Газотурбінна установка

Розглянемо усталений  рух робочого тіла в каналі, що рівномірно обертається навколо осі 0-0 (рисунок 4.5).                                       

Зв’язок між моментом кількості  руху і моментом зовнішніх сил  у диференціальній формі   

                        ,                                       (4.8)

де m – маса тіла; r – радіус центра ваги тіла відносно осі обертання ; c_u – тангенціальна складова абсолютної швидкості тіла (проекція абсолютної швидкості на напрям, перпендикулярний радіусу в площині обертання).

Представимо похідну в  правій частині (4.8) через параметри  потоку. Для цього розглянемо ділянку  струмини між перерізами 1 і 2. Рідина (робоче тіло) рухається вздовж осі  струмини і разом із струминою  обертається відносно нерухомої  осі 0-0. У початковий момент часу t = 0 рідина знаходиться між перерізами 1-2. Через малий проміжок  часу Dt струмина обернеться довкола осі на деякий кут, а рідина переміститься вздовж осі струмини в положення .

Рисунок  4.5 - Ділянка елементарної струмини

 

Для визначення зміни моменту  кількості руху обчислимо різницю  кількості руху в другому і  першому положенні виділеної  маси рідини.

У початковий момент (t = 0)

                

      M_крІ ,                            (4.9)

 

де Dm₁r₁c_1U – момент кількості руху елементарної маси Dm₁ (між перерізами );

 - сумарний момент кількості руху елементарних мас між перерізами .

У наступний момент часу (t = Dt)

     

        M_крІІ ,                        (4.10)

 

Різниця кількості руху при  усталеному русі :

    

           

                                                                                      

                                                                                         (4.11)

 

У (4.11) враховано , що при усталеному русі    

і сума    незмінна в часі .

 

Похідну від моменту кількості  руху по часі можна записати в  такій  формі :

 

        ,           (4.12)

 

 

Враховуючи, що  ( секундна масова витрата ) , одержимо друге рівняння Ейлера

 

 

                 М = М_сек(r₂c_2u – r₁c_2u) ,                                (4.13)

 

де добуток  М_секrc_u  являє собою секундний момент кількості руху.

Стосовно турбін і компресорів  рівняння (4.13) визначає момент на лопатках робочих коліс , де  r₁  i  r₂   радіуси відповідно вхідного і вихідного перерізів ( рисунок 4.5) , с_1u i c_2u  - тангенціальні складові абсолютної швидкості робочого тіла відповідно на вході і виході проточної частини турбомашини. Із формули (4.13) виходить, що за умови r₂c_2u > r₁c_1u момент на лопатках додатній (М > 0) , а за умови r₂c_2u < r₁c₁ момент на лопатках буде від’ємним (M<0). Перша умова відповідає процесу в компресорі , друга – процесу в турбіні. Для осьових машин ( і турбін, і компресорів )  r₁ = r₂  і рівняння кількості руху  спрощується

 

             М = М_сек·r·( c_2u – c_1u ) .                             ( 4.14 )

 

Потужність турбомашини ( з відповідним знаком ) виз- начається відомою з теоретичної механіки залежністю :

 

                                    N = M·w ,                            ( 4.15 )

 

де  w  -  кутова щвидкість ( 1/сек) ;  М – момент на валу турбомашини ( н×м ) .

Враховуючи , що r₂w = u₂  i   r₁w = u₁    ( u – колова шви- дкість в м/с ) , з (4.14) і (4.15)  одержимо

 

                        N = M_сек(u₂c_2u – u₁c_1u) .                   ( 4.16 )

 

Абсолютне значення питомої  робота на лопатках турбомашини 

 

            l = N/M_сек = u₂c_2u – u₁c_1u  ,                                   ( 4.17 )

для компресора

 

l = N/M_сек = u₁c_1u – u₂c_{2u  ,}                                         ( 4.18) 

для турбіни          

 

За допомогою другого рівняння Ейлера можна визначити сили , що діють на робочі або соплові ( направляючі ) лопатки турбіни і компресора .

 

Позначимо  F_U  проекцію сили , що діє на лопатку в

 

 

напрямі осі  “U” ( рисунок 4.6 ) . Момент на лопатках для ступеня

 

                     M=F_urz ,                                               ( 4.19)

 

де r  -  середній радіус  ,  z -  кількість лопаток .

