Корж В.В. Газотурбинные установки

Подождите немного. Документ загружается.

такой температуре невозможна, поэтому в камерах сгорания любого типа

ГТУ используется принцип двухзонности, а именно: локализация зоны горе-

ния, внутри зоны смешения (рис. 30).

Рис. 30. Распределение воздушного потока в камере сгорания

На всех режимах работы двигателя «первичным воздухом» в зоне горения

обеспечивается α = 1,1–1,2, чем создаются благоприятные условия для быстрого,

устойчивого и полного сгорания топлива. В зоне смешения раскаленные газы пере-

мешиваются с относительно холодным «вторичным воздухом», в результате чего

на выходе из камеры сгорания температура потока не превышает 800-900

С.

«Первичный воздух»:

– (25-30)% – через завихрители и стабилизаторы пламени в зону горения.

«Вторичный воздух»:

– (50-60)% – через отверстия смесителя для перемешивания с «первич-

ным воздухом» и создания приемлемого поля температур на выходе из камеры

сгорания;

– (10-25)% – пленочное охлаждение стенок жаровых труб (через щелевые

или «терочные» отверстия).

Принципы организации рабочего процесса в камере

сгорания:

– двухзонность (подробно сказано выше);

– снижение скорости воздуха во входном диффузоре до 50-60 м/сек с це-

лью предотвращения срыва пламени;

– максимальное перемешивание смеси (с помощью завихрителей и стаби-

лизаторов пламени и дальнейшее снижение скорости потока до 15-25 м/сек);

– пленочное охлаждение стенок жаровой трубы (тонкий слой вторичного

воздуха вдоль

стенок жаровой трубы).

Типы камер сгорания

Поперечные сечения камер сгорания приведены на рис. 31, сравнитель-

ные характеристик типов камер сгорания даны в таблице 2.

Рис. 31. Поперечные сечения камер сгорания

Таблица 2. Сравнение характеристик типов камер сгорания

Тип Достоинства Недостатки

Трубчатая Хорошая технологичность (просто-

та сборки, легкость доводки, воз-

можность замены в эксплуатации)

Неравномерность темпе-

ратурных полей, большие

габариты и масса

Кольцевая Небольшая масса, высокая равно-

мерность температурных полей,

хорошие пусковые свойства и не-

большие потери давления

Отсутствует возможность

демонтажа по частям –

только целиком

Трубчато-

кольцевая

Промежуточное положение по габаритам и массе. К достоинст-

вам кольцевого типа добавлена хорошая эксплуатационная

технологичность (возможность замены отдельной жаровой

трубы)

Основные узлы камеры сгорания

1) жаровая труба (включает в себя зону горения и зону смешения);

кожух, или корпус камеры сгорания (ограничивает тракт вторичного

воздуха);

диффузор, или входное устройство (снижает скорость потока со значе-

ний 100-120 м/с до 50-60 м/с);

фронтовые устройства:

– завихрители (ряд радиальных лопаток на входе вокруг форсунки под

некоторым углом к направлению движения воздуха обеспечивают его закрутку,

интенсивную турбулизацию и перемешивание с топливом);

– стабилизаторы пламени (тела плохо обтекаемой формы на пути дви-

жения первичного воздуха в виде пластинчатых, конических или кольцевых

диафрагм) способствуют созданию возвратных вихревых течений горячих

га-

зов, обеспечивая подвод тепла от зоны горения к притекающей свежей смеси

топлива с воздухом, которая нагревается, непрерывно воспламеняется и устой-

чиво горит). На фронтовых устройствах наряду с вышеуказанными процессами

происходит дальнейшее снижение скорости потока воздуха до 15-25 м/с;

– топливные форсунки (обеспечение хорошего распыла, оптимальной

протяженности зоны горения и полноты камеры

сгорания);

– воспламенители (мини-камера сгорания с электрозапальной свечой).

Изменение параметров потока в жаровой трубе приведено на рис. 32.

Рис. 32. Изменение параметров потока в жаровой трубе

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается назначение камеры сгорания?

2. Что показывает диаграмма процесса горения?

3. Как распределяется воздушный поток?

4. Какие существует типы камер сгорания?

5. Каковы основные узлы камеры сгорания?

3.4 Системы топливного, пускового и импульсного газа.

Назначение, состав, рабочие параметры

Система топливного и пускового газа (рис. 33) предназначена для подачи

газа с требуемым давлением и в необходимом количестве к газоперекачиваю-

щим агрегатам.

