Тема 2.1 Основы термодинамического расчета простой газотурбинной установки

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Студент должен:

Предельные циклы простой ГТУ. Связь кпд простой ГТУ с величинами, характеризующими ее цикл. Характерные точки зависимости полезной работы простой ГТУ от степени сжатия. Зависимость удельной работы ГТУ от степени сжатия при разных относительных температурах. Зависимость кпд простой ГТУ от степени сжатия.

Влияние температуры на кпд простой ГТУ. Зависимость удельного расхода газа (рабочего тела) от степени сжатия.

Влияние температуры на кпд простой ГТУ. Зависимость удельного расхода газа (рабочего тела) от степени сжатия.

Литература: [2], стр. 35-41; [4], стр. 48-60

Методические указания

Отношение давления за компрессором к давлению перед ним называют степенью сжатия в компрессоре.

Отношение давления перед турбиной к давлению за ней называют степенью расширения в турбине.

Удельной полезной работой ГТУ называют разность удельной работы турбины и компрессора.

Количество подведенной теплоты зависит от разности температур пред турбиной и за компрессором и совершенства камеры сгорания.

С ростом относительной температуры газа увеличивается удельная полезная работа, а также оптимальная степень сжатия.

С увеличением относительной температуры газа кпд ГТУ увеличивается, так как увеличивается разность между верхней и нижней температурами цикла и, следовательно, должен повышаться термодинамический кпд. При одинаковых относительных температур газа максимальный кпд достигается при большей степени сжатия, чем максимальная удельная полезная работа. Это объясняется тем, что кпд зависит не только от удельной полезной работы, но и от количества теплоты, подведенной в камеру сгорания. Уменьшение количества подведенной теплоты смещает максимум кпд в сторону больших степеней сжатия по сравнению с удельной полезной работой.

Одной из важных характеристик цикла ГТУ является коэффициент полезной работы, который равен отношению полезной работы ГТУ к работе турбины.

Если полезная работа цикла ГТУ по сравнению с работой турбины мала, коэффициент полезной работы также мал. В этом случае большая часть работы турбины расходуется на привод компрессора.

Второй характерной ГТУ является удельный расход газа. Удельная полезная работа ГТУ обратно пропорциональная удельному расходу газа. Чем выше удельная полезная работа и меньше расход газа, тем меньший расход газа необходим для получения заданной мощности, а следовательно, меньше размеры установки.

Вопросы для самоконтроля

1. Какими соотношениями можно связать удельную работу турбины и компрессора соответственно со степенью сжатия и степенью расширения?

2. От чего зависит количество подведенной теплоты в камеру сгорания?

3. Каков характер изменения удельной полезной работы ГТУ в зависимости от степени сжатия в компрессоре?

4. Какова зависимость кпд ГТУ от степени сжатия?

5. Как влияет уменьшение количества подведенной теплоты на максимальный кпд?

6. Перечислите основные характеристики ГТУ

7. Какова зависимость удельного расхода газа от степени сжатия?

Тема 2.2 Основы термодинамического расчета газотурбинной установки

с регенерацией теплоты

Студент должен

Зависимость степени регенерации от конструкции регенератора и от площади его теплопередающей поверхности. Зависимость кпд ГТУ с регенерацией теплоты от степени сжатия и степени регенерации. Влияние регенерации на оптимальную степень сжатия. Зависимость оптимальной степени сжатия от степени регенерации.

Литература: [2], стр. 41-44; [4], стр. 60-66

Методические указания

Эффективность регенератора как теплообменника оценивают степенью (или коэффициентом) регенерации, определяемой как отношение фактического повышения температуры воздуха в регенераторе к предельно возможному. Степень регенерации в значительной степени определяет и площадь поверхности регенератора. На практике степень регенерации в стационарных ГТУ ограничивают величиной 0,7÷0,8. С ростом степени регенерации заметно увеличивается кпд установки, а оптимальное значение давлений сжатия уменьшается.

При степени регенерации φ = 0,7 в газотурбинных установках может быть получена экономия топлива около 30%.

Вопросы для самоконтроля

1. Чем оценивают эффективность регенератора?

2. Как изменяется поверхность регенератора при стремлении степени регенерации к единице?

