Конструктивная схема осевого компрессора ГТУ.

Домашнее задание №1

Группа_______________ Ф.И.О.________________________

КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Компрессор – важный элемент технологической схемы современной энергетической ГТУ, а воздух, сжимаемый в нем, поступает в камеры сгорания и затем в виде горячих газов в газовую турбину установки.

Компрессоры - это машины, предназначенные для повышения давления и перемещения газов. Основной способ работы компрессоров – динамический, который обеспечивает непрерывность сжатия газа и его перемещение вследствие силового воздействия вращающихся лопаток и потока газа.

По конструкции, компрессоры чаще всего бывают осевыми или радиальными (центробежными). В газотурбинных установках применяют преимущественно осевые компрессоры. В них повышение давления происходит до значений в 1¸2 МПа и более.

Конструктивная схема осевого компрессора ГТУ представлена на рис. 1.

 

Конструктивная схема осевого компрессора ГТУ.

Сечение: НК – НК – на входе в компрессор;

КК–КК – на выходе из компрессора;

1–1 и 2–2 – на входе в проточную часть компрессора и на выходе из нее соответственно.

1 – входной патрубок; 2 – конфузор; 3 – спрямляющий аппарат; 4 – вал компрессора с системой уплотнений; 5 – подшипник; 6 – выход воздуха из компрессора; 7 – диффузор; 8 – входной направляющий аппарат (ВНА).

 

Воздух через КВОУ забирается из атмосферы и поступает в входной патрубок (1) (сечение НК – НК) и кольцевой конфузор (2), а покидает компрессор через спрямляющий аппарат (3), диффузор (7) и выходной патрубок (6) (сечение КК – КК). Основное назначение этих неподвижных элементов – подвести воздух к рабочим ступеням компрессора, а затем отвести его, обеспечивая минимальные потери, равномерное поле скоростей и давлений воздуха.

В современных ОК путь воздуха весьма сложен. После конфузора он начинается с входного направляющего аппарата (ВНА) (8), закручивающего воздух в сторону вращения ротора и используемого для изменения расхода воздуха и воздействия на режим работу всей ГТУ. Далее расположены рабочие ступени компрессора I, II,…z, каждая из которых состоит из рабочего лопаточного аппарата (рабочего колеса) РК и следующего за ним неподвижного направляющего аппарата НА. В некоторых конструкциях осевых компрессоров первые ступени имеют также поворотные направляющие аппараты (ПНА), которые вместе с ВНА включены в систему управления работой ГТУ. Рабочие лопатки обычно укреплены на дисках и вместе с валом, на котором они расположены, образуют ротор компрессора. Он может быть выполнен из стянутых между собой болтами дисков в виде барабана (. Между дисками компрессора по внутреннему диаметру могут закреплять разрезные кольца для обеспечения гладкой проточной части.

Статором компрессора называют корпус с разъемом и с закрепленными в нем направляющими лопатками. В конструкцию входят также подшипники (5) и уплотнения (4) вала ротора. Последние предотвращают подсос воздуха из атмосферы во входную часть и утечки на выходе проточной части.

Конструктивные особенности компрессора показаны на рис. 2.3. Каждая его ступень обычно представляет собой отдельный диск ротора с лопатками и вмонтированные в корпус направляющие лопатки. Такая конструкция позволяет снизить массу, разгоняемую при пусках. Диски собирают с помощью параллельных оси компрессора стяжных болтов. Диаметр окружности отверстий для стяжных болтов выбирают таким образом, чтобы обеспечить динамическую жесткость ротора и хорошую передачу момента вращения. В радиальном направлении положение дисков фиксируется по пазу около посадочного отверстия. Между кромками дисков предусмотрен осевой зазор для компенсации теплового расширения при пуске.

