3.3.3. Камера згорання гту

У камері згорання (КЗ) спалюється паливо. Рідке паливо розпилюється че-

рез форсунки, а газоподібне – через пальники. Камери згорання є циліндрични-

ми, секційними, кільцевими і кутовими. Основними елементами КЗ є кожух і

жарова труба. Для підтримування у КЗ стійкого режиму горіння до неї подаєть-

ся лише частина повітря, стиснутого в компресорі (так зване первинне повітря).

Решту 70-85% стиснутого повітря (вторинне повітря) надходить у зазор між

кожухом і жаровою трубою і далі через отвори у жаровій трубі подається у зону

змішування з продуктами згорання. Це вторинне повітря знижує температуру

газів перед лопатками турбіни, охолоджує жарову трубу і зменшує втрати у на-

вколишнє середовище. Для кращого сумішоутворення і стабілізації полум'я у

КЗ встановлюють завихрувачі (регістри).

3.3.4. Турбіна гту

Основними елементами газової турбіни є сопловий і робочий апарат, які

утворюють ступінь турбіни. У каналах соплового апарату продукти згорання

розширюються, а їх швидкість зростає до 400 м/с. У робочому апараті кінетич-

на енергія гарячих газів перетворюється в роботу. Якщо гази у робочому апара-

ті не розширюються, тобто їх тиск залишається майже незмінним, то така сту-

пінь турбіни називається активною. Якщо ж гази розширюються як у соплово-

му, так і в робочому апараті, то така ступінь турбіни називається реактивною.

Кінетичну енергію гарячих газів (потенційну роботу) не можна повністю

перетворити в корисну роботу через втрати на тертя газу об лопатки і диск ко-

леса турбіни, вихроутворення, втрати газу через радіальні зазори та через порі-

вняно високу швидкість виходу газу зі ступені. Втрати з вихідною швидкістю є

найвагомішими серед усіх внутрішніх втрат у ступені турбіни. Їх зменшують

шляхом встановлення оптимального відношення кутової швидкості лопаток до

швидкості виходу газу із соплового апарату. У активних ступенях вона стано-

вить 0,5, а у реактивних – 1. Реактивні ступені мають вищий ККД, ніж активні.

Значення кутової швидкості лопаток обмежене їх міцністю, оскільки зі зрос-

танням частоти обертання ротора турбіни n збільшується відцентрова сила, яка

27

діє на лопатку. Наприклад, при n = 800 хв–1 відцентрова сила перевищує 50 кН

(5∙103 кгс).

Для зменшення втрат з вихідною швидкістю і збільшення ККД турбіну ро-

блять багатоступеневою. Тоді кінетична енергія газів, яка не використана у по-

передній ступені, перетворюється у роботу в наступній. ККД багатоступеневої

турбіни вищий, ніж одноступеневої.

Повітря у компресорі ГТУ стискається за рахунок частини роботи розши-

рення газів у турбіні. Робота стиску становить 60-70% від усієї роботи розши-

рення. В одновальних ГТУ компресор і турбіна розташовані на спільному валу,

з якого знімається корисна потужність. ГТУ з багатоступеневими газовими ту-

рбінами виготовляють дво- і тривальними. Це дозволяє ефективніше викорис-

товувати тягу газової турбіни. У двовальній ГТУ одна чи дві ступені високого

тиску, які з’єднані валом з компресором, називаються компресорною турбіною.

Ступені низького тиску, які знаходяться на валу, що з'єднаний зі споживачем,

називаються тяговою турбіною.

Конструктивно газова турбіна проста. Вона складається з циліндричного

корпусу, ротора, ущільнень валів і опорних підшипників. Наприклад, рідкопа-

ливний авіаційний газотурбінний двигун АІ-20 має одновальну триступеневу

турбіну, десятиступеневий осьовий компресор і кільцеву камеру згорання.

Оскільки лопатки турбіни неперервно обдуваються гарячими газами, то їх

необхідно постійно охолоджувати. Існує декілька способів зниження темпера-

тури лопаток:

1) охолодження повітрям, яке подається у внутрішні порожнини лопаток;

2) охолодження за рахунок обдування повітрям диску ротора. Корпус турбіни

охолоджується вторинним повітрям, або теплоізолюється з внутрішнього

боку.

3.4. Послідовність виконання лабораторної роботи

1. За макетом, демонстраційним стендом і схемами вивчити будову і принцип

дії газотурбінної установки.

2. Оволодіти методикою розрахунків основних робочих параметрів ГТУ.

3. Одержати допуск до виконання лабораторної роботи.

4. Виконати розрахункову частину лабораторної роботи.

5. Оформити та захистити звіт лабораторної роботи.

6. Прибрати робоче місце.

