Уплотнение газовых турбин

В целях исключения протекания рабочего тела (газа) в машинное отделение между валом и корпусом газовой турбины ставят уплотнения так называемые лабиринтовые. Они представляют собой ряд сужений, образуемых вокруг вала, например, зачеканенными в корпусе пластинами и усиками на валу. Газ, протекая через узкую щель, по обе стороны которой создается перепад давлений, сразу за щелью теряет свою скорость, то есть дросселируется. Таким образом, давление в уплотнении падает от камеры к камере, а скорость за каждым сужением гасится.

На Рис. 37 показаны некоторые конструктивные формы лабиринтовых уплотнений.

Рис. 37. Некоторые конструктивные формы лабиринтовых уплотнений: 1 - корпус; 2 - элемент уплотнения с усиками; 3 - вал; 4 - плоская пружина; 5 - керамическое кольцо.

Элементы с усиками выполняются в виде отдельных сегментов (Рис. 37, а), которые вводятся в специальные фасонные пазы корпуса или диафрагмы.

Лабиринтовые уплотнения (Рис. 37, 6) крепятся на болтах к соответствующим элементам статора.

Уплотнение (Рис. 37, в) выполнено с керамическими вставками для уменьшения протечек газа.

Уплотнения (Рис. 37, г, д), а также радиальное типа (Рис. 37, е) имеют сравнительно небольшие коэффициенты расхода рабочего те­ла.

Протечки газа из турбин в машинное отделение крайне нежела­тельны. Поэтому выходные части вала уплотняют воздухом. Воздух подается в камеру переднего концевого уплотнения при давлении, несколько превышающем давление за соплами первой ступени.

Камеры сгорания

Камеры сгорания предназначены для создания газового потока

заданной температуры за счет сжигания топлива. Схематично камера сгорания показана на Рис. 38.

Рис.38. Схема камеры сгорания

Камера сгорания состоит из корпуса 5, жаровой трубы 4, топливной форсунки 1, и блока зажигания 3. Весь воздух, поступающий в камеру сгорания, делится на первичный и вто­ричный. Первичный проходит внутрь жаровой трубы через воэдухо-направляющее устройство 2, перемешивается с топливом и принимает участие в горении как окислитель. Температура газа в зоне горения достигает 1800°С. Для снижения температуры газа до приемлемой величины предназначен вторичный воздух. Он поступает внутрь жаровой трубы через сопла или отверстия смесителя 6 и перемешивается с горячими газами. Эта зона жаровой трубы называется зоной смешения. Проходя по кольцевому каналу между корпусом и жаровой трубой, вторичный воздух охлаждает ее. Форсунка подает топливо в зону горения в мелко распыленном состоянии. Блок зажигания предназначен для пуска камеры сгорания. В его состав входит пусковая топливная форсунка и электроискровая свеча. По конструктивным особенностям камеры сгорания можно классифицировать:

- по типу - трубчатые, многотрубчатые (секционные), кольцевые, трубчато-кольцевые;

- по числу форсунок- на одно-, двух- и многорегистровые (горелочные);

- по направлению движения потока - на прямоточные и петлевые (с поворотом потока на 180°);

- по направлению распыления топлива - с распыливанием топлива вдоль оси камеры сгорания (потока воздуха и газов) и поперек оси.

Трубчатая камера сгорания схематично представлена на Рис. 39.

Рис.39. Трубчатая камера сгорания а) - поперечное сечение индивидуальной трубчатой камеры; б) - трубчатая камера сгорания 1 - завихритель; 2 - форсунка; 3 - запальное устройство; 4 - наружный корпус; 5 - кожух жаровой трубы; 6 - кожух зоны смешения.

Трубчатые камеры сгорания выполняются как одно-, так и многорегистровыми прямоточными и петлевыми, с распыливанием топлива вдоль оси камеры сгорания. На поперечных сечениях камер огневое пространство заштриховано.

Кольцевые камеры сгорания характеризуются единым огневым пространством Рис. 40, Рис. 41. Пламенная труба имеет вид кольцевой полости с многорегистровым фронтовым устройством и расположена между наружным кожухом и внутренним корпусом.

Рис.40. Кольцевая камера сгорания а) - поперечное сечение кольцевой камеры сгорания; б) - кольцевая камера сгорания 1 - форсунка; 2 - запальное устройство; 3 - наружный корпус; 4 - наружный кожух жаровой трубы; 5 - внутренний кожух жаровой трубы; 6 - внутренний корпус; 7 - коническая головка; 8 - диффузор; 9 - лопаточный завихритель.

