уплотнение турбины. Обозначим относительные утечки через ак= — AGK/Gи aT=AGJG.Влияние утечек на кпд можно рассчитать по формулегде г|о и tj — кпд без учёта и с учетом влияния утечек."Хорошее качество уплотнений турбин и компрессоров позволя­ет поднять кпд ГТУ за счет уменьшения утечек.Контрольные вопросы1. Как зависит кпд простой ГТУ от степени сжатия?2. Каково влияние регенерации на кпд ГТУ?3. Для чего применяют промежуточные подогрев рабочего тела и охлажде­ние воздуха в ГТУ?4. Каковы особенности ГТУ атомных электростанций?5. Как влияют потери на экономичность ГТУ?Глава третьяРабочий процесс в газовой турбине§ 15. Рабочий процесс в ступени турбиныВ ступенях турбины потенциальная энергия газа, имеющего начальное давление р0и температуру То, преобразуется в механи­ческую энергию. Поток газа (рис. 76, а), вышедший со скоростью Ciиз сопловой решетки 1 под углом cti, попадает в каналы рабо-р, а)6)Рис. 76. Схемы скоростей потока (о) и усилий (б) в ступени турбины: / — сопловая решетка, 2 — рабочая решеткачей решетки 2 со скоростью witназываемой относительной ско­ростью газа, равной; разности векторов с4 и и и составляющей угол f$i с окружной скоростью и.При обтекании рабочей решетки, газ изменяет направление и частично ускоряется, расширяясь от. давления р\ в зазоре между сопловой и рабочей решетками до давления р2за рабочими лопат­ками. При выходе из рабочей решетки газ имеет относительную скорость Шг и абсолютную скорость сг.Таким образом, значение и направление скорости газа изменя­ются в результате воздействия на поток некоторого усилия, прикладываемого к нему со стороны рабочих лопаток. Если R' уси­лие, с которым лопатки действуют на струю газа, то струя газа воздействует на лопатки с равным по значению, но противополож­ным по направлению усилием R(рис. 76, б). Это усилие создает • крутящий момент на дисках и роторе турбины, который вращает роторы компрессора и потребителя мощности ГТУ.Рабочие ^лопатки движутся по окружности вместе с 'диском с угловой скоростью о). Следовательно, окружная скорость рабочей решетки «=(od/2, где d— диаметр ступени. Составляющие уси­лия R, действующие на лопатку в окружном Ruи в осевом Raна­правлениях, можно определить так:Ru*= G (cx cos <*! + са cos <ха); Ras= G (cxsin <*! — са sin аа) -(- Q, (px— p2),где G— расход газа через ступень; Й=я(*/П2— dK2)—площадь кольца, занятая рабочими лопатками (duи dK— диаметры пери­ферии и корня рабочих лопаток).Усилие Ru, действующее на все рабочие лопатки турбины в окружном направлении, создает крутящий момент, который вра­щает ротор турбины и производит работу. Усилие Raработы не совершает, так как ротор не перемещается в осевом направлении, чему препятствует упорный подшипник.Мощность Nu, которую развивает поток газа на рабочих ло­патках одной ступени (мощность на лопатках турбины), равна произведению составляющей Ruна окружную скорость и, т. е. Nu=Ruu. Мощность Nuэквивалентна удельной работе Lu, кото­рую совершает поток газа при расходе 1 кг/с, т. е. LU==NU/G.Состояние газа перед ступенью оп­ределяется его температурой Тои давле­нием Роторможения. Этому состоянию газа в Л, s-диаграмме соответствует эн­тальпия t0 (рис. 77). Отрезок от t0 ДО-точки О соответствует кинетической энер­гии газа, имеющего на входе в сопловую решетку скорость с0. Если бы в сопловой решетке не было потерь, процесс расши­рения закончился бы при давлении р4 и энтальпии /й- Вследствие потерь в сопловой решетке, которые преобразуют­ся в теплоту, процесс расширения газа заканчивается в точке 1 при том же дав­лении pi, однако при более высокой эн­тальпии it.От точки / начинается процесс рас­ширения газа в рабочей решетке. Если бы потери в ней отсутствовали, процесс расширения протекал бы при постоянной энтропии и закончился бы при давлении Рис. 77. Тепловой процесс ступени турбины в i, s-диаг­рамме54р2 и энтальпии in- Вследствие потерь реальный процесс расшире­ния газа в рабочей решетке заканчивается в точке 2 при том же давлении, но при более высокой энтальпии fc. Скорость истечения газа из сопловой решетки определяется по формуле'„ - 'и) =где t'n — энтальпия, определяемая для изоэнтропийного„процесса расширения газа при давлении за сопловой решеткой рг, Aoc=io — — tit — располагаемый теплоперепад на сопловую решетку; ф= = ci/c« — коэффициент скорости, показывающий, как отличается скорость истечения газа схиз реальной сопловой решетки от ско­рости истечения газа сц из идеальной сопловой решетки, в кото­рой потери отсутствуют.Потери энергии в' сопловой решетке (Дж/кг)Мс = с V2 — сха/2 = tc2,где £с =1—ф2 — коэффициент потерь в сопловой решетке.* Энтальпию за сопловой решеткой определяют с учетом потерь ti=tit+AAc. Если скорость й известна, относительную скорость на входе в рабочую решетку определяют по треугольнику скоро­стей:wl='l/"c1*-f «*—2мс1соэа1.Относительную скорость выхода газа из рабочей решетки рас­считывают по формулегде t2t — энтальпия в конце изоэнтропийного расширения газа в рабочей решетке при давлении рг; /*op=ti^t2t — располагаемый теплоперепад на рабочую решетку; г|з — коэффициент скорости, имеющий тот же физический смысл, что и для сопловой решетки, и равный отношению скоростей (■ty = W2/w2t).Для сопловой и рабочей решеток коэффициенты скорости мень­ше единицы (ф=0,954-0,98; г|з=0,89-^-0,97).Потеря энергии в рабочей решетке ступени турбины (Дж/кг) равна разности энтальпий:Д/1Р = », — iu= (w\t — ша*)/2 = Срш22</2,где £р=1—ф2 — коэффициент потерь в рабочей решетке.Абсолютную скорость газа с2 за ступенью турбины определя­ют по треугольнику скоростей (см. рис. 76):Vw.— 2uw2cosЕсли кинетическая энергия газа, покидающего ступень со ско­ростью Сг, не может быть использована в последующих элементах турбины, она также преобразуется в теплоту. Если располагае­мую энергию данной ступени обозначить через Ео, то удельная полезная работа будет отличаться от нее на значения потерь в сопловой и рабочей решетках и с выходной скоростью ААВо= = с22/2:Lu = Б* — Ыгс— Д/1р — Мвс.Обычно под располагаемой энергией ступени подразумевают разность £о=Яо — ивсса2^, где Л>= (со2/2)+/1о= (с02/2)+Лос + /гор — располагаемый теплоперепад на ступень, отсчитываемый от пара­метров торможения рй, То (см. рис. 77), a хвсс22/2 — доля кинети­ческой энергии уходящего из ступени газа, которая используется в следующей ступени. Если энергия выходящего газа не исполь­зуется, коэффициент Хвс=0, а если полностью используется в сле­дующей ступени, хвс=1- Обычно 0^квс^1.Отношение удельной полезной работы Luк располагаемой энергии ступени Еоназывают относительным' лопаточным кпд: t\oa=Lu/Eo. Относительный лопаточный кпд зависит от отношения и/Сф, степени реакции, коэффициентов скорости <р и -ф и углов 2 выхода потока из решеток. Скорость Сф— некоторая фиктив­ная скорость, соответствующая кинетической энергии, равной рас­полагаемому теплоперепаду /го=Сф2/2. Характер изменения отно­сительного лопаточного кпд ступени зависит в основном от потерь с выходной скоростью £вс, а также в сопловой £0 и рабочей £Р ре­шетках (рис. 78), которые характеризуют относительные потери:Ъ * Мс/£0; СР = ДУ£О. Рис. 78. Зависимость кпд сту­пени турбины от зазора (о): / — корпус, 2 — диск("KL- Рис. 79. Течение газа в зазоре между диском и корпусом турбины в мери­диональной плоскости (а) и распре­деление окружных скоростей поперекЭти потери будут минимальны в том случае, когда газ за сту­пенью движется вдоль оси турбины, т. е.угол а2=90° и скорость газа с2 минимальна. ^ Отношение и/Сф обычно выбирают таким, чтобы относительный* лопаточный кпд был наибольшим.Кроме потерь в решетках и с выходной скоростью в ступени турбины дополнительно теряется часть энергии" из-за трения по­верхностей вращающегося диска о газ, а также из-за того, что часть газа проходит мимо сопловой или рабочей решетки. При вращении диска 2 газ в зазоре между ним и корпусом / также приводится в движение (рис. 79, а) и, вращаясь вокруг оси тур­бины, одновременно движется вдоль плоскостей диска (рис. 79, б). На вращение диска в камере ступени, заполненной газом, расхо­дуется мощность NTp.В промежуточной ступени турбины часть газа Giy проходит в зазор между обоймой сопловой решетки и ротором (рис. 80), минуя сопловую решетку, а часть газа Gz? уходит через зазор между вершинами рабочих лопаток и кор­пусом турбины и не создает полезной рабо­ты. Для уменьшения утечек газа в турбине устанавливают уплотнения (рис. 81, а — г).Потери мощности из-за утечек, связан­ные с тем, что часть газа не участвует в вы­борке полезной мощности, и искажающие течение основного потока газа, обозначим ДЛ^у. Мощность, которая передается валу турбины от одной ступени Л/,-ст, называемая внутренней мощностью, оказывается мень­ше мощности Nu, развиваемой потоком га­за на рабочих лопатках ступени, на значе­ние дополнительных потерь: Рис. 80. Перетечки газа в ступени турбиныNu-\Nip-ANy.Коэффициент полезного действия, учитывающий все эти, поте­ри, называют внутренним относительным кпд ступени:ЪГ - Лу#0 = (NJNO) - (ANrv/N0) - {ANy/N0) = т,ол — Стс - ; у..§ 16. Рабочий процесс в многоступенчатой турбинеПеред турбиной с числом ступеней zгаз .имеет давление рй и температуру То, которые определяют его энтальпию to (рис. 82), а за последней ступенью он расширяется до давления pz.Если бы турбина была идеальным двигателем, процесс расши­рения газа закончился бы в точке е и при давлении ргон имел бы энтальпию izt. В действительности небольшая часть энергии пре­образуется снова в тепловую энергию в основном за счет трения потока газа о поверхности ротора и корпуса турбины. Процесс расширения газа в реальной турбине идет с ростом энтропии и изображается кривой df. Разность начальной и конечной энталь­пий при йзоэнтропийном расширении таза называют располагае­мым теплоперепадом Н0=й> — *'**• <Часть потенциальной энергии газа, которая вместо механиче­ской энергии преобразуется в теплоту, называют потерями. Работа LT, которую развивает 1 кг газа в турбине, меньше располагаемого теплоперепада и равна использованному теплоперепаду #<:LT = /0 — izt = Hi-Отношение использованного теплоперепада к располагаемо­му— относительный внутренний кпд турбины r\oi=Hi/Ho— харак­теризует совершенство процесса расширения газа в ней.В многоступенчатой турбине полный располагаемый теплопе- г)Рис. 81. Уплотнения:а — концевое, б — корневое, в — бандажное; 1,3 — корпус и ротор турби­ны, 2— гребень уплотнения, 4— диафрагма, 5 — диск, 5 т- бандаж \репад Но от начального состояния газа перед первой ступенью, до давления за последней ступенью распределятся между ступенями. На i, «-диаграмме (рис. 83) видно, что ho сравнению с идеальной турбиной потери энергии в каждой ступени реальной турбины вызывают повышение температуры газа перед последующими ступенями. Располагаемый теплоперепад для любой промежуточ­ной ступени реальной турбины, например для третьей Аоз, несколь­ко превышает располагаемый теплоперепад Аоз', приходящийся на ту же ступень в идеальной турбине.Следовательно, потери в ^предыдущих ступенях вызывают уве­личение теплоперепада в последующих ступенях и могут быть вновь частично преобразованы в полезную работу:[(#о +(1 + <7т),где Q=2(ft01 — h'oi).Отношение Q/#0=<7t называют коэффициентом возврата теп­лоты.Так как коэффициент возврата теплоты т всегда больше ну­ля, внутренний относительный кпд турбины t]oj будет всегда боль­ше, чем внутренний относительный кпд отдельной ступени щ^. Обычно <7т колеблется от 0,04 до 0,1.Если расход газа Gчерез турбину известен и постоянен, мож­но определить внутренние мощности, развиваемые соответственно реальной и идеальной турбинами: #Ntl=GHi- NiT0=GH0.Мощность NiTне вся используется потребителем, так как боль­шая ее часть NiKрасходуется на привод компрессора и тратится на сжатие в нем воздуха.Таким образом, внутренняя полезная работа ГТУ Рис. 82. Тепловой процессрасширения газа в турбинев (, s-диаграммеРис. 83. Процесс расши­рения пара в многосту­пенчатой турбинеПомимо внутренних потерь энергии в турбине и компрессоре, а также в магистралях воздуха и газа, которые оказывают непо­средственное влияние на состояние рабочего тела, имеются внеш­ние потери энергии, уменьшающие полезную работу и не изменя­ющие состояние рабочего тела. Внешними являются потери энер­гии вследствие трения в подшипниках и утечки газа через концевые уплотнения, а также ее затраты на привод топливного и масляно­го насосов, регулятора, насоса охлаждающей воды и др. Чтобы определить эффективную мощность ГТУ, сумму этих потерь ДМ необходимо вычесть из ее внутренней полезной работы:^Отношение эффективной мощности к внутренней называют ме­ханическим кпд ГТУ:Отношение эффективной мощности к действительному количе­ству теплоты, затраченному в камере сгорания, называют эффек­тивным кпд ГТУ:где qi=qi + Aqi— удельное количество теплоты, выделенной при сгорании топлива с учетом потерь в камере сгорания от излучения и недожога A^i.Кпд камеры сгорания зависит от потерь Д^:Vе" ft/ft'-Таким образом, формулу для определения эффективного кпд ГТУ можно записатьЪ = — ^7—,, или Че = 'ЧГЧиЧкс-Механический кпд ГТУ зависит, от механических кпд турбины и компрессора:U4% '?в Ггде Д/Vmt и ДЛ^мк — механические потери мощности в турбине и компрессоре; Grи GB— расходы газа через турбину и воздуха че­рез компрессор. -Эффективный кпд ГТУ можно выразить также через работу турбины и компрессора:Механический кпд ГТУ и механический кпд турбины и компрес­сора связаны коэффициентом полезной работы ср:§ 17. Определение числа ступеней и основных размеров проточной части газовой турбиныПри расчете тепловой схемы ГТУ определяют температуры Те и Tdи давления рси ра торможения газа соответственно перед входным патрубком турбины в сечении се и за ее выхлопным па­трубком в сечении dd(рис. 84). Параметры газа перед первой ступенью турбины (в сечении 00) и за последней ее ступенью (в сечении zz) будут несколько иными, так как во входном и вы­хлопном патрубках часть энергии потока газа теряется.В результате того, что весь располагаемый теплоперепад Яв на газовую турбину невелик, потери в патрубках заметно сказы­ваются на его значении и определять его следует с учетом этих потерь.Степень совершенства входно­го и выхлопного патрубков ха­рактеризуется их коэффициента­ми полезного действия fjBx и т^вых, которые лежат в следующих пре­делах: Т1вх=0,94-0,95; Т1вых= =0,4-4-0,6.Давления торможения р0 пр2 соответственно в сечениях ОО и zzможно найти, если известны потери давления во входном Д/?с* и в выхлопном Ара* пат­рубках: Рис. 84. Схема проточной части • тур­бины:1,2 — входной и выхлопной патрубки, 3_=т-проточная частьПри небольших (дозвуковых) скоростях потока эти потери дав­ления приближенно составляют:где со, wc, сги Wd— скорости газа перед сопловым аппаратом пер­вой ступени, перед входным патрубком, за последней ступенью турбины и за выхлопным патрубком; qc и qh— плотности газа пе­ред турбиной и за ней.При определении плотности газа можно пренебречь изменени­ем давлений во входном и выхлопном патрубках и использовать следующие зависимости?где Rr— газовая постоянная рабочего тела в турбине.Обычно значения скоростей в патрубках лежат в следующих пределах: со=7О.Ч-1ОО м/с;- аус=30-ь40 м/с; сг= 100-М50 м/с; ayd=30-b50 м/с.Располагаемый теплоперепад на все ступени турбины прибли­женно можно определить по формуле_82-m,) + .i — r.sгде 6z=Po*/Pz — степень расширения газа в проточной части тур­бины.Число ступеней в турбине определяют с учетом коэффициента возврата теп лоты. qT:г =НСр — средний теплоперепад на ступень.Средний теплоперепад на ступень оценивают по теплоперепаду на первую HOiи последнюю Н02ступени:Изоэнтропийные теплоперепады Hoiи HOz, в свою очередь, за­висят от окружной скорости ык в корневом сечении рабочих лопа­ток и ее отношения к скорости Са в первой и последней ступенях:и _; "к . и _ и2|сZXjKZXZYLГДе JCik=Uik/Coi; •#гк = Мж/Саг-Для определения числа ступеней г оценивают окружную ско­рость в корневом сечении лопаток ык, выбирают хкв пределах 0,45—0,5 (при степени реактивности 3—15%), задаются qT— =0,02-7-0,04. Полученное значение округляют до целого.При конструировании турбин прежде всего определяют разме­ры проточной части: высоту сопловых и рабочих лопаток; средние диаметры ступеней, в которых они расположены; размеры хорд лопаток и др. Диаметры и длина корпуса и ротора турбины зави­сят от размеров ее проточной части.Схема ступени газовой турбины с указанием основных разме­ров, которые прежде всего требуется рассчитать, показана нарис. 85. Это корневые диаметры сопло­вой qK1и рабочей dia решеток и диамет­ры dm и dai вершин их лопаток.Окружную скорость ык в корневом се­чении рабочих лопаток выбирают воз­можно большей, однако такой, чтобы силы, возникающие > при вращении, не могли разрушить рабочие лопатки. Зная ориентировочно значение ык, можно оце­нить теплоперепад на ступень #ост.Значение xiKвыбирают таким, при котором кпд ступени будет наибольшим. Для ориентировочного определения размеров ступени достаточно рассчитать скорости потока на ее среднем диаметре. Угол выхода потока из сопловой решетки ctiK выбирают в пределах 14—20°. Степень реакции qc на среднем диаметре ступени определяют, задавшись степенью реакции в корневом сечении qk рабочих лопа­ток:pc-l-(l-pK)(dK/dcp>a.Диаметр лопатки в корневом сечении dK можно найти по вы­бранной окружной скорости ык и известной частоте вращения п Рис. 85. Схема ступенигазовой турбины:1 — сопловая решетка, 2 —рабочая решеткаротора:dK = uJiitn).Для расчета q средний диаметр задают ориентировочно.Далее, зная степень реакции, можно определить теплоперепады на сопловую и рабочую решетки, а затем рассчитать скорости потока.Так как расход газа Gчерез турбину известен из теплового расчета ГТУ, можно по следующим формулам определить диамет­ры периферии рабочих лопаток:1к-Itp jCf COS O£2К:+■яргСа cos a3где Qi и Q2 — плотности газа за сопловой и рабочей решетками. ,Длину сопловой лопатки у ее выходной1 кромки выбирают чуть больше длины рабочей лопатки у, ее входной кромки. Причем ло­патки располагают друг относительно друга так, чтобы вершина рабочей была чуть выше (на бп) вершины сопловой, а корневое сечение рабочей—чуть ниже (на бк) корневого сечения сопловой. Значения бц и бк называются перекрышами. Эксперименты пока­зывают, что они позволяют повысить кпд ступени вследствие улучшения структуры потока у вершин и корней лопаток.§ 18. Характеристики газовых турбинПри изменении режима работы турбины изменяются темпера­тура, давление и расход газа, а также частота вращения ротора *. Связь между этими величинами при изменении нагрузки называ­ют характеристикой турбины.Для построения характеристики турбины удобно пользоваться не абсолютными, а относительными величинами. В этом случае можно не строить характеристики для каждой температуры или " каждого давления газа, а учесть их влияние заранее, используя, приведенные расход и частоту вращения*: Ga=GyTc/pc; пп=/г/у7с.Температура и давление газа могут быть выбраны в любой характерной точке проточной части турбины, например темпера­тура Теи давление реперед турбиной.На практике удобнее пользоваться не абсолютными, а относи­тельными приведенными расходом и частотой вращения:,Gn_ __ _G_ Pgo -I/ Zk_- "п _ п-1 / Тд> Опо Go Рс V Тс0' ппо п0 У Тс '* Если турбина приводит во вращение работающий на сеть электрический генератор, то частота вращения ее ротора постоянна.Индексом 0 обозначены величины, относящиеся к расчетному режиму работы турбины; без этого индекса даны величины, отно­сящиеся к режиму частичной нагрузки. ч„ Относительные величины принято для краткости обозначать сверху чертой:Go '. Рсо оп0Используя эти обозначения, запишем4 формулы в таком виде:VtcЭти величины являются независимыми параметрами. При их изменении изменяются степень расширения б и кпд т]т турбины. Рнс. 86. Характеристика турбиныРис. 87. Зависимость кпд турбины от хаВ общем виде характеристиками турбины являются зависимо­сти степени расширения б и кпд т)т от относительного приведен­ного расхода и относительной приведенной частоты вращения.Самый точный способ определения характеристик-—испытания турбины, при которых на каждом режиме измеряют температуру, давление и расход газа, частоту вращения ротора и определяют кпд.Однако испытания турбины сложны.дороги и не всегда возмож­ны. Поэтому в ряде случаев для построения характеристики тур­бины используют приближенные расчетные методы. На рис. 86 сплошной линией показана зависимость, степени расширения б, пунктирной линией — зависимость кпд турбины от относительного приведенного расхода газа Gn- Серию таких кривых, совмещенных на одном графике, называют универсальной характеристикой тур­бины. Зависимости б от Gn построены при постоянной приведен­ной частоте вращения.Относительный приведенный расход (7П= 1 соответствует расчетному режиму работы турбины. При этом степень расширения также равна расчетному значению по, а кпд турбины — наиболь­ший. При увеличении или уменьшении расхода по сравнению с расчетным кпд турбины будет уменьшаться.Обычно при постоянной степени расширения б изменение от­носительной приведенной частоты вращения мало влияет на от­носительный приведенный расход GB. В этом случае можно серию кривых заменить одной кривой при йп=«по (где гё^о — относи­тельная приведенная частота вращения на расчетном режиме ра­боты турбины). Зависимость Gnот б тогда можно приближенно рассчитать по формуле Стодола — Флюгеля: 11 1 /а • / ■"Приближенно можно считать также, что кпд турбины совпа­дает с кпд ее средней ступени (по отношению к началу и концу проточной части). Кпд ступени зависит от значения ха=и/са, где и — окружная скорость, а са— некоторая фиктивная скорость, которая зависит от теплоперепада на ступень Яо/г (где Но— рас­полагаемый теплоперепад на турбину, z— число ступеней в тур­бине).Если зависимость кпд ступени от хаполучена эксперименталь­но, или рассчитана, то можно приближенно считать, что известйа также зависимость кпд турбины г)т от ха. Обычно в этой зависи* мости используют также относительное значение ха=Ха/хао (где значение ха0соответствует расчетному режиму).Так же как для ступени, существует такое значение ха, при котором кпд турбины становится наибольшим. Это значение ха как раз и соответствует расчетному режиму. Относительное зна­чение хана расчетном режиме будет равно единице .(рис. 87). При любом отклонении режима работы турбины от расчетного как в сторону увеличения ха, так и в сторону уменьшения кпд турбины будет уменьшаться.Контрольные вопросы1. В результате чего возникают усилия на рабочих лопатках газовой турбины?2. Почему кпд многоступенчатой турбины больше кпд ступени?3. Как определяют основные размеры проточной части газовых турбин?4. Какие параметры газовых турбин можно определить по их характеристи­кам?Глава четвертаяРабочий процесс в компрессоре§ 19. Рабочий процесс в ступени компрессораСтупень компрессора (рис. 88) состоит из рабочих лопаток /, расположенных на роторе 4 и неподвижных направляющих лопа- ■ ток 3, укрепленных в корпусе 2. Кольцевое сечение1 ступени.прессора на среднем диаметре и треугольники скоростей показаны на рис. 89, а, б.На входе в каналы между рабочими лопатками поток облада­ет кинетической энергией, так, как он движется с некоторой скоростью С\. Так как ротор компрессора вращается и рабочие ло­патки движутся с окружной скоростью и, то относительная ско­рость о»! на входе в рабочие каналы будет направлена под 'углом Pi к плоскости вращения. В рабочих каналах однов­ременно совершаются два про­цесса: часть кинетической энергии потока преобразуются в потенциальную энергию и ме­ханическая работа, совершае­мая рабочими лопатками, пре­образуется в энергию потока. Каналы между рабочими ло­патками выполняются, как правило, расширяющимися, и поток в относительном движе­нии тормозится. В результате скорость ш2 на выходе из рабочих каналов в относительном дви­жении меньше скорости witа давление потока в рабочей решетке заметно увеличивается (pz>pi). Вследствие подвода механической энергии увеличивается не только потенциальная, но и кинетичес­кая энергия потока.В абсолютном движении поток за рабочими лопатками имеет скорость сг, которая обычно больше"скорости с\. С этой скоростью Сг поток под углом а2 входит в каналы между направляющими лопатками, которые также выполняются расширяющимися. В ре- Рис. 88. Ступень компрессора:1,3 — рабочая и направляющая лопатки, 2 —корпус, 4 — ротор Рис. 89. Кольцевое сечение ступени компрессора на сред­нем диаметре (а) и треугольники скоростей (б): / _ рабочая решетка, 2 — направляющая решетка66зультате часть кинетической энергии потока преобразуется в потенциальную энергию. Скорость с3 за направляющей решеткой становится меньше скорости сг, а давление несколько возрастает (Рз>Рг)-Тепловой процесс ступени компрессора можно изобразить в i. s-диаграмме (рис. 90). Если бы в ступени компрессора не было потерь, на сжатие 1 кг воздуха необходимо было бы затратить удельную работу*-/.'■Вследствие потерь в ступени реально затраченная на сжатие I кг воздуха работа оказывается больше. На i, s-диаграмме она изображается отрезком•J — г*Из треугольников скоростей (см. рис. 89, б) можно также по­лучитьl0 = U (СгCOS aa — Су COS ах) = U (WtCOS Рх — W2COS Р2) .Отношение изоэнтропийной работы А к реально затраченной яа сжатие Ао называют изоэнтро-пийным кпд ступени компрессо­ра:Так же как и в ступени тур­бины, в компрессоре часть рабо­ты ступени преобразуется в энер­гию потока в направляющей ре­шетке, а часть — в рабочей. От­ношение теплоперепада Ар, соот­ветствующего работе сжатия в рабочей решетке, к работе сту­пени h0— полному теплоперепаду на ступень — называют степенью реактивности ступени компрес­сора Рис. 90. Тепловой процесс ступени компрессора в i, s-диаграммер=А0=(с22 —с32)/2. Обычно степень реактивности ступени компрессора на среднем диаметре 0,5—1,0. Так как поток в зазоре между направляющими и рабочими решетками вращается, давление в этом зазоре увели­чивается от корня к вершине рабочих лопаток. В результате пере­распределяются теплоперепады между направляющими и рабочими лопатками, а также изменяется степень реактивности. Распре­деление степени реактивности по высоте можно приближенно определить по формулеР = 1 - О - Рк)где qk,— степень реактивности у корня рабочей лопатки; d — диаметр сечения рабочей лопатки, на котором необходимо рассчитать степень реактивности.Усилия, действующие на рабочие лопатки компрессора, опре­деляются так же, как усилия, действующие на рабочие лопатки турбины. § 20. Определение числа ступеней и основных размеров компрессораВ современных газотурбинных установках оптимальная степень сжатия зависит от их схемы, а также начальной температуры газа Тси изменяется в широких пределах (от 6 до 26). Расходы воз­духа при этом, как правило, велики. В этих условиях оказываетсявыгодным использовать для сжатия воз­духа многоступенчатые осевые компрес­соры.При оптимальной степени сжатия В—13 число ступеней получается равным 12—14. Ротор с таким числом ступеней можно разместить в одном корпусе. При еще больших степенях сжатия число ступеней увеличивается настолько, что в одном корпусе разместить их не удается и компрессоры выполняют двух- или ' трехкорпусными.Тепловой процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре в i, s-диаграмме показан на рис. 91. Перед пер­вой ступенью компрессора устанавлива­ют входные лопатки, в каналах между которыми поток ускоряется и приобрета­ет нужное направление. Иногда эти ло­патки изготавливают поворотными, что позволяет при работе ГТУ изменять нап­равление потока перед первой ступенью и повышает устойчивость, а также кпд компрессора на режимах частичных нагрузок.За последней ступенью компрессора устанавливают спрямляю­щие лопатки, каналы между которыми выполняют расширяющи­ми, что дает возможность преобразовывать часть кинетической энергии потока за последней ступенью компрессора с*&/2 в по­тенциальную (увеличить давление воздуха). За спрямляющими Рис. 91. Тепловой процесс сжатия воздуха в многосту­пенчатом компрессоре в t, 5-диаграммелопатками, скорость потока уменьшается и он движется в направ­лении оси вращения ротора.Чтобы за счет кинетической энергии потока .еще в большей степени повысить его давление, за спрямляющими лопатками ус­танавливают кольцевой расширяющийся канал-диффузор. В диф­фузоре скорость потока вновь уменьшается и растет его давление. После диффузора воздух направляется через выхлопной патрубок в камеру сгорания либо в регенератор или непосредственно по­ступает в камеру сгорания.Так как число ступеней г определяется как отношение общего теплоперепада Як на компрессор к среднему теплоперепаду ЛСр на его Ступень (г=#к/ЛСр), то предварительно необходимо рассчитать эти величины по формулам:где htи hz— теплоперепады на первой и последней ступенях ком­прессора.Для определения диаметров первой и последней ступеней и вы­соты лопаток прежде все-го следует рассчитать окружную скорость периферии рабочих лопаток первой ступени')'где « — частота вращения ротора; Vi=G/q1 — объемный расход воздуха; q4 — плотность воздуха в первой ступени компрессора; vi = diu/din — относительный диаметр втулки первой ступени; ls/uin — коэффициент расхода (cis==cisin ai — меридиональная составляющая скорости потока).Частоту вращения (с-1) ротора можно приближенно рассчитать по формулеn (300-=

