Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ

Процессы в проточной части компрессора и его конструкции

Компрессор (К) вместе с газовой турбиной является важным элементом газотурбинной установки. В нем происходит увеличение давления атмосферного воздуха до расчетного значения в процессе преобразования механической энергии вращающегося ротора в потенциальную энергию рабочей среды. Этот процесс осуществляется в межлопаточных каналах проточной части компрессора Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ, создаваемой из огромного количества компрессорных ступеней (рис. 30.1).

Рис. 30.1. Схема осевого компрессора ГТУ

1 – входной патрубок; 2 – конфузорный участок патрубка; 3 – спрямляющий аппарат; 4 – ротор (вал) компрессора с системой уплотнений; 5 – подшипники; 6, 7 – элементы выходного патрубка; 8 – входной направляющий аппарат (ВНА); I, II, III….z – компрессорные ступени

Воздух к компрессору подается через воздухоочистительное и шумоглушительное устройства. Для угнетения шума Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ, формирующегося в КВОУ, также в первых ступенях компрессора, используются глушители, состоящие из перфорированных пластинок, место меж которыми заполнено стекловолокном. Глушители должны обеспечивать нормативное значение шума не выше 80 дБ. Для чистки воздуха от пыли употребляются фильтры, а от попадания дождика, снега и каких-то больших предметов – жалюзийные устройства. В современных Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ энергетических ГТУ употребляются компрессоры осевого типа. Рабочие лопатки компрессорной ступени закрепляются на барабане либо на дисках ротора. Направляющие лопатки ступени бездвижно закреплены в корпусных элементах компрессора (статоре).

Разглядим процесс сжатия воздуха в проточной части осевого компрессора на базе схемы, представленной на рис. 30.1, где выделены сечения НК-НК на входе Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ и КК-КК на выходе компрессора. Проточная часть кроме входного и выходного патрубков представлена компрессорными ступенями I, II, III, IV, …, z, также входным направляющим 8 и выходным спрямляющим 3 устройствами. Устройство 3 производится в виде лопаток, раскручивающих поток воздуха к его осевому направлению для уменьшения аэродинамических утрат в следующем тракте. На рис Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ. 30.2 представлен процесс сжатия в многоступенчатом компрессоре (h,s - диаграмма). В энергетической ГТУ воздух забирается из окружающей атмосферы, при всем этом в ряде всевозможных случаев принимают, что статические характеристики и характеристики полного торможения воздуха на входе в компрессор схожи (рнк=рнк*). После компрессора в силу важного уровня скорости потока статическое Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ давление ркк и давление полного торможения ркк* отличаются. Потому различают степень увеличения давления в компрессоре по давлениям полного торможения pк*= ркк*/рнк* и по статическим давлениям pк = ркк/рнк. Тогда, к примеру, изоэнтропийный КПД компрессора, вычисленный по характеристикам полного торможения, hк.из*=Низ*/Нк*. С ростом давления в проточной части компрессора увеличивается Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ и температура сжимаемого воздуха (до 300-350оС). Потому в качестве материалов для производства компрессорных ступеней используются легированные (обычно хромомолибденованадиевые) стали.

Рис. 30.2. Процесс сжатия в многоступенчатом компрессоре

Схема ступени осевого компрессора и кинематика потока в ней показаны на рис. 30.3. Компрессорная ступень по принципу деяния является обращенной турбинной ступенью. Подводимая от ротора Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ механическая энергия преобразуется в каналах рабочей решетки (РК) в кинетическую, а дальше, в каналах направляющего аппарата (НА), в потенциальную энергию давления. На практике используют ступени, в каких сжатие воздуха происходит в каналах как рабочей, так и направляющих решеток. С этой целью каналы обеих решеток по ходу движения воздуха производятся расширяющимися Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ (диффузорными).