Рис. 41. Кольцевая камера сгорания 1 - запальное устройство; 2 - наружный корпус; 3 - наружный кожух жаровой трубы; 4 - внутренний кожух жаровой трубы; 5 - диффузор; 6 - лопаточный завихритель; 7- форсунка.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания состоят из нескольких пламенных труб по окружности двигателя (Рис. 42). Все камеры идентичны, имеют малые массы и габариты и соединены между собой пламепередающими патрубками, которые служат для выравнивания давления и распространения пламени при запуске по всем жаровым трубам. Блоки зажигания устанавливают в двух-трех камерах. Попе­речное сечение огневых камер заштрихованы.

Рис. 42. Трубчато-кольцевая камера сгорания - поперечное сечение

Многотрубчатые (секционные камеры сгорания, поперечное се­чение представлено на Рис. 43) состоят из нескольких трубчатых, расположенных по окружности газотурбинного двигателя.

Рис. 43. Многотрубчатая (секционная) камера сгорания

Рабочий процесс в камере сгорания газотурбинного двигателя очень сложен и представляет собой совокупность многообразных физико-химических явлений.

Организация рабочего процесса и характеристики камеры сго­рания существенно отличают ее от других топливо сжигающих уст­ройств. В камерах сгорания выделяется большое количество теплоты в малом объеме. Весь процесс, происходящий в камере, можно раз­делить на ряд этапов.

Первый этап - первичное смесеобразование, подготовка топливо- воздушной смеси к сгоранию. Вначале происходит подача топлива в зону горения, его распыление и дробление на мельчайшие капли. Затем следует испарение капель и диффузное перемешивание паров топлива с воздухом. Далее эта топливо - воздушная смесь нагревается до температуры воспламенения.

Второй этап - горение топлива. Наиболее полно и быстро реакция горения происходит в диапазонах температур от 900 до 1800⁰С. Наивысшая температура факела может быть достигнута при сжигании топлива с необходимым количеством воздуха, так называемой стехиометрической смеси.

Третий этап - вторичное смесеобразование вторичного воздуха с продуктами сгорания в зоне смешения, которое влияет на образова­ние заданного температурного поля за камерой сгорания и таким об­разом оказывает влияние на ресурс газовой турбины и двигателя в целом.

Обеспечение качественного сгорания топлива в камерах сгорания осуществляется с помощью форсунок. Наибольшее распространение в современных ГТУ получили центробежные форсунки. Механический распыл осуществляется в них за счет завихрения струи топлива в специальной вихревой камере под действием высокого давления, которое на входе в форсунку достигает 8,0...10,0МПа. Пример центробежных форсунок с механическим распылом показан на Рис. 44.

На Рис. 44, а) показана схема простейшей одноконтурной цен­тробежной форсунки. Из кольцевой полости топливо по тангенциаль­ным каналам 2, число которых колеблется от двух до шести, поступает в камеру закручивания 3, где получает вращательное движение с большой скоростью, и выходит через сопло 4. При выходе из сопла топливо под действием центробежных сил распадается на мельчайшие частицы, образуя полый конус распыла. Такую конструкцию имеют пусковые форсунки блоков зажигания камер сгорания. Расход топлива в подобных форсунках регулируется изменением давления топлива.

Рис.44 Схемы одноконтурной (а) и двухконтурной (б)центробежных форсунок

На Рис. 44, б представлена двухконтурная форсунка, которая представляет собой блок из двух соосных форсунок. Сопло 5 первой ступени расположено внутри сопла 6 второй ступени. Каждая ступень имеет свои тангенциальные каналы и камеры закручивания. Ко второй ступени топливо подводится через специальный клапан, в котором под действием переменного давления топлив перемещается плунжер и изменяет проходное сечение каналов для топлива второго контура. Двухконтурные форсунки могут быть с одним соплом, с одной камерой, закручивания, но с разными тангенциальными каналами для первой и второй ступени. Через форсунку подводится также воздух для охлаждения и обдува торцовой части форсунки с целью уменьшения нагарообразования.

 

Регенератор

Регенератором называют теплообменный аппарат, предназначенный для подогрева сжатого воздуха перед его поступлением в камеру сгорания за счет теплоты уходящих газов.

Различают две группы регенераторов.

Регенераторы первой группы характеризуются передачей теплоты от газа к воздуху через разделяющую их поверхность или через тепловые трубы.

В регенераторах второй группы поверхность теплообмена попе­ременно обтекается горячим газом и холодным воздухом, причем в первый период происходит аккумуляция теплоты, во второй - ее отдача.

Регенераторы по исполнению могут быть неподвижными и вращающимися.

Неподвижные регенераторы по конструкции разделяют на трубчатые, пластинчатые и с тепловыми трубами.

По схеме течения рабочего тепа регенераторы различают на аппараты с параллельным током (обычно противотоком) и с перекре­стным током.