На рис. 92 по оси ординат отложена степень сжатия е, а по оси абсцисс —приведенный расход воздуха Gn. Сплошные жирные линии рис. 92 соответ­ствуют постоянной приведен­ной частоте вращения ротора,._ (п=const), а сплошные тонкие линии — постоянному кпд ком­прессора (tik=const ^Характеристика начинаетсяпри е=1 и Gn=0. С увеличе­нием расхода растет степень Рис. 92. Универсальная характеристика сжатия. Точка Л соответствует ка компрессора расчетному режиму Gn=l; приэтом степень сжатия равна расчетной еРасч. а приведенная частота вращения я=1. Обычно компрессоры проектируют так, чтобы кпд на расчетном режиме был наибольшим.С уменьшением расхода воздуха при постоянной степени сжа­тия изменяются углы натекания потока на лопатки компрессора. При слишком большом изменении угла натекания поток отрыва­ется от лопаток — возникает его «срыв», который захватывает сразу несколько лопаток. Зона срыва перемещается по окружно­сти по рабочим лопаткам со скоростью 0,5—0,7 от окружной ско­рости ротора.. Наблюдаются также полные срывы потока, которые захватывают все лопатки. При этом работа компрессора может стать неустойчивой.Если для каждой степени сжатия определить расход, при ко­тором режим работы компрессора становится неустойчивым, то на универсальной характеристике можно построить кривую, кото­рая называется границей помпажа. Эта кривая на рис. 92 дана пунктиром.При неустойчивом режиме работы компрессора начинают рез­ко изменяться давление и расход рабочего тела. Эти изменения происходят периодически, их частота определяется как характе­ристикой компрессора, так и особенностями сети, на которую он работает (трубопроводы, камеры сгорания, газовая турбина), и они оказываются самоподдерживающимися (так называемые ав­токолебания).Автоколебательный процесс в тракте ГТУ, называемый помпа-жом, сопровождается характерным шумом. Работа ГТУ в режиме помпажа не разрешается, так как это может вызвать поломку ло­паточного аппарата и другие последствия, приводящие к аварии. На рис. 92 зона Б помпажа располагается выше пунктирной ли­нии. Чтобы вывести компрессор из помпажа, необходимо увели­чить расход воздуха. Для этого служат специальные устройства, позволяющие сбрасывать воздух после компрессора в атмосферу или на его всас. Такими устройствами являются противопомпажные клапаны, которые устанавливают на выхлопном патрубке компрессора или за одной из промежуточных ступеней. При пере­ходе ГТУ на режим работы, близкий к помпажу, либо возникно­вении помпажа эти клапаны открываются и воздух из компрессо­ра выбрасывается в атмосферу или идет на всас. В результате резко увеличивается расход воздуха через компрессор и он входит в режиме устойчивой работы. Однако длительно работать с откры­тыми противопомпажными клапанами нельзя, так как при этом резко уменьшается кпд ГТУ.Кроме того, для предупреждения помпажа используются поворотные направляющие лопатки, устанавливаемые перед первой ступенью компрессора. Эти лопатки позволяют изменять расход воздуха через компрессор без срыва потока на рабочих лопатках. Однако их применение увеличивает затраты на изготовление ком­прессора.Контрольные вопросы1. Чем отличаются рабочие процессы в ступенях компрессора и турбины?2. Как определяют число ступеней и основные размеры проточной части компрессоров?3. Как определить степень сжатия в компрессоре по заданным расходу воз­духа и частоте вращения ротора?-Глава пятаяРабочий процесс в камере сгорания и определение основных параметров газотурбинных установок§ 22. Топлива для ГТУ и их характеристикиВ газотурбинных установках используют жидкие и газообразные органические топлива.Жидкие топлива являются продуктами перегонки нефти. В нашей стране наибольшие запасы нефти расположены в Южно-Каспийском, Волго-Уральском, Краснодарском, Тймене-Печерском, Мангышлакском, Западно-Сибирском и Сахалинском место­рождениях. После переработки нефти получают топлива разных составов. В газотурбинных установках используют легкое и тяжелое дистиллятное, а также остаточное топливо.Легкое дистиллятное топливо, представляющее собой низкокипящую фракцию прямой перегонки, крекинга или риформинга - нефти, подразделяют на топливо для карбюраторных, реактивных . ' и дизельных двигателей. Некоторые виды дизельного топлива, не­пригодные для использования "в дизельных двигателях, могут ис­пользоваться в ГТУ.Тяжелое дистиллятное газотурбинное топливо, являющееся дистиллятом нефти, сланца или остаточных нефтепродуктов, служит основным жидким топливом для стационарных и транспорт­ных ГТУ.- К остаточным относят моторные топлива, флотские и топочные мазуты, являющиеся тяжелыми вязкими остатками прямой пере­гонки и крекинга нефти, или их смеси с более легкими топливами. При использовании в ГТУ этих топлив необходимы их промывка и ввод присадок.Газообразные топлива—это природный и искусствен­ный газы.Природный газ добывают на газовых месторождениях. Запасы природного газа в СССР наибольшие в "Бгаре. Крупнейшими мес­торождениями являются Тюменское и Уренгойское, а также на Северном Кавказе, Украине, Северном Урале, Волге и в Средней Азии. Кроме того, на нефтяных месторождениях добывают разно­видность природного газа — попутный газ.Искусственный газ является побочным продуктом доменного, коксового и других производств. Кроме того, его получают в спе­циальных газогенераторных установках или в результате подзем­ной газификации угля.Основными характеристиками жидкого и газообразного топли­ва являются его состав, теплота сгорания, зольность, вязкость, температура вспышки и застывания, стабильность, совместимость с другими видами топлива, характер взаимодействия с водой.Органическое топливо в основном состоит из сложных углево­дородов. В относительно небольших количествах в нем содержатся азот, сера, кислород, щелочные металлы и другие элементы. Состав топлива принято представлять в виде процентного массо­вого содержания углерода С, водорода Н, азота N, кислорода О, серы S, минеральной' негорючей части (золы) А и влаги W. Раз­личают рабочую, сухую (без влаги), горючую (без влаги и золы) и органическую массы топлива.Массу топлива в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называют рабочей. Рабочая масса топлива может быть представлена в следующем виде: Ср+.Нр+№-Юр+£р+Ар+Шр== = 100%. Индекс «р» указывает на содержание данного компонен­та в рабочей массе топлива. По составу топлива рассчитывают тепловой и материальный балансы процесса горения. Рабочая и сухая массы некоторых видов топлива могут заметно отличаться друг от друга.Топливо содержит горючие и негорючие части. Горючей частью топлива являются углерод, водород и частично сера. Азот и кисло­род— негорючие составляющие. Сера, входящая в состав топли­ва, подразделяется на органическую, колчеданную и сульфатную, из которых горючими являются органическая и колчеданная. В жидких топливах содержатся органические соединения серы. Наличие серы в топливе нежелательно. Продукты окисления се­ры — сернистый ангидрид SO2 и особенно серный ангидрид SO3 — вызывают интенсивную коррозию металлических поверхностей и загрязняют атмосферу.Наличие влаги в топливе требует дополнительных затрат теп­лоты на ее нагрев, испарение и снижает температуру горения. При повышенной влажности усиливается коррозия деталей оборудова­ния, а также из-за налипания топлива забиваются фильтры. В во­де, кроме того, растворено основное количество соединений коррозионно-агрессивных щелочных металлов.Одной из важных характеристик топлива является теплота сго­рания. При горении в результате экзотермических реакций окисле­ния происходит выделение теплоты, количество которой зависит прежде всего от состава топлива. Различают высшую QBp и низшую QhP теплоту сгорания. При охлаждении продуктов горения до температуры конденсации содержащихся в них водяных паров •выделяется теплота конденсации. Количество теплоты, выделяю­щейся при сжигании единицы массы или объема топлива с учетом этой теплоты, называют высшей теплотой сгорания топлива Qbp. Низшей теплотой сгорания QyPназывают количество теплоты, в котором не учитывается возврат теплоты от конденсации водяных паров. Низшая и высшая теплота сгорания связана следующим соотношением:QhP= QBp — QbP — 2,5UWP/100 + 9HtV100),где Wp/100 — количество водяных паров, образующееся при испарении влаги из 1 кг топлива; 9НР/100— количество водяных паров, ' образующееся при сжигании водорода, содержащегося в 1 кг топлива; /-==2,51 МДж/кг — скрытая теплота парообразования; Овп —количество водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Температура газов после камеры сгорания ГТУ высока, и кон­денсации водяных паров в проточной части газовой турбины и вы­хлопном тракте не происходит. Поэтому при расчете ГТУ исполь­зуют низшую теплоту сгорания топлива Q^>.v После завершения процесса горения топлива образуется зола — твердый негорючий остаток. При сгорании жидких топлив обра­зуется зола, в которую входят соли, оксиды металлов и кремний, содержащиеся в топливе в свободном состоянии или в виде хими­ческих соединений. Соединения некоторых металлов (Na, Ca, Pb) попадают в топливо в процессе производства, перевозки и хранения. Кроме того, при сжигании жидких топлив могут образовы­ваться легкоплавкие соединения ванадия, натрия, калия и свинца, которые при высоких температурах вызывают коррозию металлов. Соединения кальция образуют прочные отложения на металли­ческих поверхностях. Золовьгё отложения оседают на внутренней поверхности жаровых труб, сопловых и рабочих лопатках. Содер­жание (мг/кг) отдельных элементов в жидком топливе не должно превышать: натрия и калия — 0,5—1 (суммарное); ванадия — 0,5; свинца — 1—2; кальция — 1—5. При большем их содержании не­обходима предварительная очистка топлива. Л При сжигании газообразного топлива зола образуется в основном из содержащихся в нем твердых частиц.^ Вязкость топлива характеризует возникающее в нем при дви­жении внутреннее трение. Вязкость газообразных топлив крайне мала. Различные сорта жидких топлив имеют разную вязкость. Чем легче топливо, тем меньше его вязкость. Для количественной оценки вязкости используют градусы условной вязкости (° ВУ), выражающие отношение времени вытекания через калиброванное отверстие 2 -104 м3 рассматриваемой жидкости к времени выте­кания такого же объема воды при 20° С. Для качественного рас-пыливания форсунками и надежной транспортировки по трубопро­водам вязкость жидкого топлива не должна превышать 2—3° ВУ. При нагревании до определенной температуры вязкость топли­ва сначала быстро уменьшается, а затем остается практически__^постоянной. Вязкость тяжелого жидкого топлива (° ВУ*) при температуре tможно определить по формуле°ВУ,=--=°ВУБО(50/0",где ° ВУ5о — условная вязкость топлива при 50° С. чПри изменении вязкости (°ВУ5о) от 2 до 20 показатель степе­ни п изменяется от 1,8 до 2,85.Температуру, при которой топливо теряет подвижность и не может перекачиваться по трубопроводам, называют температурой застывания.Различные Жидкие топлива воспламеняются при разных тем­пературах. От постороннего источника пламени воспламеняется не само топливо, а. смесь его паров и воздуха возле поверхности. Температурой вспышки называют наименьшую температуру топлива, при которой смесь его паров с воздухом у поверхности способна воспламениться от постороннего источника пламени.При соприкосновении с воздухом жидкое топливо окисляется и со временем уплотняется. При этом образуются осадки, которые загрязняют оборудование и нарушают его нормальную работу. Чем меньше скорость окисления топлива, тем выше его стабильность. Осадки могут образовываться также при смешивании раз­личных видов жидкого топлива. Если при смешивании нескольких видов топлива выпадает большое количество осадков, такие топ­лива называют несовместимыми.Стабильность и совместимость жидких топлив повышают вве­дением специальных присадок.Вода отделяется от различных видов жидких топлив по-разно­му. В легких топливах она быстро отстаивается, а с тяжелыми может образовывать устойчивые эмульсии и выпадает в осадок через очень длительное время. Чтобы предупредить образование эмульсий и ускорить отделение воды от топлива, также применя­ют специальные присадки — деэмульгаторы.§ 23. Общие сведения о процессе горенияГорение топлива в камере сгорания ГТУ происходит в смеси с воздухом. При этом протекает химическая реакция окисления го­рючих компонентов топлива. Окислителем служит кислород, которого в воздухе при нормальных условиях содержится примерно 21% по объему. При соединении кислорода с углеродом, водоро­дом и серой топлива образуются соответственно углекислый газ, водяной пар и диоксид серы:С-т-Оа = СО2; 2Н2 + Оа = 2НаО; S + О2- SO2.Чтобы эти реакции прошли полностью, необходимо определен­ное количество кислорода. Так как топливо в камере сгорания ГТУ смешивается не с чистым кислородом, следует определить количе­ство воздуха, в котором содержится требуемое количество кисло­рода. Необходимое для полного сжигания 1 кг топлива количество воздуха (кг/кг), называемое стехиометрическим количеством, оп­ределяют по формулеLo = (1 + 76,8/23,2) (0,01 ■ 2,67С + 0,01 • 8№ + 0,01 S* —0,010?).При полном окислении всех компонентов и отсутствии потерь горение происходит при наибольшей для данного топлива температуре. Обычно действительная температура горения ниже максимальной, так как воздух в зону горения подается с небольшим избытком, не до конца сгорают отдельные компоненты и из-за процессов диссоциации небольшая часть теплоты не выделяется. С ростом температуры топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, температура горения увеличивается.Если топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии и тщательно перемешаны, такую смесь называют гомогенной. '/Если топливо и окислитель находятся в разных фазах (например, жидкость и газ), такую смесь называют гетерогенной. Горение гомогенной и гетерогенной смесей происходит по-разному. Все про­цессы горения, присущие гомогенной смеси, являются частью про­цессов, происходящих в гетерогенной.Химическая реакция горения идет с вполне определенной ско­ростью. Скоростью гомогенной реакции называют количество ве­щества, реагирующего в единице объема в единицу времени. Так как обеспечить самопроизвольное горение смеси одновременно во всем объеме невозможно, то в камерах сгорания применяют вос­пламенение от постороннего источника.Слой определенной толщины, в котором происходят процессы, предшествующие химической реакции горения и собственно хими­ческая реакция горения, называют фронтом пламени. В неподвиж­ной гомогенной смеси фронт пламени распространяется с опреде­ленной скоростью, которая, в основном, зависит от скорости хи­мической реакции.§ 24. Сжигание топлива в камере сгоранияМатериалы, из которых изготавливают камеры сгорания стационарных ГТУ, должны быть дешевыми. Кроме того, камеры сго­рания должны обеспечивать возможность работы -на разных топливах (газообразном и жидком, легком и тяжелом) и полной автоматизации ГТУ, а также быть экономичными и надежными. j/* Экономичность камер сгорания оценивается коэффициентом полезного действия т1кс, который зависит от гидравлических потерь и полноты сгорания топлива. Полнота сгорания топлива характе­ризуется термическим коэффициентом полезного действия камеры сгорания т]*кс» а гидравлические потери — гидравлическим кпд т)гкс-Эти кпд связаны между собой следующим соотношением:Термический кпд, или коэффициент полноты сгорания,W = (ft —V»Vft,где qi— количество теплоты, выделяющееся в единицу времени при полном сгорании топлива без потерь; Потери теплоты в камере сгорания складываются из потерь в окружающую среду и потерь, связанных с несовершенством про­цесса сгорания топлива. Для уменьшения первых-потерь камеры сгорания изолируют. Как правило, эти потери невелики. Вторые потери возникают из-за недожога и они складываются из потерь на физический и химический нёдожог:,"' Любое топливо горит в газообразном состоянии (жидкое — после так называемой газификации, предшествующей собственнореакции горения). Одной из причин физического недожога жидко­го топлива является неправильно организованный процесс горе­ния, при котором оно не успевает газифицироваться, перемешать­ся с окислителем и уносится из зоны горения. Другой причиной физического недожога является термическое разложение топлива при недостатке кислорода. В этом случае топливо разлагается на летучие фракции и углерод, образующий1 вместе с золой твердые частицы.Физический недожог не только снижает экономичность камер сгорания, но и влияет на их надежность. Наличие твердых несгоревших частиц вызывает эрозию проточной части турбины. При этом липкая зола нарастает на лопатках турбины, в результате чего снижаются ее мощность и кпд, а также появляется небаланс ротора Возникающие иногда отложения в самой камере сгорания приводят к неравномерному нагреву пламенных труб, их коробле­нию и растрескиванию, а отрывы наростов могут повредить про­точную часть турбины.Химический недожог связан с недостаточным временем пребы­вания газа в зоне горения, т. е. при этом не успевает произойти химическая реакция горения. Химический недожог возникает при недостаточной длине камеры сгорания и переохлаждении ее от­дельных участков, а также при низкой температуре горения и др. " Полнота сгорания топлива зависит от температуры в зоне го­рения и давления в камере сгорания.При определенной температуре термический кпд достигает максимального значения. Повышение температуры в камере сго­рания увеличивает скорости испарения И'горения топлива и со­кращает период его воспламенения. До определенной температуры термический кпд т)*кс растет. Дальнейшее повышение температуры снижает его, так как усиливаются процессы диссоциации СО2 и Н2О, при которых теплота поглощается. При увеличении давления в камере сгорания термический кпд растет, так как увеличивается скорость горения.Гидравлический кпд камер сгорания оценивают по потерям полного давления/где £нс=Ар*/Рв* — относительная потеря полного давления в ка­мере сгорания; рв* и Ар*=/>„*— рг* — полное давление воздуха на входе в камеру сгорания и на выходе из нее.Гидравлические потери ртобусловлены: трением потока о стен­ки камеры сгорания; турбулентными потерями; потерями на сме­шение потоков; потерями давления вследствие подвода теплоты. В среднем для современных камер сгорания |кс=1-т-3%..Полный кпд камер сгорания колеблется в пределах 0,92—0,98.Элементы, из которых собирают камеры сгорания, должны иметь достаточный срок службы. Наиболее слабым элементом ка­мер сгорания являются пламенные трубы. Правильная организация процесса горения, выбор материалов и конструкции камер сгорания должны обеспечивать их надежность.Для надежной работы лопаток газовых турбин распределение температур газа за камерой сгорания должно быть достаточно равномерным. Допускается относительная неравномерностьЬТ = Tmax Гш"1 <0,2-*-0,3,где Ттах, Тт1пи ГСр — максимальная, минимальная и средняя тем­пературы газа за камерой сгорания. гДопускаемые значения 6 Г зависят от компоновки камер сго­рания и газовых турбин. Так, при наличии длинных и изогнутых газоходов, выравнивающих поток между камерой сгорания и тур­биной, неравномерность температур ЬТ может быть Достаточно большой. При непосредственном соединении газовой турбины с камерой сгорания неравномерность температур должна быть iia- лой.Помимо высокой экономичности и надежности необходимо, чтобы камеры сгорания были небольших размеров. Габариты ка- мер сгорания зависят от теплонапряженности ее рабочего объема:где <71=£Фнрт1*кс (В—расход топлива); VKc и рв — рабочий объем -камеры сгорания и давление на входе в нее.г/ Процесс горения топлива можно разделить на несколько ста-V дий. При сжигании газообразного топлива это образование смеси, разогрев ее и горение, получение рабочих газов. При сжигании жидкого топлива вначале происходят пирогенное разложение (без доступа кислорода) и испарение капель, а затем процесс горения идет так же, как при использовании газообразного топлива.До подачи в камеру сгорания топливо соответствующим обра­зом обрабатывают (очищают, подогревают и повышают его дав­ление до необходимого). Затем жидкое топливо через форсунки, а газообразное через горелки подается в камеру сгорания. Время горения топлива определяется временем испарения, смешения,, /разогрева и протекания химической реакции.* Для эффективной работы камер сгорания необходимо: разде­ление пространства внутри пламенной трубы на зоны горения и смешения; оптимальное распределение топлива по ее сечению; турбулизация потока в зоне горения; стабилизация фронта пла­мени; организация охлаждения основных элементов.