3. За счет чего можно уменьшить удельную поверхность регенератора?

4. Как изменяется кпд установки с ростом степени регенерации?

5. Зависит ли степень регенерации от конструкции регенератора?

РАЗДЕЛ 3 ОСЕВЫЕ ТУРБОМАШИНЫ

Тема 3.1 Общие сведения об осевых компрессорах.

Элементарная ступень осевого компрессора

Студент должен

Требования, предъявляемые к компрессорам газотурбинных установок. Схема многоступенчатого осевого компрессора. Основные уравнения, используемые при газодинамическом расчете компрессоров ГТУ.

Схема ступени осевого компрессора и кинематика потока в ней. Основные параметры элементарной ступени компрессора. Влияние радиальных и осевых зазоров на работу ступени. Особенности сверхзвуковых ступеней.

Литература: [2], стр. 8-22; 65-68; [3], стр. 25-30; [4], стр. 83-87;86-88

Методические указания

Из известных типов компрессоров – поршневых, ротационных и лопаточных – наибольшей экономичностью и компактностью отличаются лопаточные компрессоры, к которым относятся осевые и центробежные. Кпд крупных осевых компрессоров достигает 90-91% при умеренных окружных скоростях (порядка 200 м/с) и 87-88% при больших окружных скоростях (порядок 250-330 м/с).

Осевые компрессоры применяются, как правило, одно- и двухкаскадные с промежуточным охлаждением рабочего тела. Соотношение давлений в одном корпусе осевого компрессора стационарной ГТУ достигают 6-9 при числе ступеней в компрессоре 10-12.

В ГТУ средней и большей мощности (4000-16000 кВт) применяются только однокаскадные осевые компрессоры.

Простейший одноступенчатый компрессор имеет ротор, состоящий из вала, диска и рабочих лопаток. На внутренней поверхности корпуса компрессора располагаются направляющие лопатки. Решетку направляющих лопаток и следующую за ней рабочую решетку называют ступенью компрессора. Воздух засасывается в компрессор через входной патрубок. Каналы между направляющими и рабочими лопатками имеют такую форму, что скорость воздуха в них уменьшается, а давление растет. Чтобы производилась работа сжатия воздуха, от турбины отбирается значительная часть мощности, необходимой для вращения ротора компрессора.

Выхлопной патрубок (диффузор) служит для вывода воздуха из компрессора. Давление воздуха за диффузором значительно выше, чем во входном патрубке, и является наибольшим давлением в ГТУ.

Компрессоры, имеющие одну ступень, называют одноступенчатыми. Роторы осевых компрессоров стационарных ГТУ характеризуются большим разнообразием конструкций: цельнокованые, барабанные, барабанно-дисковые.

Крепления отдельных направляющих лопаток ступени осевых компрессоров является их крепление в Т - образный паз, проточенный в корпусе компрессора. Крепления рабочих лопаток – это их осевая заводка в пазы ротора по схеме «ласточкиного хвоста», цилиндра и сложного крепления. Роторы компрессоров опираются на опорные подшипники.

Изолированная ступень осевого компрессора состоит из входного направляющего аппарата (ВНА), рабочего колеса (РК) и направляющего аппарата (НА). С приведением во вращение РК воздух, проходящий через лопаточный венец, получает энергию в виде скорости в направлении вращения и в виде давления (решетка РК диффузорна, то есть представляет собой расширяющийся канал). Последующий НА превращает скоростной напор в давление и раскручивает поток. В последней ступени осевого компрессора спрямляющий аппарат раскручивает поток до осевого направления.

Для ступеней воздушного осевого компрессора, в которых скорость звука не достигается πст = 1,1÷1,3, а для сверхзвуковых ступеней πст = 1,6 ÷ 2

Одним из основных кинематических параметров ступени является окружная скорость на периферии. В любой реальной конструкции эта скорость ограничена прочностью ротора и рабочих лопаток. В ступенях стационарных осевых компрессоров Uн=200÷370 м/с

В зависимости от располагаемой окружной скорости ступень осевого компрессора можно выполнять с закруткой потока на входе в РК по вращению с чисто осевым входом и с закруткой против вращения. Ступени с закруткой по вращению наиболее распространены в компрессорах газоперекачивающих агрегатов.