Регенераторы с перекрестным током по воздушной стороне, в свою очередь,  разделяются на одноходовые и многоходовые.

В современных газотурбинных установках используют пластин­чатые регенераторы. На Рис. 45 показана геометрия поверхности нагрева пластинчатого регенератора.

Рис. 45. Геометрия поверхности нагрева пластинчатого регенератора

Теплопередающая поверхность такого регенератора состоит из профильных пластин - листов, в которых параллельными рядами выштампованы овальные лунки. Листы попарно сварены контактным способом со сдвигом лунок на полшага, в результате чего образуются волнистые каналы. При соединении двух пар листов между ними по­лучаются каналы двуугольной формы. Воздух пропускают по волнообразным каналам, а газ - в перпендикулярном направлении по прямым двуугольным каналам.

Важнейшей характеристикой регенератора является степень ре­генерации R - отношения действительного нагрева воздуха к теорети­чески возможному, при котором температура воздуха достигнет тем­пературы газов на входе в регенератор.

Степень регенерации современных ГТУ достигает 0,75-0,8. Пример трубчатого регенератора с поперечным токам представлен на Рис. 46. Степень регенерации в одноходовом регенераторе составляет не более

R = 0,6...0,65.

Рис. 46. Одноходовой трубчатый регенератор ЦКТИ с перекрестным током: А - подвод газа; В - отвод газа; С - вход воздуха; D - выход воздуха.

В трубчатом регенераторе диаметр трубок небольшой: от 10...25мм, толщина стенки составляет 0,5...2мм.

Пример пластинчатого регенератора приведен на Рис. 47. Реге­нератор выполнен трехходовым по воздуху и одноходовым по газу, со степенью регенерации 0,78. Теплообменные элементы изготовлены из стальных листов толщиной 0,8мм.

Интенсивность теплообмена повышается за счет наличия пла­стинчатой поверхности нагрева.

Для очистки поверхности нагрева со стороны газа установлены трубы сажеобдувочного устройства.

 

Рис. 47. Пластинчатый регенератор: 1 - сильфонный компен­сатор; 2 - воздушная крышка; 3 - трубы обдувочного устройства; 4 - теплообменная секция; 5 - корпус; 6 - привод обдувочного устройства.

Для ГТУ небольшой мощности используют вращающий регенератор, главный конструктивный элемент которого составляет диск или барабан заполненный набивкой - проволочной сеткой, гофрированной лентой или пористым материалом. Ротор медленно вращается и в период обдувки газом аккумулирует теплоту, отдавая ее в период обдувки холодным воздухом. Схема вращающегося регенератора показана на Рис. 48.

Благодаря большой поверхности теплообмена такие регенера­торы весьма компактны, что делает их перспективными для транс­портных ГТУ.

Рис. 48. Схемы вращающегося регенератора: а) - с дисковым ротором; б) - с ротором барабанного типа 1 - пористая матрица; 2 - уплотнение по окружности; 3 - разделяющая стенка; 4 - электродвигатель с редуктором; 5 - продольное уплотнение; 6 - радиальные стенки в матрице.

 

Воздухоохладитель

Воздухоохладитель ГТД предназначен для промежуточного охлаждения воздуха. Они чаще всего представляют собой трубчатый теплообменный аппарат с перекрестным током воздуха и охла­ждающей воды. Вода течет по трубкам, а воздух между трубками. Из-за различия физических свойств воды и воздуха (в частности, более высокой плотности воды по сравнению с воздухом) коэффициент теплоотдачи от стенки к воде во много раз выше, чем от стенки к воздуху. Поэтому с наружной стороны, то есть со стороны воздуха трубки снабжены ребрами для увеличения поверхности теплообмена.

На Рис. 49 показана конструкция поверхности нагрева трубчато-пластинчатого воздухоохладителя с перекрестным током. Трубки имеют овальный профиль с припаянными поперечными ребрами из красной меди. Концы трубок имеют круглое сечение и закреплены в трубных дисках развальцовкой.

Рис. 49. Трубчато-пластинчатый охладитель: а) - схема; б) - продольное и поперечное сечение трубок

Степень охлаждения воздуха в регенераторе определяется тем­пературой охлаждающей воды. Расход охлаждающей воды, в судовых ГТУ может приниматься достаточно большим, поэтому он сравнительно мало влияет на степень охлаждения воздуха. Обычно разность между температурой охлажденного воздуха и температурой охлаждающей воды на входе воздухоохладитель составляет 10...20°С. При изменении температуры охлаждающей (забортной воды) в условиях эксплуатации температура охлажденного воздуха изменяется примерно на такую же величину.

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: