28. Открытое паровое охлаждение. Закрытое паровое охлаждение.

При открытом паровом охлаждении (см. рисунок I.31, г) не требуется изменять освоенные в производстве конструкции охлаждаемых элементов турбины.

Пар, охлаждающий турбину, должен быть слабо перегретым, поэтому Т_П1 = T_S + ΔT, где Т_S — температура насыщения пара, a ΔT = 15-20 К.

Использование пара приводит к повышению полезной работы ΔН^П_В установки. Замена 1 % воздуха паром при температуре газа 1300—1600 К приводит к повышению мощности установки почти на 2—2,5 %. Существенно возрастает при замене воздушного охлаждения паром КПД ГТУ. Результаты расчетов показывают, что замена 1 % отбираемого на охлаждение воздуха паром может обеспечить экономию топлива на 1,2—1,3%. Уже при температуре газа 1400—1500 К паровое охлаждение позволяет экономить 12— 14 % топлива. При повышении температуры газа перед турбиной экономия топлива будет неуклонно увеличиваться.

Паровое охлаждение повышает , что позволяет получить как максимальную полезную работу, так и максимальный КПД.

Закрытое паровое охлаждение так же как и закрытое воздушное охлаждение, позволяет с высокой эффективностью использовать теплоту охлаждения q_охл. Показатели ГТУ при закрытом охлаждении:

Оптимальные степени повышения давления для получения максимальных полезной работы и КПД установки оказываются выше, чем в ГТУ без охлаждения.

При паровом закрытом охлаждении существенно увеличивается полезная работа установки, что объясняется эффективной работой пара в принятой схеме ГТУ. По сравнению с открытым воздушным охлаждением повышение работы ГТУ составит

,

где - коэффициент, который при температуре газа 1300—1600 К составляет 2,5—3. При замене воздушного охлаждения паровым внутренняя работа ГТУ возрастает на 6 — 6.5 % из расчета 1 % введенного пара.

По сравнению с ГТУ без охлаждения при воздушном охлаждении понижается как полезная работа установки, так и ее КПД. При паровом охлаждении эти показатели ГТУ увеличиваются, причем особенно значительно при паровом закрытом охлаждении. При повышении температуры газа выигрыш от использования парового охлаждения возрастает.

28. Метод преобразования энергии с помощью мгд-генератора. Типы установок с мгд-генераторами.

Повышение КПД энергетических установок возможно путем увеличения высшей температуры цикла. Это может быть реализовано в цикле комбинированной установки с МГД-генератором, рабочим телом в которой служат электропроводные продукты сгорания, инертные газы, двухфазные смеси и жидкости.

Принцип работы МГД-генератора основан на преобразовании внутренней энергии электропроводящей рабочей среды в электрическую при пересечении движущимся рабочим телом силовых линий магнитного поля. Рабочий процесс МГД-генератора аналогичен процессу в газовой турбине, но отличием является отсутствие вращающихся частей. На рис. 13.1, а, б представлены схемы простейших установок открытого цикла с МГД-генератором. Окислитель из компрессора К (см. рис. 13.1, а) после подогрева в теплообменнике поступает в камеру сгорания Г, куда вводится топливо и ионизирующая присадка. Продукты сгорания разгоняются в сопле С и поступают в канал МГД-генератора. Электрическая мощность, снимаемая на нагрузку с электродов, генерируется в канале.

Преимущества метода получения электрической энергии с помощью МГД-генератора по сравнению с традиционным методом машинного преобразования в ПТУ или ГТУ заключаются в следующем:

возможность повышения температуры цикла и соответственно КПД установки более чем на 50 %;

возможность получения высоких удельных мощностей на единицу объема (до 500 МВт/м³ и более) в единичном блоке;

снижение массогабаритных показателей установки и повышение удельной массовой мощности;

уменьшение температуры газа, выходящего в окружающую среду;

усовершенствование существующих тепловых энергетических установок на базе ПТУ.

Рис. 13.1. Принципиальная схема установки и цикла

Трудности метода: проблема снижения потерь в рабочем процессе МГД-генератора и создание канала МГД-генератора с большим ресурсом работы; создание магнитной системы с индукцией В ≥ 4 Тл; обеспечение устойчивой ионизации рабочего тела; выбор высокотемпературных материалов канала.

Типы установок с МГД-генераторами

Установки с МГД-генераторами, так же как и с турбиной, могут работать по циклу Брайтона, по циклу Ренкина или по циклу Эриксона. Возможны два направления применения комбинированных установок с МГД-генераторами в энергетике. Установки открытого цикла, в которых рабочим телом являются продукты сгорания органических топлив (жидкого, твердого и газового) при температуре 2300 - 3500 К с добавкой легкоионизируемых присадок щелочных металлов, в основном калия. Установки замкнутого цикла, где в качестве рабочего тела применяются менее агрессивные и более совершенные с точки зрения ионизации инертные газы (гелий, аргон и неон при температуре 1800 - 2500 К) с присадкой цезия.

