Осьові компресори

О птимальний ступінь підвищення тиску повітря в сучасних стаціонарних ГТУ лежить в межах 5-12 . Таким умовам процесів стиснення задовільняють багатоступінчасті осьові компресори, які і застосовуються в переважній більшості конструкцій ГТУ. На рисунку 6 приведена схема дванадцятиступінчастого осьового компресора. Після очищення у фільтрі зовнішнє повітря надходить у вхідний патрубок 2, звідки, починаючи з першого ступеня 3, послідовно стискається в наступних ступенях і виходить з компресора через патрубок 9. Ротор компресора 4 циліндричний барабанного типу. У пазах корпуса компресора 1 закріпляються направляючі лопатки 5 , у канавках ротора робочі лопатки. За останнім ступенем розташований випрамляючий апарат, лопатки якого 6 забезпечують осьове направлення потоку робочого тіла . Оскільки тиск повітря зростає від ступеня до ступеня,

Рис.6. Загальний вид осьового компресору ГТУ.1 – корпус ( статор компресору); 2- вхідний патрубок ; 3 – вхідний направляючий апарат; 4- ротор компресору з робочими лопатками ; 5 – спрямляючи нерухомі лопатки ( дифузорні); 6 – лопатки випрямляючого апарату; 7-,8- вихідний дифузор ; 9 – вихідний патрубок

висота лопаток зменшується вздовж проточної частини. З метою забезпечення більш високих ККД ступеня робочі і направляючі лопатки осьових компресорів виготовляються закрученими

Теплоперепади між робочими і направляючими лопатками розподіляються згідно з прийнятим ступенем реактивності. Матеріалом лопаток зазвичай є нержавіюча сталь. На виході з проточної частини повітря спочатку проходить дифузор 8 і далі через вихідний патрубок 9.

П ринципова газодинамічна схема роботи осьового компресора показана на рисунку 7.

Рис.7.Принципова схема роботи осьового компресора. а- ступінь компресора ; б – трикутник швидкостей

Зовнішнє повітря надходить у проточну частину з абсолютною швидкістю с₀. У вхідному направляючому апараті повітря закручується в сторону обертання.Ротор обертається з коловою швидкістю u на середній лінії лопаток 1 і забезпечує таким чином ось абсолютну швидкість с₀. Відносна швидкість w₁ на вході в канали робочих лопаток визначається з трикутника швидкостей як функція швидкостей с₀ і u . У діючих компресорах колові швидкості дорівнюють 200-250 м/с. На виході з каналів робочих лопаток завдяки різного роду втрат відносна швидкість робочого тіла зменшиться , тобто w₂ < w₁. Додавання векторів швидкостей w₂ i u дає результатом величину і направлення вектора абсолютної швидкості повітря с₁. У напрямному апараті 2 , який являє собою сукупність каналів що розширюються , абсолютна швидкість повітря знижується до с₂ ( с₂с₀), а тиск збільшується . Тобто в напрямному апараті відбувається перетворення кінетичної єнергії потоку в потенціальну. Подібні процеси повторюються і в наступних ступенях компресора.

Приклад залежності між зведеною масовою витратою повітря М_зв в т/год і ступенем підвищення тиску (відношення тиску на нагнітанні Рнаг до тиску на всмоктуванні Рвс) осьового компресора при різних зведених обертах приведений на рисунку 5.6. Подібну залежність будують на базі експериментальних вимірів на реальному компресорі. Поряд із вказаними вище залежностями на графіку приведені границі відносного внутрішнього ККД компресора _ік . Штриховими лініями на графіку показані границя пом пажа ( ліворуч) і лінія робочих режимів ( в середній частині графіка ).

Рисунок 8 Універсальна характеристика осьового компресору

Камери згорання

Камери згорання ГТУ призначені для повного згорання паливного газу в потоці повітря, що надходить із осьового компресора або з регенератора ( при наявності останнього ). Суміш продуктів згорання і надлишкового повітря з темпера- турою, що залежить від жароміцності лопаток і дисків газової турбіни, надходить у канали лопаткового апарату турбіни.

Камери згорання повинні задовольняти таким вимогам :

- забезпечення повноти згорання палива;

- надійність і плавність запуску в роботу;

- стійкість горіння при можливих змінах тисків, швид-костей потоку повітря, співвідношення суміші “ повітря – па- ливний газ “;

- відсутність значних пульсацій тиску в процесі горіння;

- невеликі втрати тиску в проточній частині камери згорання;

- рівномірне поле температур по перерізу камери;

- надійність і безпечність конструкції камери;

- низька вартість конструкції камери.