§ 25. Охлаждение камер сгорания и продуктов горения. Определение расходов первичного и вторичного воздухаНаиболее теплонапряженным элементом камер сгорания явля­ется пламенная труба, которая нагревается тепловым излучением горящего топлива и, кроме того, при непосредственном контакте с горячими продуктами сгорания.Надежная работа камер сгорания в течение длительного вре­мени без охлаждения пламенной трубы невозможна. В камерах сгорания стационарных ГТУ охладителем служит воздух после компрессора. Снаружи пламенная труба охлаждается вторичным воздухом, обычно часть его используется для создания на внутрен­ней поверхности пламенной трубы охлаждающего слоя воздуха. Этот слой воздуха, охлаждая внутри нагреваемую излучением факела стенку пламенной трубы, одновременно препятствует не­посредственному контакту с ней горячих газов. Для создания в камерах сгорания такого охлаждающего слоя применяют различ­ные способы и используют как вторичный, так и первичный воз-На рис. 27, 28, а—г были приведены конструкции пламенных труб. Двухстенная^ пламенная труба, показанная на рис. 94, имеет.1 WfffiToп. .nn-nnnnnn.__■Рис. 94. Пламенная труба' с экраном:/ — корпус камеры -сгорания, 2 — стенка пламенной трубы, 3 — отверстия для про­хода воздуха, 4 — экран, 5 —смеситель; / — первичный воздух, // — вторичный воздухРис. 95. Схема охлаждения пламен­ной трубы многогорелочной камеры сгорания:/ — корпус камеры сгорания, 2 — регистр охлаждающего воздуха, 3 — стенка пла­менной трубыэкран 4, который уменьшает поток теплоты излучением от нее на корпус 1 камеры сгорания. Отверстия 3 для прохода охлаждаю­щего воздуха выполняются как в экране, так и в стенке пламен­ной трубы.Можно также создать слой охлаждающего воздуха у стенки пламенной трубы подачей избыточного количества первичного воз­духа (рис. 95). Для этого первичный воздух /,• поступая в специ­альный регистр J? фронтового устройства, закручивается в нем и равномерно распределяется по внутренней поверхности стенки 3 пламенной трубы. 80Охлаждение пламенной трубы должно быть организовано так, чтобы температура по ее окружности была одинаковой и плавно изменялась, по длине. Если отдельные места стенки пламенной трубы перегреваются, она начинает коробиться, возможны прога­ры и разрушения. Как и в предыдущих случаях, снаружи пламенная труба охлаждается вторичным воздухом //.1 При ремонтах нельзя делать на пламенных трубах дополни­тельные отверстия для прохода воздуха, так как это приводит к местным перегревам стенок и быстрому выходу их из строя. ,__Для расчета размеров элементов ГТУ необходимо знать рас­ходы воздуха и продуктов сгорания. Рассмотрим порядок опреде­ления их на примере расчета тепловой схемы ГТУ с одной камерой сгорания.В этом случае должны быть заданы: полезная мощность уста­новки ,Ne или Na; температура газа перед турбиной Тс; темпера­тура воздуха перед компрессором Та; степень сжатия в компрес­соре е; степень расширения в турбине б; степень регенерации а; кпд турбины т]т, компрессора т|к, камеры сгорания т]Кс, электриче­ского генератора х\эги механический кпд ГТУ т]м; состав топлива и его низшая теплота сгорания QHp.Целью теплового расчета является определение: мощности тур­бины и компрессора; эффективного кпд ГТУ; расхода газа через турбину и камеру сгорания; расхода воздуха через компрессор и камеру сгорания; расхода топлива.Вначале по результатам расчета теплового цикла для выбран­ной схемы ГТУ определим оптимальную степень сжатия в ком­прессоре е. По заданному составу топлива рассчитаем количество воздуха Z-o, необходимое для сжигания 1 кг топлива. Объемы (м3/кг) входящих в чистые продукты сгораниями получаемых при сгорании 1 кг топлива газов (при 20° С и давлении 0,1 МПа) мож­но рассчитать по следующим формулам.Объем трехатомных газов — углекислого СО2 и сернистого га­за SO2:VR0, = 0,0185 (CP-f 0.37SP). Объем азота N2:VNa = 0,615L0 + 0.008NP,где Np — процентное содержание азота в топливе (по массе). Объем водяных паров:VHao = 0,0124 (Нр + О? + WPHa0 + VBH°$),где WHPO — процентное содержание влаги в топливе (по массе); V ^J =0,001 LodB— количество влаги, дополнительно вносимое воздухом при его влагосодержании dB, г/м3.Объемные доли отдельных составляющих в чистых продуктах сгорания:fROa — VrOj/^V; rNa = vNj/ZV ;где EV=Vro2 +Vnj +Ун„о-Зная объемные доли, определим молекулярную массу продук­тов сгорания:тпс - 4,401/-ro, + 28,15tn, + 18,02/-Нао.В этой формуле RO2 — углекислый газ, так как содержание SO2 в продуктах сгорания мало.Воздух, поступающий в камеру сгорания," разделяется на два потока. Первичный воздух GBiнаправляется в пламенную трубу через фронтовое устройство, ^ а вторичный GB2 — в зазор между пламенной трубой и корпусом камеры сгорания. Расход вторич­ного воздуха определяют по формулеОтношение расхода воздуха через компрессор к расходу первич­ного воздуха GB, называют коэффициентом избытка воздуха:« = GB/GBl.Чистые продукты сгорания в конце пламенной трубы переме­шиваются с большим количеством вторичного воздуха. Чтобы ох­ладить их до заданной температуры Тс, нужно точно рассчитать количество вторичного воздуха, или коэффициент избытка возду­ха а, который связан с долей чистых продуктов сгорания rnc в по­лучившейся смеси:где то — молекулярная масса воздуха.Значение (тас/то)-Ьо/(\+Ц) не зависит от коэффициента из­бытка воздуха и определяется только свойствами продуктов сго­рания данного топлива и окислителя (воздуха).Зная Гпс, можно найти объемную долю воздуха в рабочих га­зах турбины:'"в = * '"пс-Однако для определения гпс необходимо рассчитать коэффици­ент избытка воздуха а.Коэффициент избытка воздуха простой ГТУ без регенерации теплоты определяется двумя соотношениямиОС t=, QPHi1kc +к.Шт. __ 1 I /Wnc— Щ__j \ Щ 1 + Lq\ /лг — /л0 / /лпс Lit82где Ic = mTicи /B=motB — мольные энтальпии продуктов сгорания и воздуха после компрессора; тг—тПсГис + тогв— молекулярная масса газа перед турбиной.Одним из способов решения системы уравнений для определе­ния коэффициента избытка воздуха а является графический.Определив коэффициент избытка воздуха а, можно найти ис­тинные значения гпс и гв.Эффективную мощность ГТУ с учетом механических потерь и потерь воздуха на охлаждение и утечки можно определить по фор­мулеGB(I(I + Ь) ЯкКоэффициенты, характеризующие потери воздуха на утечки 1у и охлаждение |0. обычно составляют 1—3%.Остальные параметры ГТУ можно рассчитать пО приведенным ниже формулам.Расход воздуха в камеру сгоранияРасход воздуха через компрессорG.' = C?.(l + 6y)(l+5o). Расход топливач В = GJ{aL0), или В = Gr/(1 +aL0). Мощность турбиныМощность компрессораЭффективный кпд газотурбинной установки§ 26. Выбор температуры газа перед турбинойКак уже отмечалось, чем выше температура газа Тсперед тур­биной, тем больше кпд ГТУ. Однако максимальная температура газа ограничена, что обусловлено прочностью лопаток газовой турбины. Температуру Тсможно выбрать, приближенно оценив на­пряжения в рабочей лопатке.Напряжения растяжения, возникающие при вращении в корне рабочей лопатки (рис. 96):0= \(гп* -где ra=rJrK (ra, rn, rK — относительный радиус периферии, ради­усы периферии и корня рабочей лопатки); q — плотность матери­ала лопатки; ык — окружная скорость корневого сечения лопатки; k— коэффициент разгрузки.Значение коэффициента kзависит от изменения площади по­перечного сечения лопатки по ее высоте и колеблется в пределах от 0,55 до 1.Напряжения а в корневом сечении рабочей лопатки зависят от температуры газа Тсперед турбиной. Для определения этой зависимости необходимо связать окружную скорость корневого сечения ык с температурой газа перед турбиной. Окружную ско­рость икможно оценить приближенно по формулеk

