Корж В.В. Газотурбинные установки

Подождите немного. Документ загружается.

В направляющем аппарате за счет конфузорности абсолютная скорость

возрастает до С

, соответственно потенциальная энергия переходит в кинетиче-

скую. Далее поток продуктов сгорания поступает в рабочее колесо, где С

пада-

ет до С

за счет совершения некоторой работы вращения, а W

возрастает до W

за счет конфузорности канала.

Вращение рабочего колеса осуществляется как за счет поворота потока,

так и за счет силы реакции, возникающей от относительной скорости и направ-

ленной противоположно ей:

11 2 2

.VF VF const

Уравнение Бернулли:

P P const

ρρ

+=+=

где P – статическое давление;

– динамическое давление.

Уравнение подъемной силы:

УС S

⋅

где С

– коэффициент подъёмной силы;

– подъемная сила лопатки, крыла;

S – площадь лопатки.

Вопросы для самопроверки

Что такое газовая турбина? Из чего состоит?

Как и для чего осуществляется охлаждение деталей турбины?

3. Что вы можете рассказать о газовой динамике турбины?

2.3 Система запуска ГТУ. Валоповоротные устройства (ВПУ)

Валоповоротное устройство

ВПУ предназначено для страгивания и проворачивания в процессе пуска

и после остановки ГПА ротора компрессора и ТВД. ВПУ – двухступенчатый

редуктор с приводом от электродвигателя переменного тока. Применяется лишь

на стационарных установках с подшипниками скольжения. Мощность

N = 3кВт, частота вращения 1440 об/мин. Устанавливается на передней крышке

переднего подшипника газотурбинной установки.

Вал электродвигателя

через муфту соединен с одноходным червяком, пе-

редающим вращение через червячное колесо валику с двумя прямоугольными

винтовыми приступами. На этом валике установлена шестерня-гайка, она мо-

жет входить в зацепление и передавать вращение шестерне, установленной на

валу турбокомпрессора.

Работа валоповоротного устройства двигателя ГТК-10-4

Условия, предшествующие включению валоповоротного устройства:

– работает пусковой маслонасос смазки;

– работает маслонасос уплотнения;

– открыт стопорный кран;

– заполнен газом контур нагнетателя.

При пуске электродвигателя валик с червячным колесом ввинчивается в

шестерню-гайку и входит в зацепление с шестерней, насаженной на валу тур-

бокомпрессора. При этом замыкаются контакты ВК-1, а размыкаются

ВК-2 ко-

нечного выключателя, сигнализирующие о включении ВПУ. Частота вращения

ротора ТК соответствует 12 об/мин.

После запуска турбодетандера (ТД) частота вращения вала турбоком-

прессора увеличивается, и шестерня-гайка частично выталкивается из зацепле-

ния. Размыкаются контакты ВК-1, при этом осуществляется выключение, а

затем реверсирование двигателя. Шестерня-гайка смещается назад в исходное

положение

. Замыкаются контакты ВК-2, а электродвигатель выключается. Ро-

тор турбокомпрессора продолжает разгоняться турбодетандером.

Смазка осуществляется через штуцер системы смазки путем разбрызги-

вания на шестерни. Сверху имеется штуцер для отсоса масляных паров.

Валоповоротное устройство (рис. 25), служащее для медленного провора-

чивания ротора турбокомпрессора, установлено на крышке подшипника переднего

блока и передает крутящий момент

через шестерню, насаженную на вал.

Валоповоротное устройство представляет собой двухступенчатый редуктор.

Первая ступень редуктора червячная, а вторая – цилиндрическая. Привод валопово-

ротного устройства осуществляется от электродвигателя переменного тока, уста-

новленного вертикально на корпусе редуктора. Вал электродвигателя соединен с

валом однозаходного червяка при помощи эластичной муфты. Муфта состоит из

двух половин, насаженных на

концы валов электродвигателя червяка, зафиксиро-

ванных шпонками и винтами. Передача крутящего момента осуществляется рези-

новыми пальцами, вставленными в отверстия полумуфт. Вал червяка вращается в

двух радиально-упорных шарикоподшипниках.

Наружная обойма верхнего подшипника запрессована в стакан, установ-

ленный в расточке корпуса и прикрепленный к корпусу болтами. Наружная

обойма нижнего подшипника запрессована

во втулке, установленной в расточ-

ку корпуса снизу. Осевое усилие червячного вала воспринимается корпусом

через наружную обойму подшипника и крышку, приболченную к корпусу.