П ринципова схема конструкції виносної камери згорання подається на рисунку 9

Рисунок 9. Схема камери згорання

Основним несучим елементом камери є корпус 1, що сприймає внутрішній тиск . Нанесена на корпус зовнішня жа- ростійка теплова ізоляція забезпечує відносно низьку тем-пературу зовнішньої поверхні камери згорання , що не пере- вищує 45-50⁰С. У середині корпусу камери знаходиться жаро- ва труба 2, що поділяє повітря, що надходить у камеру, на два потоки. Перший потік ( так зване первинне повітря ) надходить в центральній частині камери в зону горіння і забезпечує киснем реакцію окислення складових паливного газу, другий потік ( більша частина повітря, що надходить в камеру згоран-ня, це так зване вторинне повітря ) проходить між корпусом і жаровою трубою, захищаючи корпус від високої температури. Первинне повітря проходить крізь фронтовий пристрій, що розташований на вході в жарову трубу. У центральній частині фронтового пристрою розташовані один або декілька газових пальників. Фронтовий пристрій у найпростішому випадку являє собою завихрювач ( регістр ) з плоскими радіально фік- сованими лопатками, що забезпечують колову закрутку пер- винного повітря. Основне призначення завихрювачів - створення стійкої зони зворотних токів для запалювання газоповітряної суміші, що створюється на виході з фронтового пристрою. Деякі конструкції камер згорання забезпечують можливість спалювання як газоподібного , так і рідкого палива. У процесі горіння паливного газу температура факела досягає 1500 – 1600^оС. При більш високих температурах горіння створюються токсичні оксиди азоту, які шкідливо впливають на екологію оточуючого середовища.

Вторинне повітря, що проходить між корпусом камери згорання і жаровою трубою, частково виходить крізь щілини і отвори жарової труби, створюючи таким чином свого роду “захисну сорочку” на внутрішній поверхні жарової труби. На виході з кільцевого простору розташований змішувач 4, в якому вторинне повітря розбавляє продукти згорання, пони- жуючи їх температуру до допустимої величини Т₃ .

Робочий процес у камерах згорання досить складний і це в першу чергу відноситься до організації процесу спалювання газу. Останній суттєво залежить від якості перемішування його з повітрям. Для стабільності фронту горіння в жаровій трубі необхідно щоб швидкість потоку газоповітряної суміші дорівнювала нормальній швидкості горіння. У випадку, коли швидкість подачі газоповітряної суміші перевищує швидкість горіння, фронт горіння зміщується у бік змішувачів і відбувається відрив полум’я. У протилежному випадку фронт горіння зміщується у бік пальників і відбувається проскакування полум’я .

Ш видкість горіння залежить від температури газоповітряної суміші . Зокрема із зростанням температури швидкість горіння суттєво зростає , а це вимагає для підтримки стабільності факела збільшення подачі газоповітряної суміші . Це треба враховувати у випадках , коли передбачається підігрівання паливного газу або повітря без конструктивних змін камер згорання.

Рисунок 10.- Камера згорання ГТУ ГТК-10

1–пальці підвіски; 2–пальни-ки; 3–завихрювачі; 4–жарова труба ; 5 - корпус; 6–газо- збірник; 7-направляючі шпонки; 8–опорні лапи; 9 – патрубки для підведення повітря

Значні витрати паливного газу в сучасних ГТУ великої потужності для підтримання достатньо високих ККД камер згорання вимагають застосування кількох пальників, що сприяє більш повному використанню тепла, що продукується при повному згоранні паливного газу. ККД камери згорання прийнято визначати як відношення кількості теплоти, що передається робочому тілу до кількості теплоти, що дорівнює теплоті згорання паливного газу.

У стаціонарних приводних ГТУ застосовують в основному камери згорання двох типів – виносні і вбудовані. Перші, як правило, застосовуються в ГТУ з регенеративним підігрівом циклового повітря.

Прикладом може бути виносна камера згорання ГТУ ГТК-10 (рисунок 10).Ця камера має сім основних регістрів з пальниками і лопатковими завихрювачами, а також додатковий периферійний завихрювач. Жарова труба , що зварена з листа, складається з чашоподібної і циліндричної обичаєк і фіксується радіальними пальцями. У камері застосований змішувач вихрового типу . Первинне повітря надходить в камеру крізь регістрові завихрювачі , вторинне – крізь два бокових вікна трапецієвидної форми , що створюють потужні зустрічні потоки повітря. Жарова труба охолоджується повітрям , що надходить крізь периферійний завихрювач і щілину на стику обичаєк.

Прикладом вбудованої камери згорання є прямоточна секційна трубчасто-кільцева камера згорання газотурбінної установки ГПА-10 (рисунок 11) Камера складається з десяти секцій, має лопаткові завихрювачі, двостінні фронтові пристрої. Жарова труба складається з обичаєк , що з’єднані телескопічно за допомогою точечної зварки. Ряди отворів в обичайках забезпечують створення плівки охолоджуючого повітря на внутрішніх стінках жарових труб. Камера згорання має два запальника . Секції об’єднані між собою полум’яперекид- ними патрубками. Первинне повітря надходить крізь щілини у фронтовому пристрої і ряд круглих вікон , вторинне – крізь два ряди вікон у середній частині жарової труби. Корпус камери згорання має горизонтальне рознімання.

Об’єм активної частини камер згорання ( об’єм жарової труби ) визначають за величиною теплонапруженості ( для камер згорання стаціонарних ГТУ )

, ( 1 )

де М_пал - секундна масова витрата паливного газу ; _кз - ККД. камери згорання ; - нижча теплотворність паливного газу, кдж/кг ; Р_пов – тиск повітря, що надходить у камеру згорання, МПа ; v_жт – об’єм жарової труби , м³ ; z – кількість секцій камери згорання.

Рисунок 11.- Трубчасто-кільцева камера згорання ГТУ ГПА-1

Допустима теплонапруженість для стаціонарних ГТУ досягає 60 – 70 Мвт/м³МПа. Виходячи з цього, внутрішній об’єм камери можна визначити залежністю

. (.2)

П ри використанні газоподібного палива співвідноше- ння між довжиною L і діаметром жарової труби D_жт приймають у межах 2 – 2.5 . Довжина ділянки жарової труби , на якій підводиться вторинне повітря , дорівнює 60- 80 % від її загальної довжини . Площі прохідних перерізів камери згорання визначають за умови , щоб втрати тиску не перевищували 2-3 % від тиску повітря Р_пов в камері.

Рис.12. Принципова схема ТГУ з регенерацією теплоти

Регенерація теплоти може суттьєво підвищити енергетичні показники ГТУ, так як при цьому теплота газового потоку після його розширення у турбіні використовується для попереднього підігріву повітря стиснутого у турбокомпресорі. Такий процес обумовлює зниження витрати палива на виробництво енергії. Слід відзначити , що при цьому значно зростають габарити та маса установки і тому такі системи можуть використовуватись тільки у стаціонарних умовах.

Контрольні питання .

1.Визначити поняття “ тепловий двигун”.

2.Можливий склад робочого тіла в теплових двигунах.

3.Які перетворення енергії робочого тіла відбуваються в турбінах ?

4.Назвіть основні типи теплових двигунів.

5.Які переваги мають ГТУ в порівнянні з поршневими двигунами ?

9.Охарактеризуйте основні етепи робочого процесу ГТУ.

6.Намалюйте і поясніть цикл ГТУ в T-S координатах.

7.Як визначають відносний внутрішній ККД турбіни ?

8.Які втрати враховує внутрішній ККД ГТУ ?

9.Як визначити оптимальне значення ступеня підвищення тиску осьового компресора ?

10.Як визначити наявний тепловий перепад газової турбіни ?

11.В чому полягає принцип регенерації тепла в ГТУ ?

12.Що таке ступінь регенерації ? Як він визначається ?

13. Назвіть основні параметри профілю соплових і робочих лопаток .

14. Охарактеризуйте робочий процес у турбінному ступені реактивної турбіни.

15. Що таке ступінь реактивності ?

16.Поясніть процеси перетворення енергії при стисненні повітря в осьовому компресорі,

17.Поясніть призначення напрямного апарату осьового компресора .

18.Назвіть основні елементи конструкцій камер згорання ГТУ.

19.Чому в сучасних ГТУ не застосовується регенерація тепла ?

Література

1.Поршаков Б.П. Газотурбинные установки. М.: Недра, 1992.-238 с.

2.Поршаков Б.П. Газотурбинные установки для транспорта газа и бурения скважин. М.: Недра, 1982.- 182 с.

3.Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки. М.: Высшая школа, 1979.-254 с.

4.Шнеэ Я.И., Капинос В.М., Котляр И.В. Газовые турбины. Киев :Вища школа, 1976.-296 5.Трубилов М.А. и др. Паровые и газовые турбины. М.: Энергоатомиздат, 1985.- 352 с.

6.Ревзин Б.С. , Ларионов И.Д . Газотурбинные установки с нагнетателями для транспорта газа . М. : Недра , 1991.- 303 с.

7.Седых З.С. Эксплуатация газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. М.: Недра , 1990.- 203 с.

8.Шабашов С.З. , Файнштейн А.А. Регулирование газотурбинных агрегатов . Ленинград , Недра , 1978.- 200 с.

9. Швець І.Т. та ін. Теплотехніка . К.: Вища школа,1969.-588 с.