книги из ГПНТБ / Гельфенбейн Л.Г. Регенераторы газотурбинных установок

ГЛАВА 6

НОВЫЕ ТИПЫ ЭФФЕКТИВНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА ДЛЯ РЕГЕНЕРАТОРОВ

С целью создания высокоэффективного и малогабаритного ре­ генератора ГТУ в последние годы на наших отечественных заво­ дах и в научно-исследовательских организациях проводится боль­ шая работа по усовершенствованию существующих конструкций и изысканию новых.

Пластинчатые регенераторы, состоящие из профилированных стальных пластин типа НЗЛ, показали, что они могут обеспечить большую компактность, чем гладкотрубные. Вместе с тем опыт эксплуатации свидетельствует о том, что регенераторы из про­ фильных листов обладают и недостатками. К ним следует отнести повышенное сопротивление волнообразных каналов, наличие уте­ чек воздуха, чувствительность к отложениям в местах выхода газа из регенератора, а также не совсем удачное конструктивное решение вопросов компенсации температурных расширений. Кро­ ме того, возникают затруднения для использования подобных поверхностей в ГТУ большой мощности.

Таким образом, рассмотренные выше поверхности нагрева не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к реге­ нераторам ГТУ.

В результате работ по созданию высокоэффективных и надеж­ ных в работе регенераторов сконструированы некоторые, как пред­ ставляется автору, перспективные поверхности нагрева для реге­ нераторов ГТУ, описание которых приводим ниже*.

§24. ТРУБЧАТАЯ ПОВЕРХНОСТЬ НАГРЕВА

СПРОДОЛЬНЫМ ОРЕБРЕНИЕМ

Одним из способов интенсификации конвективного теплообме­ на является применение ребристых поверхностей. Из этих сообра­ жений исходили, когда Харьковский турбинный завод по предло­ жению института теплоэнергетики АН УССР принял конструкцию

* Теплообменники, составленные из поверхностей желобкового типа [18], здесь не рассматриваются, ввиду отсутствия данных по изготовлению, испы­ танию и эксплуатационным показателям их работы в качестве регенерато­ ров ГТУ.

123

регенератора, составленного из трубок с продольным оребрением для газотурбинной установки мощностью 50 Мет (ГТУ-50-800).

Из технологических соображений заводом был установлен диа­ метр стальных трубок равный d j d e =16/14 мм, к которым звездо­ образно приваривают 12 сталь­

нагрева в межтрубном пространстве противоточно движению воз­ духа в трубках. Треугольные стержни не устанавливались.

Поскольку обтекание продольное, как в гладком канале, то такой теплообменник поддается расчету по известным формулам для продольного тока.

Результаты расчета регенератора ГТУ-50-800 ХТГЗ следующие:

124

Таким образом, благодаря оребрению регенератор имеет высо­ кий коэффициент компактности. Однако коэффициент теплоотдачи с газовой стороны невысок ввиду малого использования ребер. Последнее объясняется тем, что ребра изготовлены из стали

также общий расход трубок. По конструкции противоточного ре­ генератора длина трубок должна быть больше расчетной вели­ чины для обеспечения нужного входа и выхода газа в пучок. Поэтому общий расход трубок у данного регенератора будет еще больше расчетного (99,2 км).

В связи с принятой схемой продольного обтекания, представляет интерес сравнение трубчатых регенераторов с продольным и пере­ крестным обтеканием для условий работы ГТУ мощностью 50 Мет ХТГЗ.

На фиг. 60 и в табл. 5 представлены результаты расчетного исследования с целью определения влияния степени сжатия, диа­ метра трубок и числа ходов на объем трубного пучка регенератора при продольном и перекрестном видах обтекания. Линейный ха­ рактер изменения объема регенератора в зависимости от ряда параметров принят на фиг. 60 чисто условно с тем, чтобы пока­ зать качественный характер изменения объема регенератора.

Приведенные графики позволяют сделать следующие выводы. Диаметр трубок мало влияет на различие в значениях объемов регенератора с продольным и перекрестным видами обтекания при остальных идентичных условиях. С уменьшением диаметра трубок

125

П р и м е ч а н и я : 1. В расчетах приняты следующие первоначальные исходные данные: Од — 194 кг/сек-, <?г = 202 кг/сек: ts =162°C;

4 - 400°С; рв = 17,5 кГ/см*; рд =■ 1,05 кГ/см*: - 0,75; г-р = 4%.

2. Значения скоростей соответствуют оптимальным соотношениям, полученным из формул гл. 4.

разница объемов регенераторов с продольным и перекрестным током несколько уменьшается.

Регенератор с продольным обтеканием имеет меньший объем по сравнению с регенератором перекрестного обтекания в том случае, если регенератор с перекрестным обтеканием имеет число

■б)

ходов меньше трех для степеней сжатия ср«;8. Повышение сте­ пени сжатия до <р~17 делает выгодным перекрестное обтекание даже при двухходовом исполнении. Увеличение степени сжатия влияет в сторону уменьшения объема регенератора с перекрест­ ным обтеканием по сравнению с регенератором, имеющим про­ дольное обтекание.

Для условий работы регенератора в ГТУ мощностью 50 Мег ХТГЗ, вследствие высокой степени сжатия и применения четырех ходов по воздушной стороне, преимущество имеет регенератор

сперекрестным обтеканием. При этом, разумеется, надо считаться

сувеличением объема и веса многоходового регенератора с пере­ крестным обтеканием вследствие переходных патрубков.

Исследования гладкотрубных теплообменников в условиях тур­

булентного потока в диапазоне малых и средних потерь давления

127

показали, что перекрестный поток превосходит в теплотехническом отношении продольный поток, т. е. при одинаковых эксплуатацион­ ных условиях при перекрестном потоке требуется меньшая поверх­

ность, чем при продольном.

При сравнении продольно и поперечно оребренных трубчатых поверхностей выявляется теплотехнический недостаток зведообразного оребрения, выражающийся в том, что поверхность с звез­ дообразным оребрением применима только для продольного по­ тока и поэтому по сравнению с перекрестным потоком и попереч­ ными ребрами в обычном диапазоне потери давления и изменения температур только вследствие вида ее потока требует большей поверхности.

Тем не менее трубчатый регенератор с продольным оребре­ нием имеет ряд преимуществ, которые явились решающим для выбора типа регенератора крупнейшей газотурбинной установки. К ним относится: надежность работы при высоком давлении воз­ духа, так как действию давления подвержен только трубный пу­ чок и воздушные камеры, т. е. элементы, не вызывающие серьез­ ных затруднений в отношении прочности; благоприятные условия для компенсации температурных деформаций, так как вследствие продольного потока трубные доски по всей своей поверхности имеют одинаковую температуру; возможность механизации про­ цессов изготовления оребренной поверхности нагрева, благодаря применению автоматической шовной электросварки.

Трубчатая конструкция наиболее надежна и проверена в ра­ боте на существующих регенераторах (см. гл. 2). В случае при­ менения продольного оребрения компактность регенератора зна­ чительно повышается по сравнению с гладкотрубным регенера­ тором подобного типа [27].

§ 25. ПЛАСТИНОРЕБРИСТАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

Использование оребрения, как способа интенсификации тепло­ обмена и получения малогабаритных и относительно легких реге­ нераторов для газотурбинных установок, нашло свое выражение в пластиноребристой поверхности, которая разрабатывается ВТИ: Эта поверхность состоит из продольно оребренных пластин. К глад­ кой стальной пластине толщиной 0,8—1 мм с обеих сторон при­ варивают ребра швеллерного типа. Поверхность нагрева компо­ нуют из оребренных пластин, чередующихся с гладкими (фиг. 61), или с взаимным смещением ребер на половину шага (фиг. 62). В одном ряде каналов, образующихся между двумя пластинами, протекают газы, а в соседнем с ним — воздух в противоположном направлении.

Технология изготовления элементов пластиноребристой поверх­ ности включает заготовку пластин и ребер на лентогибочных стан­ ках или штампах и приварку ребер на контактных электросвароч­ ных машинах. Ребра устанавливают по шаблону или кондуктору

128

и затем приваривают к основным пластинам. Так как приварка ребер производится одновременно с обеих сторон листа, возни­ кающая при сварке деформация уравновешивается и стальные

ЛиИиИ1иИЙЕ

М л л /Ы у Щ

ш а ш ш ш ш

гладких листов.

листы оребренных элементов остаются ровными (без короблений). В лабораторной установке было исследовано шесть моделей, от­

Модели № И, 2, 4 и 5 состояли из двух листов, один из кото­ рых имел оребрение как на фиг. 61. Модель № 3 имела взаимно смещенные на полшага ребра, как показано на фиг. 62. Модель № 6 состояла из разрезных ребер, приваренных к основным листам в шахматном порядке.

На основании экспериментальных исследований ВТИ теплоот­ дачи и сопротивления пластиноребристых поверхностей нагрева Н. П. Клитин и В. А. Локшин рекомендуют следующие обобщен­ ные расчетные формулы [22 и 23].-

для каналов с чередующимися гладкими пластинами (фиг. 61) и с относительным шагом между ребрами — = 0,5-ь2,5;

для каналов с разрезными ребрами (модель № 6), в которых отношение длины ребра к эквивалентному диаметру составляет

— =1,2.

Для определения коэффициента сопротивления пластиноребри­ стых каналов:

для каналов с прерывистыми ребрами.

Формулы (106) —(ПО) справедливы в следующих пределах: 3 000 < Re <22500;

0,714 < — < 2,08

при высоте ребра 8,5 мм и его толщине 0,8 мм.

Конструкции регенераторов, выполненные из пластиноребри­ стой поверхности применительно к газотурбинной установке мощ­ ностью 50 Мет (ГТУ-50-800) ХТГЗ представляются в следующем виде [47].

На фиг. 63 показан пластиноребристый регенератор прямо­ угольной формы, который состоит из ряда оребренных ячеек. Шту­ цера ячеек для входа и выхода воздуха объединены общими полуцилиндрическими коллекторами. Воздух проходит внутри ячеек сверху вниз, а газы — между ячеек снизу вверх. Регенера­ тор состоит из двух продольных половин, которые по воздуху ра­ ботают параллельно, образуя два раздельных потока. Подвод

На фиг. 64 представлен пластиноребристый регенератор ци­ линдрической формы. Ячейки из нагревательных элементов рас-

130

Положены радиально и имеют трапециевидную форму с возраста­ нием высоты ребер по направлению от центра к периферии. Бла­ годаря кольцевому расположению ячеек достигается саморазгрузка их от давления со стороны воздуха, так как они замыкаются на себя и не передают давления воздуха на стенки корпуса.

Газ

Воздух

Ячейка

I I №

Фиг. 63. Пластиноребри­ стый регенератор прямо­ угольной формы.

Таблица 7

5* 131