 

Із врахуванням ( 4.14 )  маємо :

 

                  , звідки

            .                                       ( 4.20)

 

          

Cила , що діє вздовж осі вала ( проекція сили F на вісь z ), 

 

     ,                         ( 4.21 )

 

де другий член рівняння враховує додаткову силу , що діє  на робочі лопатки в реактивному  ступені завдяки перепаду  тиску  з обох боків робочої решітки. Розглянемо газодинамічні процеси, що мають місце в ступені осьового компресора. Направляючі і робочі лопатки осьових компресорів виготовляються , як правило , закручени-

 

  Рисунок 4.6 - Турбінна решітка

 ми з метою одержання  більш високих ККД ступеня  . Теплоперепади ( питомі роботи ) між каналами робочих і направляючих лопаток розподіляються в залежності від прийнятого ступеня реактивності “r”, що визначається відношенням:

                                   ,                               ( 4.22)

де h₀₂ – теплоперепад на  робочих лопатках , дж/кг ; H_t – повний теплоперепад ступеня , дж/кг .

Якщо ступінь реактивності дорівнює 0.5 ( 50 % ), то напір, що створюється  в  каналах робочих лопаток, дорівнює напору, що створюється в каналах  направляючих лопаток (рисунок 4.7). Профілі  лопаток, як і трикутники швидкостей в цьому випадку симетричні.

Обертальний момент вінця  робочих лопаток, споживана потужність і питома робота стиснення 1 кг повітря  визначаються відповідно залежностями (4.13), (4.15), (4.16). Сили, що діють на лопатки  осьового компресора, визначаються рівняннями (4.18), (4.19).

 

 

 

 

5 Основні елементи  газотурбінних установок                   

   Газові турбіни

 

Основним елементом конструкції  газотурбінної установки є двигун, власне газова турбіна, в якій потенціальна енергія робочого тіла перетворюється в механічну енергію обертання  ротора. Призначення газової турбіни  – привод

 

1-камера підведення  повітря, 2,6-канали для підведення  охолоджуючого повітря, 3-внутрішній  корпус, 4-зовнішній корпус, 5-ізоляція, 7-відцентрове колесо, 8-направляючі  лопатки, робочі лопатки. 

Рисунок  5.1 -  Турбіни високого і низького тиску

 

осьового компресора і  нагнітача (на компресорних станціях магістральних  газопроводів). Парк газотурбінних  установок , що знаходяться в експлуатації , складається в основному з  двовальних ГТУ. Такі установки мають дві окремі газові турбіни, що розташовані співвісно в загальному корпусі. Перша турбіна за ходом робочого тіла ( турбіна високого тиску, скорочено ТВТ ) приводить в дію осьовий компресор ,  друга ( турбіна низького тиску, скорочено ТНТ ) приводить в дію нагнітач. В сучасних ГТУ обидві турбіни в основному одноступінчасті. В останні роки для приводу нагнітачів на компресорних станціях України застосовуються тривальні ГТУ з двома осьовими компресорами без проміжного охолодження.  У подібних установках є три механічно між собою не зв’язані турбіни – дві компресорні і одна силова .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 5.2 - Загальний вигляд реактивної лопатки

 

 

Основні елементи газової  турбіни на прикладі двовальної ГТУ показані на рисунку 5.1.

Для газових турбін стаціонарних ГТУ , що працюють зазвичай при температурах до 1000 ⁰C і тисках до 1 – 1,5 МПа, характерна наявність двох корпусів – зовнішнього 1 і внутрішнього 2. Зовнішній, товстостінний, розрахований на робочий тиск, забезпечує міцність і жорсткість турбіни; внутрішній, тонкостінний, виготовлений з жаростійкої сталі, забезпечує напрям руху робочого тіла в проточній частині турбіни. Між зовнішнім і внутрішнім корпусами прокладена теплова ізоляція 5, що захищає зовнішній корпус від дії високої температури. Кріплення внутрішнього корпуса забезпечує його вільне теплове розширення без деформації форми і виникнення теплових напружень. Вільне теплове розширення зовнішнього корпуса забезпечується особливостями його конструкції. Зокрема, корпус має горизонтальне рознімання, жорстко кріпиться в зоні максимальної температури ( це так званий фікспункт ) і спирається на поздовжні і поперечні направляючі шпонки.

