Тема 2 Газотурбинные установки

Газотурбинная установка– машина, преобразующая тепловую энергию в механическую и состоящая из одного или нескольких компрессоров (чаще осевого типа), теплового устройства для нагрева рабочего тела, одной или нескольких турбин, системы регулирования и необходимого вспомогательного оборудования.

Основные узлы газотурбинного двигателя:

– осевой компрессор;

– камера сгорания;

– газовая турбина (турбина газогенератора и свободная турбина);

– рама двигателя;

– коробка приводов (на авиационных и судовых двигателях);

– теплозащитные экраны;

– трубопроводные коммуникации;

– электропроводка.

 

Основные системы газотурбинного двигателя:

– система смазки и суфлирования;

– система топливопитания

– система автоматического управления;

– система запуска;

– система отборов воздуха.

Принцип работы газотурбинной установки выглядит следующим образом:

Атмосферный воздух поступает в компрессор двигателя. В компрессоре происходит повышение давления и температуры воздуха. Осевая скорость потока несколько уменьшается. Часть воздуха из проточной части компрессора отбирается на технологические нужды двигателя, а также на нужды ГПА.

Из компрессора воздух поступает в камеру сгорания, где за счет непрерывного сгорания топливного газа, подводимого через форсунки, температура смеси продуктов сгорания и воздуха значительно возрастает. Часть воздуха в камере сгорания участвует в процессе горения, а часть идет на смешение с горячими газами, понижает их температуру до величины, обеспечивающей надежную работу деталей камеры сгорания и турбины. Скорость потока газа в камере сгорания, вследствие подвода тепла, увеличивается, а давление, из-за гидравлического сопротивления, несколько уменьшается.

Из камеры сгорания поток горячих газов поступает последовательно в турбину газогенератора и свободную турбину. В турбинах потенциальная тепловая энергия выходящего из камеры сгорания потока горячего газа преобразуется последовательно в кинетическую энергию и механическую работу вращения ротора газогенератора и ротора свободной турбины. Давление, температура газа и скорость потока в турбинах уменьшается. Мощность турбины газогенератора расходуется в основном на привод ротора газогенератора. Небольшая часть мощности турбины газогенератора используется для привода агрегатов на коробке приводов. Мощность турбины свободной расходуется на привод нагнетателя.

Из турбины свободной выхлопной газ поступает в выходное устройство ГТУ и далее в систему выхлопа.

Тепловая схема ГТУ и графики изменения температуры и давления показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 – Тепловая схема ГТУ

 

Для использования кинетической энергии газогенератора и свободной турбины в ГТУ применяются коробки приводов. На коробке приводов размещены приводные агрегаты, обеспечивающие работу систем двигателя (маслонасосы, суфлеры). Так же на коробке приводов устанавливаются пусковые двигатели.

В коробке приводов движение предается от роторов ГТУ с помощью зубчатых передач.

На рисунке 5 представлена кинематическая схема газотурбинного двигателя ПС-90ГП-2 с применением одной коробки приводов, соединенной с ротором газогенератора.

Рисунок 5 – Кинематическая схема двигателя ПС-90ГП-2

На рисунке обозначены: 1 – коробка приводов; 2 – центральный привод; 3 – вал шлицевой; 4– компрессор газогенератора; 5 – вал привода; 6 – турбина газогенератора; 7 – турбина свободная (силовая); 8 – трансмиссия; 9 – привод к блоку центробежных агрегатов (БЦА-94); 10 – привод прокрутки; 11 – привод стартера; 12 – запасный привод; 13 – привод к блоку маслонасосов.

Тема 3 Осевые к омпрессоры

Осевой компрессор – это лопаточная машина, предназначенная для сжатия атмосферного воздуха перед подачей его в камеру сгорания. Осевой компрессор приводится во вращение газовой турбиной.

На рисунке 6 показана принципиальная схема многоступенчатого осевого компрессора. Обозначениями на схеме показаны: 1 – входной патрубок, 2 – концевые уплотнение, 3 – опоры ротора, 4 входной направляющий аппарат, 5 – рабочие лопатки, 6 – направляющие лопатки, 7 – корпус, 8 – спрямляющий аппарат, 9 – диффузор, 10 – выходной патрубок, 11 – ротор.

 

Рисунок 6 – Принципиальная схема многоступенчатого ОК

Осевой компрессор состоит из следующих основных узлов:

Статор ОК, который так же является его корпусом. В проточной части статора установлены направляющие лопатки, которые служат для изменения величины и направления скорости потока воздуха. Так же в статорной части устанавливаются опоры ротора.

Ротор с закрепленными на нем рабочими лопатками, которые лопатки служат для сообщения энергии потоку воздуха. Ротор ОК соединен с ротором турбины. Совокупность одного ряда рабочих лопаток и одного направляющих лопаток аппарата называется ступенью осевого компрессора, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7 – Ступень осевого компрессора.

 

При прохождении воздушного потока через рабочее колесо ОК возрастает давление, температура и абсолютная скорость, так как рабочее колесо вращается, и межлопаточный канал имеет диффузорную форму. При прохождении через сопловой аппарат давление и температура продолжают расти, но абсолютная скорость падает, так как сопловой аппарат статичен и тоже имеет диффузорную форму. На рисунке 8 показаны графики изменения давления, температуры и абсолютной скорости потока воздуха при прохождении через ступень ОК.