Внутренняя обойма нижнего подшипника закреплена на валу при помощи гай-

ки, законтренной стопорной шайбой. Червячное колесо насажено на вал и за-

фиксировано шпонкой, гайкой и стопорной шайбой. Вал

червячного колеса

вращается в двух радиально-упорных шарикоподшипниках; наружные обоймы

подшипников запрессованы во втулки, установленные в расточки корпуса ва-

лоповоротного устройства. Втулки от осевого перемещения предохраняются

крышками, приболченными к корпусу. Наружная обойма подшипника, воспри-

нимающего осевое усилие, убирается в крышку и передаст это усилие корпусу,

а внутренняя обойма этого подшипника

закреплена гайкой.

Рис. 25. Валоповоротное устройство

1 – крышка подшипника; 2 – гайка круглая М45; 3 – крышка; 4 – вал червячного

колеса; 5 – шпонка 16x10x30; 6 – шарикоподшипник 46206Л ГОСТ 831-62;

7 – вкладыш; 8 – колесо червячное; 9 – корпус; 10 – коллектор; 11 – электродвигатель

переменного тока 3-х фазный типа АО2-32-4, 3 кВт, 1460 об/мин исполнение Ф2 для

применения B3; 12 – штуцерное соединение Ду 25; 13 – шестерня-гайка; 14 – муфта;

15 – стакан; 16 – кольцо установочное; 17 – червяк; 18 – вкладыш; 19 – крышка;

20 – гайка круглая

М24; 21 – крышка; 22 – ролик; 23 – палец; 24 – рычаг внутренний;

25 – рым-болт; 26 –крышка; 27 – валик; 28 – кольцо установочное; 29 – кольцо

установочное; 30 – выключатель конечный типа ВПК-2111; 31 – зажим левый;

32 – кольцо установочное; 33 – пружина; 34 – штырь;

35 – рукоятка; 36 – зажим правый

На одном валу с червячным колесом установлена цилиндрическая шес-

терня-гайка, которая свободно перемещается по двум прямоугольным винто-

вым выступам вдоль оси вала и вращается вместе с валом. Благодаря осевому

перемещению шестерня-гайка может входить в зацепление и выходить из заце-

пления с шестерней, насаженной на вал турбокомпрессора. Шестерня-гайка

выключенном положении полностью сдвинута вправо и удерживается с помо-

щью двух зажимов. Зажим состоит из корпуса, который приболчен к корпусу

валоповорота; болта со сферической головкой; гайки, регулирующей положе-

ние болта, и пружины, прижимающей головку болта к ступице шестерни-гайки.

При пуске электродвигателя вал червячного колеса при вращении ввинчи-

вается в

шестерню-гайку, перемещает ее по валу влево и вводит в зацепление с

ведомой шестерней. Шестерня-гайка в рабочем положении упирается в выступ

на валу.

Рычаг, состоящий из втулки и двух щек с роликами, насажен на ось, ус-

тановленную в корпусе валоповорота, и зафиксирован на ней шпонкой и вин-

том. На

этой же оси закреплена рукоятка. Между рычагом и внутренними

стенками корпуса на оси имеются кольца, позволяющие устанавливать рычаг в

нужное положение. Ролики входят в кольцевую проточку на шестерне-гайке.

При движении шестерни-гайки вдоль оси вала внутренний рычаг и руко-

ятка поворачиваются вместе с осью. При включенном валоповоротном устрой-

стве рукоятка находится в крайнем правом положении, боек конечного

выключателя, укрепленного

на корпусе, утоплен. После пуска двигателя вало-

поворота, ротор турбокомпрессора начинает вращаться со скоростью

12 об/мин. При запуске турбодетандера скорость вращения ротора повышается

и шестерня-гайка, перемещаясь вправо, выходит из зацепления. При этом руко-

ятка переходит в левое положение и постепенно освобождает боек концевого

выключателя, имеющего две пары контактов. При

размыкании первой пары

контактов осуществляется реверсирование электродвигателя, что помогает вы-

вести гайку из зацепления.

Вопросы для самопроверки

В чем заключается назначение ВПУ?

2. Из чего состоит ВПУ?

3. Какие условия необходимы для включения ВПУ?

В чем заключается работа ВПУ?

2.4 Турбодетандер. Назначение и режимы работы

Турбодетандер ГТК-10-4

Предназначен для запуска агрегата до скорости вращения, при которой

турбина ТВД начинает самостоятельно вращать компрессор. Рабочим телом

служит сжатый природный газ. Конструкция турбодетандера приведена на

рис. 26.

Подключение и отключение турбодетандера к валу турбокомпрессора

происходит с помощью расцепного устройства 3.

Корпус детандера выполнен с горизонтальным разъемом и имеет верти-

кальный фланец, которым крепится

к корпусу переднего блока.