Эта система включает:

а) трубопроводы и коллекторы с продувочными и дренажными уст-

ройствами;

б) регуляторы давления;

в) запорную и предохранительную арматуру;

г) расходомерные устройства для контроля расхода топливного газа на

каждый агрегат и в целом по цеху;

д) свечи для стравливания газа;

е) сепараторы и фильтры-адсорберы топливного газа с продувочными и

дренажными устройствами.

Отбирается газ в систему из трех различных участков технологических

коммуникаций компрессорного цеха:

а) из магистрального газопровода на узле

подключения до и после крана

20, установленного на газопроводе между врезками всасывающего и нагнета-

тельного трубопроводов компрессорного цеха;

б) из коллектора после пылеуловителей;

в) из выходного шлейфа компрессорного цеха.

Рис. 33. Принципиальная схема системы топливного и пускового газа

ТГ – топливный газ; ПГ – пусковой газ; ВЗК – воздухозаборная камера; ТД – турбо-

детандер; ОК – осевой компрессор; КС – камера сгорания; ТВД – турбина высокого

давления; ТНД – турбина низкого давления; Н – нагнетатель; РЕГ – регенератор

Отбираемый из газопровода пусковой и топливный газ поступает на узел

редуцирования, где установлены регуляторы давления. Топливный газ, кроме

того, пропускается через сепараторы и фильтры-адсорберы с целью его осуш-

ки и очистки, а также через расходомерное устройство. Могут быть установ-

лены также подогреватели топливного газа. От узла редуцирования пусковой и

топливный газ подходит к газоперекачивающим агрегатам по двум различным

системам трубопроводов. Пусковой газ подается к турбодетандерам для запус-

ка турбоагрегатов в работу.

Одна из основных частей системы топливного и пускового газа – пункт

редуцирования и установленные на нем регуляторы давления, которые предна-

значены для снижения и автоматического поддержания давления газа на задан-

ном уровне.

Система импульсного газа обеспечивает его подачу к узлам управления и

пневмоцилиндрам для перестановки кранов технологического, топливного и

пускового газа, а

также к контрольно-измерительным приборам и устройствам

автоматического регулирования ГПА.

Импульсный газ отбирается из системы топливного и пускового газа до

пункта редуцирования. Импульсные линии присоединяют к цилиндрам пнев-

моприводов с помощью трубок небольшого диаметра (как правило, 6 мм).

Для обеспечения бесперебойной работы пневматических приводов и при-

боров импульсный газ предварительно очищают

и осушают. Степень очистки и

осушки импульсного газа должна быть такой, чтобы исключалось заедание и

обмерзание рабочих исполнительных органов при температуре наружного воз-

духа до -50°С (-60°С для районов Крайнего Севера). В зимнее время следует

использовать отбор импульсного газа от нагнетательного газопровода цеха.

Импульсным называется газ, отбираемый из технологических трубопро-

водов обвязки КС для использования в пневмогидравлических системах приво-

дов запорной арматуры: пневмоприводных кранов технологического,

топливного и пускового газов, для подачи газа к контрольно-измерительным и

регулирующим приборам. В пневмогидравлической системе привода крана

производится преобразование потенциальной энергии сжатого газа в механиче-

скую работу по перемещению запорного шарового узла.

Принципиальная схема импульсного газа приведена на рис. 34. Сущест-

вуют три точки отбора импульсного газа из технологических трубопроводов

КС: отбор до и после крана № 20; отбор из выходного трубопровода КС до узла

охлаждения и отбор из входного трубопровода КС после узла очистки.

Далее трубопровод импульсного газа объединяется в общий коллектор и

поступает на узел подготовки импульсного газа (УПИГ), где происходит его

очистка и осушка.

В состав УПИГ входит следующее оборудование: фильтр-сепараторы,

адсорберы, огневой подогреватель, газовый ресивер, запорная арматура, кон-

трольно-измерительные приборы, трубопроводы и гибкие резиновые шланги.

Фильтр-сепараторы предназначены для очистки импульсного газа от

механических примесей и влаги. Адсорберы предназначены для осушки им-

пульсного газа путем поглощения воды, находящейся в газе. Поглощение осу-

ществляется адсорбентом, находящимся в полости адсорберов. В качестве

адсорбента используются силикагель или циолит. Степень очистки и осушки

импульсного газа должна исключать заедание и обмерзание исполнительных

органов при низких температурах наружного воздуха.

