книги из ГПНТБ / Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие

50 ООО и 100 ООО кВт. Все три ступени эжектора смонтированы в одном корпусе 16. Верхняя сварная коробка 7 всасывающих камер первой, второй и третьей ступеней прикрепляется болтами к корпусу эжектора. Нижняя коробка 22 водяных камер трех ступеней эжектора также привинчивается к его корпусу.

Корпус эжектора 16 разделен на три отсека внутренними перего­ родками 8, которые образуют трубные пучки по два в каждом холо­ дильнике. Трубные пучки холодильников состоят из U-образных ла­ тунных трубок 2, концы которых развальцованы в стальной трубной доске 17, зажатой между корпусом 16 и коробкой 22.

Трубные пучки каждого холодильника закреплены в каркасе меж­ ду переборками, продольными 8 и поперечными 15. Последние связа­ ны между собой и доской 17 с помощью распорных трубок 14 и стяж­ ных болтов 13. В центре каждого отсека размещаются трубы 1 и за­ крепляются в поперечных переборках 15. Внутри этих труб размещены диффузоры. Все переборки имеют специальные вырезы для прохода паровоздушной смеси.

Рабочий пар к соплам эжектора 10, 6 я 5 поступает через патру­ бок 27. Поступление его к соплам эжектора регулируется дроссель­ ным игольчатым клапаном. Через водяной патрубок 18 поступает конденсат для охлаждения и конденсации пара, подсасываемого вмес­ те с воздухом из конденсатора.

Паровоздушная смесь из конденсатора поступает к первой ступени эжектора через патрубок 12. После первой ступени эжектора паровоз­ душная смесь попадает в нижнюю часть центрального отсека первого промежуточного холодильника и по вырезам 21 в продольных перего­

эффективности конденсации пара в смеси предусмотрены вырезы в поперечных переборках, которые так расположены, что паровоздуш­ ная смесь проходит между трубками пучка с поворотами и имеет пере­ крестный поток. Пар из паровоздушной смеси интенсивно конденси­ руется, а остаток ее с небольшим содержанием пара через вырезы 11 и отверстие 9 направляется во всасывающую камеру второй ступени эжектора.

Последующий процесс сжатия паровоздушной смеси с одновремен­ ной конденсацией пара из нее во второй и третьей ступенях эжектора протекает аналогично процессу, рассмотренному в первой ступени. Воздух из третьей ступени эжектора через патрубок 3 может выбрасы­ ваться в атмосферу или в специальный прибор 4 для измерения коли­ чества отсасываемого воздуха.

Конденсат рабочего пара из парового пространства третьей ступени каскадно сливается в паровое пространство второй, а из последней — в паровое пространство первой ступени.

Из напорной линии конденсатных насосов охлаждающий конден­ сат поступает в водяную камеру 19, проходит через внутренние от­ верстия охлаждающих трубок и сливается в водяную камеру 20. Камеры 20 и 25 соединены обводным каналом, что обеспечивает одно-

151

временное поступление охлаждающего конденсата к трубкам второй и третьей ступеней. Из трубок второй и третьей ступеней конденсат сли­ вается в водяные камеры 23 и 26, которые также соединены обводным каналом. Из камеры 23 конденсат отводится через патрубок 24.

Расход пара на эжекторы обычно составляет 0,2-4-0,3% от расхода свежего пара на турбину для турбин мощностью 160 ООО кВт и выше; 0,4-^-0,5 о/0 д Л я турбин мощностью 50 000-М 00 000 кВт; 0,6н-0,8% для турбин небольшой мощности.

лиза работы конденсационной установки в эксплуатационных усло­ виях необходимо знание характеристик эжектора.

безотказность в работе способствовали широкому применению паро­ струйных эжекторов в турбоустановках среднего и высокого давле­ ний. Глубокое дросселирование и охлаждение пара котлов перед эжек­ торами, усложнение и удорожание схемы затрудняют применение па-

152

Раздел второй

ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ И ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

Глава 2-1.

СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

§ 2-1. Общие сведения

Газовой турбиной называется тепловой двигатель ротационного типа, в котором рабочим телом являются продукты сгорания топлива в смеси с воздухом, а также могут быть нагретые до высокой темпера­ туры воздух либо другие газообразные вещества, обладающие опреде­ ленными физическими свойствами.

Конструктивно и по принципу действия газовая турбина анало­ гична паровой. В ее проточной части также расширение рабочего тела (газа) сопровождается превращением тепловой энергии в кинетиче­ скую энергию газового потока, которая затем преобразуется в меха­ ническую работу вращения ротора газовой турбины.

