Способы карнотизации цикла Брайтона.
Используемый в современных ПТУ цикл Ренкина реализуется следующим образом: в паровом котле происходит испарение воды; в пароперегревателе – перегрев пара при постоянном давлении; далее в паровой турбине пар адиабатно расширяется, совершая работу; в конденсаторе – конденсируется при постоянном давлении; конденсат подается насосом в экономайзер, где он подогревается, а затем снова в котел.
Чтобы повысить эффективность паросилового цикла, предложен ряд мер для его модернизации. Так, увеличение давления на входе в турбину р1с целью повышения термического к.п.д. приводит к увеличению влажности отработавшего пара, что отрицательно сказывается на работе паровой турбины и весьма нежелательно. Чтобы избежать этого, организуют цикл с промежуточным перегревом пара.
Диаграммы цикла с вторичным перегревом пара
Наиболее характерный пример: при влажности пара более 8–12 % потери в проточной части паровой турбины резко возрастают, растут динамические нагрузки, возникает эрозия, что, в конечном счете, приводит к разрушению проточной части турбины. В результате указанных ограничений в энергетике (для получения работы) широкое применение пока находят только два базовых термодинамических цикла: цикл Ренкина и цикл Брайтона. Большинство энергетических установок строится на сочетании элементов указанных циклов. Цикл Ренкина применяют для рабочих тел, которые в процессе реализации цикла совершают фазовый переход, по такому циклу работают паросиловые установки (ПСУ). Для рабочих тел, которые не могут быть сконденсированы в реальных условиях, и которые мы называем газами, применяют цикл Брайтона. По этому циклу работают двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинные установки (ГТУ). Принципиальное отличие ДВС и ГТУ сводится к следующему. В ДВС процессы сжатия воздуха, сгорания топлива и расширения продуктов сгорания происходят в пределах одного конструктивного элемента, именуемого цилиндром двигателя. В ГТУ указанные процессы разнесены по отдельным конструктивным узлам: сжатие осуществляется в компрессоре, сгорание топлива в камере сгорания, расширение продуктов сгорания в газовой турбине. В результате 26 конструктивно ГТУ и ДВС мало похожи, хотя работают по схожим термодинамическим циклам. Существует две модификации цикла Брайтона, отличающиеся термодинамическими процессами подвода теплоты: цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, сокращенно его называют цикл Брайтона p=const, и цикл с поводом теплоты при постоянном объеме, называемый цикл Брайтона v=const [1]. На рис. 1.1 в Т, S-координатах показаны оба эти цикла, которые образуются четырьмя последовательно реализуемыми процессами: - адиабатическим сжатием (процесс 1–2); - изобарным (процесс 2–3) или изохорным (процесс 2–5) подводом теплоты; - адиабатическим расширением (процессы 3–4 или 5–6); - изобарным отводом тепла (процесс 4–1).
В процессе сжатия к циклу подводится работа LK, при расширении отводится работа LТ. Из рис. 1.1 видно, что LТ > LK, их разность и составляет полезную работу цикла. Полагаем читателю ясно, что полезная разность в работе достигнута за счет разности подведенного Q1 и отведенного Q2 в цикле тепла.
Устройство, назначение и характеристики осевых компрессоров, помпаж.
Помпажем осевых компрессоров принято называть периодические колебания малой частоты всей массы рабочего тела (воздуха) в системе компрессор – сеть (колебание давления Р). По своей форме колебания могут быть близкими к гармоническим. Помпажные явления как правило сопровождаются наличием обратных токов всасывания, хотя могут быть самые разнообразные явления. Начало помпажа, как правило, сопровождается резким хлопком и выбросом воздуха во всасывающую линию. Частота пульсаций достаточно жестко связана с емкостью сети и длиной трубопроводов. Амплитуда колебаний также зависит от емкости сети и ее демпфирующих и инерционных свойств. Причем зависимость от сети настолько велика, что один и тот же компрессор при одинаковых режимах по расходу и частоте вращения может работать как с помпажем, так и без него. Изменение емкости сети вызывает отклонение линии помпажа (так линия рабочих режимов компрессора и турбины с регенерацией теплоты проходит ближе к линии помпажа, чем без регенеративных схемах). Помпаж возникает при срыве потока под влиянием больших положительных углов атаки. При неизменной частоте вращения и увеличения давления на выходе (увеличение πк) коэффициент расхода снижается больше всего в последней ступени, при этом возрастают углы атаки и в некоторый момент произойдет срыв потока. В связи с тем, что срыв в этом случае возникает вследствие недопустимого повышения давления, то недостающий после срыва напор должен восполняться остальными ступенями, причем основная часть напора придется на предпоследнюю ступень, но она работает на грани помпажа и не может принять на себя весь напор последней ступени. Поэтому срыв потока неизбежно распространяется в глубь проточной части, поток рабочего тела устремится в камеру всасывания (в противоположном направлении).