3.5. Розрахункова частина лабораторної роботи

Задача 1. Початкові параметри газу перед соплами газової турбіни з ура-

хуванням початкової швидкості: тиск Р1, температура Т. Тиск газу за ступінню

Р2. Частота обертання ротора n. Втрата газу M. Визначити роботу газу на лопа-

тках, діаметр робочого колеса і швидкість газу на вході та виході з колеса. Кое-

фіцієнти швидкості для сопла φ, для лопаток ψ, відношення кутової швидкості

лопаток до абсолютної швидкості газу на вході u/c1, кут нахилу сопла 1, вихід-

ний кут лопаток на 10 менший від вхідного. Степінь реактивності ступеня ρ.

28

Робочий газ має властивості повітря. Вихідні дані наведено у табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Остан. цифра

1234567890

зал. книжки

Тиск Р1, МПа0,40,410,420,430,440,450,460,470,480,49

Тиск Р2, МПа0,20,210,220,230,240,250,260,270,280,29

Температура

1050 1055 1060 1065 1070 1075 1080 1085 1090 1095

Т, К

Передост.

цифразал.1234567890

книжки

Частота обе-

ртання рото- 10000 10500 11000 11500 12000 12500 13000 13500 14000 14500

ра n, об/хв

Втрата газу

10121416182022242628

M, кг/с

Коефіцієнт

швидкості0,890,900,910,920,930,940,950,960,970,98

для сопла, φ

Коефіцієнт

швидкості

0,880,890,900,910,920,930,940,950,960,97

для лопаток,

ψ

Відношення

0,410,420,430,440,450,460,470,480,490,5

u/c1

Кут нахилу

18192021222324252627

сопла, 1

Степінь реа-

ктивності0,30,310,320,330,340,350,360,370,380,39

ступеня, ρ

Приклад розрахунку

Перепад теплоти

k 11, 4 1

 p2  k k1,4 2,6  1, 4 

ht RT0 1    172,4 кДж/кг. p    1,4  1  287  10731   4,8 

  0k 1





Швидкість витікання газу із сопла з урахуванням коефіцієнта швидкості та

степеня реактивності ступеня

c1   44,8 1   ht  0,96  4,8  1  0,35  172,4  455 м/с.

За співвідношенням швидкостей для ступені визначаємо кутову швидкість

лопаток

u/c1 = 0,49; u=0,49 с1=0,49∙455=223 м/с.

Для заданої частоти обертання валу знаходимо середній діаметр лопатко-

вого кола

dn60u60  223

u; d 0,355 м.

60n 3,14  12000

29

Відносна швидкість входу газу на лопатки

 1  c12  u 2  2uc1 cos  1 .

Якщо кут сопла α1 = 22; то cos α1=0,927, тоді

 1  455 2  223 2  2  455  223  0,927  262 м/с.

Відносна швидкість на виході з лопаток

   262 

 1    44,8 ht   1   0,95  44,8 0,35  172,4    414 м/с.

 44,8  44,8 

Кут вхідної кромки лопатки 1, тобто кут входу газу на лопатки, можна ви-

значити побудовою трикутника швидкостей для входу, але можна визначати і

розрахунком за співвідношенням, яке випливає з рис. 3.3:

2

2

Рис. 3.3.

tg1 

де

c

1z

,

c1u  u

с1z = с1sinα1 = 455∙sin22= 455∙0,375 = 171 м/с;

с1u = с1соsα1 = 455∙cos22= 455∙0,927 = 422 м/с.

Тоді

171

 0,86 ; 1 = 41.

422  223

За умовою 2 = 1 – 10 = 31,

tg 1 

тоді

sin

2 = 0,515 і cos2 = 0,857.

Визначаємо складові абсолютної вихідної швидкості:

с2 = 2sin2 = 414∙0,515 = 213,5 м/с;

2z = 2cos2 = – 414∙0,857 = – 355 м/с;

с2u = 2u + u = – 355+223= – 132 м/с.

При цьому абсолютна швидкість виходу газу з лопаток:

22

c2  c2u  c2 z   132   213,5 2  250 м/с.

Робота 1 кг газу на лопатках

22c12  c 2  2   12 455 2  250 2 414 2  262 2

lu  124 кДж/кг.

2222

2

30

3.6. Контрольні запитання

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

Які переваги ГТУ над ДВЗ?

Які недоліки ГТУ у порівнянні з ДВЗ?

З яких основних агрегатів складається ГТУ?

Як відбувається перетворення енергії у проточній частині компресора і тур-

біни ГТУ?

Які типи компресорів застосовують у ГТУ?

В чому принципова відмінність між осьовим і відцентровим компресорами?

Які переваги і недоліки відцентрових компресорів у порівнянні з осьовими?

Які види палива використовуються у ГТУ?

Як класифікуються камери згоряння ГТУ?

Яка роль первинного і вторинного повітря у камері згоряння?

Які типи турбін використовують у ГТУ?

Яке призначення сопла у турбіні?