Газотурбинные установки (ГТУ) имеют ряд существенных до­ стоинств по сравнению с паротурбинными: 1) значительно более ком­ пактны: вместо громоздкого и сложного парового котла топливо сжи­ гается в небольшой камере сгорания, расположенной вблизи газовой турбины; кроме того, в ГТУ нет конденсационной установки; 2) про­ ще по конструкции и в обслуживании; 3) менее емки в смысле затра­ ты металлов и других материалов при одинаковой мощности; 4) де­ шевле по стоимости; 5) почти не требуют воды для охлаждения.

ГТУ уступают паротурбинным установкам: 1) по мощности, как единичной (мощности в одном агрегате), так и всей установки в целом;

2) ГТУ менее долговечны в работе; 3) более требовательны к применяе­ мым сортам топлива. Так, проблема использования твердого топ­ лива в ГТУ до сих пор еще находится в стадии разработки, а примене­ ние тяжелых мазутов связано со значительным усложнением как кон­ струкции, так и эксплуатации установок.

Идея создания ГТУ возникла сравнительно давно, но из-за от­ сутствия необходимых по качеству сталей и низкого уровня производ­ ства изготовление газовых турбин практически стало возможным лишь в конце X I X в. Среди создателей первых образцов газовых турбин наиболее выдающуюся роль сыграли русские инженеры П. Д. Кузь­ минский и В. В. Караводин, а также немецкие инженеры Штольце и Хольцварт.

Однако, несмотря на постройку и испытание опытных образцов, газовые турбины еще долгое время не имели практического примене­ ния. И только лишь в последние 2—3 десятилетия благодаря резко возросшему уровню технического производства, успехам металлургии и развитию теории лопаточных машин были созданы газовые турби-

154

ны, обладающие сравнительно высокой экономичностью, а также на­ дежностью и долговечностью в работе. Большую роль в деле разви­ тия газовых турбин сыграло появление и распространение в авиации турбореактивных двигателей, которые произвели настоящую ре­ волюцию, увеличив скорость самолетов в несколько раз.

Значительный вклад в теорию и практику газовых турбин был сделан советскими учеными: академиком Б. С. Стечкиным, профессо­ рами Г. С. Жирицким, В. М. Маковским, Г. И. Зотиковым, В. В. Ува­ ровым, И. И. Кирилловым, Я- И. Шнеэ и др.

С каждым годом газовые турбины благодаря своим достоинствам получают сейчас все более широкое распространение в энергетике, различных отраслях промышленности и на транспорте. В ряде зару­ бежных стран и у нас в СССР имеются опытные газотурбовозы, ведутся работы по созданию автомобилей с газотурбинными двигателями. Все больше появляется морских и речных судов различного назначения, на которых в качестве силовой установки использованы ГТУ.

Дальнейшее развитие ГТУ заключается в повышении их экономич­ ности, надежности и долговечности, что прежде всего определяется прогрессом в области создания жаростойких материалов и разработ­ кой эффективных способов охлаждения проточной части газовых тур­ бин.

Большие перспективы в будущем имеют также атомные энергети­ ческие установки с газовыми турбинами и ядерными реакторами с га­ зовыми теплоносителями. Есть основания полагать, что они будут более экономичными, компактными и простыми по устройству, чем атомные установки, работающие по пароводяному циклу.

§ 2-2. Схемы и циклы простейших ГТУ

Схема простейшей ГТУ открытого типа со сгоранием при постоян­ ном давлении изображена на рис. 2-1. Компрессор / засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до заданного давления и подает в открытую камеру сгорания 4. Туда же с помощью топливного насоса 3 непрерывно впрыскивается через форсунку 5 топливо, которое сме­ шивается с воздухом и сгорает. Образовавшиеся газообразные продук­ ты сгорания направляются в газовую турбину 8. Здесь следует отме­ тить, что только 20-4-40 % подаваемого компрессором воздуха вво­ дится в активную зону горения 6 и участвует в процессе сгорания. Это так называемый первичный воздух. Остальные 60-4-80 % воздуха добавляются уже после активной зоны. Смешиваясь с продуктами сгорания, эта часть воздуха (вторичный, или охлаждающий, воздух) дает возможность выровнять и понизить температуру газов перед тур­ биной до заданной величины. Дело в том, что для обеспечения интен­ сивного и наиболее полного сгорания топлива температура в активной зоне камер сгорания обычно поддерживается на уровне 1800-4-2300 К, тогда как допускаемая в настоящее время по условиям надежности и долговечности лопаточного аппарата температура газа на входе в газовую турбину для ГТУ, рассчитанных на длительный срок служ­ бы, составляет примерно 900-4-1100 К-

155

В газовой турбине тепловая энергия газов преобразуется в механи­ ческую энергию вращения ее. Мощность, развиваемая турбиной 8, частично затрачивается на привод компрессора / и других вспомога­ тельных механизмов, а оставшаяся (избыточная) часть передается по­ требителю, например преобразуется в электрическую энергию в гене­ раторе 2.