После того как во всасывающей камере восстановится давление, компрессор опять будет создавать требуемый напор и опять произойдет срыв потока, следовательно, будут происходить быстрые колебания давления. Для прекращения помпажа необходимо изменить режим работы компрессора. При работе с повышенной частотой вращения последние ступени компрессора находятся в особо неблагоприятных условиях, даже если первые ступени работают нормально. В этом случае зона устойчивых режимов сокращается и при сравнительно небольшом повышении давления может произойти срыв потока - помпаж. При работе на помпажной частоте вращения лопатки последних ступеней обтекаются при отрицательных углах атаки. При повышении давления в этом случае вследствие уменьшения расхода осевая скорость уменьшается, а углы атаки возрастают, и первая ступень может оказаться в критической зоне. Помпаж возникает в первых ступенях, правда, в этом случае, не наблюдаются резкие колебания, так как величина напора меньше.
ступени. Поэтому срыв потока неизбежно распространяется в глубь проточной части, поток рабочего тела устремится в камеру всасывания (в противоположном направлении).
После того как во всасывающей камере восстановится давление, компрессор опять будет создавать требуемый напор и опять произойдет срыв потока, следовательно, будут происходить быстрые колебания давления. Для прекращения помпажа необходимо изменить режим работы компрессора. При работе с повышенной частотой вращения последние ступени компрессора находятся в особо неблагоприятных условиях, даже если первые ступени работают нормально. В этом случае зона устойчивых режимов сокращается и при сравнительно небольшом повышении давления может произойти срыв потока - помпаж. При работе на помпажной частоте вращения лопатки последних ступеней обтекаются при отрицательных углах атаки. При повышении давления в этом случае вследствие уменьшения расхода осевая скорость уменьшается, а углы атаки возрастают, и первая ступень может оказаться в критической зоне. Помпаж возникает в первых ступенях, правда, в этом случае, не наблюдаются резкие колебания, так как величина напора меньше.
При сильно развитом помпаже происходят колебания не только давления и расхода, но и частоты вращения. Это нерасчетный, неустойчивый режим работы, так как в этом случае может произойти механическое разрушение проточной части.
При рассмотрении характеристики осевого компрессора (его части) устойчивый режим работы нарушается в области максимума расхода с небольшими отклонениями.
Для борьбы с помпажем применяют следующие мероприятия:
1. Конструктивные: малые окружные скорости, увеличение густоты решетки направляющего аппарата, изготовление лопаток с большими радиусами скругления и большей относительной толщиной.
2. Эксплуатационные: регулирование работы ОК (изменение расхода) поворотом лопаток направляющего аппарата (коберра 182), вдувание воздуха в поток рабочего тела через щели в профиле лопаток, перепуск воздуха.
Наименее экономичным, по широко применяемым на КС способом является перепуск - сброс воздуха, для чего предусмотрен противопомпажый клапан (рис. 1).
Для сохранения устойчивой работы компрессора при приближении его к линии помпажа часть воздуха ΔG сбрасывается из компрессора в атмосферу, и тем самым обеспечивается производительность компрессора, достаточная для сохранения устойчивого режима работы (рис 2).
В компрессорах с высокими значениями πк противопомпажный сброс может осуществляться и из промежуточных ступеней при превышении допустимого давления. На КС МГ подобные явления возникают, как правило, в осенне-весенние периоды эксплуатации во время оттепелей, снегопадов, туманов, когда происходит обмерзание входной части ОК (повышенная влажность). Обычно помпаж возникает в том случае, когда происходит отрыв льда, инея, снега и попадание их в проточную часть, что приводит к разрыву потока и изменению давления
Рис. 1. Установка противопомпажного клапана.
Рис.2. Область работы противопомпажного клапана.