Центровка производится при помощи буртика. К передней части корпуса

прикреплена крышка турбодетандера, в которой выполнен входной патрубок и

камера для подачи газа к соплам. В крышке и корпусе детандера установлены:

сегмент сопел 9, сегмент направляющих лопаток 5, угольное уплотнение 9,

маслозащитное кольцо 1 и опорно-упорный вкладыш 2. Сопловый аппарат ус-

тановлен в нижней части крышки корпуса. Направляющий аппарат состоит из

лопаток, укрепленных в сегменте при помощи зубчиковых хвостов. Сегмент с

направляющими лопатками установлен в нижней половине корпуса и крепится

к нему штифтом.

Ротор турбодетандера состоит из вала 12 и насаженного на него диска 11

с двумя рядами рабочих лопаток. На валу укреплены втулки

угольного уплот-

нения и расцепная шестерня 13. Опорно-упорный вкладыш установлен в корпу-

се детандера. Опорный вкладыш установлен в консольном приливе внутри

корпуса переднего блока.

Рис. 26. Конструкция турбодетандера

Для предотвращения утечки газа из турбодетандера установлены уголь-

ные кольца из двух половин, прижимаемые пружинами к гребням внутри наса-

женного на вал турбодетандера.

Замер скорости вращения ротора турбодетандера при наладке может

осуществляться ручным тахометром, для чего отворачивается гайка 14 в цен-

тральной части крышки турбодетандера.

В правом конце ротора установлен автомат безопасности

турбодетан-

дера 4. На крышке корпуса – термометр замера температуры опорно-упорного

вкладыша.

Отключение и подключение турбодетандера к валу компрессора произво-

дится при помощи зубчатой пары, колесо которой насажено на вал турбоком-

прессора, а шестерня вводится с ним в зацепление при помощи гидроцилиндра –

расцепного устройства.

Расцепное устройство состоит из цилиндра, закрепленного на

корпусе

турбодетандера, и поршня, выполненного как одно целое с шестерней. Пор-

шень с шестерней насажен на вал турбокомпрессора и может свободно пере-

мещаться по нему в осевом направлении, вводя шестерню в зацепление с

колесом. Передача крутящего момента от вала турбодетандера на шестерню

осуществляется двумя шпонками. Масло к расцепному устройству подводится и

сливается через три штуцера, расположенных в нижней половине цилиндра

расцепного устройства, и управляется системой автоматического регулирова-

ния. От этих штуцеров трубки выведены на торец переднего блока.

Работа турбодетандера и управление кранами на пусковом газе

После замыкания концевого выключателя ВК-1 ВПУ (валоповоротное

устройство) находится в зацеплении и вращает ротор компрессора, подает пи-

тание на электромагнитный вентиль ЭМВ-3. Подается масло в рабочую полость

гидропривода расцепного устройства из системы маслоснабжения ГТУ с давле-

нием 0,5 МПа.

Давление масла на поршень вызывает его перемещение, сжимающее

пружину. Когда поршень становится

на упор, открывается подвод масла к сер-

водвигателю клапана 13, и он открывается.

По сигналу концевого выключателя выдается импульс для перестановки

кранов 11 и 10. Кран 11 открывается, кран 10 закрывается. Газ под давлением

1,5 МПа поступает к лопаткам ротора ТД, приводя его во вращение.

Когда частота вращения вала турбокомпрессора при пуске ГПА достигает

2500

об/мин., турбодетандер отключается, закрывается кран 11 и открывается

кран 10. Газ из пускового коллектора сбрасывается через свечу в атмосферу.

Снимается напряжение с электромагнитного вентиля ЭМВ-3 и подача масла к

гидроприводу расцепного устройства перекрывается. Поршень под действием

пружины отходит назад, выводя из зацепления шестерню турбокомпрессора.

При этом перекрывается подача масла к серводвигателю клапана

13, клапан под

действием пружины закрывается.

Детандер – поршневая или турбинная машина для охлаждения газа за

счет его расширения с совершением внешней работы. Используется главным

образом в установках для сжижения и разделения газов.

Вопросы для самопроверки

В чем назначение турбодетандера?

2. Из чего состоит турбодетандер?

3. В чем заключается работа турбодетандера?

4. Как осуществляется управление кранами на пусковом газе?

Что такое детандер?

3 Топливная система ГТУ

3.1 Назначение топливной системы и основные функции

Назначение – подача топливного газа в камеру сгорания и поддержание ра-

бочих параметров (частоты вращения турбокомпрессора, частоты вращения тур-

бины нагнетателя, температуры газов перед турбиной) в заданных диапазонах.

Основной регулируемый параметр – частота вращения турбокомпрессора,

величина которой устанавливается в зависимости от необходимой производи-

тельности нагнетателя.

