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

секция имеет одну форсунку, впрыскивающую топливо по направ­ лению потока. Секционные камеры сгорания отличаются компакт­ ностью, обеспечивают высокую полноту сгорания топлива и устой­ чиво работают в различных эксплуатационных условиях. Недостат­ ком их являются сравнительно большие потери давления, достигаю­ щие 2,5-f-7,5%. Теплопроизводительность отдельной секции состав­ ляет в среднем (0,7 1,7)-103 кВт, а иногда достигает 3,5-103 кВт. Объемная теплонапряженность у камер этого типа бывает высокая — (100 -г- 160)-103 кВт/м3 .

Рис . 2 - 2 1 . Схема кольцевой камеры сгорания

В кольцевых камерах сгорания (рис. 2-21) зона горения / имеет форму кольцевой полости обычно шириной 150 -г- 200 мм, которая образуется двумя цилиндрами 1 и 2. Два других соосно расположен­ ных цилиндра 9 и 8 составляют кожух камеры. Подводимый воздух на входе в камеру разделяется на первичный и вторичный. Первич­ ный воздух через воздухоподводящее устройство 4 поступает в зону горения I , где сжигается топливо. Вторичный воздух направляется по кольцевым зазорам 6 и 7 к смесительным насадкам 5, а через них, поступает в зону смешения 77, где смешивается с продуктами сгора­ ния, понижая тем самым их температуру. В воздухоподводящем уст­ ройстве 4, на входе в зону горения I , по всей окружности расположе­ ны форсунки 3. За счет этого обеспечивается хорошее перемешивание топлива с воздухом и горение по всему кольцевому пространству. Чис­ ло форсунок может достигать 10—20 штук, но иногда это бывает одна вращающаяся форсунка.

Объемная теплонапряженность у кольцевых камер примерно та­ кая же, как и у секционных, а величина потери давления несколько больше (до 10%). Они имеют меньший рабочий объем и, кроме того, у них достигается более равномерное поле температур газа на выходе. Зато кольцевые камеры сложнее в изготовлении и доводке, трудно­ доступны для осмотра в ходе эксплуатации.

Трубчато-кольцевая камера сгорания представляет собой конст­ руктивное совмещение элементов секционной и кольцевой камер.

200

Также, как и у кольцевой камеры, кожух ее образуется наружным и внутренним соосно расположенными цилиндрами. А в кольцевом про­ странстве между этими цилиндрами размещается ряд отдельных пла­ менных труб, снабженных форсунками. Трубы соединяются друг с другом пламяпередающими патрубками, которые предназначены для передачи пламени, зажигания и выравнивания давления между тру­ бами. Трубчато-кольцевые камеры имеют теплонапряженность и по­ тери давления приблизительно такие же, как секционные камеры. Они компактны и более просты в доводке, нежели кольцевые камеры. Небольшие размеры пламенных труб упрощают их изготовление и разборку.

Рис. 2-22. Центробежная форсунка с перепуском топлива

Для работы на жидком топливе в камерах сгорания обычно приме­ няются центробежные форсунки (рис. 2-22). Они просты по конструк­ ции, надежны в работе и обеспечивают хорошее распыливание топли­ ва. К форсунке топливо подается насосом 5 под давлением не менее 10ч-15 бар. Поступает оно сначала в кольцевую полость 1, а затем через ряд тангенциально расположенных каналов 2 направляется в вихревую камеру 3, в которой приобретает вращательно-поступатель- ное движение. При выходе из форсунки топливо распыливается под действием центробежных сил.

В центробежных форсунках можно регулировать расход топлива за счет изменения его давления не более чем в 2-=-2,5 раза. Для обес­ печения более широкого диапазона регулирования применяются двухступенчатые форсунки и форсунки с перепуском топлива. У двухступенчатых (двухконтурных) форсунок на малых расходах работает лишь одна первая ступень. Для увеличения расхода топли­ ва в нужный момент к ней подключается вторая ступень, и тогда подача топлива уже производится через обе ступени. У форсунок с перепуском топлива вихревая камера 3 соединена с регулируемым

201

перепускным клапаном 4, который позволяет перепускать соответ­ ствующую часть топлива обратно в подводящий трубопровод или же в расходный бак 6 (см. рис. 2-22).

§ 2-13. Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты в ГТУ по своему назначению выполняют роль регенераторов (подогревателей), воздухоохладителей и масло­

ние как со стороны греющей, так и нагреваемой среды должно быть не выше допустимых пределов с точки зрения влияния на к.п.д. всей установки.

В ГТУ применяются теплообменники поверхностного типа, в ос­ новном рекуперативные, в которых греющая и нагреваемая среды полностью изолированы друг от друга, а теплообмен между ними осуществляется через разделяющую их стенку. И только вращающие­ ся регенераторы по принципу работы являются регенеративными теплообменниками, так как в них греющая и нагреваемая среды по­ очередно омывают одну и ту же поверхность теплообмена.

Рекуперативные теплообменники, применяемые в ГТУ, по кон­ структивному исполнению бывают трубчатыми и пластинчатыми. Как те, так и другие выполняются прямоточными (греющая и нагревае­ мая среды движутся параллельно друг другу и в одном направлении); противоточными (среды движутся навстречу друг другу); с пере­ крестным током (среды движутся в перекрестном направлении отно­ сительно друг друга).

Трубчатые теплообменники в ГТУ выполняются с шахматным и коридорным расположением трубок, с прямыми и гнутыми трубками. У прямых трубок гидравлическое сопротивление меньше, чем у гну­ тых, но зато необходимы специальные устройства для компенсации температурных деформаций. У прямых трубок значительно легче очищать внутреннюю и наружную поверхности от различных отло­ жений.

В зависимости от компоновки и создания необходимой длины ка­ налов трубчатые и пластинчатые теплообменники выполняются одно-, двух-, трех - и более ходовыми. В ГТУ применяются трубчатые теплообменники с гладкими и оребренными трубками.

Основными показателями, характеризующими теплообменники по­ верхностного типа, являются следующие величины:

1.Коэффициент теплопередачи. Его численные значения для ре­ генераторов разных типов приведены в табл. 2-1.

2.Коэффициент компактности характеризует компактность тепло-

202

чина поверхности теплообмена [м2] находится в 1 м3 или 1 кг теплопередающего элемента.

3. Гидравлические потери как со стороны греющей, так и нагре­ ваемой среды обычно принято выражать в процентах по отношению

кдавлению на входе в теплообменный аппарат.

4.В трубчатых теплообменниках за характерный размер прини­ мается внутренний диаметр трубки. В случае каналов сложного се­ чения (например, в пластинчатых теплообменниках) за характерный размер принимают эквивалентный диаметр

где 5 — площадь поперечного сечения канала, м2 ; р — полный пери-

^.метр поперечного сечения канала независимо от того, какая часть этого периметра участвует в теплообмене, м.

Значения остальных показателей вполне понятны из табл. 2-1.

Трубчатые теплообменники, в том числе и регенераторы (рис. 2-23), независимо от их конструктивных особенностей и компоновки обычно состоят из следующих основных деталей (см. рис. 2-23, г): литого или же сварного корпуса /, трубных досок 2 и трубок 3, которые обра­ зуют поверхность теплообмена. Трубки 3 крепятся в трубных досках 2 в большинстве случаев развальцовкой и сравнительно реже с по­ мощью пайки или сварки.

Трубчатые регенераторы наиболее широко применяются в ГТУ различных типов, мощности и назначения благодаря следующим до-

203

стоинствам: 1) их можно использовать при наиболее высоких степе­ нях сжатия; 2) они позволяют без затруднений осуществлять нужную компоновку; 3) обладают большой надежностью и долговечностью в работе. Замена вышедших из строя трубок не представляет особого труда.

К недостаткам трубчатых регенераторов относятся: 1) большой

У регенераторов корпус, трубные доски и сами трубки чаще всего изготовляются из углеродистой или нержавеющей стали. Но для тру­

торах иногда делается наружное, а также и внутреннее оребрение. Оребрение в регенераторах обычно выполняется продольным, так как в этом случае гидравлическое сопротивление меньше, а очистка ребер от нагара проще, чем при поперечных ребрах.

Для повышения коэффициентов теплоотдачи применяются так называемые турбулизаторы, с помощью которых искусственно созда­ ется дополнительная турбулизация потока газа. В качестве турбулизаторов чаще всего используются либо проволочная спираль, вставляемая внутрь трубок и наматываемая также снаружи их, либо спираль­ ная лента. Но встречаются и другие конструктивные способы турбулизации.