§ 29. Охлаждение корпуса газовой турбиныОхлаждение позволяет снизить температуру корпуса газовой турбины и изготавливать его из относительно дешевых металлов.Для снижения температуры корпуса используют не только воз­душное охлаждение, но и с помощью специальных элементов кон­струкции (рис. 101) уменьшают к нему поток теплоты от газа. Рис. 101. Схема охлаждениякорпуса газовой турбины: / — корпус, 2, 5 — теплоизоляция, 3 — отверстие для подвода охлаж­дающего воздуха, 4 — ребра, 5 — сегменты, 7 — обойма, 8 — сопловая лопаткагазРис. 102. Охлаждаемая обойма: I— отверстия для подвода охлаждающего воздуха, 2 — обойма, 3 т- корпус турбины, 4 — сегменты сопловых лопаток, 5 — сопло­вые лопаткиДля этого на корпусе / выполняют ребра 4, на которых крепят разрезные обоймы 7 для установки сопловых лопаток 8.Корпус и обоймы внутри покрыты теплоизоляцией 2. В обоймах крепятся сегменты 6, образующие стенку под рабочими лопатка"ми. Между сегментами и ребрами корпуса уложена теплоизоляция 5. Чтобы еще больше уменьшить приток теплоты к корпусу, в обра­зовавшиеся в нем полости через отверстия 3 поступает охлаждающий ребра и сегменты воздух, который через зазоры выбрасыва­ется в проточную часть турбины.Для уменьшения притока теплоты к корпусу 3 турбины (рис. 102) в него устанавливают охлаждаемую обойму 2 с не­сколькими рядами сопловых лопаток 5, сегменты 4 которых кре­пятся в обойме. Охлаждающий воздух, проходя через отверстия / в сегментах, охлаждает их. Часть охлаждающего воздуха сбрасы­вается в проточную часть турбины через4 щели и создает охлаж­дающую пленку у торцовых поверхностей сопловых каналов и под рабочими лопатками. Входные и выходные патрубки корпуса обычно внутри защищают теплоизоляцией. Между слоем изоляции и корпусом также продувается воздух.Особое внимание уделяют охлаждению внутренних (встроен­ных) подшипников, которые снаружи окружены воздухом после компрессора или горячим газом, имеющим высокие давление и температуру. Так как нагрев подшипников до этой температуры, а также попадание горячего газа недопустимы, их помещают в корпус специальной конструкции.Охлаждение встроенного подшипника, расположенного между турбинами высокого (ТВД) и низкого (ТНД) давления показано на рис. 103. Подшипники роторов ТВД и ТНД заключены во внут­ренний масляный корпус 7 и наружный силовой корпус 3, покрытый внутри теплоизоляцией. Охлаждающий воздух через канал 4 поступает в камеру между силовым и масляным корпусами. Часть Рис. 103. Охлаждение встроенного подшипника:/ — камера подвода воздуха к уплотнениям турбин, 2 — камера отсоса воздуха от _ уплотнений турбин, 3, 7 — наружный силовой и масляный корпуса, 4 — канал для подвода охлаждающего воздуха, 5 — труба отвода воздуха, 6, 10 — роторы турбины и компрессора, 8, 9 — опорные подшипникивоздуха проходит в масляный' корпус и выбрасывается в атмосфе­ру через трубу '5, а оставшийся поступает через лабиринтовые уп­лотнения в камеры 2, которые также соединены с атмосферой.Чтобы полностью предотвратить попадание горячих газов в подшипники, в камеру / со стороны ротора ТВД подается воздух после компрессора, а в такую же камеру со стороны ТНД посту­пает воздух из системы охлаждения ротора.различные схемы § 30. Охлаждение ротора газовой турбиныВ настоящее время широко используются охлаждения роторов газовых турбин.Схема охлаждения ротора турбины продувкой воздуха через хвостовые крепления рабочих лопаток показана на рис. 104. Ох­лаждающий воздух подается через каналы 2 и, проходя между дефлектором (покрывным диском) 4 и диском 7, попадает в за­зоры хвостовиков 6 рабочих лопаток 5. Охлаждая хвостовики ра­бочих лопаток, воздух препятствует по­ступлению теплоты к ротору. Если ротор состоит из дисков с большим6 полотном, такая система охлаждения оказывается недостаточной.7Наибольшее распространение получили три схемы охлаждения дисков:радиальным обдувом, струйное и ком­бинированное струйно-радиальное.Радиальное течение охлаждающей среды в зазоре между корпусом и бо­ковыми поверхностями дисковых или барабанных роторов возникает во мно­гих конструкциях газовых турбин. Та­кое течение может быть направлено как от оси вращения ротора к пери­ферии дисков, так и в противоположную сторону. Пять типичных режимовтечения охлаждающей среды, возникающих при радиаль­ном обдуве, показаны на рис. Д05, а—-д. Возникновение обрат­ных течений возможно, если расход охлаждающей среды мал.Вследствие закрутки потока возникает радиальный перепад давлений, 'вызывающий в пограничном слое на корпусе течениеРис. 105. Схемы радиаль­ного течения охлаждаю­щей среды в зазоре меж­ду диском и корпусом турбины:а, д - Kv=0, б, г - 0<К„ «»,в — Kv=<x>; 1 — диск, 2—корпус турбиныот периферии диска к центру. Возникновению обратных токов пре­пятствует расходное течение. Увеличение расхода среды умень­шает закрутку потока и снижает перепад давлений. Характер те­чения в зазоре между диском и корпусом зависит от значения кинематического фактора:Рис. 104. Охлаждение рото­ра турбины продувкой воз­духа через хвостовые креп­ления рабочих лопаток: / — ротор, 2 — канал для под­вода охлаждающего воздуха, 3 — корпус турбины, 4 — деф­лектор, 5 — рабочие лопатки, 6 — хвостовики лопаток, 7 — диски где 1>г=(?ов/(ев2лгД) —расходная радиальная составляющая ско­рости в зазоре (Д — зазор между диском и корпусом).V Разновидностью охлаждения радиальным обдувом является охлаждение с помощью специального покрывного диска — дефлек­тора (рис. 106). Такая схема охлаждения позволяет быть уверен­ным, что даже если в зазор между диском и корпусом проникнут горячие газы (это возможно при больших ,/(„), то они не будут перемешиваться с охлаждающим воздухом и, следовательно, на­гревать диск. Как правило, охлаждающий воздух после дефлектор Рис. 106. Охлаждение диска с дефлектором:/ — уплотнение, 2 — корпус, 3 — дефлектор, 4 — дискРис. 107. Формы каналов (а, б, в) и схема течениявоздуха (г) при струйном охлаждении диска:/ — корпус, 2 —каналы для подвода охлаждающего воздуха,3 — дискpa проходит через зазоры между хвостовиками рабочих лопаток и пазами диска, отводя часть теплоты, поступающей к диску, через перо рабочей лопатки.у Струйное охлаждение применяют для резкого усиления тепло­обмена на ограниченной поверхности. В газовых турбинах обычно возникает необходимость охладить периферию диска (наиболее нагретую его часть). Струйное охлаждение позволяет, не повышая расхода охлаждающей среды, увеличить скорость ее натекания на поверхность диска.Для этого охлаждающую среду подают через узкий кольцевой канал либо отдель­ными струями, вытекающими из располо­женных на одной окружности круглых или прямоугольных сопл (рис. 107, а — г). В зоне, расположенной между осью вращения ротора и местом подвода воздуха, возника­ет циркуляционное течение, в которое, как правило, вовлекаются горячие газы из про­точной части турбины. Следовательно, при струйном охлаждении необходимо тщатель­но уплотнять приторцовую полость диска, отделяя ее от проточной части турбины.В большинстве случаев как по условиям распределения темпе­ратур в диске турбины, так и по чисто конструктивным соображе­ниям нельзя применять чисто струйное охлаждение. Поэтому ис-93 Рис. 108. Комбинирован­ное струйно-радиальное охлаждение диска:/, 3 — каналы подвода ох*лаждающего воздуха, 2 —корпус, 4 — дискпользуют комбинированное струйное охлаждение периферии диска и радиальный обдув его внутренней части (рис. 108). Такая схема охлаждения позволяет отбирать основное количество теплоты от диска в наиболее нагретой его части — местах крепления хвосто­виков рабочих лопаток.Подбором расхода воздуха на радиальный обдув можно пред­отвратить или резко снизить приток горячих газов из проточной части турбины в зазор между диском и корпусом. Кроме того, соответствующее соотношение расходов воздуха на струйное и радиальное охлаждение обеспечивает необходимое распределение температур в диске.§ 31. Охлаждение сопловых и рабочих лопатокСопловые и рабочие лопатки, непосредственно омываемые го­рячими газами, практически нагреваются до температуры тормо­жения газа Гг*. При охлаждении лопаток их температура Таста­новится меньше температуры газа. Количество теплоты, поступающего газа к лопатке, зависит от разницы их температур и ко­эффициента теплоотдачи а:где гл— площадь поверхности лопатки, омываемой горячим га­зом.Поступающая к лопатке теплота Qaдолжна быть отведена ох­лаждающей средой, в качестве которой чаще всего используют воздух после компрессора. Охлаждающий воздух, проходя через специальные каналы в лопатках, нагревается, отбирая теплоту от лопатки. Нагрев воздуха зависит от его расхода GB, теплоемко­сти сри количества отбираемой теплоты флQJljJОхлаждение должно обеспечивать необходимую температуру Тлметалла лопаток и ее постоянство по их поверхности.Схемы охлаждения лопаток газовых турбин классифицируют по конструктивным признакам, термодинамическим свойствам, ви­ду теплоносителя и др. Однако ни одна классификация не явля­ется универсальной.Рассмотрим простейшие схемы тепло- и маслообмена в охлаж­даемых лопатках.Для наружного охлаждения рабочих лопаток используют три схемы (рис. 109, а—в). При парциальном подводе (рис. 109, а) охладитель продувается через несколько сопловых каналов и ра­бочие лопатки охлаждаются, проходя через его поток. Охладитель можно также подводить внутри сопловых лопаток и впрыскивать в поток газа через щель в их выходной кромке (рис. 109, б). При индивидуальном наружном охлаждении рабочих лопаток 94(рис. 109, в) охладитель через специальные каналы впрыскивается на поверхность каждой лопатки.При заградительном охлаждении на поверхности Лопаток со­здается защитная пленка охладителя. Такая пленка может созда­ваться двумя способами: подачей охладителя через щели или от- Рис. 109. Наружное охлаждение рабочих лопаток газовых турбин:2 — парциальным подводом охладителя, б, в — впрыском охла­дителя в поток газа и на лопатку верстия (рис. 110, а) либо продавливанием (эффузией) через пористое тело лопатки, изготовляемой по специальной технологии (рис. ПО, б). Кроме того, для уменьшения потока теплоты в ло­патку на нее наносят твердое покрытие низкой теплопроводности (рис. 111). Эти способы снижения потока теплоты используют как для рабочих, так и для сопловых лопаток. Рис. НО. Заградительное охлаждение лопа­ток: а — пленочное, б — зффузионноеРис. 111. Лопатка с твер­дым керамическим по­крытием:/ — покрытие, 2 — тело> ло­патки/ Виды внутреннего воздушного проточного охлаждения (рис. 112, а—в) определяются прежде всего конструкцией самих лопаток и направлением движения охладителя. В лопатке с деф­лектором— полой тонкостенной вставкой (рис. 112, а) образуют­ся каналы для прохода охладителя, который течет в том же на­правлении, что и горячий газ, и выбрасывается через щель в вы­ходной кромке лопатки. В лопатке с наружной тонкостенной гиль­зой (рис. 112, б) также образуются каналы для прохода охлади­теля, который сбрасывается через выходную кромку.Монолитная лопатка, внутри которой вблизи поверхности вы­полнены для прохода охладителя каналы, идущие от ее корня к вершине, показана на рис. 113, в. Охладитель в этом случае течет в каналах между дефлектором И телом лопатки. В местах наибольших значений коэффициента теплоотдачи от газа к лопатке охладитель выводится на ее поверхность и создает тон­кую пленку. Рис. 116. Проточное воздушное охлаждение рабочих лопаток:а — через радиальные отверстия, 6 — с выходом охлаждающего воз­духа через тело и выходную кром­ку; / — перо, 2 — хвостовикРис. 117. Комбинированное воздуш­ное охлаждение сопловых лопаток с одним (о) и двумя (б) дефлекторами;/ — тело лопатки, 2 — дефлекторы§ 32. Распределение температур в элементах ГТУРабочие лопатки многих газовых турбин охлаждаются отво­дом теплоты через корень (корневое охлаждение). В этом случае температура лопаток изменяется по их высоте. Наименьшая тем­пература будет в корневом сечении. На небольшом расстоянии дткорня температура лопатки ста­новится равной температуре тор­можения газа.Распределение температур в рабочей лопатке при корневом охлаждении показано на рис. 118, а, б. В корневом сечении гктем­пература лопатки Гдк. На графике по оси ординат отложено рассто­яние и, отсчитываемое от корня вдоль пера лопатки, а по оси абс­цисс—температура лопатки Тл, которую приближенно можно рассчитать по формуле rp. ch /я (/ — х) Рис. 118. Рабочая лопатка (а) ираспределение в ней температурпри корневом охлаждении (б)Т —Т *•1л — * гch mlгде /=rn —/„ — высота лопатки; m}/a.Un/(f}I'k) — величина, за­висящая от интенсивности теплообмена между газом и пером ло­патки и теплопроводности ее корневого сечения (/л и (/л — пло­щадь поперечного сечения и периметр профиля корня лопатки; X— теплопроводность материала лопатки).Температуру сопловых и рабочих лопаток, охлаждаемых внут­ри, можно приближенно рассчитать по формуле ,где Гв — температура охлаждающего воздуха; ав — коэффициент теплоотдачи от охлаждающего воздуха к поверхности лопатки.Таким образом, для определения температуры лопатки необ­ходимо знать не только температуру таза и коэффициенты тепло­отдачи от него к лопатке, но и температуру воздуха и коэффици­енты его теплоотдачи. Внутри лопатки воздух проходит довольно сложный путь, его температура постоянно увеличивается й при­ближенно составляетгде Гв0 — температура воздуха на входе в охлаждающие каналы; к — расстояние от начала каналов по направлению течения воз­духа.Значение s зависит от коэффициентов теплоотдачи газа и воз­духа, расхода воздуха, его теплоемкости и периметра UBохлаж­дающего канала:s •= UB98(« + «в)Диски газовых турбин нагреваются теплотой, которая переда­ется им газом через рабочие лопатки и поверхности межлопаточ­ных каналов. Эта теплота отбирается с боковой поверхности дис­ков охлаждающим воздухом, а также при продувке воздуха через зазоры в хвостовиках рабочих лопаток. Распределение темпера­тур в дисках зависит от интенсивности их нагрева, конструкции, а также хвостового крепления рабочих лопаток, расхода охлаж­дающего воздуха, схемы охлаждения и др.Система охлаждения должна не только обеспечивать приемле­мую температуру дисков, но и необходимое ее распределение.Сопоставим распределение температур при струйном и ради­альном охлаждении диска (рис. 119). По оси абсцисс отложен радиус диска г, а по оси ординат — его температура Гд. Если си­стемы охлаждения сконструированы так, что температуры пери­ферии дисков Гид одинаковы, то при этих способах охлаждения распределения температур значительно отличаются.При струйном охлаждении "слишком нагретой оказывается центральная часть диска, в которой напряжения, возникающие при вращении, наибольшие, а при радиальном эта часть переохлажде­на. Большая разница температур между периферией диска и цент­ром приводит к появлению больших температурных напряжений, которые суммируются с растягивающими напряжениями, возника­ющими при вращении диска.Обычно выбирают такую систему охлаждения, которая снижает температуру периферии диска до заданного значения Тпд и не вызывает появления больших температурных напряжений.Особенно большие температурные напряжения могут возникать в лопатках и дисках, при пусках ГТУ.В лопатках (рис. 120, а) при нагреве горячими газами быстрее всего прогреваются входные и выходные кромки, а более массив­ная средняя часть прогревается медленнее. Перед пуском ГТУ Рис. 119. Диск ,.(а) и распределение-температур в нем (б) при струйном(кривая /) и радиальном (кривая 2)охлажденииРис. 120. Лопатка (а), распределение температур в ней при прогреве вдоль скелетной линии (б) и изменение пе­репада температур Д Г в зависимости от времени (в)(т=0) лопатка имеет температуру Тл0. Распределение температур вдоль скелетной линии сплошной лопатки в различные моменты времени Ti — Т5 показано на рис. 120, б.По мере нагрева лопатки разница температур ДГ наиболее и наименее прогретых ее частей вначале увеличивается (рис. 120, в), а затем начинает уменьшаться и через некоторое время, когда лопатка оказывается полностью прогретой, становится равной ну­лю. В тот момент, когда разница температур становится макси­мальной (АТтах), в лопатке возникают наибольшие температур­ные напряжения: в кромках — сжимающие, а в массивной части — растягивающие. Чем быстрее пускается ГТУ, т. е. чем быстрее растет температура газа перед турбиной, тем больше разница температур ДГтах и, следовательно, температурные напряжения.Аналогичная картина наблюдается при прогреве дисков на пусковых режимах. Периферия диска прогревается быстрее, а цент­ральная часть — медленнее (рис. 121, а, б). Так же как в лопат­ке, в некоторый момент времени разница температур периферии и центра диска достигает. наибольшего значения ATmax., Наиболь­шими в этот момент будут и темпера­турные напряжения. Причем у пери­ферии диска они будут сжимающими, а в центре—растягивающими.При слишком больших скоростях пуска (т.е. подъема температуры газа перед турбиной) температурные нап­ряжения могут достигнуть значений, при которых материал дисков и лопа­ток начнет пластически деформиро­ваться. При повторении таких пусков в лопатках вследствие малоцикловой усталости металла могут появиться трещины, которые при последующих пусках под действием сил, возникаю­щих при вращении, быстро развива­ются и вызывают разрушение лопат­ки или диска. Рис. 121. Диск (а) и распре­деление в нем температур при прогреве (б)Контрольные вопросы1. Каково назначение систем охлаждения?2. Как охлаждается корпус газовой турбины?3. Как подается воздух для охлаждения ротора газовой турбины?4. Какие способы охлаждения сопловых и рабочих лопаток вы знаете?-5. Как изменяется температура лопаток дисков при пуске ГТУ?Глава седьмаяПеременные режимы работы газотурбинных установок§ 33. Работа газовых турбин при частичных нагрузкахВ зависимости от схемы ГТУ в них применяют одну, две или три газовые турбины,' которые могут быть включены последова­тельно или параллельно и установлены на одном или на разных валах. Камеры сгорания располагают перед каждой газовой тур­биной или только перед первой.Относительный расход газа через турбину при частичных на­грузках можно рассчитать по формуле>2-1 \1,2где бо и б— степени расширения газа в турбине при расчетном режиме и режиме частичной нагрузки.Эта формула справедлива для турбин, которые имеют более трех ступеней' и значительную степень реактивности.Изменение кпд турбины при частичных нагрузках прежде все­го зависит от режима работы ее средней ступени. Кпд любой сту­пени существенно зависит от величины ха=и1са. Если эту величи­ну на расчетном режиме обозначить через хол, отношение Ua/*oa)cp для средней ступени будет зависеть от относительной частоты вращения и относительного располагаемого тепло перепада на турбину:/ха\ = _я_ /Я»,ту.»■\*оа/ср Яо \//Ог Iгде Я°от и Hoi— располагаемые тепло перепады на турбину при расчетном режиме и режиме частичной нагрузки.Зависимость кпд турбины от отношения (д;а/-«оа)ср рассчитыва­ют заранее. С помощью этой зависимости и формулы для опреде­ления относительного расхода газа через турбину Gможно при любых частоте вращения, степени расширения газа б, начальном давлении рйи температуре Тсопределить расход газа и кпд от­дельной турбины.Если две турбины включены последовательно и между ними нет камеры сгорания, массовые расходы газа через них одинако­вы. Температура газа перед второй турбиной равна температуре газа после первой. Степени расширения 6i и бг первой и второй турбин связаны с общей степенью расширения ГТУ:Если известен режим работы первой турбины, можно опреде­лить режим работы второй. Приведенный расход газа через вто­рую турбину можно определить по формулеваЫОа№где Gni и 61 — приведенный расход и степень расширения в первой турбине; т]п — политропический кпд турбин.Степень расширения во второй турбине можно определить по формуле .Отношение теплоперепадов двух турбин зависит от степени расширения в них газа:При уменьшении расхода во второй турбине ее степень расширения бг, теплоперепад Я2 и, следовательно, мощность уменьша­ются гораздо больше, чем в первой. Таким образом, при последо­вательной работе режим турбины низкого давления изменяется сильнее, чем турбины высокого давления. Если между турбинами установлена промежуточная камера сгорания, диапазон регули­рования нагрузок ГТУ становится больше. В этом случае темпе­ратура перед второй турбиной Та определяется не только режимом работы турбины высокого давления, но и может быть изменена произвольно в результате изменения подачи топлива во вторую камеру сгораний. Тогда соотношения между приведенными расхо­дами, степенями расширения и теплоперепадами первой и второй турбин приобретут вид:"10С1( Ч\2/ Si2 ' ) Те* Тс19I5»80 - 1. Л /8210 \«.я.т ТаПромежуточный подогрев газа позволяет перераспределять мощности, вырабатываемые турбинами высокого и низкого дав­ления, регулируя температуру Тс2 изменением подачи топлива в камеру сгорания.§ 34. Работа компрессоров при частичных нагрузках,В зависимости от схемы ГТУ может работать с одним, двумя или тремя компрессорами. Как правило, компрессоры устанавли­вают последовательно, располагая между ними, если необходимо, промежуточные охладители воздуха. Массовые расходы воздуха (без учета утечек) через все компрессоры одинаковы. Обозначим индексом 1 величины, относящиеся к компрессору низкого давле­ния (первому), а индексом 2 — к компрессору высокого давления (второму). Приведенные расходы воздуха через компрессоры свя­заны следующим соотношением:= GnМ Л/ Та2«1 У TailОбщее отношение давлений е при режиме частичной нагрузки связано со степенями сжатия ei и ег в первом и втором компрес­сорах следующим выражением:е =где Яв — коэффициент, учитывающий потери давления в воздуш­ном тракте.Если известен приведенный расход Gmкомпрессора низкого давления, то по его характеристике можно найти ei. Чтобы рас­считать приведенный расход компрессора высокого давления, нужно знать температуру Та1и Та2перед обоими компрессорами и степень сжатия ею в первом компрессоре на расчетном режиме.Если между компрессорами установлен промежуточный охла­дитель, можно приближенно считать, что температура перед вто­рым компрессором постоянна Та2

§ 52. Техническое обслуживание и ремонт ГТУ. Безопасность трудаТехническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты ГТУ проводятся по планам, которые составляются в соответствии с требованиями инструкций заводов-изготовителей. Периодичность технического обслуживания и ремонтов зависит также от режима работы ГТУ, количества пусков, вида топлива. Кроме того, прини­мается во внимание состояние основного и вспомогательного обо­рудования ГТУ.Операции по техническому обслуживанию проводятся в опре­деленной последовательности и в установленные сроки. На каж­дой станции утверждается регламент технического обслуживания/ГТУ и оговаривается технология выполнения регламентных работ.' В регламентные работы входят, например, периодическая очистка турбин, компрессоров и теплообменников, осмотр лопаток турбин и компрессоров, проверка плотности газового и воздушного трак­тов, трубопроводов, шаберов и арматуры. Важным этапом регла­ментных работ является проверка исправности системы автомати­ческого регулирования и защиты ГТУ.Проверку работы автомата безопасности с увеличением часто­ты вращения ротора проводят после каждой его разборки, перед испытанием ГТУ на сброс нагрузки и после длительного его про­стоя (более 1 месяца). Не менее одного раза в 4 месяца проверя­ют исправность защиты от превышения температуры газа перед турбинами.В программу регламентных работ входят также контрольные пуски ГТУ, при которых измеряют параметры, позволяющие опре­делить соответствие режима пуска заданному режиму.Система регулирования при мгновенном сбросе нагрузки должна удерживать ГТУ в режиме, при котором не срабатывала бы ни одна из защит, а ГТУ автоматически выходила бы на холостой ход. Регламентными работами предусмотрена проверка системы ре­гулирования мгновенным сбросом максимальной нагрузки отклю­чением генератора от сети.Для диагностирования состояния ГТУ при ее остановах про­водят осмотры, целью которых является непосредственное обна­ружение неисправностей (износа форсунок, трещин в лопатках, короблений пламенных труб и др.) или установление их по косвен­ным признакам (например, по наличию кусочков металла, частей лопаток, или поврежденных деталей на выхлопе). Осмотры могут проводиться как без разборки, так и с частичной или полной раз­боркой ГТУ.Целью ремонтов, является проведение плановых восстанови­тельных работ или устранение результатов аварий и неполадок. Примером восстановительных работ является замена рабочих ло­паток, отслуживших свой срок по запасу длительной прочности, перезатяжка фланцев турбины, замена пламенных труб, отрабо­тавших ресурс, перезаливка баббита подшипников. Характер ре­монтных работ после аварий зависит от вида разрушений и их последствий. В некоторых случаях восстановительные работы при­ходится выполнять на заводе-изготовителе.Все работы по оперативному и техническому обслуживанию ГТУ должны выполняться качественно, в срок, без ущерба для безопасности и здоровья обслуживающего и ремонтного персона­ла. Обслуживание ГТУ, проведение регламентных и ремонтных работ должны быть организованы так, чтобы производственные травмы и несчастные случаи были исключены. Каждый работник должен знать и строго выполнять правила безопасного обслужи­вания и проведения ремонтных работ. Администрация обязана обеспечить организационные и технические мероприятия по созда­нию безопасных условий труда.Регулярный инструктаж, обучение персонала и постоянный конт­роль за соблюдением правил техники безопасности на электро­станциях обязательны.. Ответственность за несчастные случаи не­сет как администрация, не обеспечивая соблюдение правил безопасного производства работ, так и лица, нарушившие эти пра­вила.Производственный персонал должен уметь освобождать попав­шего под напряжение и оказывать ему первую помощь, а также оказывать первую помощь пострадавшим при других несчастных случаях.По характеру производственных процессов ГТУ являются аг­регатами повышенной пожаро- и взрывоопасности и требуют обес­печения электробезопасности. В этих условиях строжайшее соблю­дение правил техники безопасности является насущной и еже­дневной необходимостью.