Рис. 34. Принципиальная схема импульсного газа

Вопросы для самопроверки

1. В чем назначение и состав системы топливного и пускового газа?

2. Точки отбора топливного и пускового газа?

3. В чем назначение и какие существуют точки отбора импульсного газа?

4. Из чего состоит система импульсного газа?

3.5 Способы регулирования ГТУ

Для ГТУ изменение режима КС связано с изменением мощности, разви-

ваемой ГТУ. Из общей формулы N = g · H видно, что изменение мощности мо-

жет быть достигнуто путём регулирования расхода рабочего тела g или

полезной удельной работы Н. Регулирование мощности ГТУ осуществляется

тремя способами:

1) регулирование осуществляется в основном за счёт изменения началь-

ной температуры перед ГТ (путём изменения подачи топлива в КС), изменения

удельной работы Н при слабо меняющихся других параметрах (g, π

степень

сжатия компрессора), называется регулированием первого рода или качествен-

ным способом регулирования. При этом способе КПД ГТУ претерпевает наи-

большее значение изменения;

2) регулирование осуществляется путём одновременного изменения как

расхода рабочего тела g, так и Н (удельная работа рабочего тела). Такое регу-

лирование называется регулированием второго рода, или смешанным. КПД

ГТУ изменяется меньше, чем при качественном регулировании;

3) регулирование осуществляется при помощи изменения расхода рабоче-

го тела при практически неизменяемых температурах. Этот тип называется ре-

гулированием третьего рода, или количественным, удельная работа и КПД

ГТУ меняется незначительно.

Количественное регулирование может быть применено только в замкну-

тых ГТУ путём пропорционального изменения давления в схеме ГТУ. В ГТУ

открытого типа невозможно осуществлять пропорциональное изменение давле-

ния во всех точках схемы, так как нижний уровень атмосферного давления (Ра)

не может быть изменен произвольно. Поэтому в ГТУ открытого типа при регу-

лировании мощности отношение давлений в ОК непрерывно меняется. В ГТУ

открытого типа изменение мощности осуществляется регулированием первого

или второго рода, поэтому полезная работа и КПД обычно снижается вместе с

понижением нагрузки.

Изменение экономичности ГТУ при частичных нагрузках зависит от того,

насколько способ регулирования приближается к количественному.

При качественном способе регулирования происходит резкое изменение

удельной работы Н при мало изменяющемся расходе рабочего тела g, в этом

случае следует ожидать значительного снижения КПД ГТУ при частичных на-

грузках. Этот способ регулирования характерен для одновальных ГТУ.

Если способ регулирования достигается при существенном изменении

расхода рабочего тела, то Н меняется в меньшей степени, благодаря чему эко-

номичность ГТУ на частичных нагрузках будет более высокой. Регулирование

второго рода характерно для установок с разрезным валом.

Вопросы для самопроверки

1. Какие способы регулирования ГТУ существуют?

2. В чем заключается регулирование первого рода?

3. В чем заключается регулирование второго рода?

4. В чем заключается регулирование третьего рода?

5. Как обеспечивается экономичность способов регулирования?

3.6 Совмещенная характеристика ОК и ГТ (одновальная)

Характеристикой ОК является связь между КПД ОК, приведенной часто-

той вращения ротора, приведенным расходом и степенью сжатия компрессора на

режимах частичных нагрузок. Характеристика ОК является универсальной.

Сплошные утолщенные кривые соответствуют постоянным приведенным

частотам вращения ротора. Постоянному КПД соответствуют тонкие линии.

С увеличением частоты вращения ротора растет q – расход воздуха.

При этом степень

сжатия равна номинальной, а приведенная частота

вращения равна 1.

ОК проектируют так, чтобы на номинальных режимах работы КПД был

максимальным. С уменьшением расхода воздуха при постоянной степени сжа-

тия изменяются углы натекания потока воздуха на лопатки. При чрезмерном

увеличении углов натекания, поток отрывается от лопаток и возникает его

срыв, который захватывает несколько лопаток. Зона срыва перемещается по

окружности рабочего колеса со скоростью 0,5-0,7 окружной скорости. При этом

могут происходить также полные срывы потока, которые захватывают все ло-

патки, работа компрессора становится неустойчивой. Если для каждой π

опре-

делить q, при котором рабочий компрессор становиться неустойчивым, то на

универсальной характеристике можно построить кривую, которая будет назы-

ваться границей помпажа.