У проточній частині турбіни  розташовані направляючі 8 і робочі 9 лопатки. Останні працюють у найбільш складних умовах – умовах високих  температур і значних статичних  і динамічних напружень. Матеріал лопаток повинен мати високу міцність при високих температурах. Переважно це жаростійкі нікелєві і хромисті сплави з границями довгочасної міцності  при робочих температурах від 200 МПа до 300 МПа

 Важливе значення для  надійності роботи турбіни має  раціональне кріплення робочих  лопаток. Хвостова частина робочих  лопаток виконується, як правило,  в формі ялинкової конструкції,  що дозволяє лопаткам самоустановлюватися при запуску і роботі турбіни , сприймати великі навантаження. Така конструкція полегшує заміну лопаток при ремонті . З метою рівномірного обтікання  лопаток робочим тілом їх виготовляють закрученими по висоті  (рисунок 5.2). При високих робочих температурах ( більше 800 ⁰С ) робочі лопатки виготовляють порожнистими з внутрішнім охолодженням потоком повітря.         

 

Направляючі ( соплові ) лопатки 1 ( рисунок 5.3) найчас- тіше мають Т-подібні хвости , що набираються в сегментах обойм із зазором від 0.1 мм до 0.2 мм . Кінцеві (крайні) лопатки стопоряться штифтами 2 . У деяких турбінах застосовуються лопатки з нарізним хвостовиком.

         Для розширення можливостей керування  режимами ГТУ перспективу мають  регульовані соплові апарати  з поворотни-ми лопатками. Соплові лопатки перших ступенів працюють в умовах високотемпературних газових потоків, тому їх вигото- вляють порожнистими з повітряним охолодженням. У зв’язку з високими перепадами тиску і максимальним температурним напруженням сопловий апарат перших ступенів виготовляє- ться з двома опорами. На наступних ступенях соплові лопатки кріпляться консольно ( що на відміну від двоопорних лопаток забезпечує свободу термічних розширень ).

 

1 – направляючі  ( соплові) лопатки, 2- штифти.

 

Рисунок 5.3  Кріплення направляючих лопаток

 

 

Сучасна газова турбіна має  складну систему охолодження  обойм , лопаток і дисків. Метою  систем охолодження газових турбін є зниження температури вузлів і  деталей до рівня, що забезпечує їх надійну роботу і дозволяє використовувати  менш дорогі і дефіцитні матеріали. Слід відмітити , що витрати на розробку ефективних систем охолодження турбін значно менші, ніж витрати на створення  нових більш жаростійких матеріалів. За способом руху охолоджувача системи  охолодження діляться на замкнуті і  відкриті. У перших охолоджувач ( вода , рідкі метали та інші ) циркулює по замкнутому контуру і охолоджується в спеціальному теплообміннику. Ці системи ефективні, але складні і дорогі. У системах другого типу охолоджувач є складовою частиною робочого тіла . На компресорних станціях магістральних газопроводів застосовується охолодження повітрям, що відбирається з проміжних ступенів або у після останнього ступеня осьового компресора і надходить   проточну частину газової турбіни і частково у вузли масляної системи. Перевагою систем другого типу є надійність і простота. ГТУ, що експлуатуються зараз на компресорних станціях , можна поділити на три групи : 1) ГТУ, в яких охолоджується тільки елементи ротора і статора. Лопатки турбіни охолодження не мають. Температура робочого тіла не перевищує 750 – 800 ⁰С. Це такі газотурбінні установки як ГТК-5 , ГТ-6-750 , ГТ-750-6 ,  ГТК-10 та інші. 2) ГТУ в яких охолоджується сопловий апарат першого ступеня з максимальними температурами робочого тіла 800-950 ⁰С. До таких установок відносяться ГТК-16, НК-12СТ, ДР59Л , ГТК-10І , ГТК-25І; 3) ГТУ, в яких охолоджуються робочі лопатки і сопловий апарат. Максимальні температури робочого тіла турбін цієї групи 1000-1150 ⁰С. До них відносяться ГТН-25 ТМЗ ,      “ Коберра –182 “

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
6. Принципові схеми газотурбінних установок

 

Зображення 1 - Схема ГТУ з одновальним ГТД простого циклу 
1 - компресор; 2 - камера згорання; 3 - турбіна; 4 - нагнітач

 

 

Зображення 2 - Схема ГТУ з одновальним ГТД регенеративного циклу 
1 - регенератор або рекуператор; 2 - камера згоряння; 3 - компресор; 
4 - турбіна; 5 - нагнітач

 

 

Зображення 3 - Схема ГТУ з багатовальним ГТД простого циклу 
з вільною силовою турбіною