На рис. 92 по оси ординат отложена степень сжатия е, а


по оси абсцисс —приведенный расход воздуха Gn. Сплошные жирные линии рис. 92 соответ­ствуют постоянной приведен­ной частоте вращения ротора,._ (п=const), а сплошные тонкие линии — постоянному кпд ком­прессора (tik=const ^

Характеристика начинается

при е=1 и Gn=0. С увеличе­нием расхода растет степень Рис. 92. Универсальная характеристика сжатия. Точка Л соответствует ка компрессора расчетному режиму Gn=l; при

этом степень сжатия равна расчетной еРасч. а приведенная частота вращения я=1. Обычно компрессоры проектируют так, чтобы кпд на расчетном режиме был наибольшим.

С уменьшением расхода воздуха при постоянной степени сжа­тия изменяются углы натекания потока на лопатки компрессора.



При слишком большом изменении угла натекания поток отрыва­ется от лопаток — возникает его «срыв», который захватывает сразу несколько лопаток. Зона срыва перемещается по окружно­сти по рабочим лопаткам со скоростью 0,5—0,7 от окружной ско­рости ротора.. Наблюдаются также полные срывы потока, которые захватывают все лопатки. При этом работа компрессора может стать неустойчивой.

Если для каждой степени сжатия определить расход, при ко­тором режим работы компрессора становится неустойчивым, то на универсальной характеристике можно построить кривую, кото­рая называется границей помпажа. Эта кривая на рис. 92 дана пунктиром.

При неустойчивом режиме работы компрессора начинают рез­ко изменяться давление и расход рабочего тела. Эти изменения происходят периодически, их частота определяется как характе­ристикой компрессора, так и особенностями сети, на которую он работает (трубопроводы, камеры сгорания, газовая турбина), и они оказываются самоподдерживающимися (так называемые ав­токолебания).

Автоколебательный процесс в тракте ГТУ, называемый помпа-жом, сопровождается характерным шумом. Работа ГТУ в режиме помпажа не разрешается, так как это может вызвать поломку ло­паточного аппарата и другие последствия, приводящие к аварии. На рис. 92 зона Б помпажа располагается выше пунктирной ли­нии. Чтобы вывести компрессор из помпажа, необходимо увели­чить расход воздуха. Для этого служат специальные устройства, позволяющие сбрасывать воздух после компрессора в атмосферу или на его всас. Такими устройствами являются противопомпажные клапаны, которые устанавливают на выхлопном патрубке компрессора или за одной из промежуточных ступеней. При пере­ходе ГТУ на режим работы, близкий к помпажу, либо возникно­вении помпажа эти клапаны открываются и воздух из компрессо­ра выбрасывается в атмосферу или идет на всас. В результате резко увеличивается расход воздуха через компрессор и он входит в режиме устойчивой работы. Однако длительно работать с откры­тыми противопомпажными клапанами нельзя, так как при этом резко уменьшается кпд ГТУ.

Кроме того, для предупреждения помпажа используются поворотные направляющие лопатки, устанавливаемые перед первой ступенью компрессора. Эти лопатки позволяют изменять расход воздуха через компрессор без срыва потока на рабочих лопатках. Однако их применение увеличивает затраты на изготовление ком­прессора.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются рабочие процессы в ступенях компрессора и турбины?

2. Как определяют число ступеней и основные размеры проточной части компрессоров?

3. Как определить степень сжатия в компрессоре по заданным расходу воз­духа и частоте вращения ротора?-

Глава пятая

Рабочий процесс в камере сгорания и определение основных параметров газотурбинных установок

§ 22. Топлива для ГТУ и их характеристики

В газотурбинных установках используют жидкие и газообразные органические топлива.

Жидкие топлива являются продуктами перегонки нефти. В нашей стране наибольшие запасы нефти расположены в Южно-Каспийском, Волго-Уральском, Краснодарском, Тймене-Печерском, Мангышлакском, Западно-Сибирском и Сахалинском место­рождениях. После переработки нефти получают топлива разных составов. В газотурбинных установках используют легкое и тяжелое дистиллятное, а также остаточное топливо.

Легкое дистиллятное топливо, представляющее собой низкокипящую фракцию прямой перегонки, крекинга или риформинга - нефти, подразделяют на топливо для карбюраторных, реактивных . ' и дизельных двигателей. Некоторые виды дизельного топлива, не­пригодные для использования "в дизельных двигателях, могут ис­пользоваться в ГТУ.

Тяжелое дистиллятное газотурбинное топливо, являющееся дистиллятом нефти, сланца или остаточных нефтепродуктов, служит основным жидким топливом для стационарных и транспорт­ных ГТУ.

- К остаточным относят моторные топлива, флотские и топочные мазуты, являющиеся тяжелыми вязкими остатками прямой пере­гонки и крекинга нефти, или их смеси с более легкими топливами. При использовании в ГТУ этих топлив необходимы их промывка и ввод присадок.

Газообразные топлива—это природный и искусствен­ный газы.

Природный газ добывают на газовых месторождениях. Запасы природного газа в СССР наибольшие в "Бгаре. Крупнейшими мес­торождениями являются Тюменское и Уренгойское, а также на Северном Кавказе, Украине, Северном Урале, Волге и в Средней Азии. Кроме того, на нефтяных месторождениях добывают разно­видность природного газа — попутный газ.