При неустойчивом режиме работы в компрессоре резко изменяется q и P.

Эти изменения происходят переодически и являются самоподдерживающимися

(автоколебательными). Автоколебательный процесс в тракте ГТУ называется

помпажом. Работа в режиме помпажа недопустима

, так как может вызвать по-

ломку лопаток или другие последствия, которые могут привести к аварии. Для

того чтобы вывести компрессор из помпажа, необходимо увеличить q. С этой

целью предусмотрены противопомпажные клапана в области средних степе-

ней осевого компрессора. Помимо противопомпажных клапанов для преду-

смотрения помпажа применяются поворотные лопатки, которые

устанавливаются перед

первой ступенью компрессора. Эти лопатки позволяют

изменить q через ОК без срыва потока на рабочих лопатках.

Совмещенная характеристика ОК и ГТ (рис. 35-37) представляет собой

зависимость следующих величин: степени сжатия π, приведенного температур-

ного коэффициента τ, приведенной частоты вращения n и приведенного расхо-

да рабочего тела q.

К системе ГТУ ГТ следует рассматривать как сеть

, на которой работают

компрессоры. Особенностью такой сети является то, что ее сопротивление не

только в связи с изменением расхода рабочего тела, но также зависит от темпе-

ратуры газа перед ГТ и в некоторой степени от ротора ГТ.

Точку пересечения характеристик ОК и ГТ определяют параметры совме-

стной работы. При приведенной

частоте ОК и температурным коэффициен-

том = 1 режим является номинальным. При снижении температуры ГТ

характеристика становится более пологой. Точкам на более пологих характери-

стиках ГТ соответствует пониженное давление перед ГТ и несколько увеличен-

ный расход воздуха.

При этих условиях происходит уменьшение работы расширения газа в ГТ,

одновременно уменьшается работа сжатия в компрессоре

, но в меньшей степе-

ни, чем работа расширения в ГТ, т. к. последнее снижается не только в связи с

понижением τ

, но и в результате понижения температуры перед ГТ. При даль-

нейшем снижении подачи топлива наступает момент, когда работа ГТ стано-

вится равна работе ОК, при этом полезная работа ГТУ Н

– Н

= 0 и установка

переходит в режим холостого хода. Для одновальной ГТУ при постоянной n ее

рабочая линия совпадает с характеристикой ОК.

Рис. 35. Совмещенная характеристика ОК и ГТ

n – приведенная частота вращения;

– приведенный расход рабочего тела;

з – коэффициент полезного действия; Т

ном

– номинальная температура

Особенностью ГТУ, выполненных по схеме с разрезным валом, заключа-

ется в том, что частота вращения ТВД практически независима от частоты вра-

щения ТНД.

Режим работы турбокомпрессора (ОК+ТВД) в этой схеме определяется одним

параметром подачей топлива в КС. ТВД может оказывать влияние на ТНД только

через уменьшение расхода рабочего тела,

а это влияние слабое. Так же нагрузки си-

ловой турбины ТНД практически не оказывает влияние на работу ТВД.

Для такой схемы характерно регулирование второго рода.

Изменение температуры перед ТВД, обусловленное балансом соблюдения

мощностей, при этом будет не такое значительное, как в одновальной ГТУ при

const n.

Режим с пониженной мощностью будет характеризоваться

точкой, при

которой степень сжатия, температура и расход будут ниже.

Рабочая линия ГТУ с разрезным валом (рис. 37) не совпадает с характери-

стикой ОК. Вследствие одновременного снижения температуры перед ГТ и

степени сжатия ОК, КПД ГТУ с разрезным валом на частичных режимах будет

иметь более высокое значение.

Рис. 36. Совмещенная характеристика ОК и ГТ одновального ГТУ

– степень сжатия компрессора;

– степень расширения турбины;

– приведенный температурный коэффициент;

– приведенный расход

рабочего тела; А

, А

– точки пересечения совместной работы

Вопросы для самопроверки

Что представляет собой совмещенная характеристика ОК и ГТ?

2. Что представляет собой совмещенная характеристика ОК и ГТ одно-

вальной ГТУ?

Что представляет собой совмещенная ОК и ГТ ГТУ с разрезным валом?