В зависимости от типа установки и используемого топлива достижение температуры рабочего тела, обеспечивающей необходимый уровень электрической проводимости, определяется следующими условиями:

температурой предварительного подогрева окислителя (воздуха), зависящей от типа теплообменника;

обогащением воздуха кислородом или сжиганием в чистом кислороде без предварительного подогрева, что устраняет проблемы создания высокотемпературного воздухонагревателя и существенно повышает стоимость установки.

При подогреве окислителя до установки с МГД-генератором имеют высокую экономичность, повышенную степень регенерации и высокий уровень КПД. При обогащении воздуха кислородом необходимо вспомогательное оборудование для получения кислорода из воздуха.

Применение угля в установках открытого и замкнутого циклов считается наиболее перспективным и может быть реализовано при прямом сжигании пылеугольной смеси или путем газификации угля. В этих случаях возможно использование низкосортных углей с высоким содержанием серы.

Необходимость поддержания в газе определенного уровня электрической проводимости σ приводит к тому, что увеличивается температура за МГД-генератором до и значительно возрастают потери с уходящей теплотой, а следовательно, снижается КПД цикла. Поэтому для повышения КПД установки необходимо использовать теплоту газов с большей эффективностью. Это может быть достигнуто двумя способами:

1) применением регенеративного цикла с подогревом воздуха до высоких температур перед поступлением его в камеру сгорания (рис. 1, а), регенеративного цикла с подогревом воздуха до умеренных температур (рис. 1, б) или цикла без регенерации при обогащении окислителя кислородом с последующей утилизацией теплоты уходящих газов в дополнительной установке, например в ПТУ;

2) применением цикла с термохимической регенерацией топлива (рис. 1, в)

Рис. 1 Схемы комбинированных установок с МГД-генератором:

а - с регенерацией теплоты и приводом компрессора от электродвигателя;

б - с регенерацией теплоты и ПТУ; в - с термохимической регенерацией;

КПД комбинированной установки с утилизацией теплоты, например в ПТУ или ГТУ, зависит от КПД цикла с МГД-генератором и КПД утилизирующей установки. Зависимость КПД комбинированного цикла с МГД-генератором от и имеет вид

,

где – количество теплоты на выходе из МГД-генератора; – теплота, отведенная при охлаждении канала МГД-генератора, камеры сгорания и диффузора; – количество теплоты, полученной при сжигании топлива в камере сгорания.

Комбинированные установки с МГД-генератором можно подразделить по типу утилизации теплоты на три группы: с ПТУ; с ПТУ и ГТУ; с ГТУ.

28. Назначение, схемы и области применения компрессоров и турбин. Назначение лопаточных машин в ГТД различных типов. Требования, предъявляемые к лопаточным машинам. Схемы и основные данные компрессоров и турбин.

Лопаточной машиной называется устройство, в проточной части которого осуществляется подвод или отвод механической энергии к потоку рабочего тела, проходящего через машину. Это взаимодействие с протекающим потоком осуществляется системой вращающихся и неподвижных поверхностей специальной формы – лопастей или лопаток.

К числу лопаточных машин, подводящих энергию к газовому (жидкостному) потоку, относятся компрессоры, вентиляторы, воздушные винты; к числу лопаточных машин, отводящих энергию от потока – газовые, воздушные и гидравлические турбины.

Назначением лопаточных машин во всех схемах ГТД является: у компрессоров – повышение давления и подача воздуха в газовоздушный тракт двигателя; у турбины – в результате расширения газа получение механической энергии, расходуемой на вращение компрессоров, и различных агрегатов.

Требования, предъявляемые к лопаточным машинам

Основными требованиями к лопаточным машинам ГТД, обусловленными особенностями их использования, являются: габаритные размеры и масса, высокий коэффициент полезного действия (КПД), благоприятное протекание характеристик, надежность и живучесть, технологичность, мобильность создания и возможность модернизации.

Минимальные габаритные размеры и масса представляют собой естественное требование, предъявляемое к силовой установке, так как масса турбокомпрессорной части составляет 60-70 % массы двигателя. Не менее важным является получение минимальных габаритных размеров, так как они определяют также массу установки, узлов крепления двигателя.

Уменьшение габаритных размеров и массы лопаточных машин при сохранении необходимых характеристик достигается в результате увеличения скоростей рабочего тела по тракту машины и увеличения энергии, подводимой (отводимой) к рабочему телу в каждой ступени.

Высокий КПД лопаточных машин непосредственно обеспечивает получение высоких показателей эффективности двигателя – низкого удельного расхода топлива, а следовательно, снижение стоимости эффективной мощности.