Важной характеристикой осевого компрессора является граница помпажа, связанная с явлением помпажа. В процессе работы осевого компрессора возникают возмущения, вызываемые как колебаниями частоты вращения, так и изменением сопротивления сети – газовой турбины. Они могут вывести систему «компрессор – ГТ» из равновесия. Важным показателем этой системы является аккумулирующая способность сети, определяемая возможностью накопления некоего избыточного рабочего тела по сравнению с установившемся течением. На этот процесс может повлиять также изменение плотности воздуха. В такой системе могут развиваться режимы с вращающимся срывом потока, нарушающие устойчивость течения и приводящие к пульсациям. Эти явления возникают в частности при снижении расхода рабочего тела и уменьшении частоты вращения. При дальнейшем снижении расхода, в отдельных зонах проточной части компрессора создается устойчивый вращающийся срыв потока, который сильно замедляется и может иметь место обратное течение (). Развитие этого вращающегося срыва при дальнейшем уменьшении расхода в конце концов приводит к полной потере устойчивости потока и к появлению колебаний давления в системе компрессор – газовая турбина, т.е. возникает помпаж. Это явление связано с нарастающим гулом в работающем компрессоре, с хлопками в заборном устройстве и с выбросом воздуха, с появлением вибраций лопаточного аппарата вплоть до его разрушения. Одновременно резко падает КПД компрессора. Поэтому явление помпажа недопустимо даже кратковременно!

Граница режимов, при которых имеют место некие минимальные (с точки зрения возникновения помпажа) расход воздуха и относительная приведенная частота вращения, называется границей помпажа. Часто вместо нее на характеристике компрессора указывают границу его устойчивой работы, соответствующую предпомпажным режимам. Расчетным путем определяются запасы газодинамической устойчивости компрессора. Близость режима работы компрессора к границе устойчивости можно количественно оценить коэффициентом запаса устойчивости:

,

где - расход и степень повышения давления на границе устойчивости при той же частоте вращения , что и в данном режиме.

 

РЕЖИМЫРАБОТЫОК

Осевой многоступенчатый компрессор энергетической ГТУ работает в широких пределах изменения расхода и степени сжатия. При пусках и остановах компрессор проходит режимы со скоростью вращения меньше расчетной. Параметры газа (воздуха) на входе в компрессор могут непрерывно меняться.

Проектирование компрессора и определение расхода газа, степени повышения давления и его КПД выполняют для расчетного режима по нормам Международной организации стандартов – ISO (документ 2314) Применительно этого режима определяют площадь проходных сечений ступеней проточной части, геометрию лопаточного аппарата и др.

Основные показатели работы ГТУ в базовом (расчетном) режиме.

1. Параметры наружного воздуха (по ISO № 2314): T _0.НВ=288 K, p _0.НВ=0,1013 МПа.

2. Основное топливо – природный газ, имеющий следующие характеристики (по ГОСТ 5542):

- теплотворная способность = 43496 кДж/кг;

- плотность = 0,723 кг/нм³;

- теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива L ₀ = 16,62 кг/кг;

- состав (% по объему): CH₄=98,9; C₂H₆=0,13; С₃Н₈=0,01; CO₂=0,08; N₂=0,87.

3. Физическая частота вращения ротора ГТУ 1/с.

4. Удельная приведенная частота вращения ротора .

5. Удельный приведенный расход воздуха .

6. Физический расход воздуха на входе в компрессор G _0.К=395 кг/с.

Нерасчетный режим работы ГТУ.

1. Параметры наружного воздуха: T _НВ =________ K, p _НВ = 0,1013 МПа.

2. Начальная температура газов на входе в газовую турбину (перед первым рядом сопловых решеток): T _НТ=________ K.

 

Остальные режимы работы компрессора являются нерасчетными. Для определения зависимости основных параметров рабочего тела от режима работы компрессора, используют характеристики зависимости степени повышения давления и КПД от расхода воздуха.

Характеристики ОК изменяются для различных параметров наружного воздуха и, в первую очередь, при изменении его температуры, поэтому их необходимо привести к нормальным параметрам воздуха по ISO. Удобнее всего использовать, так называемые, приведенные характеристики, которые имеют размерность, близкую к величинам обычных характеристик, но не зависят от начальных параметров воздуха:

1. относительная приведенная частота вращения

, (2.10)

где: = 288 К (по ISO), - температура в базовом режиме

- текущая температура воздуха рассматриваемого режима работы компрессора, К.

