ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 291
Скачиваний: 2
они изготовляются из жаропрочных сталей и сплавов, которые обла дают, как правило, плохой теплопроводностью. Поэтому в настоящее время все больше уделяется внимания способам непосредствен ного охлаждения лопаток воздухом или водой. Однако существую щие сейчас способы являются сложными в конструктивном и техно логическом исполнении, они недостаточно надежны в работе и заметно удорожают турбину. А все это в итоге тормозит их распространение в практике отечественного и зарубежного газотурбостроения.
При внутреннем охлаждении лопаток воздухом последний подво дится через полый вал к ободу ротора. Затем он пропускается через специально выполненные в теле лопатки продольные отверстия (см. рис. 2-17, а), после чего удаляется в проточную часть турбины, где смешивается с потоком газа. Форма и число охлаждающих отверстий бывают в лопатках различными.
Часто для пропуска охлаждающего воздуха сами лопатки изго товляются полыми (см. рис. 2-17, б). Внутрь таких полых лопаток 1 вставляются дефлекторы (вставки) 2, с помощью которых достигается более равномерное поле температур по профилю, а также обтекание охлаждаемой поверхности воздухом с большей скоростью. За счет этого повышается коэффициент теплоотдачи и в конечном счете сокра щается расход охлаждающего воздуха.
В том случае, если лопатки охлаждаются водой, она обычно по одним каналам пропускается вдоль всей лопатки до конца ее, а по другим возвращается назад и затем отводится в систему охлаждения. С помощью насоса обеспечивается непрерывная циркуляция воды в замкнутой системе охлаждения. Обладая значительно большой эф фективностью, по сравнению с охлаждением воздухом, водяное ох лаждение лопаток тем не менее до сих пор не вышло из стадии экспе риментальных исследований. Причиной тому является его гораздо большая сложность, недостаточная надежность в эксплуатации, по требность в дистиллированной воде. Кроме того, при охлаждении водой температурное поле по профилю лопатки получается более не равномерным, в результате чего в теле лопатки могут быть значитель ные по величине термические напряжения.
Более надежным в работе и в то же время не требующим специаль ной замкнутой системы является термосифонное охлаждение лопаток (см. рис. 2-17, в). Внутренняя полость лопаток / в этом случае делает ся герметичной и заполняется жидкостью 2, являющейся хорошим теплоносителем (водой, жидким сплавом натрия с калием и т. д.). При работе турбины в результате действия центробежных сил и раз ности температур возникает интенсивная естественная циркуляция жидкости в полости лопатки. Более холодные частицы жидкости, имею щие больший удельный вес, отбрасываются центробежными силами к вершине лопатки, а нагретые частицы перемещаются к хвостовику 3. Для увеличения поверхности отвода тепла хвостовик 3 каждой ло патки оканчивается индивидуальным радиатором 4, который охлаж дается обычно воздухом. Основным недостатком термосифонного ох лаждения лопаток являются трудности, связанные с отводом большого количества тепла от радиаторов.
194
§ 2-12. Камеры сгорания |
|
|
|
Камера сгорания |
является одним из |
основных элементов ГТУ, |
|
в ней осуществляется |
нагрев рабочего тела до заданной |
температуры |
|
за счет сжигания топлива в потоке сжатого воздуха. |
|
||
К камерам сгорания предъявляются |
следующие |
требования: |
1) в них должно происходить устойчивое-горение топлива на всех режимах работы ГТУ, без срывов, опасных пульсаций и затухания пламени; 2) поле температур в газовом потоке перед турбиной долж
но |
быть достаточно равномерным |
во избежание местных перегревов |
и |
повреждений сопел и лопаток; |
3) для увеличения срока службы |
они должны иметь надежное охлаждение, особенно наиболее нагре
тых частей; 4) высокая экономичность на |
всех режимах |
работы |
||
ГТУ; 5) возможно меньшее |
гидравлическое |
сопротивление; |
6) на |
|
дежный запуск; |
7) по конструкции они должны быть удобными и |
|||
безопасными в |
эксплуатации, |
технологичными и недорогими |
в изго |
|
товлении; 8) камеры сгорания |
транспортных |
ГТУ, кроме того, долж |
||
ны иметь еще возможно меньший вес и габариты. |
|
|||
Камеры сгорания современных ГТУ работают на газообразном |
||||
топливе (в основном это природные газы) и на различных |
сортах |
жидкого топлива: газойле, керосине, дизельном топливе, соляровом масле и т. д. Использование тяжелых сортов жидкого топлива (мазу тов) сопряжено с целым рядом значительных трудностей и в на стоящее время находится в основном в стадии освоения. Вопрос этот усложняется еще тем, что в мазутах часто содержатся вредные приме си — ванадий, сера и натрий, которые способны вызывать коррозию и загрязнение зольными отложениями проточной части турбин, реге нераторов и самих камер сгорания. Причем ванадиевая коррозия осо бенно резко усиливается при увеличении температуры газа перед турбиной свыше 920 К [7].
