Файл: Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие.pdf

и образуют продольные и поперечные каналы (см. рис. 2-24). В местах соприкосновения листы попарно свариваются. Из полученных таким путем сварных элементов компонуются пакеты, которые соединяются последовательно по ходу движения воздуха и образуют отдельные секции регенератора. Изготовление профильных (гофрированных) листов несложно, оно осуществляется путем штамповки.

Рис. 2-24. Конструктивная схема пластинчатого регене ратора

У пластинчатых теплообменников нет трубных досок, а благодаря продольным и поперечным волнам (гофрам) в листах обеспечивается •самокомпенсация температурных деформаций. Простота конструкции и технологии изготовления, а также сравнительно небольшое гидрав­ лическое сопротивление позволяют выполнять пластинчатые тепло­ обменники с малыми эквивалентными диаметрами каналов. Все это, в итоге дает возможность получить коэффициент теплопередачи не­ сколько выше, а коэффициент компактности больше, чем у трубчатых регенераторов (см. табл. 2-1). Основным недостатком пластинчатых регенераторов является невысокая механическая прочность, которая ограничивает область их применения в ГТУ для давлений не свыше 5-^6 бар.

Вращающиеся регенераторы по принципу действия и по конструк­ ции аналогичны воздухоподогревателям типа «Юнгстрем», приме-

205

няемым в паровых котлах. Они бывают с барабанными и дисковыми роторами.

Ротор регенератора 1 (рис. 2-25) представляет собой полый бара­ бан (или диск), заполненный набивкой, в качестве которой могут слу­ жить тонкая гофрированная стальная лента, проволочная сетка, пористый материал и т. д. Такая набивка образует множество узких каналов, что позволяет создать огромную поверхность теплообмена при сравнительно небольших размерах самого регенератора.

Ротор 1 установлен на подшипниках в корпусе (статоре) 6 регенера­ тора и медленно вращается со скоростью п = 2-4-100 об/мин от элект­ родвигателя 5 с редуктором 4. При вращении поверхность теплообме­ на регенератора поочередно омывается то горячим газом, то хо-

Рис. 2-25. Схема вращающегося регенератора с ротором барабанного типа

лодным воздухом. В результате этого тепло сначала аккумулируется набивкой, а затем передается нагреваемой среде. Потоки газа и воз­ духа отделены друг от друга с помощью разделяющей стенки 3. Не­ смотря на специальные уплотнения 2 и 7, при работе всегда имеют место протечки воздуха. Так как в регенераторах ГТУ воздух нахо­ дится под относительно высоким давлением, а отходящие газы — под давлением, близким к атмосферному, то за счет большой разности давлений протечки воздуха даже при |3 w 4 достигают 2-^5% от рас­ хода воздуха через регенератор, что примерно на 3-4-6% снижает к.п.д. всей установки. Очевидно, что с повышением давления воздуха процент протечки будет возрастать. В этом, собственно, и заключается основной недостаток вращающихся регенераторов, который сильно ограничивает область их применения. В настоящее время они устанав­ ливаются в ГТУ небольшой мощности, с невысокими степенями сжа­ тия, чаще всего в транспортных установках, где компактность и малый

206

вес стоят на первом плане. Однако надо иметь в виду, что вращающие­ ся регенераторы по сравнению с регенераторами других типов обла­ дают следующими важными достоинствами:

1. Они очень компактны. Их коэффициент компактности дости­ гает 9000 м2 /м3 , т. е. он в несколько десятков раз больше, чем у труб­ чатых и пластинчатых регенераторов (см. табл. 2-1).

2.Имеют значительно меньший вес, особенно в ГТУ с невысоким давлением воздуха, поступающего в регенератор.

3.Имеют малое гидравлическое сопротивление ввиду небольшой абсолютной длины каналов, по которым движутся теплоносители.

4.Значительно проще и дешевле в изготовлении.

5.Их поверхность нагрева легко очищается от сажи и нагара пу­ тем обдува нагреваемым воздухом.

6.Поверхность теплообмена практически нечувствительна к про­ гарам и другим повреждениям. Обычно набивку регенератора меняют при износе (сгорании) ее свыше 20%.

7.Вращающиеся регенераторы позволяют при относительно не­

больших размерах обеспечить высокие степени регенерации в ГТУ— до 90% и выше. Прежде всего это достигается за счет применения по­ верхностей нагрева с малыми эквивалентными диаметрами (до 0,3 мм и меньше), что позволяет получить большие коэффициенты теп­ лоотдачи при умеренных числах Нуссельта. Кроме того, поверхность теплоотдачи у вращающихся регенераторов весьма велика, так как она определяется общей суммарной поверхностью элементов, состав­ ляющих набивку регенератора.

Воздухоохладители в ГТУ, как правило, бывают трубчатыми теп­ лообменниками с круглыми или овальными трубками. Причем с оваль­ ными трубками они получаются более легкими и компактными. Рас­ положение трубок может быть как шахматное, так и коридорное.

В качестве охлаждающей среды обычно применяется вода, кото­ рая пропускается внутри трубок, а воздух омывает их снаружи.

Коэффициент теплоотдачи от воздуха к трубкам находится в пре­ делах а„ = ЭО-г-175 Вт/(м2 -К), а от трубок к воде он составляет при­ мерно а ж = 4500-=-5800 Вт/(м2 -К). В связи с этим для увеличения коэффициента теплопередачи за счет повышения отдачи тепла со сто­ роны воздуха делается усиленное оребрение.

В воздухоохладителях оребрение обычно выполняется попереч­ ным, ребра бывают круглыми, а также в виде прямоугольных и фасон­ ных пластин, которые напаиваются на одну или на несколько трубок.

Трубки чаще всего применяются латунные, а ребра изготовляются из латуни или красной меди. Однако трубки и ребра могут быть сталь­ ными или же из алюминия и его сплавов. В судовых ГТУ, где воздухо­ охладители охлаждаются морской водой, трубки изготовляются из мельхиора. Скорость воды в воздухоохладителях принимается срав­ нительно небольшой w = 0,54-2,0 м/с, так как дальнейшее увели­ чение ее не приводит к ощутимому росту коэффициента теплопереда­ чи, зато гидравлическое сопротивление повышается пропорционально квадрату скорости.

207

§2-14. Компрессоры

ВГТУ применяются осевые и центробежные компрессоры. Осевые компрессоры получили наибольшее распространение в

установках большой и средней мощности благодаря следующим до­

Основным недостатком осевых компрессоров является многосту­ пенчатость, а отсюда сравнительная сложность их конструкции и зна­ чительная длина. Дело здесь в том, что степень повышения давления в отдельно взятой ступени не превышает (3 = 1,25. Поэтому, чтобы обеспечить необходимый напор, осевые компрессоры всегда выполня­ ются многоступенчатыми.

Осевой компрессор в разрезе показан на рис. 2-26. В корпусе 14 вращается на подшипниках 1 я 13 ротор 12 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5. В местах выхода вала ротора из корпуса име­ ются уплотнения 2. Ротор компрессора 12 с валом газовой турбины / / соединяет муфта 10. Корпус 14 литой, имеет два разъема: вертикаль­ ный и горизонтальный. Внутрь его вставлены специальные обоймы, в пазах которых закреплены хвостами направляющие лопатки 6. Каждый ряд вращающихся рабочих лопаток 5 в совокупности с распо­ ложенным за ним рядом неподвижных направляющих лопаток 6 обра­ зуют ступень компрессора. Рассматриваемый на рис. 2-26 компрессор имеет 15 ступеней. Атмосферный воздух засасывается в компрессор через патрубок 4 и поступает в направляющий аппарат 3, в котором поток получает нужное направление перед входом в первую ступень. Этим достигается безударный вход и минимальные потери на входе. Сжатие воздуха в межлопаточных каналах рабочего колеса происхо­ дит в результате взаимодействия потока с вращающимися рабочими лопатками 5. В компрессорах, имеющих ступени со степенью реактив­ ности р к < 1, происходит, кроме того, дополнительное сжатие возду­ ха в каналах направляющих лопаток за счет преобразования кинети­ ческой энергии потока в потенциальную энергию давления. Из послед­ ней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат 7, в котором поток приобретает осевое направление перед входом в диффузор 9. В диффузоре воздух еще несколько сжимается за счет преобразова­ ния скоростной энергии потока в давление, и после этого через выход­ ной патрубок 8 он поступает в нагнетательный трубопровод.

Таким образом, процесс преобразования энергии в осевом комп­ рессоре является как бы обратным по сравнению с процессом в тур­ бине, а именно: подводимая извне к ротору компрессора энергия за­ трачивается на сообщение воздуху кинетической энергии, которая в лопаточном аппарате преобразуется в давление.

В практике наиболее часто встречаются компрессоры, у которых ступени имеют степень реактивности рк = 0,5 и рк = 1. Но бывают также и компрессоры со ступенями, имеющими любые промежуточ-

208

ные значения р к и даже р к > 1. При р к = 0,5 работа сжатия распре­ деляется поровну между рабочим колесом и направляющим аппара­ том. В этом случае межлопаточные каналы в колесе и направляющем аппарате выполняются расширяющимися (диффузорными), для того чтобы в них происходило преобразование кинетической энергии по­ тока в потенциальную энергию давления. Такие ступени допускают более высокую окружную скорость (и м/с) и поэтому могут создать наибольший напор. Компрессоры с высокой окружной скоростью и

чем колесе, а направляющие лопатки служат лишь для изменения направления потока. Поэтому межлопаточные каналы в рабочем ко­

В этом случае они обеспечивают больший напор, и, кроме того, лучше

соров обычно используются сталь и легкие сплавы. Так как лопатки могут быть подвержены коррозии и эрозии, то их часто изготовляют из нержавеющей стали, а также алюминиевых и магниевых бронз. Корпуса компрессоров изготовляются из чугуна или легких сплавов, реже из стали литьем или сваркой. Рабочие лопатки крепятся к рото­ ру с помощью различного типа замков: елочного, «ласточкин хвост», цилиндрического и т. д.

Центробежные компрессоры ГТУ чаще всего бывают одноступен­ чатыми, значительно реже (при |3 >> 6) они могут быть и двухступен­ чатыми.

По сравнению с осевыми компрессорами имеют следующие преиму­

меньшую длину; 2) они проще по конструкции и надежнее в работе;

резко, чем у осевых компрессоров. В связи с этим при малых объем­ ных расходах воздуха центробежный компрессор часто оказывается более экономичным и поэтому выгодным, так как в этих случаях к.п.д. осевого компрессора значительно понижается вследствие возрастания потерь, связанных с малой высотой лопаточного аппарата.

Центробежные компрессоры уступают осевым в следующих отно­ шениях: 1) обладают значительно меньшей производительностью; 2) имеют более низкий к.п.д. (0,75-7-0,85); 3) характеризуются боль­ шими поперечными размерами.

Центробежные компрессоры в настоящее время широко применя­ ются в качестве нагнетателей в ДВС с газотурбинным наддувом. Они используются также в ГТУ небольшой мощности преимущественно транспортного типа. Одноступенчатый центробежный компрессор по-

210