4 5 6

Топливо

Воздух

Рис. 2-1. Принципиальная схема простейшей ГТУ с открытой камерой сгорания

Запуск ГТУ производится пусковым электродвигателем 7, а за­

со сгоранием при постоянном давлении. В отношении термодинамиче­ ского цикла приняты следующие основные допущения: 1) цикл замк­ нут; он осуществляется с постоянным количеством идеального газа, имеющего неизменный химический состав и постоянную теплоемкость; 2) все процессы в цикле являются обратимыми, так как они протека­ ют без тепловых и гидравлических потерь; 3) сжатие в компрессоре и расширение в турбине происходят адиабатно. Но так как потерь при этом, согласно п. 2, нет, то, следовательно, эти процессы проис­ ходят при постоянных значениях энтропии. Отсюда линия 3—4' изображает изоэнтропийное сжатие воздуха в компрессоре, сопровож­ дающееся повышением его давления и температуры от начальных зна­ чений р3 и Т 3 д о р 4 и Т 4 . В действительном же цикле сжатие сопро­ вождается внутренними потерями в компрессоре, которые сдвигают этот процесс в сторону увеличения энтропии (линия 3—4).

Тепло в камере сгорания подводится по изобаре 4—/, за счет чего температура возрастает от 7\ до 7Y Линия 1—2' изображает изоэнт­ ропийное расширение рабочего тела в турбине. В действительном

156

до Т2.

Отвод тепла в теплоприемник в термодинамическом цикле изобра­ жается изобарой 2'—3. В результате этого температура рабочего тела понижается до первоначального ее значения Т3 в цикле. В действи­ тельном цикле линия 2—3 выражает собой условный замыкающий процесс, соответствующий охлаждению газов при выходе их из тур­ бины в атмосферу.

При выводе зависимостей удельные теплоемкости обычно принима­ ются одинаковыми по величине для всех процессов цикла ГТУ.

Работа изоэнтропийного расширения 1 кг газа в турбине изобра­ жается на р—и-диаграмме площадью а—/—2'—Ъ и также может быть выражена через разность энтальпий в начале и в конце расширения:

157

где ii и i-2 — энтальпия газа соответственно в начале и конце расшире­

Для изоэнтропийного процесса, как это известно из термодинами­ ки, справедливы следующие соотношения:

Как это видно из (2-8), термический к. п. д. цикла ГТУ с p = const непрерывно возрастает с увеличением степени повышения давления р\ Но это справедливо только для термодинамического цикла, в котором не'учитываются внутренние потери и имеется лишь отвод тепла в теплоприемник. Выразим в действительном цикле работы сжатия воздуха в компрессоре и расширения газа в турбине так же, как и в термодина­ мическом цикле, через разность энтальпий:

Внутренние потери, возникающие при сжатии воздуха в компрес­ соре, учитываются внутренним к. п. д.

158

где / 0 к — работа изоэнтропийного сжатия 1 кг воздуха в термодинами­ ческом цикле, кДж/кг; / к — работа сжатия 1 кг воздуха в действи­ тельном цикле, кДж/кг.

Аналогичным образом внутренние потери в турбине учитываются относительным внутренним к. п. д.

где /т — работа расширения 1 кг газа в турбине в действительном цикле, кДж/кг; /0 т — работа изоэнтропийного расширения, кДж/кг. В соответствии с (2-11) и (2-12) можно выразить действительные рабо­ ты сжатия в компрессоре:

ГТУ, отнесенную к 1 кг всасываемого компрессором воздуха, как

ГТУ со сгоранием при постоянном объеме (рис. 2-3) отличается от ГТУ с р — const в основном устройством и принципом работы камеры сгорания 8, а от этого зависит и характер протекания самого цикла. Здесь камера сгорания закрытая. При работе на газе обычно она снаб­ жена тремя, а при работе на жидком топливе — двумя клапанами и свечой зажигания 7. Клапан 5 предназначен для впуска нагнетаемого компрессором / воздуха, а клапан 9 — для выпуска газов из камеры сгорания 8 в турбину 2. Клапан 6 служит для впуска газообразного топлива. Если установка работает на жидком топливе, то вместо кла­ пана 6 в камере сгорания устанавливается одна или несколько форсу-

159