В расчетном режиме ,

а приведенная частота вращения связана с физическим ее значением n_Ф:

; (2.11)

Находим рабочую точку на совмещенной характеристике.

2. приведенный расход воздуха через компрессор

По приведенной характеристике (рис.) с помощью величин и T _нт определяем удельный приведенный расход воздуха: ,

а также приведенный расход воздуха: .

3. Степень повышения давления в ОК определяем по величинам и T _нт: .

4. Изоэнтропийный КПД ОК определяем по величинам и T _нт: .

5. Давление воздуха на входе в проточную часть компрессора (исп. параметры «полного торможения»):

.

Величину потери давления на входе в компрессор принимаем из интервала 0,0008¸0,0013 МПа.

В первом приближении: .

6. Физический расход воздуха через компрессор в нерасчетном режиме:

.

7. Определяем удельную работу сжатия воздуха в компрессоре и температуру этого воздуха за компрессором. Расчет этих величин можно провести методом последовательных приближений по среднеарифметической величине теплоемкости:

В первом приближении принимаем из диапазона 250-350 С.

 

Среднеинтегральная теплоемкость воздуха определяется по формуле [8]:

.

Теплоемкость воздуха при T _нв равна: .

Теплоемкость воздуха при T _кк равна: .

Среднеарифметическая величина теплоемкости в интервале температур T _НВ ¸ T _КК:

, .

Удельная работа сжатия воздуха в компрессоре:

,

где газовая постоянная воздуха .

Температура воздуха за компрессором:

, .

 

8. Давление воздуха за компрессором:

.

 

9. На основании заводских данных расчета тепловой схемы ГТ-115-1170 (ГТЭ-150), принимается, что отборы воздуха на охлаждение осуществляются после 10-й, 12-й и последней 15-й ступени компрессора. Пользуясь этими данными, рассчитываем параметры воздуха в точках отбора его из компрессора.

а) за 10-й ступенью ОК:

; – заводские данные.

Методом последовательных приближений, по аналогии с расчетом всего компрессора, определяем температуру за 10-й ступенью ОК и удельную работу сжатия воздуха:

Принимаем в первом приближении: T ₁₀ = 478,17 K,

.

Среднеарифметическая величина теплоемкости в интервале температур T _нв ¸ T ₁₀:

, .

Удельная работа сжатия воздуха:

, .

Температура воздуха за 10-й ступенью компрессора:

, .

б) за 12-й ступенью ОК:

; – заводские данные.

Методом последовательных приближений, по аналогии с расчетом всего компрессора, определяем температуру за 12-й ступенью ОК и удельную работу сжатия воздуха:

Принимаем в первом приближении: T ₁₂ = 524,54 K,

.

Среднеарифметическая величина теплоемкости в интервале температур T _нв ¸ T ₁₂:

, .

Удельная работа сжатия воздуха:

, .

Температура воздуха за 12-й ступенью компрессора:

, .

в) за компрессором:

– заводские данные.

10. Расход воздуха за компрессором, поступающий в камеру сгорания (КС) ГТУ:

,

.

Величину утечек воздуха из уплотнений ротора и другие принимаем из интервала 0,3 ¸ 0,5 % от G _к:

.

Дополнительно определяем:

- долю воздуха, поступающую в камеру сгорания ГТУ:

;

- долю охлаждающего воздуха:

.

11. Внутренняя мощность, потребляемая компрессором ГТУ:

,

.Термодинамические свойства воздуха и продуктов сгорания можно определить, пользуясь таблицами приложения 8 [3]. Для воздуха эти величины равны соответственно и . По температуре воздуха за компрессором определяем энтальпию этого воздуха:

ПРимер:

T _кк=608,33 К Þ ,

.