а) б) в)

г)

Рис. 30.3. Схема компрессорной ступени осевого типа (а), кинематика потока в ней (б), проточная часть канала рабочей решетки (в) и внешний облик ротора компрессора (г)

В треугольниках скоростей (рис. 30.3,б) С1 и С2 – абсолютные скорости входа воздуха в рабочее колесо и направляющий аппарат, W1 и W2 – относительные скорости Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ, СZ1 и CZ2 – осевые составляющие абсолютной скорости, С1U, C2U – окружные составляющие абсолютной скорости (U – окружная скорость рабочего колеса по направлению вращения ротора). При движении в канале рабочей решетки скорость воздуха миниатюризируется от значения W1 (относительная скорость на входе с углом b1) до значения W2 с углом выхода Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ по отношению к фронту решетки b2, определяемым наклоном профилей (рис. 30.3, б,в). Но при подводе к воздуху энергии от рабочих лопаток его скорость С2 в абсолютном движении будет больше, чем С1 (рис. 30.3,б). Лопатки недвижной направляющей решетки устанавливают так, чтоб вход воздуха в канал был хорошим по аэродинамическим качествам обтекания Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ профилей (безударным). Потому что каналы этой решетки расширяющиеся, то скорость в ней миниатюризируется, а давление увеличивается. В следующих ступенях процесс сжатия будет протекать аналогичным образом. При всем этом высота их решеток будет уменьшаться (плотность воздуха из-за его сжатия вырастает, что при постоянном массовом расходе понижает Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ большой расход). Во избежание огромных утрат высота лопаток последних ступеней не должна быть меньше 35-40 мм.

Степень увеличения давления в компрессорной ступени по характеристикам торможения p*=р4*/р3*, а по статическим характеристикам p=р4/р3 (см. рис.30.3)В компрессорах используются ступени реактивного типа, чертой которых является степень реактивности

. (30.1)

Степень реактивности ступеней Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ осевых компрессоров меняется в границах rК=0,4-1,0. При rК=0,5 теплоперепады распределяются поровну меж рабочей и направляющей решетками (давление увеличивается в их каналах идиентично), а при rК=1 увеличение давления осуществляется исключительно в рабочей решетке, а направляющая служит для конфигурации направления потока воздуха. Ступени со степенью реактивности rК=0,5 более экономны (их КПД на 1-2 % выше, чем Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ ступени с rК=1). Но ступени с rК=1 лучше работают в нерасчетных режимах эксплуатации ГТУ.

При дозвуковых скоростях потока воздуха в проточной части ступени степень увеличения давления не превосходит значений p=1,2 - 1,25. Потому приходится использовать конструкции компрессоров, в каких число ступеней доходит до 20. Массовый расход воздуха через ступень компрессора определяется Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ плотностью воздуха r, площадью проходного сечения ступени F и осевой составляющей скорости CZ1:

G = r×F×CZ1 = r×0,25×p×(Dн2–Dв2)×CZ1. (30.2)

Осевая конструкция компрессора позволяет обеспечить высочайшие значения массового расхода воздуха через него (400-500 кг/с). С ростом мощности ГТУ и, соответственно, расхода воздуха 1-ые ступени компрессоров делают трансзвуковыми, а Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ в ряде всевозможных случаев и сверхзвуковыми, что просит особенных мер при проектировании лопаточного аппарата. При всем этом 1-ая ступень работает в более сложных критериях из-за огромных больших расходов воздуха. В этой связи в ряде ГТУ компрессор проектируется на завышенную частоту вращения ротора (до 80-90 с-1). При всем этом Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ ротор электрогенератора соединяется с ротором компрессора через понижающий редуктор (к примеру, в ГТУ V64.3 и MS 5001) для обеспечения частоты электронного тока f = 50 Гц. Потребляемая компрессором мощность определяется расходом воздуха GК, его изоэнтропийными теплоперепадом Низ*, КПД hк.из* и механическим КПД hк.мех:

. (30.3)

Механический КПД компрессора учитывает утраты на трение Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ в подшипниках (hк.мех=0,95…0,98).

