Лекция Основы теории и конструкции ГПА

Тема 1 Камеры сгорания

Камера сгорания – устройство, предназначенное для преобразования химической энергии топлива в тепловую энергию рабочего тела путем организации эффективного сгорания топлива в потоке сжатого воздуха.

В ГТУ применяются выносные, кольцевые, трубчато-кольцевые, секционные камеры сгорания.

Выносные камеры сгорания располагаются перпендикулярно или параллельно продольной оси ГТУ, их легче компоновать, обслуживать и ремонтировать. Наличие длинных газоходов между камерой сгорания и газовой турбиной улучшает перемешивание продуктов сгорания с воздухом. Одновременно увеличиваются потери напора, масса и габаритные размеры установки. В последнее время российские и зарубежные производители энергетических ГТУ отказываются от использования выносных камер сгорания.

На рисунке 13 показана газотурбинная установка ГТК-10-4 с выносной камерой сгорания.

Рисунок 13 – Газотурбинная установка ГТК-10-4 с выносной камерой сгорания

На рисунке обозначены: 1 – воздухоподогреватель, 2 – воздушный фильтр, 3 – компрессор, 4 – турбина, 5 – камера сгорания.

 

 

Кольцевая камера сгорания отличается компактностью и легкостью конструкции и располагается между осевым компрессором и газовой турбиной вокруг вала ГТУ. Ее рабочий объем представляет собой сплошное кольцевое пространство между внутренними и наружными обечайками пламенных труб. Число форсунок выбирается таким, чтобы фронт пламени полностью заполнял сечение кольцевого пространства пламенной трубы.

В трубчато-кольцевой камере сгорания внутренний и наружный корпусы, как и в кольцевой – общие. Потоки газов, выходящие из пламенных труб объединяются в кольцевом газосборнике непосредственно перед сопловым аппаратом камеры сгорания. Число пламенных труб выбирают в зависимости от сечения передней части газовой турбины в пределах от 6 до 12. Пламенные (жаровые) трубы соединены между собой патрубками для переброски пламени этих труб. При пуске ГТУ переброской пламени от горящего факела пусковых горелок обеспечивается воспламенение топлива во всех пламенных трубах. Эти же патрубки способствуют восстановлению горения при срыве факела в одной из пламенных труб и выравниванию давления газов в них

Секционная камера сгорания состоит из отдельных блоков пламенных труб со своими корпусами и переходниками, подводящими газы к сопловому аппарату газовой турбины. Работа каждого блока автономна, но имеются патрубки для переброски пламени. Число форсунок в каждой секции зависит от габаритных размеров пламенной трубы и ее конструкции.

На рисунке 14 показаны схемы кольцевой, трубчато-кольцевой и секционной камер сгорания.

 

Рисунок 14 – Схемы кольцевой, трубчато-кольцевой и секционной
камер сгорания

На рисунке обозначены: а – кольцевая камера сгорания, б – трубчато-кольцевая камера сгорания, в – секционная камера сгорания.

 

В существующих ГТУ коэффициент избытка воздуха составляет 4-5 единиц, в зависимости от уровня допустимой температуры перед турбиной.

Таким образом, в процессе горения должен участвовать далеко не весь воздух, а лишь необходимая его часть (коэффициент избытка воздуха
a=1,1–1,2). Поэтому во всех камерах сгорания используется принцип двухзонности: подвод тепла к рабочему телу путем локализации зоны горения с последующим смешиванием раскаленных газов со вторичным воздухом. На всех режимах работы двигателя обеспечивается a=1,1–1,2, чем создаются благоприятные условия для быстрого, устойчивого и полного сгорания топлива.

Поступающий из компрессора воздух распределяется следующим образом:

«Первичный воздух» (25—30) % через завихрители и стабилизаторы пламени подается в зону горения.

«Вторичный воздух» (50—60) % – через отверстия смесителя для перемешивания с «первичным воздухом» и создания приемлемого поля температур газового потока;

Оставшийся воздух (10—25) % подается на пленочное охлаждение стенок жаровых труб (через щелевые или «терочные» отверстия).

На рисунке 15 показан принцип двухзонности горения.