Основные функции топливной системы:

− автоматическое изменение подачи топлива по времени при запуске и вы-

воде на режим;

− автоматическое поддержание минимальной частоты вращения турбоком-

прессора – режима малого газа (без нагрузки);

− ограничение максимальной частоты вращения турбокомпрессора и тур-

бины нагнетателя;

− ограничение температуры газов перед турбиной при запуске и на режиме;

− прекращение подачи топлива по командам от системы защиты или по ко-

манде с пульта управления (аварийный или нормальный останов).

Вопросы для самопроверки

В чем назначение топливной системы?

2. Какой основной регулируемый параметр?

Каковы основные функции топливной системы?

3.2 Горение топлива газотурбинных установок.

Физические и химические процессы

Схема классификации топлива приведена на рис. 27.

Топливо классифицируется по следующим признакам:

по происхождению;

2) по характеристикам;

по назначению использования.

По признаку топливо делится на:

− энергетическое (энергетические установки для получения электроэнер-

гии, тепла и механической энергии);

−

технологическое (в плавильных печах, а также для переработки в различ-

ные виды искусственного топлива).

Компонентами всякого органического топлива являются горючие эле-

менты (С, Н, S (органическая и колчеданная), O

и N

) и негорючие примеси

(балласт топливо). В составе топлива присутствуют влага и зола.

Топливо

природное искусственное

органическое неорганическое

твердое жидкое газооб-

(древесный (дизель- разное

твердое жидкое газообразное ядерное топливо уголь, полу- ное топ- (газ до-

(дрова, (нефть) (природный кокс, кокс) ливо, со- менный,

торф, газ) ляровое газ кок-

бур. уголь) масло, совый)

мазут)

Рис. 27. Схема классификации топлива

Под рабочей массой топлива понимают топливо в следующем составе:

100%,

ррpp p p p p

o к

СНSSONAW+++++++=

где

A – зола;

– влага.

Горючая масса топлива:

100%.

г ггг г г

ок

C Н SSО N+++++=

Так как исключить золу из топлива невозможно, то существует такое по-

нятие как сухая масса топлива:

100%.

cccс ccc

o к

CHSSONA++++++=

В ГТУ на КС применяется газообразное топливо – природный газ.

Преимущества

1. Меньше тепловых потерь при

сжигании.

Удобство регулирования и авто-

матизации процесса горения.

Отсутствие золы при сжигании.

Недостатки

1. Возможность утечек.

2. Взрывоопасность.

Вредное воздействие на орга-

низм человека.

Топливный газ после установки подготовки газа должен соответствовать

требованиям ГОСТ-21199-82.

Горение газообразного топлива

Физические свойства

Уравнение горения:

+ 2O

= CO

+ 2H

Факторы горения:

1. Количество тепла достаточное для воспламенения.

2. Соотношение: на 1 м

газа необходимо 10 м

воздуха.

Схема химического процесса горения приведена на рис. 28.

Рис. 28. Схема химического процесса горения

Вопросы для самопроверки

1. Как классифицируется топливо?

2. Что такое рабочая, горючая и сухая массы топлива?

3. Каковы преимущества и недостатки газообразного топлива?

4. Каковы физические свойства и факторы горения?

5. Что представляет собой химический процесс горения?

3.3 Камера сгорания. Назначение, типы, коэффициент избытка топлива.

Основные узлы КС и рабочие процессы

Камера сгорания

Назначение: преобразование химической энергии топлива в тепловую пу-

тем организации эффективного сгорания топлива в потоке сжатого воздуха по-

ступающего из компрессора.

Горение – быстро протекающий химический процесс окисления топлива,

сопровождающийся выделением большого количества тепла. Диаграмма про-

цесса горения приведена на рис. 29.

Рис. 29. Диаграмма процесса горения

– стехиометрический коэффициент (минимальная масса воздуха необ-

ходимая для полного сгорания 1 кг топлива):

/14,5.

LGG

Таким образом, минимальная масса воздуха необходимая для полного

сгорания 1 кг топлива

составляет 14,5 кг.

α – коэффициент избытка воздуха вычисляется:

GLG

(1800 2000) .

гор

T С=−

Максимальная эффективность процесса горения при α = 1. В этом слу-

чае полностью сгорает все топливо и полностью используется весь кислород,

содержащийся в воздухе зоны горения. На практике для гарантированного сго-

рания топлива поддерживается α = 1,2-1,4. Температура в зоне горения при

этом может достигать 2000 К (≈ 1800

С).

Однако на выходе из камеры сгорания температура потока должна

быть в допустимых пределах по жаропрочности лопаток и узлов турбины,

что составляет 800-900

С. Организация устойчивого процесса горения при