Проблема сжигания в камерах сгорания твердого топлива пока не решена, но в этом направлении ведутся исследовательские работы.
Камеры сгорания характеризуются следующими основными пока
зателями. |
|
|
1. Тепловая |
производительность камеры, кВт, |
|
|
QK = BQP, |
(2-64) |
где В — расход |
сжигаемого топлива, кг/с; QE — низшая |
теплота |
сгорания топлива, кДж/кг.
2. Объемная теплонапряженность q, кВт/м3 , характеризует ком пактность камеры, а з начит, и эффективность использования ее объема:
Я = QJVK = BQPJVK, |
(2-65) |
где VK — объем камеры сгорания, м3 ; принимается обычно равным объему пламенной (жаровой) трубы.
С повышением давления в камере производительность и теплона пряженность ее увеличиваются, так как при этом возрастают весовой расход воздуха через камеру, а следовательно, и расход сжигаемого
7* |
195 |
топлива. Поэтому при оценке камер сгорания их объемную теплонапряженность обычно берут относительно к величине давления в каме ре, т. е.
q = BQllVKpB, |
(2-66) |
здесь р в — давление на входе в камеру, бар.
Потери энергии в камере сгорания состоят из тепловых потерь и потерь давления.
3. Все тепловые потери учитываются с помощью теплового к.п.д.
камеры сгорания |
|
|
% . с |
= 1 - (QH.C + Q0H.)/(5QS), |
(2-67) |
где QH - C — потери тепла от неполного сгорания топлива |
(химический |
|
и физический недожог). У современных камер сгорания |
эти потери |
|
не должны превышать |
1-4-5% от общего расхода тепла |
при работе |
на всем диапазоне рабочих нагрузок и 1-4-3% — при работе на рас четной нагрузке; Q0XJI — потери за счет отдачи тепла в окружающее пространство нагретой поверхностью камеры и примыкающих к ней трубопроводов. Эти потери обычно бывают не более 0,5% от расхода тепла.
В существующих камерах сгорания величина теплового к.п.д.
при |
работе на расчетном |
режиме -%.с = |
0,97-4-0,99. |
|
|
|||||
4. Полные потери давления в камере сгорания складываются из |
||||||||||
двух составляющих: а) из гидравлических потерь, |
которые |
возника |
||||||||
ют |
без |
подвода тепла |
в |
камере |
в |
результате |
потерь |
на тре |
||
ние при прохождении |
газового |
потока, и местных |
сопротивлений от |
|||||||
воздухонаправляющих |
ребер, завихрителей и т.д. Эти потери |
опреде |
||||||||
ляются |
при холодной |
продувке |
камеры; б) дополнительных |
потерь |
||||||
давления, вызванных |
нагревом |
газа при сгорании топлива в камере. |
||||||||
Вопрос снижения давления |
в газовом |
потоке при подводе тепла рас |
сматривается в курсе газовой динамики. Плотность газа в этом случае уменьшается, а скорость газового потока увеличивается.
Величину полных потерь давления принято выражать в долях или процентах по отношению к полному давлению воздуха на входе в камеру р в * :
л * |
* » |
|
v K e = J L . 100% = |
Р в ~ Р г • 100%, |
(2-68) |
Рв |
Рв |
|
где Ар* — полная потеря давления в камере, бар; р* — полное дав ление газов на выходе из камеры, бар.
Величины полных давлений воздуха и газа:
Рв = Р' + ТШ' Рг = + - 2 7 Ж > |
( 2 _ 6 9 ) |
где р в , р г — статическое давление воздуха на входе и газа на выходе, бар; рв , рг — плотности воздуха и газа, кг/м3 ; wB, wr — средние скорости воздуха во входном сечении и газа в выходном сечении камеры, м/с.
196
В современных конструкциях камер сгорания величина полных потерь давления обычно бывает в пределах vKс = 14-3%, но в авиа ционных камерах она может достигать 10%.
Потери давления в камере сгорания снижают к.п.д. ГТУ и вызы вают соответствующий перерасход топлива. Это можно учесть с по мощью аэродинамического к.п.д. камеры сгорания т]к.с . Его величина,
по данным испытаний [9], в среднем составляет т£.с = 0,984-0,99. Общий к.п.д. камеры сгорания можно выразить в виде произве
дения:
У современных камер сгорания TJk - c = 0,95 4-0,98.
5. Общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания
a = |
GJ(BL0), |
(2-71) |
где GB и В — соответственно расход воздуха и топлива в камере, кг/с; |
||
Ln — теоретически необходимое |
количество |
воздуха для сжигания |
1 |
кг топлива, рассчитывается по элементарному составу топлива (см. |
§ |
3-6). |
Как уже отмечалось, в современных ГТУ а = 4 4- 8. |
|
Но непосредственно в процессе сгорания |
участвует не все коли |
чество воздуха GB, а только часть его — первичный воздух, поступаю |
|
щий в зону горения, |
|
GB l = a.BLo, |
(2-72) |
где di — коэффициент избытка первичного |
воздуха, величина кото |
рого зависит от конструкции камеры сгорания и вида сжигаемого топлива. Обычно ai = 1,2 4- 1,6.