Рисунок 8 – Графики изменения давления, температуры и абсолютной скорости воздушного потока

Пространство между соседними лопатками называется межлопаточным каналом. Межлопаточный канал, как между рабочими лопатками, так и между направляющими является диффузорным, то есть расширяющимся.

Для исключения перетекания воздуха из проточной части ОК в подшипниковые полости, а так же исключения проникновения масляных паров из подшипников в проточную часть, устанавливаются концевые уплотнения. В основном в газотурбинных двигателях на осевых компрессорах применяют лабиринтные уплотнения.

В качестве опор ротора ОК применяются подшипники качения или подшипники скольжения. Подшипники скольжения применяются для тяжелых роторов ГТУ, применяемых в стационарных ГПА. Подшипники качения применяются для более легких роторов авиационных и судовых двигателей.

Довольно высокая степень газодинамической инертности осевых компрессоров является причиной того, что компрессор относительно медленно набирает обороты, обладает низкой приемистостью. Так как осевые компрессоры приводятся в движение турбинами, которые, в свою очередь весьма долго снижают свои обороты, смена режимов работы таких турбокомпрессоров занимает довольно длительный промежуток времени. Решением данной проблемы стало разделение компрессоров на каскады: компрессор низкого давления со своей отдельной турбиной устанавливается на валу, пропущенном через полый вал следующего за ним компрессора высокого давления и его турбины. Возможно так же разделение на три каскада: компрессор низкого давления, компрессор среднего давления, компрессор высокого давления.

Данное решение улучшило работу компрессоров на переходных режимах, а также повысило их газодинамическую устойчивость. Другим средством повышения газодинамической устойчивости ОК стало применение поворачивающихся направляющих аппаратов для изменения угла входа потока в рабочее колесо в зависимости от режима работы двигателя

На рисунке 9 и представлен однокаскадный газотурбинный двигатель ПС-90ГП-2 применяемый в ГПА-16 «Урал».

На рисунке обозначены: 1 – входное устройство; 2 – входной корпус компрессора с центральным приводом; 3 – компрессор газогенератора; 4– камера сгорания; 5 – турбина газогенератора; 6 – турбина свободная (силовая); 7 – задняя опора; 8 – вал отбора мощности; 9 – коробка приводов; 10 – стартер.

 

Рисунок 9 – Газотурбинный двигатель ПС-90ГП-2

На рисунке 10 представлен двухкаскадный газотурбинный двигатель ДГ90Л2.1 применяемый в ГПА-Ц1-16С, ГПА-Ц1-16РС, ГПА-16 «Волга», ГПА-16ДГ «Урал»

 

Рисунок 10 – Газотурбинный двигатель ДГ90Л2.1

На рисунке обозначены: 1 – входной направляющий аппарат; 2 – компрессор низкого давления; 3 – компрессор высокого давления; 4 – камера сгорания; 5 – турбина высокого давления; 6 – турбина высокого давления; 7 – свободная (силовая) турбина; 8 – рама; 9 – выносная коробка приводов; 10 – нижняя коробка приводов

На рисунке 11 показан трехкаскадный газотурбинный двигатель НК-36СТ применяемый в ГПА-Ц-25БД, ГПА-Ц-25НК, ГПА «Нева-25НК-Р».

 

Рисунок 11 – Газотурбинный двигатель НК-36СТ

 

Межлопаточные каналы (профиль и угол установки лопаток) всех ступеней компрессора профилируются исходя из расчетного режима (номинального режима).

При пуске на низких частотах вращения малый расход воздуха приводит к уменьшению осевой скорости и разрыву потока, что и вызывает появление срывов на первых ступенях компрессора. При этом последние ступени могут работать в турбинном режиме или в режиме запирания. Такое явление называется помпажем осевого компрессора.

Помпаж характеризуется нерасчетными знакопеременными нагрузками на все узлы и детали компрессора вплоть до их разрушения.

Внешние проявления помпажа: нехарактерный гул; повышенная вибрация; хлопки удары; обратный выброс воздуха на вход.

Для предотвращения явления помпажа осевого компрессора существует противопомпажная механизация, которая в себя включает установку на корпусе ОК клапанов перепуска воздуха и управляемых лопаток ВНА и НА первых ступеней. Сброс воздуха через открытые КПВ, установленные в средней части компрессора, позволяет одновременно увеличить расход воздуха через первые ступени и уменьшить через последние, приблизив режимы их работы к расчетным. Места установки, количество и проходные сечения КПВ рассчитываются для каждого двигателя индивидуально.

На рисунке 12 показана газодинамическая схема газотурбинного двигателя НК-14СТ с перепуском воздуха из средней части корпуса ОК через КПВ.

 

Рисунок 12 – Газотурбинный двигатель НК-14СТ

На рисунке обозначены: 1 – перепуск воздуха из компрессора; 2 – отбор воздуха на нужды ГПА; 3 – отбор воздуха на эжектор для охлаждения; 4 – подвод воздуха от эжектора.

Так же для борьбы с помпажем применяется рассмотренный выше способ разделения осевого компрессора на два или более каскада, вращающихся независимо друг от друга с различными скоростями вращения.