 

 

Рисунок 15 – Принцип двухзонности горения

Тема 2 Газовые турбины

Газовая турбина – это лопаточная машина, в которой потенциальная энергия сжатого и подогретого газа преобразуется в механическую работу на валу ротора.

Газовая турбина состоит из двух основных элементов: соплового аппарата с направляющими лопатками; вращающегося рабочего колеса с рабочими лопатками.

Принцип работы газовой турбины: если направить газовую струю (рабочее тело) из сопла, на лопатки, насаженные на диск, то диск начнет вращаться под действием струи. При обтекании газом (рабочим телом) лопаток рабочего колеса, вследствие несимметричности профилей, с обеих сторон лопатки образуются разные давления. На выгнутой части из-за притормаживания потока возникает повышенное давление; на выпуклой части вследствие срыва потока – пониженное давление. Возникает активная сила, действующая на лопатку с вогнутой стороны, которая заставляет лопатку и рабочее колесо перемещаться по окружности и совершать работу.

Совокупность каналов, образуемых направляющими и рабочими лопатками, называют проточной частью турбины. Смежные (рядом стоящие) ряды сопел и рабочих лопаток образуют одну ступень давления. Турбина, состоящая из одного ряда сопловых лопаток и одного ряда рабочих лопаток, называется одноступенчатой.

Турбины, в которых поток газа движется параллельно валу, называют аксиальными, а турбины, в которых поток движется перпендикулярно к валу радиальными.

Активная турбина. Лопатки активной турбины построены так, что образующийся между двумя лопатками канал от входа к выходу не изменяется. В сопловом аппарате канал между лопатками сужается. При постоянно расходе газа за счет сужения канала в пределах сопла скорость потока возрастает, а давление уменьшается. Следовательно, в пределах сопла потенциальная энергия потока газа частично превращается в кинетическую энергию.

При выходе из сопла поток газа попадает на рабочие лопатки под таким углом наклона, который обеспечивает плавное скольжение потока в межлопаточных каналах. При движении потока вдоль изогнутого контура рабочих лопаток возникают элементарные силы, результирующая которых представляет собой усилие, вращающее лопатки, т.е. механическую работу. Механическая работа потока газа на лопатках определяется только вращающим усилием и частотой вращения.

При вращательном движении рабочих лопаток скорость газ при выходе из них меньше скорости на входе. Это означает, что на рабочих лопатках происходит второе превращение энергии – кинетическая энергия потока газа частично переходит с механическую энергию вращения лопаток. Чем больше энергия газа, поступающего в рабочее колесо, и чем она меньше при выходе газа из колеса, тем большую работу газ произведет на турбине.

Принципиальная схема активной турбины и графики изменения скоростей и давлений показаны на рисунке 16.

 

Рисунок 16 – Принципиальная схема активной турбины и графики
изменения скоростей и давлений

Реактивная турбина. В реальных ГТУ, эксплуатируемых на КС, используют в основном комбинированные ступени, т.е. ступени с определенной степенью реакции. Поток газа воздействует на рабочие лопатки реактивной турбины не только по причине изменения скорости, приобретенной в соплах (активное усилие), но также и вследствие реакции потока. Это воздействие в них при уменьшении давления и увеличении за счет этого относительной скорости (реактивное усилие). Лопатки реактивной турбины построены так, что образующийся между двумя лопатками канал от входа к выходу сужается (канал имеет конфузорность). В каналах турбины происходит дальнейшее расширение газа и возрастание скорости потока. Кроме усилия, которое здесь, как и в активной турбине, возникает от изменения

Принципиальная схема реактивной турбины и графики изменения скоростей и давлений показаны на рисунке 17.

 

Рисунок 17 – Принципиальная схема реактивной турбины и графики
изменения скоростей и давлений

 

Газовая турбина состоит из следующих обязательных элементов:

– одной или нескольких турбин, приводящих во вращение один или несколько осевых компрессоров (для обозначения таких турбин применяется термин «турбина газогенератора»);

– свободной (силовой) турбины, приводящей во вращение ротор нагнетателя.

Между всеми турбинами существует только газодинамическая связь.