В теории компрессоров пользуются понятием кинематическое степени реактивности ступени, пределы измерения которой от 0,5 до 1.

Средним диаметром в теории осевых компрессоров принято рассматривать такой, который делит кольцевую площадь на входе в РК на две равные части. Относительный диаметр втулки (втулочное отношение) для первых ступеней многоступенчатых компрессоров в стационарном газотурбостроении 0,5 ÷0,7. С повышением быстроходности компрессора втулочное отношение снижается. Осевые ступени характеризуются также удлинением лопаток РК и парусностью рабочих и направляющих лопаток. Парусность больше единицы, то есть увеличение хорды к периферии, используют для обеспечения оптимальной густоты решетки по всей высоте лопаток. Удлинения желательно иметь в пределах 3,5-4,5 для первых ступеней и не менее 1,5 для последних. Число лопаток зависит от диаметра ступени и хорды. Оптимальный относительный шаг для дозвуковых ступеней 0,8 ÷ 1, а относительная густота 1 ÷ 1,2.

Сверхзвуковые ступени применяют для повышения напорности ступеней, а также для пропуска большего расхода при заданной торцевой площади.

Вопросы для самоконтроля

1. Для чего служит компрессор?

2. Из каких элементов состоит простейший одноступенчатый компрессор?

3. Какие компрессоры называют многоступенчатыми?

4. Изобразите схему ступени осевого компрессора

5. Как устроен ротор компрессора?

6. Какова конструкция ротора?

7. Как производится крепление направляющих лопаток ступени компрессора и рабочих лопаток?

8. Из чего состоит ступень осевого компрессора?

9. Какова кинематика потока воздуха в ступени осевого компрессора?

10. Назовите основные кинематические параметры ступени

11. Дайте понятие кинематической степени реактивности ступени

12. Перечислите основные геометрические параметры ступени компрессора

13. От чего зависит число лопаток?

Тема 3.2 Многоступенчатые осевые компрессоры

Студент должен

Применяемые формы проточной части. Распределение параметров по ступени. Связь между параметрами ступени и всего компрессора.

Литература: [3], стр. 33-36; [4], стр. 83-88

Методические указания

Так как степень повышения давления ступени компрессора ограничена, а для ГТУ необходимы большие πк, то число ступеней в компрессоре Zст≤20. При этом πк = π1 π2... πz. В противоположность турбин кпд многоступенчатого компрессора ниже, чем кпд его отдельной ступени. Кпд отдельной ступени компрессора доходит до 0,94.

Наиболее распространены три типа проточных частей компрессора. Первый тип с постоянным наружным диаметром принят в транспортных ГТД. Для него характерно: рост напорности с увеличением номера ступени, минимальная масса по сравнению с другими типами, более крутое убывание высоты лопаток.

Для второго типа с постоянным корневым диаметром свойственна более высокая технологичность корневой части рабочих лопаток и всего хвостового соединения (цилиндр, а не конус), увеличенные высоты лопаток в последних ступенях по сравнению с первым типом и соответственно их кпд.

Третий тип с мало меняющимся средним диаметром применяют нередко для первой группы ступеней.

В многоступенчатых компрессорах важно изменение проекции абсолютной скорости вдоль проточной части. Целесообразно уменьшение последней от первой ступени к последней, что позволяет приблизится к более эффективным высотам лопаток.

Распределение работы сжатия между ступенями связано с типом проточной части, с втулочным отношением первых ступеней, типом ступеней и т.п.

Первые одну-две ступени компрессора часто выполняют с пониженной нагрузкой. Последние ступени не должны быть сильно нагружены. Поэтому, как правило, нагружают средние ступени.

Значительно большую нагрузку можно получить от второй группы ступеней, если выполнить осевой компрессор двух торцевым (двух каскадным) с приводом каждого ротора своей турбиной. Тогда для второго компрессора высокого давления (КВД) принимают большую частоту вращения, чем для первого, диаметры ступеней КВД снижают, втулочные отношения увеличивают, что повышает напор и кпд.

В двухвальном компрессоре при одинаковом с одновальным числом ступеней получают более высокие πк при повышенном кпд компрессора.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные типы проточной части компрессора

2. Что характерно для компрессора с постоянным наружным диаметром?

3. Что характерно для компрессора с постоянным корневым диаметром?

4. Почему первые одну-две ступени компрессора выполняют с пониженной нагрузкой?

5. За счет чего можно увеличить нагрузку компрессора?

Тема 3.3 Характеристики осевых компрессоров,

неустойчивые режимы работы ступени

Студент должен

Универсальная характеристика компрессора. Срывные и неустойчивые режимы работы ступени. Режимы работы ступени в нерегулируемом многоступенчатом компрессоре.

Практические занятия №2

Расчет основных размеров первой ступени осевого компрессора. Ориентировочное определение количества ступеней.

Практические занятия №3

Определение основных характеристик ГТУ в эксплутационных условиях.

Самостоятельная работа №4

Выполнение РГР №1 Расчет основных размеров ступени осевого компрессора

Самостоятельная работа №5

Выполнение РГР №2 Определение основных характеристик ГТУ в эксплутационных условиях

Литература: [2], стр. 70-71; [3], стр. 36-39; [4], стр. 89-93

Методические указания

Характеристикой осевого компрессора в целом принято считать зависимость соотношения давлений сжатия от расхода воздуха через компрессор при различной частоте и относительного внутреннего кпд.

Компрессоры проектируются так, чтобы кпд на расчетном режиме был наибольшим.

С уменьшением расхода воздуха при постоянной степени сжатия изменяются углы натекания потока на лопатки компрессора. При слишком большом изменении угла натекания поток отрывается от лопаток – возникает его «срыв», который захватывает сразу несколько лопаток. Наблюдаются также полные срывы потока, которые захватывают все лопатки. При этом работа может стать неустойчивой.

Если на каждой ступени сжатия определить расход, при котором режим работы компрессора становится неустойчивым, то на универсальной характеристике можно построить кривую, которая называется границей помпажа.

При неустойчивом режиме работы компрессора начинают резко изменяться давление и расход рабочего тела. Эти изменения происходят периодически, их частота определяется как характеристикой компрессора, так и особенностями сети, на которую он работает (трубопроводы, камера сгорания, газовая турбина), и они оказываются самоподдерживющимися ( так называемые автоколебания).

Автоколебательный процесс в тракте ГТУ, называемый помпажом, сопровождается характерным шумом. работа ГТУ в режиме помпажа недопустима даже кратковременно, так как это может привести к поломке лопаток компрессора, ухудшению работы камеры сгорания, нарушающему нормальную эксплуатацию ГТУ.

Чтобы вывести компрессор из помпажа, необходимо увеличить расход воздуха. Для этого служат противопомпажные клапаны, позволяющие сбрасывать воздух после компрессора в атмосферу или на его всас. В результате резко увеличивается расход воздуха через компрессор и он входит в режим устойчивой работы. Длительное время работать с открытыми противопомпажными клапанами нельзя, так как при этом резко уменьшается кпд ГТУ.

Для предупреждения помпажа используются поворотные направляющие лопатки, устанавливаемые перед первой ступенью компрессора, которые позволяют изменить расход воздуха через компрессор без срыва потока на рабочих лопатках.

Изменение кпд компрессора в зависимости от режима его работы происходит главным образом из-за возникновения на нерасчетных режимах положительных или отрицательных углов атаки на лопатках.

Под углом атаки понимается угол, образованный направлением входной скорости воздушного потока и направлением касательной к передней точке средней линии самой лопатки.

Вдоль тракта многоступенчатого компрессора площадь для прохода воздуха уменьшается в соответствии с изменением плотности и объемного расхода рабочего тела. Полное соответствие между площадями проходных сечений и объемным расходом воздуха по тракту может быть достигнуто на расчетном режиме. На нерасчетных режимах это соответствие нарушается, что приводит к нарушению углов атаки на лопатках.

При повышении числа оборотов напорность первых ступеней возрастает, объемный расход перед средними ступенями снижается, напор растет, а последние приближаются к границе устойчивой работы. При снижении числа оборотов падает напор всех ступеней, а первые приближаются к границе срыва.

Небольшое уменьшение расхода воздуха в первой ступени вызывает в соответствии с характеристикой компрессорной ступени увеличение ее напора, процесс нарастает от ступени к ступени и объемный расход резко уменьшается в хвостовых ступенях, они приближаются к границе устойчивой работы. При увеличении расхода процесс идет в обратном направлении.

Вопросы для самоконтроля

1. Что принято считать характеристикой осевого компрессора?

2. Каково значение характеристик осевого компрессора?

3. При каких условиях работа ступени станет неустойчивой?

4. Какой процесс в тракте ГТУ называют помпажом?

5. При каких условиях возникает помпаж?

6. Что называется углом атаки воздушного потока?

7. Почему недопустима работа компрессора в области помпажа?

8. Каковы режимы работы ступени в многоступенчатом компрессоре?

9. Почему приведенная характеристика носит название универсальной?

Тема 3.4 Основные геометрические, термодинамические и газодинамические

параметры ступени осевой турбины

Студент должен

Схема ступени осевой турбины с рабочими лопатками. Плоские решетки профилей лопаточных венцов турбинной ступени. Процесс расширения в ступени турбины в i-s диаграмме и соответствующие ему треугольники скоростей турбинной ступени. Основные уравнения для определения работы и кпд турбинной ступени. Основные газодинамические параметры осевой турбинной установки.

Литература: [3], стр. 42-47

Методические указания

Ступень осевой турбины состоит из соплового аппарата и рабочего колеса. К основным геометрическим характеристикам ступени относятся: средние диаметры на входе из соплового аппарата и рабочего колеса; корневые и наружные диаметры соплового аппарата и рабочего колеса; высота на выходе сопловых и рабочих лопаток; перекрыши корневые и наружные; установочные углы профилей; углы раскрытия сопловых и рабочих лопаток в корне и на наружной поверхности и т.д.

Главное исходное условие для получения высокого кпд турбинных ступеней – рациональный выбор втулочного отношения.

Важной геометрической характеристикой лопаточной решетки является относительный шаг или обратная ему величина – густота решетки. Ширина лопатки связана с ее высотой. Малый осевой зазор вызывает повышенное динамическое воздействие на рабочие лопатки от кромочных следов сопел. При большом зазоре поток заметно отклоняется к периферии. Задний осевой зазор принимают приблизительно в 1,5 раза больше переднего. Высота входной кромки рабочих лопаток должна быть больше высоты входной кромки сопел на значение перекрыш.

Если вращение рабочего колеса, глядя со стороны входа газа, происходит по часовой стрелке, лопатка считается правой, против часовой стрелки – левой.

К термодинамическим параметрам ступени относят степень понижения давления, работу расширения и кпд.

К газодинамическим параметрам осевой турбинной ступени относят работу на окружности, коэффициент расхода и характеристический коэффициент.

В результате прохождения через рабочее колесо поток в абсолютном движении меняет направление, а в турбине движется как бы по спирали. Окружная скорость на среднем диаметре в приводных газовых турбинах составляет 250-350 м/с, а в сильно нагруженных ступенях может достигать на периферии 400-450 м/с. Она ограничена прочностью ступени. Следует различать геометрические углы и поточные. Разницу между ними называют углом атаки. Угол атаки может быть как положительным, так и отрицательным.

Коэффициент расхода определяют отдельно для соплового и рабочего венцов, но часто используют и средний для ступени, который составляет 0,5-0,9, плавно возрастая от первой к последней ступени в отсеке. Он связан с удельной работой ступени, влияет на высоты лопаток, на потери в патрубке за последней ступенью отсека.

Характеристический коэффициент определяет направление выхода потока за рабочим колесом и достижимую работу в ступени. При отклонении характеристического коэффициента от оптимального значения затруднено использование выходной скорости в следующей ступени, а в последней ступени возрастают потери с выходной скоростью. Из оптимального значения характеристического коэффициента следует, что теплоперепад, который можно эффективно сработать в одной ступени, зависит от окружной скорости.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислить важнейшие геометрические характеристики ступени

2. Что является важной геометрической характеристикой лопаточной решетки?

3. При каком условии лопатка рабочего колеса считается правой, левой?

4. Что относят к термодинамическим параметрам ступени?

5. Что относят к газодинамическим параметрам осевой турбинной ступени?

6. Что определяет характеристический коэффициент?