Искусственный газ является побочным продуктом доменного, коксового и других производств. Кроме того, его получают в спе­циальных газогенераторных установках или в результате подзем­ной газификации угля.

Основными характеристиками жидкого и газообразного топли­ва являются его состав, теплота сгорания, зольность, вязкость, температура вспышки и застывания, стабильность, совместимость с другими видами топлива, характер взаимодействия с водой.

Органическое топливо в основном состоит из сложных углево­дородов. В относительно небольших количествах в нем содержатся азот, сера, кислород, щелочные металлы и другие элементы. Состав топлива принято представлять в виде процентного массо­вого содержания углерода С, водорода Н, азота N, кислорода О, серы S, минеральной' негорючей части (золы) А и влаги W. Раз­личают рабочую, сухую (без влаги), горючую (без влаги и золы) и органическую массы топлива.

Массу топлива в том виде, в котором оно поступает к потребителю, называют рабочей. Рабочая масса топлива может быть представлена в следующем виде: Ср+.Нр+№-Юр+£р+Ар+Шр== = 100%. Индекс «р» указывает на содержание данного компонен­та в рабочей массе топлива. По составу топлива рассчитывают тепловой и материальный балансы процесса горения. Рабочая и сухая массы некоторых видов топлива могут заметно отличаться друг от друга.

Топливо содержит горючие и негорючие части. Горючей частью топлива являются углерод, водород и частично сера. Азот и кисло­род— негорючие составляющие. Сера, входящая в состав топли­ва, подразделяется на органическую, колчеданную и сульфатную, из которых горючими являются органическая и колчеданная. В жидких топливах содержатся органические соединения серы. Наличие серы в топливе нежелательно. Продукты окисления се­ры — сернистый ангидрид SO2 и особенно серный ангидрид SO3 — вызывают интенсивную коррозию металлических поверхностей и загрязняют атмосферу.

Наличие влаги в топливе требует дополнительных затрат теп­лоты на ее нагрев, испарение и снижает температуру горения. При повышенной влажности усиливается коррозия деталей оборудова­ния, а также из-за налипания топлива забиваются фильтры. В во­де, кроме того, растворено основное количество соединений коррозионно-агрессивных щелочных металлов.

Одной из важных характеристик топлива является теплота сго­рания. При горении в результате экзотермических реакций окисле­ния происходит выделение теплоты, количество которой зависит прежде всего от состава топлива. Различают высшую QBp и низшую QhP теплоту сгорания. При охлаждении продуктов горения до температуры конденсации содержащихся в них водяных паров •выделяется теплота конденсации. Количество теплоты, выделяю­щейся при сжигании единицы массы или объема топлива с учетом этой теплоты, называют высшей теплотой сгорания топлива Qbp. Низшей теплотой сгорания QyPназывают количество теплоты, в котором не учитывается возврат теплоты от конденсации водяных паров. Низшая и высшая теплота сгорания связана следующим соотношением:

QhP= QBp — QbP — 2,5UWP/100 + 9HtV100),

где Wp/100 — количество водяных паров, образующееся при испарении влаги из 1 кг топлива; 9НР/100— количество водяных паров, ' образующееся при сжигании водорода, содержащегося в 1 кг топлива; /-==2,51 МДж/кг — скрытая теплота парообразования; Овп —количество водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Температура газов после камеры сгорания ГТУ высока, и кон­денсации водяных паров в проточной части газовой турбины и вы­хлопном тракте не происходит. Поэтому при расчете ГТУ исполь­зуют низшую теплоту сгорания топлива Q^>.

v После завершения процесса горения топлива образуется зола — твердый негорючий остаток. При сгорании жидких топлив обра­зуется зола, в которую входят соли, оксиды металлов и кремний, содержащиеся в топливе в свободном состоянии или в виде хими­ческих соединений. Соединения некоторых металлов (Na, Ca, Pb) попадают в топливо в процессе производства, перевозки и хранения. Кроме того, при сжигании жидких топлив могут образовы­ваться легкоплавкие соединения ванадия, натрия, калия и свинца, которые при высоких температурах вызывают коррозию металлов. Соединения кальция образуют прочные отложения на металли­ческих поверхностях. Золовьгё отложения оседают на внутренней поверхности жаровых труб, сопловых и рабочих лопатках. Содер­жание (мг/кг) отдельных элементов в жидком топливе не должно превышать: натрия и калия — 0,5—1 (суммарное); ванадия — 0,5; свинца — 1—2; кальция — 1—5. При большем их содержании не­обходима предварительная очистка топлива. Л При сжигании газообразного топлива зола образуется в основном из содержащихся в нем твердых частиц.

^ Вязкость топлива характеризует возникающее в нем при дви­жении внутреннее трение. Вязкость газообразных топлив крайне мала. Различные сорта жидких топлив имеют разную вязкость. Чем легче топливо, тем меньше его вязкость. Для количественной оценки вязкости используют градусы условной вязкости (° ВУ), выражающие отношение времени вытекания через калиброванное отверстие 2 -10 4 м3 рассматриваемой жидкости к времени выте­кания такого же объема воды при 20° С. Для качественного рас-пыливания форсунками и надежной транспортировки по трубопро­водам вязкость жидкого топлива не должна превышать 2—3° ВУ. При нагревании до определенной температуры вязкость топли­ва сначала быстро уменьшается, а затем остается практически

__^постоянной. Вязкость тяжелого жидкого топлива (° ВУ*) при температуре tможно определить по формуле

°ВУ,=--=°ВУБО(50/0",

где ° ВУ5о — условная вязкость топлива при 50° С. ч

При изменении вязкости (°ВУ5о) от 2 до 20 показатель степе­ни п изменяется от 1,8 до 2,85.

Температуру, при которой топливо теряет подвижность и не может перекачиваться по трубопроводам, называют температурой застывания.

Различные Жидкие топлива воспламеняются при разных тем­пературах. От постороннего источника пламени воспламеняется не само топливо, а. смесь его паров и воздуха возле поверхности. Температурой вспышки называют наименьшую температуру топлива, при которой смесь его паров с воздухом у поверхности способна воспламениться от постороннего источника пламени.

При соприкосновении с воздухом жидкое топливо окисляется и со временем уплотняется. При этом образуются осадки, которые загрязняют оборудование и нарушают его нормальную работу. Чем меньше скорость окисления топлива, тем выше его стабильность. Осадки могут образовываться также при смешивании раз­личных видов жидкого топлива. Если при смешивании нескольких видов топлива выпадает большое количество осадков, такие топ­лива называют несовместимыми.

Стабильность и совместимость жидких топлив повышают вве­дением специальных присадок.

Вода отделяется от различных видов жидких топлив по-разно­му. В легких топливах она быстро отстаивается, а с тяжелыми может образовывать устойчивые эмульсии и выпадает в осадок через очень длительное время. Чтобы предупредить образование эмульсий и ускорить отделение воды от топлива, также применя­ют специальные присадки — деэмульгаторы.

§ 23. Общие сведения о процессе горения

Горение топлива в камере сгорания ГТУ происходит в смеси с воздухом. При этом протекает химическая реакция окисления го­рючих компонентов топлива. Окислителем служит кислород, которого в воздухе при нормальных условиях содержится примерно 21% по объему. При соединении кислорода с углеродом, водоро­дом и серой топлива образуются соответственно углекислый газ, водяной пар и диоксид серы:

С-т-Оа = СО2; 2Н2 + Оа = 2НаО; S + О2- SO2.

Чтобы эти реакции прошли полностью, необходимо определен­ное количество кислорода. Так как топливо в камере сгорания ГТУ смешивается не с чистым кислородом, следует определить количе­ство воздуха, в котором содержится требуемое количество кисло­рода. Необходимое для полного сжигания 1 кг топлива количество воздуха (кг/кг), называемое стехиометрическим количеством, оп­ределяют по формуле

Lo = (1 + 76,8/23,2) (0,01 ■ 2,67С + 0,01 • 8№ + 0,01 S* —0,010?).

При полном окислении всех компонентов и отсутствии потерь горение происходит при наибольшей для данного топлива температуре. Обычно действительная температура горения ниже максимальной, так как воздух в зону горения подается с небольшим избытком, не до конца сгорают отдельные компоненты и из-за процессов диссоциации небольшая часть теплоты не выделяется. С ростом температуры топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, температура горения увеличивается.

Если топливо и окислитель находятся в газообразном состоянии и тщательно перемешаны, такую смесь называют гомогенной. '/

Если топливо и окислитель находятся в разных фазах (например, жидкость и газ), такую смесь называют гетерогенной. Горение гомогенной и гетерогенной смесей происходит по-разному. Все про­цессы горения, присущие гомогенной смеси, являются частью про­цессов, происходящих в гетерогенной.

Химическая реакция горения идет с вполне определенной ско­ростью. Скоростью гомогенной реакции называют количество ве­щества, реагирующего в единице объема в единицу времени. Так как обеспечить самопроизвольное горение смеси одновременно во всем объеме невозможно, то в камерах сгорания применяют вос­пламенение от постороннего источника.

Слой определенной толщины, в котором происходят процессы, предшествующие химической реакции горения и собственно хими­ческая реакция горения, называют фронтом пламени. В неподвиж­ной гомогенной смеси фронт пламени распространяется с опреде­ленной скоростью, которая, в основном, зависит от скорости хи­мической реакции.

§ 24. Сжигание топлива в камере сгорания

Материалы, из которых изготавливают камеры сгорания стационарных ГТУ, должны быть дешевыми. Кроме того, камеры сго­рания должны обеспечивать возможность работы -на разных топливах (газообразном и жидком, легком и тяжелом) и полной автоматизации ГТУ, а также быть экономичными и надежными. j/* Экономичность камер сгорания оценивается коэффициентом полезного действия т1кс, который зависит от гидравлических потерь и полноты сгорания топлива. Полнота сгорания топлива характе­ризуется термическим коэффициентом полезного действия камеры сгорания т]*кс» а гидравлические потери — гидравлическим кпд т)гкс-Эти кпд связаны между собой следующим соотношением:

Термический кпд, или коэффициент полноты сгорания,

W = (ft —V»Vft,

где qi— количество теплоты, выделяющееся в единицу времени при полном сгорании топлива без потерь;
Потери теплоты в камере сгорания складываются из потерь в окружающую среду и потерь, связанных с несовершенством про­цесса сгорания топлива. Для уменьшения первых-потерь камеры сгорания изолируют. Как правило, эти потери невелики. Вторые потери возникают из-за недожога и они складываются из потерь на физический и химический нёдожог:

,"' Любое топливо горит в газообразном состоянии (жидкое — после так называемой газификации, предшествующей собственно

реакции горения). Одной из причин физического недожога жидко­го топлива является неправильно организованный процесс горе­ния, при котором оно не успевает газифицироваться, перемешать­ся с окислителем и уносится из зоны горения. Другой причиной физического недожога является термическое разложение топлива при недостатке кислорода. В этом случае топливо разлагается на летучие фракции и углерод, образующий1 вместе с золой твердые частицы.

Физический недожог не только снижает экономичность камер сгорания, но и влияет на их надежность. Наличие твердых несгоревших частиц вызывает эрозию проточной части турбины. При этом липкая зола нарастает на лопатках турбины, в результате чего снижаются ее мощность и кпд, а также появляется небаланс ротора Возникающие иногда отложения в самой камере сгорания приводят к неравномерному нагреву пламенных труб, их коробле­нию и растрескиванию, а отрывы наростов могут повредить про­точную часть турбины.

Химический недожог связан с недостаточным временем пребы­вания газа в зоне горения, т. е. при этом не успевает произойти химическая реакция горения. Химический недожог возникает при недостаточной длине камеры сгорания и переохлаждении ее от­дельных участков, а также при низкой температуре горения и др. " Полнота сгорания топлива зависит от температуры в зоне го­рения и давления в камере сгорания.

При определенной температуре термический кпд достигает максимального значения. Повышение температуры в камере сго­рания увеличивает скорости испарения И'горения топлива и со­кращает период его воспламенения. До определенной температуры термический кпд т)*кс растет. Дальнейшее повышение температуры снижает его, так как усиливаются процессы диссоциации СО2 и Н2О, при которых теплота поглощается. При увеличении давления в камере сгорания термический кпд растет, так как увеличивается скорость горения.

Гидравлический кпд камер сгорания оценивают по потерям полного давления/

где £нс=Ар*/Рв* — относительная потеря полного давления в ка­мере сгорания; рв* и Ар*=/>„*— рг* — полное давление воздуха на входе в камеру сгорания и на выходе из нее.

Гидравлические потери ртобусловлены: трением потока о стен­ки камеры сгорания; турбулентными потерями; потерями на сме­шение потоков; потерями давления вследствие подвода теплоты. В среднем для современных камер сгорания |кс=1-т-3%..

Полный кпд камер сгорания колеблется в пределах 0,92—0,98.

Элементы, из которых собирают камеры сгорания, должны иметь достаточный срок службы. Наиболее слабым элементом ка­мер сгорания являются пламенные трубы. Правильная организация процесса горения, выбор материалов и конструкции камер сгорания должны обеспечивать их надежность.

Для надежной работы лопаток газовых турбин распределение температур газа за камерой сгорания должно быть достаточно равномерным. Допускается относительная неравномерность

ЬТ = Tmax Гш"1 <0,2-*-0,3,

где Ттах, Тт1пи ГСр — максимальная, минимальная и средняя тем­пературы газа за камерой сгорания. г

Допускаемые значения 6 Г зависят от компоновки камер сго­рания и газовых турбин. Так, при наличии длинных и изогнутых газоходов, выравнивающих поток между камерой сгорания и тур­биной, неравномерность температур ЬТ может быть Достаточно большой. При непосредственном соединении газовой турбины с камерой сгорания неравномерность температур должна быть iia- лой.

Помимо высокой экономичности и надежности необходимо, чтобы камеры сгорания были небольших размеров. Габариты ка- мер сгорания зависят от теплонапряженности ее рабочего объема:

где <71=£Фнрт1*кс (В—расход топлива); VKc и рв — рабочий объем -камеры сгорания и давление на входе в нее.

г/ Процесс горения топлива можно разделить на несколько ста-

V дий. При сжигании газообразного топлива это образование смеси, разогрев ее и горение, получение рабочих газов. При сжигании жидкого топлива вначале происходят пирогенное разложение (без доступа кислорода) и испарение капель, а затем процесс горения идет так же, как при использовании газообразного топлива.

До подачи в камеру сгорания топливо соответствующим обра­зом обрабатывают (очищают, подогревают и повышают его дав­ление до необходимого). Затем жидкое топливо через форсунки, а газообразное через горелки подается в камеру сгорания. Время горения топлива определяется временем испарения, смешения,

, /разогрева и протекания химической реакции.