Яка різниця між активною і реактивною ступенями турбіни?

Вкажіть способи охолодження лопаток і корпусу турбіни.

3 яких процесів складається цикл ГТУ?

Яке призначення дифузора у компресорі?

Що називається помпажем?

Як визначити потенційну роботу, втрати у турбіні та відносний внутрішній

ККД ступені турбіни?

Як визначити внутрішню та ефективну потужність турбіни?

3.7. Список літератури

1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. – М.: Высшая школа, 1980. – 420 с.

2. Теплотехника (под ред. Крутова). – М.: Машиностроение, 1986. – С. 178-

219.

3. Швець І.Т., Кіраковський М.Ф. Загальна теплотехніка та теплові двигуни. –

К.: Вища школа, 1977. – С. 161-188.

4. Швець І.Т., Толубінський В.І., Кіраковський М.Ф., Недужий І.О., Шелудь-

ко І.М. Теплотехніка. – К.: Вища школа, 1969. – 450 с.

3.8. Форма звіту лабораторної роботи

Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка

Інженерно-педагогічний факультет, група _______________

шифр групи

Виконав студент ________________________________________ _____________

прізвище, ім’я, по батькові

дата

Звіт повинен містити:

1) назву лабораторної роботи;

2) мету і завдання лабораторної роботи;

3) схему та опис принципу дії газотурбінної установки;

4) розрахункову частину;

5) висновки.

31

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4. ВИЗНАЧЕННЯ ХОЛОДИЛЬНОГО

КОЕФІЦІЄНТА ПОБУТОВОГО ХОЛОДИЛЬНИКА

Мета роботи: Ознайомитися з будовою, принципом дії, особливостями

експлуатації та контролю за робочим процесом холодильної машини, методи-

кою розрахунку її робочих характеристик.

4.1. Прилади та обладнання

1. Принципова схема побутового холодильника.

2. Діюча модель побутового холодильника.

3. Термометри (спиртові, мінусові) – 4 шт.

4.2. Знання та уміння

Після виконання лабораторної роботи студент повинен ЗНАТИ:

1) принципи дії холодильних установок;

2) термодинамічні цикли холодильних установок;

3) основні вузли та агрегати холодильних установок, їх призначення та фізи-

чні процеси, які в них відбуваються;

4) методику досліджень термодинамічних процесів у реальних газах.

ВМІТИ:

1) виконувати необхідні вимірювання;

2) визначати параметри холодоагенту;

3) розраховувати характеристики циклу холодильної установки;

4) оцінювати економічність холодильної установки.

4.3. Основні теоретичні відомості

4.3.1. Способи одержання холоду

Штучним охолодженням називається процес перенесення теплоти від тіла

з нижчою температурою до тіла з вищою температурою, для здійснення якого

виконується зовнішня робота. Для одержання штучного холоду використову-

ють будь-які фізичні процеси, які супроводжуються зменшенням внутрішньої

енергії тіла, наприклад, розширення рідин і газів у детандерах чи дроселях.

Найефективнішими є процеси, які відбуваються під час зміни агрегатного стану

речовини (кипіння, плавлення, сублімація). Також використовують інші ефек-

ти:

– ефект Пельт’є – явище охолодження спаю різнорідних напівпровідників

діркового та електронного типів при проходженні через нього струму

(Т = 150  300 К);

– ефект Еттінгсхаузена – явище охолодження надтекучої компоненти Не-П

при її проштовхуванні через тонкий капіляр (механокалоричний ефект у Не-

П) (Т = 150 К);

– одержання холоду при переході надпровідника у нормальний стан (Т =

= 518 К);

32

– одержання холоду при адіабатному намагнічуванні – розмагнічуванні пара-

магнетиків (Т = 0,02300 К).

Для одержання і підтри-

мування низьких температур

В

використовуютьхолодильніq0 + qзов

машини (рис. 4.1). Холод є кі-

нцевим результатом процесів,

qзовС

які у них відбуваються.

Нехай тіло А має темпера-

туру Т0, а тіло В (навколишнє

q0середовище) температуру Тн.с,А

причому Тн.с > Т0. С – робоче

Рис. 4.1. Принцип дії холодильної машинитіло, температура якого зміню-

ється при зміні тиску.

Зменшуючи тиск робочого тіла (шляхом розширення), знижуємо його тем-

пературу до значення, нижчого за Т0. Охолоджене робоче тіло C одержує від ті-

ла А теплоту q0. Витративши зовнішню енергію qзов (виконавши роботу), стис-

каємо робоче тіло до температури, вищої за Тн.с. Нагріте робоче тіло C віддає

q0 + qзов теплоти до навколишнього середовища B. Таким чином, здійснивши за

рахунок зовнішньої роботи цикл перетворень робочого тіла, передаємо тепло

від холоднішого тіла до теплішого.