Схемы и основные данные компрессоров и турбин

Используется классификация лопаточных машин по ряду основополагающих признаков – направление потока (точнее его расходной составляющей) в проточной части машины и различают:

а) осевые машины (компрессоры и турбины);

б) радиальные (центробежные и центростремительные);

в) диагональные;

г) комбинированные.

В осевых машинах направление скорости потока в меридиональной плоскости машины близко к параллельному оси машины. В настоящее время осевые вентиляторы, компрессоры и турбины являются основным типом лопаточных машин, используемых в ГТД.

В радиальных машинах поток направлен в основном по радиусу. В практике нашли применение центробежные компрессоры и центростремительные турбины.

В диагональных компрессорах направление потока на основном участке подвода энергии среднее между осевым и радиальным, хотя имеются участки и чисто осевого течения.

Комбинированные: осецентробежные и диагонально-осевые компрессоры, представляющие собой последовательное соединение соответствующих машин.

Осевые компрессоры

Наибольшее распространение получили осевые вентиляторы – одноступенчатые, двух- или трехступенчатые и реже четырех- или пятиступенчатые, и осевые компрессоры с числом ступеней от 3-5 до 15-17. Ступенью осевого многоступенчатого компрессора называется совокупность рабочего колеса (РК) и установленного за ним направляющего аппарата (НА), лопатки которых вместе с ограничивающими поверхностями образуют проточную часть ступени.

Основным достоинством осевых компрессоров является удобство создания многоступенчатой конструкции из последовательно расположенных осевых ступеней. Другим важным достоинством осевых компрессоров является их высокая лобовая производительность. К числу недостатков осевых компрессоров относятся: сравнительно узкий диапазон рабочих режимов (режимов устойчивой работы), большое число деталей и, в частности, лопаток (несколько сотен), что усложняет их производство и увеличивает стоимость, чувствительность к условиям эксплуатации (попадание пыли и других предметов в проточную часть, увеличение зазоров и как следствие снижение КПД и др.)

Центробежные и комбинированные компрессоры

Схемы центробежных компрессоров показаны на рис. У компрессора с односторонним осевым входом воздух поступает на РК через неподвижный НА осевого типа.

К числу достоинств центробежных компрессоров относятся сравниетльно высокие степени повышения давления в одной ступени (5...6 при u_к=450...500 м/с), относительная простота конструкции, определяемая существенно меньшим числом деталей, более благоприятная характеристика и меньшая чувствительность к условиям эксплуатации, чем у осевых.

Недостатком центробежных компрессоров является пониженная лобовая производительность.

Рис. 1.3. Схемы и основные элементы центробежных компрессоров:

а – с односторонним; б – с двухсторонним входом; 1, 2 – неподвижный и вращающийся НА; 3 – рабочее колесо; 4, 5 – безлопаточный (щелевой) и лопаточный диффузоры; 6 – выходное устройство (сборная улитка)

Осевые турбины

ступень осевой турбины состоит из неподвижного НА (обычно называемого сопловым аппаратом) и вращающего РК. Лопатки СА и РК образуют проточную часть ступени турбины, в которой газ, расширяясь, передает значительную часть своей энергии лопаткам рабочего колеса и далее на вал турбины.

Степень понижения давления в одной ступени турбины достигает *_т=2,8...3,2, что при начальной температуре на входе =1600...1650 К позволяет получить в одной ступени турбины удельную работу, равную L_т=400...500 кДж/кг. Для получения такой работы с высоким КПД требуется, чтобы окружная скорость рабочих лопаток турбины достигала значений u_т=500 м/с и более. Поэтому рабочие лопатки турбины является самым нагруженным элементом двигателя. В современных высокотемпературных ГТД требуемая работоспособность деталей и узлов турбины обеспечивается интенсивным охлаждением, чаще всего воздухом, отбираемым за последней ступенью компрессора.

У авиационных ГТД сложных схем используются многоступенчатые многовальные турбины, причем даже на одном валу, число ступеней может быть больше одной. Удобство создания многоступенчатой конструкции является основным достоинством осевой турбины, что в сочетании с высоким КПД (у неохлаждаемой турбины до 0,94, у охлаждаемой 0,87-0,89), сделало ее основным типом турбин в современных авиационных ГТД.

Радиальные турбины

При небольших расходах рабочего тела, т. е. в маломощных двигателях эти турбины могут оказаться целесообразными, как конструктивно более простые, технологичные (особенно с «активными» колесами) и более неприхотливые в эксплуатации. В ступени радиальной центростремительной турбины может быть сработан с высокой эффективностью теплоперепад больший, чем в ступени осевой. Радиальные турбины практически все центростремительные (как радиальные компрессоры – все центробежные)