Существующие камеры сгорания имеют разнообразные конструк тивные формы, которые можно разделить на следующие основные типы: а) индивидуальное, б) секционные (многотрубчатые), в) коль цевые, г) трубчато-кольцевые.
Кроме того, камеры сгорания делятся на прямоточные и противоточные. В прямоточных камерах охлаждающий (вторичный) воздух движется в кольцевом канале между пламенной трубой и корпусом в том же направлении, что и продукты сгорания. В противоточных камерах поток охлаждающего воздуха направлен навстречу потоку продуктов сгорания в пламенной трубе. Применение противоточных камер в ряде случаев дает преимущества в смысле общей компоновки ГТУ и позволяет сократить длину камеры. Но потери давления в них обычно больше, чем в прямоточных камерах.
Индивидуальные камеры в свою очередь бывают выносными и встроенными. Выносная камера в отдельно смонтированном корпусе устанавливается в ГТУ рядом с турбокомпрессором. Применяются эти камеры в основном в стационарных и значительно реже в транс портных установках. У встроенных камер корпус опирается непо средственно на общий корпус турбокомпрессора или конструктивно с ним совмещен.
197
Существуют две разновидности индивидуальных камер сгорания, а именно: цилиндрические и угловые камеры.
Цилиндрическая камера сгорания является по конструкции прос той и довольно широко применяется (рис. 2-19). Поступающий в нее сжатый воздух разделяется на два потока: первичный и вторичный. Первичный воздух поступает через воздухонаправляющее устройство / в пламенную трубу 4, куда через форсунку 2 (или горелку) подает ся топливо, которое сгорает в потоке воздуха. Расход первичного воздуха регулируется в зависимости от расхода топлива соответст вующим поворотом лопаток воздухонаправляющего устройства /,
Рис. 2-19. Схема цилиндрической камеры сгорания
что осуществляется посредством специальных рычагов управления. Вторичный (охлаждающий) воздух пропускается через кольцевое пространство между пламенной трубой 4 и корпусом 3 камеры сгора ния. При движении он интенсивно охлаждает стенки трубы и корпуса. Выходя из кольцевого пространства, вторичный воздух попадает в объем А, где он смешивается с продуктами сгорания, понижая тем самым их температуру до заданной величины.
Для более интенсивного охлаждения пламенной трубы, уменьше ния закрутки газового потока на выходе из камеры и для лучшего перемешивания вторичного воздуха с продуктами сгорания к поверх ности пламенной трубы приварены лопатки 5, закручивающие поток вторичного воздуха в направлении, обратном тому, которое придается первичному воздуху.
В цилиндрических камерах можно установить не одну, а много форсунок, что увеличивает надежность работы и позволяет регулиро вать теплопроизводительность камеры сгорания изменением числа работающих форсунок. Объемная теплонапряженность этих камер составляет (20-т-30)-103 кВт/м3 при давлении 4 4-4,5 бар, а тепловая производительность камеры сгорания — до 40-103 кВт. Расход топ лива на камеру достигает 3000 кг/ч, а расход воздуха — 2,5-105 м3 /ч.
Положительными сторонами индивидуальных цилиндрических ка мер сгорания являются простота конструкции и сравнительно малые
198
потери давления, достигающие 1,5 -=~ 3,0%. |
Основным |
недостатком |
||
этих камер является |
большой вес |
и габариты. |
|
|
Секционные (многотрубчатые) |
камеры |
сгорания |
представляют |
|
собой конструкцию, в |
которой объединено несколько (6-г- 16) парал |
лельно работающих цилиндрических камер (секций), часто связан ных между собой пламяпередающими патрубками.
На рис. 2-20 показана в разрезе одна секция многотрубчатой ка меры сгорания. Она состоит из внутренней пламенной трубы и внеш него кожуха. Пламенная труба включает в себя головку, состоящую из лопаточного завихрителя 3, тарелки 2 и конуса 4, и корпус, со стоящий из цилиндрической части 5 и двух конических участков,
Рис. 2-20. Секция многотрубчатой камеры сгорани
соединенных между собой конусным кольцом 6. Первичный воздух поступает через входной кожух 1 в головку пламенной трубы. Часть его направляется в зону горения через лопаточный завихритель 3, а оставшаяся часть идет туда через многочисленные отверстия в та релке 2 и конусе 4. Кроме того, на цилиндрической части пламенной трубы 5 имеется еще два ряда отверстий, через которые поступает до полнительно воздух, необходимый для горения при полной нагрузке ГТУ. Вторичный воздух идет по кольцевому пространству между пламенной трубой и кожухом 8 и затем поступает в зону смешения через четыре ряда отверстий в конической части пламенной трубы 7. Кроме того, небольшая часть охлаждающего воздуха входит внутрь пламенной трубы через большое число отверстий малого диаметра в конусном кольце 6.
Секционные камеры сгорания выполняются обычно в виде единого моноблока, в котором все секции заключены в общий корпус. Каждая
199