* Для эффективной работы камер сгорания необходимо: разде­ление пространства внутри пламенной трубы на зоны горения и смешения; оптимальное распределение топлива по ее сечению; турбулизация потока в зоне горения; стабилизация фронта пла­мени; организация охлаждения основных элементов. — Температура рабочих газов, попадающих в турбину стационар­ных ГТУ,. гораздо ниже температуры горения топлива. Ни одно топливо не будет качественно гореть при низкой температуре из-за неустойчивости процесса горения. Для хорошего горения необхо­димо, чтобы температура в зоне горения была 1600—1-800° С. По­этому рабочий объем камер сгорания условно делят на две зоны — зону горения, куда подаются первичный воздух и топливо, и зону смешения, куда подаются продукты сгорания и вторичный воздух.


Количество подаваемого в зону горения первичного воздуха больше, чем его стехиометрическое количество:

где Ql —величина, называемая коэффициентом избытка первично­го воздуха.

В зависимости от вида топлива и конструкции камер сгорания

Oi= 1,4-7-1,6.

Вблизи от места подачи топлива в пламенную трубу его необходимо перемешивать с первичным воздухом. Для этого поток первичного воздуха делают турбулентным. Турбулизацию, позво­ляющую интенсифицировать процессы массо- и теплообмена, улуч­шить смесеобразование и увеличить скорость горения за счет пе­рехода от ламинарного к турбулентному горению, осуществляют с помощью регистров, плохо обтекаемых тел (конусов), перфори­рованных пластин и др.

Так как в камере сгорания скорость движения потока значи­тельно выше, чем скорости распространения пламени, то для удер­жания пламени в устойчивом положении необходимо иметь источ­ник постоянного зажигания — стабилизатор фронта пламени. В камере сгорания его роль выполняют плохо обтекаемые тела фронтового устройства (завихрители) или дежурные горелки.

Две схемы образования обратных токов показаны на рис. 93, а, б. За конусом (рис. 93, а) создается зона разрежения, в которую из зоны горения подсасываются горячие продукты сгорания. Лопаточный завихритель (рис. 93, б) закручивает поток первич­ного воздуха вокруг оси камеры сгорания. Воздух при этом оттес­няется к стенкам пламенной трубы, а вокруг оси камеры сгорания создается зона разрежения, в которую устремляются горячие про­дукты сгорания.

Топливо подается к внешней границе зоны обратных токов, так как вследствие высокой турбулентности воздушного потока здесь происходит наиболее быстрое перемешивание топлива с пер­вичным воздухом. Горячие продукты сгорания подогревают и ис­паряют свежие порции топлива, а также постоянно поджигают смесь.



Рис. 93. Схемы образования вторичных токов в зоне, горения:

о —с помощью конуса, б — с помощью лопаточного завихрителя (регистра); / — корпус, 2 —

пламенная труба, 3 — регистр

§ 25. Охлаждение камер сгорания и продуктов горения. Определение расходов первичного и вторичного воздуха

Наиболее теплонапряженным элементом камер сгорания явля­ется пламенная труба, которая нагревается тепловым излучением горящего топлива и, кроме того, при непосредственном контакте с горячими продуктами сгорания.

Надежная работа камер сгорания в течение длительного вре­мени без охлаждения пламенной трубы невозможна. В камерах сгорания стационарных ГТУ охладителем служит воздух после компрессора. Снаружи пламенная труба охлаждается вторичным воздухом, обычно часть его используется для создания на внутрен­ней поверхности пламенной трубы охлаждающего слоя воздуха. Этот слой воздуха, охлаждая внутри нагреваемую излучением факела стенку пламенной трубы, одновременно препятствует не­посредственному контакту с ней горячих газов. Для создания в камерах сгорания такого охлаждающего слоя применяют различ­ные способы и используют как вторичный, так и первичный воз-

На рис. 27, 28, а—г были приведены конструкции пламенных труб. Двухстенная^ пламенная труба, показанная на рис. 94, имеет

.1




WfffiTo

п. .nn-nnnnnn.__■

Рис. 94. Пламенная труба' с экраном:

/ — корпус камеры -сгорания, 2 — стенка пламенной трубы, 3 — отверстия для про­хода воздуха, 4 — экран, 5 —смеситель; / — первичный воздух, // — вторичный воздух

Рис. 95. Схема охлаждения пламен­ной трубы многогорелочной камеры сгорания:

/ — корпус камеры сгорания, 2 — регистр охлаждающего воздуха, 3 — стенка пла­менной трубы

экран 4, который уменьшает поток теплоты излучением от нее на корпус 1 камеры сгорания. Отверстия 3 для прохода охлаждаю­щего воздуха выполняются как в экране, так и в стенке пламен­ной трубы.

Можно также создать слой охлаждающего воздуха у стенки пламенной трубы подачей избыточного количества первичного воз­духа (рис. 95). Для этого первичный воздух /,• поступая в специ­альный регистр J? фронтового устройства, закручивается в нем и равномерно распределяется по внутренней поверхности стенки 3 пламенной трубы.



80

Охлаждение пламенной трубы должно быть организовано так, чтобы температура по ее окружности была одинаковой и плавно изменялась, по длине. Если отдельные места стенки пламенной трубы перегреваются, она начинает коробиться, возможны прога­ры и разрушения. Как и в предыдущих случаях, снаружи пламенная труба охлаждается вторичным воздухом //.

1 При ремонтах нельзя делать на пламенных трубах дополни­тельные отверстия для прохода воздуха, так как это приводит к местным перегревам стенок и быстрому выходу их из строя. ,__

Для расчета размеров элементов ГТУ необходимо знать рас­ходы воздуха и продуктов сгорания. Рассмотрим порядок опреде­ления их на примере расчета тепловой схемы ГТУ с одной камерой сгорания.

В этом случае должны быть заданы: полезная мощность уста­новки ,Ne или Na; температура газа перед турбиной Тс; темпера­тура воздуха перед компрессором Та; степень сжатия в компрес­соре е; степень расширения в турбине б; степень регенерации а; кпд турбины т]т, компрессора т|к, камеры сгорания т]Кс, электриче­ского генератора х\эги механический кпд ГТУ т]м; состав топлива и его низшая теплота сгорания QHp.

Целью теплового расчета является определение: мощности тур­бины и компрессора; эффективного кпд ГТУ; расхода газа через турбину и камеру сгорания; расхода воздуха через компрессор и камеру сгорания; расхода топлива.

Вначале по результатам расчета теплового цикла для выбран­ной схемы ГТУ определим оптимальную степень сжатия в ком­прессоре е. По заданному составу топлива рассчитаем количество воздуха Z-o, необходимое для сжигания 1 кг топлива. Объемы (м3/кг) входящих в чистые продукты сгораниями получаемых при сгорании 1 кг топлива газов (при 20° С и давлении 0,1 МПа) мож­но рассчитать по следующим формулам.

Объем трехатомных газов — углекислого СО2 и сернистого га­за SO2:

VR0, = 0,0185 (CP-f 0.37SP). Объем азота N2:

VNa = 0,615L0 + 0.008NP,

где Np — процентное содержание азота в топливе (по массе). Объем водяных паров:

VHao = 0,0124 (Нр + О? + WPHa0 + VBH°$),

где WHPO — процентное содержание влаги в топливе (по массе); V ^J =0,001 LodB— количество влаги, дополнительно вносимое воздухом при его влагосодержании dB, г/м3.

Объемные доли отдельных составляющих в чистых продуктах сгорания:

fROa — VrOj/^V; rNa = vNj/ZV ;

где EV=Vro2 +Vnj +Ун„о-

Зная объемные доли, определим молекулярную массу продук­тов сгорания:

тпс - 4,401/-ro, + 28,15tn, + 18,02/-Нао.

В этой формуле RO2 — углекислый газ, так как содержание SO2 в продуктах сгорания мало.

Воздух, поступающий в камеру сгорания," разделяется на два потока. Первичный воздух GBiнаправляется в пламенную трубу через фронтовое устройство, ^ а вторичный GB2 — в зазор между пламенной трубой и корпусом камеры сгорания. Расход вторич­ного воздуха определяют по формуле

Отношение расхода воздуха через компрессор к расходу первич­ного воздуха GB, называют коэффициентом избытка воздуха:

« = GB/G

Bl.

Чистые продукты сгорания в конце пламенной трубы переме­шиваются с большим количеством вторичного воздуха. Чтобы ох­ладить их до заданной температуры Тс, нужно точно рассчитать количество вторичного воздуха, или коэффициент избытка возду­ха а, который связан с долей чистых продуктов сгорания rnc в по­лучившейся смеси:

где то — молекулярная масса воздуха.

Значение (тас/то)-Ьо/(\+Ц) не зависит от коэффициента из­бытка воздуха и определяется только свойствами продуктов сго­рания данного топлива и окислителя (воздуха).

Зная Гпс, можно найти объемную долю воздуха в рабочих га­зах турбины:

'"в = * '"пс-

Однако для определения гпс необходимо рассчитать коэффици­ент избытка воздуха а.

Коэффициент избытка воздуха простой ГТУ без регенерации теплоты определяется двумя соотношениями

ОС t=

, QPHi1kc +

к.

Шт

. __ 1 I /Wnc— Щ__j \ Щ 1 + Lq

\ /лг — /л0 / /лпс Lit

82

где Ic = mTicи /B=motB — мольные энтальпии продуктов сгорания и воздуха после компрессора; тг—тПсГис + тогв— молекулярная масса газа перед турбиной.

Одним из способов решения системы уравнений для определе­ния коэффициента избытка воздуха а является графический.

Определив коэффициент избытка воздуха а, можно найти ис­тинные значения гпс и гв.

Эффективную мощность ГТУ с учетом механических потерь и потерь воздуха на охлаждение и утечки можно определить по фор­муле

GB(I

(I + Ь) Як

Коэффициенты, характеризующие потери воздуха на утечки 1у и охлаждение |0. обычно составляют 1—3%.

Остальные параметры ГТУ можно рассчитать пО приведенным ниже формулам.

Расход воздуха в камеру сгорания

Расход воздуха через компрессор

G.' = C?.(l + 6y)(l+5o). Расход топлива

ч В = GJ{aL0), или В = Gr/(1 +aL0). Мощность турбины

Мощность компрессора

Эффективный кпд газотурбинной установки

§ 26. Выбор температуры газа перед турбиной

Как уже отмечалось, чем выше температура газа Тсперед тур­биной, тем больше кпд ГТУ. Однако максимальная температура газа ограничена, что обусловлено прочностью лопаток газовой турбины. Температуру Тсможно выбрать, приближенно оценив на­пряжения в рабочей лопатке.

Напряжения растяжения, возникающие при вращении в корне рабочей лопатки (рис. 96):

0= \(гп* -

где ra=rJrK (ra, rn, rK — относительный радиус периферии, ради­усы периферии и корня рабочей лопатки); q — плотность матери­ала лопатки; ык — окружная скорость корневого сечения лопатки; k— коэффициент разгрузки.

Значение коэффициента kзависит от изменения площади по­перечного сечения лопатки по ее высоте и колеблется в пределах от 0,55 до 1.

Напряжения а в корневом сечении рабочей лопатки зависят от температуры газа Тсперед турбиной. Для определения этой зависимости необходимо связать окружную скорость корневого сечения ык с температурой газа перед турбиной. Окружную ско­рость икможно оценить приближенно по формуле

k

l
)sin «1

V.

Теплоперепад на первую ступень турбины можно приближен­но оценить по формуле

ры []

Перед расчетом необходимо выбрать гп2, *iK, ctiK, Qk и <рк. Кро­ме того, должны быть заданы давление рв и температура вперед компрессором Г а также частота вращения ротора. Если она не задана, выполняют несколько расчетов для ряда ее значений.

Расход газа при заданной мощности iVrry определяют по фор­муле

Каждому выбранному значению температуры газа Тсперед турбиной соответствуют определенные степень расширения в тур­бине 6=6опт и "удельная работа И, т. е. свои расходы. Задаваясь





Рис. 96. Размеры рабо­чей лопатки

То

Рис. 97. Графический способ опре­деления температуры газа перед турбиной

рядом значений Тс, получим зависимость икот нее, которая позво­ляет связать напряжения растяжения а в корне рабочей лопатки с температурой Тс(кривая 1 на рис. 97). Для выбора температуры Тснеобходимо сопоставить эти напряжения с допускаемыми которые, в свою очередь, зависят от температуры металла лопатки. Суммарные напряжения в корне рабочей лопатки ак складываются из напряжений растяжения а и изгибающих напря-* жений огиаг от воздействия потока газа:

сгк = о-Н-аизг.

Чтобы обеспечить надежную работу лопатки, ее нужно спроек­тировать так, чтобы напряжения ок были меньше допускаемых напряжений {ак]В условиях высоких температур прочность метал­ла прежде всего определяется пределом длительной прочности одп. Действующие в корне лопатки напряжения не должны превышать предела длительной прочности адп с учетом коэффициента запаса п, т. е. [а]^аю/п.

Сумма допускаемых напряжений растяжения [а] и изгиба Е<Тиэг] должна быть равна допускаемым напряжениям в корне рабочей лопатки: [<т]+[аиэг]=(!сУк]. Из этого условия можно получить допу­скаемые напряжения растяжения

Допускаемые напряжения изгиба обычно ориентировочно из­вестны.

Предел длительной прочности <тдп зависит от материала лопат­ки и ее температуры. Температура металла неохлаждаемой ло­патки в корневом сечении непосредственно связана с температу­рой газа перед турбиной
Тси равна температуре торможения газа на поверхности лопатки Tiv>*:

т _т •_т c'ik ..!.. г w*i*

2со

2ся

где I— коэффициент восстановления, значение которого для ра­бочего тела газовой турбины немного меньше единицы.

Скорости ciK и Шщ можно выразить через окружную скорость ык, тогда

- ЛК - С Г о .

•*1К • ZCp

где р = 1 — I — ^д:21к+2^iK£OS сик-

Для выбранной температуры Гс находим температуру лопатки ^лк, по которой определим предел длительной прочности стда. За­тем, рассчитав допускаемые напряжения растяжения [о], получим в итоге их зависимость от начальной температуры газа Тс. Эта зависимость показана на рис. 97 в виде кривой 2. В точке пересе­чения кривых 1 и 2 напряжения растяжения в корне рабочей ло­патки равны допускаемым. Этой точке соответствует определенная температура газа перед турбиной Тс, которая выбирается в каче­стве рабочей.

§ 27. Тепловые диаграммы и их применение для расчета тепловых процессов в турбине и компрессоре

После определения температуры газа перед турбиной можно найти температуру воздуха за компрессором и турбиной, работа­ющей' на реальном газе, для чего используют таблицы термоди­намических свойств газов. При составлении этих таблиц предпо­лагается, что газ подчиняется уравнению состояния для идеаль­ных газов pv=RT, а его энтальпия (теплосодержание) и внут­ренняя энергия зависят от температуры.

Отношение давлений в конце р и начале р0изоэнтропийного процесса связано с энтропией s следующим выражением:

lS-L= s6 Рй2.301Я '

Обозначим s/(2,301 R)=\gn0. Значение яо зависит только от температуры и его можно заранее рассчитать для любого газа. Кроме того, можно рассчитать зависимость энтальпии / (кДж/моль) каж­дой составляющей газовой смеси и воздуха от температуры. Для газовой смеси значения энтальпии /см и (lgito) см определяют по правилу смешения:

4м =

= 2 О Об «b

где г и / — объемная доля и индекс компонента смеси.

Смотрите также файлы