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

удлинений.

Фиг. 20. Секция регенератора газотурбинной установки мощностью

25 000 кет ЛМЗ

В конструкции регенератора особое внимание уделено тому, чтобы помимо трубного пучка не было перетекания газа. Это достигается установкой целого ряда щитов и расположением трубного пучка с небольшим зазором к корпусу регенератора. Недостатком трубного пучка является значительная разница труб по длине в пределах пучка, что приводит к неравномерному рас­

Трубчатый регенератор газотурбинной установки Невского завода имени В. И. Ленина (НЗЛ)

Регенератор экспериментальной газотурбинной установки ГТ-600-1,5 мощностью 1500 кет выполнен из гладких трубок диа­ метром 25/22 мм с перекрестным обтеканием. Воздух идет внутри трубок четырехходового пучка, а газ — снаружи. Расположение трубок шахматное при поперечном шаге 35 мм (si= l,4d) и про­

31

дольном 30,3 мм (s2= 1,2Ы). Регенератор имеет восемь коллек­ торов барабанного типа, что значительно утяжеляет его конструк­ цию (фиг. 22). Вес регенератора равен 29 550 кг или 19,7 кг/квт, его объем составляет 0,045 м31квт, а компактность всего 19,45 м2/м3, если относить ее к общему объему регенератора. Число трубок

в секции 1508 (фиг. 23). Общее число трубок в четырех секциях 6032 шт. Длина трубки 2800 мм. Трубные пучки завальцованы в коллекторы барабанного типа диаметром 692/720 мм. Общая по­ верхность нагрева равна 1313 ж3, что составляет 0,875 м2/квт.

Расчетная степень регенерации 0,72; однако при испытании она оказалась равной 0,58—0,6, так как имелись большие перетечки с воздушной стороны на газовую. Вместо расчетного коэф­ фициента теплопередачи К —53 ккал]м2ч-°С, по данным испыта­ ний, был зафиксирован /(=31,7 ккал/м2 -ч-° С. Одной из причин

32

Фиг. 22. Трубчатый регенератор НЗЛ газотурбинной установки мощностью 1500 кет.

Г

oss—\- --------------- ОШ------------ 4-OSS

1

Фиг. 23. Секция трубчатого регенератора НЗЛ для ГТУ мощностью 1500 кет i

понижения послужило отсутствие промежуточной по высоте пучка решетки, дистанционирующей расположение трубок в пучке, что нарушает заложенное при конструктировании шахматное их рас­ положение.

От такой неудачной конструкции регенератора завод отказался и перешел к изготовлению регенераторов пластинчатого типа.

Регенератор газотурбинной установки мощностью 2000 квт фирмы «Эшер-Висс»

Поверхность нагрева регенератора состоит из 1302 оребренных трубок, собранных в 71 секцию. В каждой секции 19 трубок. Из­ готовление оребренных трубок следующее. На трубку диаметром 9/10 мм навивают по спирали гофрированную стальную ленту шириной 5 мм и толщиной 0,3 мм. После этого поверх выступов ленты накладывают фольгу, представляющую собой припой и в таком виде одну трубку плотно вводят в другую трубку диаметром 23/25 мм, на которую снова навивают фольгу и гофрированную ленту. Затем собранную трубку помещают в печь непрерывного действия, где происходит пропаивание ленточного оребрения с обеими сторонами трубки большего диаметра. При нагревании внутренняя трубка расширяется и плотно прижимает внутреннее оребрение к наружной трубке, благодаря чему создается хороший контакт. Весь процесс изготовления оребрения трубок автомати­ зирован. Внутренние трубки закрывают пробками диаметром 9 мм.

Сечение оребренных трубок показано на фиг. 24, пучок трубок в секции — на фиг. 25 и общий вид регенератора — на фиг. 26. Газотурбинная установка работает по замкнутому циклу. Поэтому по обеим сторонам теплообменной поверхности регенератора цир­ кулирует чистый воздух, находящийся под давлением. Тепло пе­ редается от воздуха низкого давления к воздуху высокого дав­ ления.

В кольцевом оребренном пространстве между трубками про­ ходит воздух высокого давления (28 кГ/см2), а вдоль оребрения наружной трубы в противоточном направлении движется воздух низкого давления (7,5 кГ/см2). Для того чтобы воздух проходил только через оребренную поверхность, остающиеся свободными полости между отдельными трубками заполняют трехгранными алюминиевыми проставками.

Основным фактором интенсификации теплообмена в данной кон­ струкции является увеличенное двустороннее оребрение (коэффи­ циент оребрения со стороны высокого давления составляет 6,64, а со стороны низкого давления — 16,4). Высокое давление при вы­

получился очень компактным, несмотря на высокую степень реге-

34

нерации (0,915) и малые гидравлические сопротивления (2,73%). Вместе с тем следует отметить, что использование оребрения здесь небольшое. В доказательство сказанного приведём следующий расчет.

Высота внутреннего ребра с учетом его наклона и перегибов составляет h= 9 мм, а наружного— 12 мм, толщина ребер 6= = 0,3 мм. При ширине спиральной ленты 1= 5 мм периметр и сече­ ние ребра составят U= 10,6 мм и F=l,5 мм2. Эффективное ис­ пользование ребер должно отвечать условию 0<т/г<0,4 (где

Учитывая, что ребра выполнены из сравнительно малотепло­ проводного металла (стали), теплопроводность которой может быть принята равной А=40 ккал/м-ч° С, указанное выше условие будет соблюдаться при значениях коэффициента теплоотдачи а

могут иметь место при высокой эффективности теплообменника. По-видимому, коэффициенты теплоотдачи в эксплуатации значи­ тельно большие. Так, например, при а=50 или 100 ккал/м2 • ч С характерный параметр mh будет равен 0,922/0,69 и 1,3/0,972 соот­ ветственно для наружного и внутреннего оребрения. Следова­ тельно, ребра используются неэффективно, что влечет за собой из­ лишний расход металла. Увеличение высоты наружного оребрения, очевидно, вызывалось желанием увеличить поверхность нагрева со стороны низкого давления, где теплоотдача, естественно, ниже чем со стороны высокого давления. Однако увеличение высоты ребра с наружной стороны приводит к еще худшему использо­ ванию ребра при той же толщине. Применение подобных тепло­ обменных поверхностей возможно только в установках закрытого цикла, где теплоноситель — чистый воздух, не загрязненный про­ дуктами сгорания.

Из рассмотрения трубчатых регенераторов, основные характе­ ристики которых сведены в табл. 2, очевидно, что их конструктив­ ное оформление весьма разнообразно. Особый интерес представ­ ляет осесимметричная кольцевая форма трубного пучка с много­ ходовым течением одного из теплоносителей в радиальном направ­ лении — от центра к периферии и обратно. При такой компоновке средняя температура, всех трубок примерно одинакова, и темпе­ ратурные напряжения в местах закрепления трубок в трубных досках незначительны. В установках, работающих в условиях рез­ ких изменений температурных режимов, рационально использо­ вать подобную форму пучка.

В большинстве рассмотренных регенераторов воздух проходит внутри трубок. Существенным недостатком схем регенераторов, где газ проходит внутри трубок, а воздух в междутрубном прост­ ранстве, является утяжеление корпуса ввиду того, что он нахо-

36

дится под полным давлением воздуха. Вместе с тем в данном слу­ чае поверхность нагрева становится более доступной для очистки со стороны газа и, благодаря отсутствию поворотов и резких изме­ нений скоростей потока газа, сопротивление с газовой стороны, составляющее основную долю суммарных сопротивлений регене­ ратора, при такой схеме может быть уменьшено. Таким образом, при сравнительно небольших потерях давления, можно повысить скорость газа.

Трубчатые регенераторы применяют в газотурбинных установ­ ках любых мощностей при давлениях сжатого воздуха от 2,5 до

28 кГ/см2.

Наибольшее распространение получили регенераторы, выпол ненные из трубок с наружным диаметром 18—25 мм, коэффици­ ент компактности которых не превышает 90 м2/м3. В судовых ГТУ фирм «Аллен» и «Роллс-Ройс» были применены трубки диаметром 7,9 и 6,35 мм, что позволило получить регенераторы с повышенной

метра трубок с целью увеличения тепловой эффективности поверх­ ности и ее компактности приводит к возрастанию гидравлических сопротивлений потоку. В упомянутых выше судовых регенерато­ рах гидравлические сопротивления повышены и составляют соот­ ветственно 6,5—7 и 8—12% только с газовой стороны. Следует отметить, что стоимость трубок резко увеличивается по мере уменьшения их диаметра. Кроме того, применение трубок малых диаметров связано со значительными конструктивными и техноло­ гическими затруднениями.

Трубчатые оребренные поверхности нагрева имеют значительно более высокую компактность, чем гладкотрубные, однако они нашли применение пока только в газотурбинных установках, ра­ ботающий по замкнутому циклу, где отсутствует опасность загряз­ нения поверхности нагрева.

Толщина стенки трубки в пределах, применяющихся в прак­ тике, не оказывает влияния на коэффициент теплопередачи и опре­ деляется конструктивными соображениями.

Крепление и уплотнение трубок в трубных досках, особенно при больших давлениях воздуха, представляет трудную задачу. В регенераторах ГТУ получили применение приварка трубок к трубным доскам, пайка высокотемпературным припоем, обычная развальцовка и развальцовка при помощи уплотнительных втулок.

§ 8. ПЛАСТИНЧАТЫЕ РЕГЕНЕРАТОРЫ

Регенератор игольчато-ребристого типа

На фиг. 27 представлены регенератор фирмы «Эйр-Прехитер» (США) в собранном виде и детали теплопередающего сердечника. Сердечник образован плоскими листами, снабженными по обеим

3

сторонам корытообразными ребрами, которые приварены к пла­ стинам при помощи дуговой сварки. Между внутренними желоб­ ками сердечника вставлена зигзагообразно изогнутая проволока, которая затем припаяна медным припоем. По каналу, пересекая проволоки, которые образуют как бы игольчатое оребрение, прохо-

Фиг. 27. Регенератор игольчато-ребристого типа фирмы «Эйр-Прехитер»:

а — детали сердечника, б — секция, в — пакет, г — реге­ нератор в собранном виде.

дит воздух, а снаружи вдоль ребер движется газ в противополож­ ном направлении. Такие элементы сердечника собирают в секцию. Из секций набирают пакет, вес и размеры которого обусловлены удобством монтажа и условиями газотурбинной установки. Па­ кеты плотно соединены между собой и в данном случае образуют регенератор, состоящий из шести пакетов. К каждому пакету с боков приварены воздушные коллекторы.

38

Т ехническая х ар ак тер и сти к а регенератора

К регенератору подведены воздухопроводы, прикрепленные к его боковым коллекторам; сверху и снизу подключены газопро­ воды. Все части регенератора изготовлены из углеродистой стали.

Регенератор проработал длительное время в составе газотур­ бинной установки, сжигавшей природный газ. После того как реге­ нератор проработал 730 ч были обнаружены отложения золы, тол­ щина которых не превышала 0,25 мм. Эти отложения легко удаля­ лись продувкой. Для проверки загрязняемости поверхности нагрева были испытаны модели регенераторов размером 152x152 мм. Мо­ дели испытывали при работе стокерной котельной топки на высоко­ сернистом битумном угле. Поверхность моделей 1 раз в день обду­ вали паром. После 4 лес. непрерывной работы модели были вынуты и проверены. Испытания показали, что образование отложений на игольчато-ребристых поверхностях нагрева может быть ограничено продувкой. Сравнение регенератора этого типа с трубчатым такой же характеристики дает следующие величины: трубчатый регенера­

39

тор объем — 29,7 м3, вес —41,7 т, игольчато-ребристый регенератор

соответственно — 11,32 м3и 25,8 г.

Толщина стенок трубок трубчатого регенератора составляла 2,37 мм, что намного больше требуемой толщины по соображе­ ниям прочности и запаса на разрушения эрозией и коррозией. Поэтому вес трубного пучка этого регенератора можно уменьшить за счет использования более тонких трубок; тогда весовое преиму­ щество игольчато-ребристого регенератора перед трубчатым не

будет столь велико.

В игольчато-ребристом регенераторе коэффициент теплопере­ дачи, если его пересчитать на гладкую поверхность, составит К =

= 54,7 • ----— — =127 ккал/м2.ч° С что выше, чем в гладкотруб-

1410-0,43

ном регенераторе с продольным обтеканием. Этим объясняется преимущество игольчато-ребристого регенератора перед трубча­ тым, выполненным из гладких труб. Если же трубки последнего будут с оребрением, то существенных весовых и габаритных пре­ имуществ игольчато-ребристого регенератора можно и не полу­ чить, так как в регенераторе с оребренными трубками нетрудно получить такой же или даже более высокий коэффициент тепло­ передачи.

Относительно короткий и прямой газовый тракт делает опи­ санную конструкцию весьма удобной для легкой ее очистки при помощи эолового вентилятора.

К недостаткам игольчато-ребристого регенератора по сравне­ нию с трубчатым следует отнести: сложность его изготовления, большую стоимость при обычной технологии производства, нерав­ номерность воздушного потока поступающего в регенератор. Вы­ равнивание по сечению скоростного поля требует специального подбора сопротивлений, который производится в процессе нала­ дочных испытаний регенератора. В отношении пригодности конст­ рукции для высоких давлений воздуха следует отметить, что, по данным фирмы, модель такого регенератора хорошо выдержала гидравлическое испытание до давления 105 кГ/см2 при комнатной температуре. При рабочих температурах предельное давление уменьшается примерно наполовину. Проволочная связь на крепком припое между плитами создает жесткую конструкцию, хорошо противостоящую внутреннему давлению.

Пластинчатый регенератор газотурбинной установки мощностью 3000 л. с.

На фиг28 представлена схема регенератора фирмы «Инглиш- -Электрик», который состоит из двух параллельных секций, раз­ мещенных в общем корпусеСекции составлены из пластин нер­ жавеющей стали с выштампованными в них каналами. При сварке пластин попарно образуются ячейки, внутри которых проходит газ. Между собой ячейки сварены по контуру и присоеди-

40