в. с. соколов

Газотурбинные

установки

f, Одобрено Ученым советом Государственного комитета СССР по профессионально-техническому образованию в качестве учебного пособия для средних Г профессионально-технических училищ

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1986

ББК 31.373

С59 УДК 621.438

Рецензенты: д-р техн. наук Л. П. Сафонов (Научно-производственное объединение «Центральный котельный теплотехнический институт им. И. И. Ползунова»); канд. техн. наук А. Г. Левачев , (Московский энергетический институт)

Соколов В. С.

С59 Газотурбинные установки: Учеб. пособие для сред. ПТУ. — М.: Высш. шк., 1986. — 151 с: ил.

В книге приведены основы энергетической газотурбинной техники и энерготехнологии, описаны принципы действия в конструкции газовых турбин, компрессоров, камер сгорания в вспомогательного оборудования газотурбинных установок. Под­робно рассмотрены обслуживание и эксплуатация газотурбинных установок при нор­мальных режимах работы, а также при возникновении неполадок и аварийных си­туаций.

2303030000—463

С ------------36—86

052(01)—86

ББК 31.373 6П2.23

Предисловие

В настоящее время в энергетике, а также других отраслях на­родного хозяйства наряду с паротурбинными установками и двигателями внутреннего сгорания все шире используются газотурбинные установки (ГТУ). Совершенствование конструкций ГТУ, повышение их эксплуатационных параметров и надежности явля­ются важнейшими задачами, которые предстоит решить на пути интенсификации научно-технического прогресса в нашей стране.

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года говорит­ся о необходимости эффективного развития топливно-энергетиче­ского комплекса и реализации Энергетической программы СССР. При этом намечается увеличить добычу газа в 1,6—1,8 раза.

Увеличение добычи газа приведет к новому расширению сети магистральных газопроводов, возрастет потребность в газопере­качивающих агрегатах, одним из основных приводов которых яв­ляются ГТУ.

Решение проблемы удовлетворения потребностей народного хозяйства в энергии предъявляет высокие требования к подготовке обслуживающего персонала для энергетических объектов, в том числе и для таких, на которых применяются ГТУ.

Надежная и экономичная работа ГТУ прежде всего зависит от дисциплинированности и грамотности обслуживающего персона­ла. Машинист газотурбинной установки должен не только знать принцип ее действия и правила технической эксплуатации (ПТЭ), но и понимать сущность протекающих в отдельных элементах физических процессов, ясно представлять, к каким изменениям режима работы приведут отклонения тех или иных физических, параметров.

• Назначение настоящей книги — помочь рабочим овладеть необходимым комплексом знаний.

Автор

Издательство «Высшая школа», 1986

Введение

Принцип действия ГТУ был известен уже в XVIII в., а первый газотурбинный двигатель был построен в России инженером П. Д. Кузьминским в 1897—1900 гг. и тогда же прошел предварительные испытания. Полезная мощность от ГТУ была впервые получена в 1906 г.на установке французских инженеров Арменго и'Лемаля.

На первых этапах развития. ГТУ в них для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изме­нялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в тур­бину. В такой камере сгорания температура и давление не посто­янны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.

Со временем выявились несомненные преимущества камер сго­рания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.

Первые ГТУ имели -низкий кпд, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих -агрегатов увеличивался кпд газотурбинных установок и "они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей.

В настоящее время газотурбинные установки являются основ­ным видом двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагруз­ку, большой мощностью при малой массе, возможностью полной автоматизации управления. Самолет с газотурбинным двигателем впервые совершил полет в 1941 г.

В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя кпд ГТУ ниже кпд паротурбинных установок (при мощности 20—100 МВт кпд ГТУ достигает 20—30%), исполь­зование их в пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо меньше времени.

В некоторых пиковых ГТУ в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиа­ционные турбореактивные двигатели, отслужившие свой срок в авиации Значительной экономии следует ожидать от парогазовых установок (ПГУ), в которых совместно работают паротурбинные ■ газотурбинные установки. Они позволяют на несколько процен­тов сократить расход топлива по сравнению с лучшими паротур­бинными установками.

Наряду с паротурбинными установками и двигателями внут­реннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях.

В доменном производстве энергия уходящих газов используется в газовых турбинах, предназначенных для привода воздушных компрессоров, подающих воздух в рабочее пространство домен.

В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин.

Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транс­порте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воз­душной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в 'основной двигатель внутреннего сгорания и работаю­щего на его выхлопных газах.

Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов.

Основное Направление, по которому развивается газотурбиностроение, это повышение экономичности ГТУ за счет .увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой Целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы — жаропрочные на основе никеля, керамика и др.

Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуа­тации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разру­шение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.

Глава первая

Основные элементы газотурбинных установок

§ 1. Общие сведения о газотурбинных установках

Газотурбинная 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 компрессора

Газовая 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 рабочие

лопатки 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*' ^<Г^сопло»"е н рабочие

a

Поступает 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.