Более компактными, легкими, простыми по конструкции и деше­ выми по сравнению с трубчатыми являются пластинчатые теплообмен­ ники. У них поверхность теплообмена составлена из профильных листов (пластин), которые изготовляются обычно из углеродистой или нержавеющей стали. Профильные листы накладываются друг на друга

204

и образуют продольные и поперечные каналы (см. рис. 2-24). В местах соприкосновения листы попарно свариваются. Из полученных таким путем сварных элементов компонуются пакеты, которые соединяются последовательно по ходу движения воздуха и образуют отдельные секции регенератора. Изготовление профильных (гофрированных) листов несложно, оно осуществляется путем штамповки.

Рис. 2-24. Конструктивная схема пластинчатого регене ратора

У пластинчатых теплообменников нет трубных досок, а благодаря продольным и поперечным волнам (гофрам) в листах обеспечивается •самокомпенсация температурных деформаций. Простота конструкции и технологии изготовления, а также сравнительно небольшое гидрав­ лическое сопротивление позволяют выполнять пластинчатые тепло­ обменники с малыми эквивалентными диаметрами каналов. Все это, в итоге дает возможность получить коэффициент теплопередачи не­ сколько выше, а коэффициент компактности больше, чем у трубчатых регенераторов (см. табл. 2-1). Основным недостатком пластинчатых регенераторов является невысокая механическая прочность, которая ограничивает область их применения в ГТУ для давлений не свыше 5-^6 бар.

Вращающиеся регенераторы по принципу действия и по конструк­ ции аналогичны воздухоподогревателям типа «Юнгстрем», приме-

205

няемым в паровых котлах. Они бывают с барабанными и дисковыми роторами.

Ротор регенератора 1 (рис. 2-25) представляет собой полый бара­ бан (или диск), заполненный набивкой, в качестве которой могут слу­ жить тонкая гофрированная стальная лента, проволочная сетка, пористый материал и т. д. Такая набивка образует множество узких каналов, что позволяет создать огромную поверхность теплообмена при сравнительно небольших размерах самого регенератора.

Ротор 1 установлен на подшипниках в корпусе (статоре) 6 регенера­ тора и медленно вращается со скоростью п = 2-4-100 об/мин от элект­ родвигателя 5 с редуктором 4. При вращении поверхность теплообме­ на регенератора поочередно омывается то горячим газом, то хо-

Рис. 2-25. Схема вращающегося регенератора с ротором барабанного типа

лодным воздухом. В результате этого тепло сначала аккумулируется набивкой, а затем передается нагреваемой среде. Потоки газа и воз­ духа отделены друг от друга с помощью разделяющей стенки 3. Не­ смотря на специальные уплотнения 2 и 7, при работе всегда имеют место протечки воздуха. Так как в регенераторах ГТУ воздух нахо­ дится под относительно высоким давлением, а отходящие газы — под давлением, близким к атмосферному, то за счет большой разности давлений протечки воздуха даже при |3 w 4 достигают 2-^5% от рас­ хода воздуха через регенератор, что примерно на 3-4-6% снижает к.п.д. всей установки. Очевидно, что с повышением давления воздуха процент протечки будет возрастать. В этом, собственно, и заключается основной недостаток вращающихся регенераторов, который сильно ограничивает область их применения. В настоящее время они устанав­ ливаются в ГТУ небольшой мощности, с невысокими степенями сжа­ тия, чаще всего в транспортных установках, где компактность и малый

206

вес стоят на первом плане. Однако надо иметь в виду, что вращающие­ ся регенераторы по сравнению с регенераторами других типов обла­ дают следующими важными достоинствами:

1. Они очень компактны. Их коэффициент компактности дости­ гает 9000 м2 /м3 , т. е. он в несколько десятков раз больше, чем у труб­ чатых и пластинчатых регенераторов (см. табл. 2-1).

2.Имеют значительно меньший вес, особенно в ГТУ с невысоким давлением воздуха, поступающего в регенератор.

3.Имеют малое гидравлическое сопротивление ввиду небольшой абсолютной длины каналов, по которым движутся теплоносители.

4.Значительно проще и дешевле в изготовлении.

5.Их поверхность нагрева легко очищается от сажи и нагара пу­ тем обдува нагреваемым воздухом.

6.Поверхность теплообмена практически нечувствительна к про­ гарам и другим повреждениям. Обычно набивку регенератора меняют при износе (сгорании) ее свыше 20%.

7.Вращающиеся регенераторы позволяют при относительно не­

больших размерах обеспечить высокие степени регенерации в ГТУ— до 90% и выше. Прежде всего это достигается за счет применения по­ верхностей нагрева с малыми эквивалентными диаметрами (до 0,3 мм и меньше), что позволяет получить большие коэффициенты теп­ лоотдачи при умеренных числах Нуссельта. Кроме того, поверхность теплоотдачи у вращающихся регенераторов весьма велика, так как она определяется общей суммарной поверхностью элементов, состав­ ляющих набивку регенератора.

Воздухоохладители в ГТУ, как правило, бывают трубчатыми теп­ лообменниками с круглыми или овальными трубками. Причем с оваль­ ными трубками они получаются более легкими и компактными. Рас­ положение трубок может быть как шахматное, так и коридорное.

В качестве охлаждающей среды обычно применяется вода, кото­ рая пропускается внутри трубок, а воздух омывает их снаружи.

Коэффициент теплоотдачи от воздуха к трубкам находится в пре­ делах а„ = ЭО-г-175 Вт/(м2 -К), а от трубок к воде он составляет при­ мерно а ж = 4500-=-5800 Вт/(м2 -К). В связи с этим для увеличения коэффициента теплопередачи за счет повышения отдачи тепла со сто­ роны воздуха делается усиленное оребрение.

В воздухоохладителях оребрение обычно выполняется попереч­ ным, ребра бывают круглыми, а также в виде прямоугольных и фасон­ ных пластин, которые напаиваются на одну или на несколько трубок.

Трубки чаще всего применяются латунные, а ребра изготовляются из латуни или красной меди. Однако трубки и ребра могут быть сталь­ ными или же из алюминия и его сплавов. В судовых ГТУ, где воздухо­ охладители охлаждаются морской водой, трубки изготовляются из мельхиора. Скорость воды в воздухоохладителях принимается срав­ нительно небольшой w = 0,54-2,0 м/с, так как дальнейшее увели­ чение ее не приводит к ощутимому росту коэффициента теплопереда­ чи, зато гидравлическое сопротивление повышается пропорционально квадрату скорости.

207

§2-14. Компрессоры

ВГТУ применяются осевые и центробежные компрессоры. Осевые компрессоры получили наибольшее распространение в

установках большой и средней мощности благодаря следующим до­

Основным недостатком осевых компрессоров является многосту­ пенчатость, а отсюда сравнительная сложность их конструкции и зна­ чительная длина. Дело здесь в том, что степень повышения давления в отдельно взятой ступени не превышает (3 = 1,25. Поэтому, чтобы обеспечить необходимый напор, осевые компрессоры всегда выполня­ ются многоступенчатыми.

Осевой компрессор в разрезе показан на рис. 2-26. В корпусе 14 вращается на подшипниках 1 я 13 ротор 12 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5. В местах выхода вала ротора из корпуса име­ ются уплотнения 2. Ротор компрессора 12 с валом газовой турбины / / соединяет муфта 10. Корпус 14 литой, имеет два разъема: вертикаль­ ный и горизонтальный. Внутрь его вставлены специальные обоймы, в пазах которых закреплены хвостами направляющие лопатки 6. Каждый ряд вращающихся рабочих лопаток 5 в совокупности с распо­ ложенным за ним рядом неподвижных направляющих лопаток 6 обра­ зуют ступень компрессора. Рассматриваемый на рис. 2-26 компрессор имеет 15 ступеней. Атмосферный воздух засасывается в компрессор через патрубок 4 и поступает в направляющий аппарат 3, в котором поток получает нужное направление перед входом в первую ступень. Этим достигается безударный вход и минимальные потери на входе. Сжатие воздуха в межлопаточных каналах рабочего колеса происхо­ дит в результате взаимодействия потока с вращающимися рабочими лопатками 5. В компрессорах, имеющих ступени со степенью реактив­ ности р к < 1, происходит, кроме того, дополнительное сжатие возду­ ха в каналах направляющих лопаток за счет преобразования кинети­ ческой энергии потока в потенциальную энергию давления. Из послед­ ней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат 7, в котором поток приобретает осевое направление перед входом в диффузор 9. В диффузоре воздух еще несколько сжимается за счет преобразова­ ния скоростной энергии потока в давление, и после этого через выход­ ной патрубок 8 он поступает в нагнетательный трубопровод.

Таким образом, процесс преобразования энергии в осевом комп­ рессоре является как бы обратным по сравнению с процессом в тур­ бине, а именно: подводимая извне к ротору компрессора энергия за­ трачивается на сообщение воздуху кинетической энергии, которая в лопаточном аппарате преобразуется в давление.

В практике наиболее часто встречаются компрессоры, у которых ступени имеют степень реактивности рк = 0,5 и рк = 1. Но бывают также и компрессоры со ступенями, имеющими любые промежуточ-

208