В ГТУ входной направляющий аппарат (ВНА) компрессора делают поворотным. Необходимость в поворотном ВНА вызвана рвением не допустить понижения экономичности при понижении нагрузки ГТУ. Потому что роторы компрессора и электрогенератора имеют схожую частоту вращения (при отсутствии редукторной передачи), то без ВНА расход воздуха в камеру сгорания Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ постоянен и не находится в зависимости от нагрузки. Потому, к примеру, при уменьшении расхода горючего и неизменности количества воздуха, подаваемого компрессором, понижается температура рабочей среды перед газовой турбиной и за ней. Это приводит к значительному понижению экономичности ГТУ. Поворот лопаток ВНА на 25 – 30° при понижении нагрузки позволяет уменьшить площади проходных сечений Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ каналов и, тем, уменьшить расход воздуха в камеру сгорания. При всем этом поддерживается неизменным соотношение меж расходами воздуха и горючего. В конечном итоге такового регулирования расхода воздуха температура рабочей среды остается фактически постоянной в спектре мощности ГТУ прямо до 80% от номинального значения. В ряде ГТУ поворотными делают и направляющие Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ аппараты нескольких первых ступеней компрессора (ПНА), что позволяет расширить обозначенный ранее спектр до 50%.

В газотурбинных установках используются цельнокованые, сборные и сварные конструкции роторов компрессоров. Сборные роторы, применяемые для современных высокорасходных компрессоров с большой степенью сжатия воздуха, делают из отдельных дисков, которые стягиваются одним центральным либо несколькими Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ наружными болтами (стяжками). При периферийной стяжке несколькими болтами выходит более жесткая конструкция ротора. При всем этом наличие контактного пояса на наивысшем поперечнике ротора позволяет отрешиться от бандажных связей и уплотнений. При использовании одной центральной стяжки передача вращающего момента от диска к диску осуществляется через зубчиковое соединение, выполняемое в периферийной части дисков Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ. Применение сборного ротора с насадными дисками ограничивается периферийными значениями окружной скорости 170-180 м/с (в критериях автофретирования дисков до 250 м/с). Материалом для производства дисков роторов являются легированные стали марок 20Х12ВНМФШ, 20Х12ВНМФВД.

Режимы работы и свойства осевых компрессоров ГТУ

В осевом многоступенчатом компрессоре при изменении режима работы ГТУ Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ изменяются такие его главные характеристики, как степень сжатия и расход воздуха. При запусках и остановах изменяется также частота вращения ротора. Номинальные свойства компрессора по эталонам ISO (нормы Интернациональной организации эталонов) получают при параметрах атмосферного воздуха tатм=15 оС, ратм=101,3 кПа, его влажности dатм=60 % и номинальной нагрузке ГТУ. Переменные режимы связаны как Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ с конфигурацией температуры внешнего воздуха, так и нагрузки турбоустановки. Для оценок воздействия режима работы компрессора в практике употребляются зависимости степени увеличения давления и КПД от расхода воздуха (рис. 30.4). Эти зависимости именуют чертами и они строятся для абсолютных значений характеристик при фиксированных значениях частоты вращения валопровода ГТУ n (рис. 30.4,а). В Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ большинстве собственном свойства компрессора получают на базе опытнейших испытаний компрессора, также расчетов с привлечением надежных математических моделей и средств. По ним можно судить об экономичности и стойкости работы компрессора на различных режимах его эксплуатации. При каждой частоте вращения ротора КПД компрессора и степень увеличения давления в Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ нем добиваются наибольших значений при определенном расходе воздуха, который тем больше, чем больше частота вращения n. При работе ГТУ в энергосети частота вращения ее валопровода имеет неизменное значение тогда и на полосы n=const свойства компрессора будут размещаться точки, надлежащие режимам эксплуатации ГТУ зависимо от ее нагрузки и температуры газов перед Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ турбиной. Эти свойства изменяются при изменении характеристик атмосферного воздуха (сначала, его температуры). Потому свойства получают в форме универсальных зависимостей в относительном измерении к подходящим нормам ISO (рис. 30.4,б). В большинстве случаев употребляются приведенные характеристики, которые имеют единицы измерения, близкие к единицам обыденных характеристик, но не зависят от исходных характеристик Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ воздуха:

- относительная частота вращения ; (30.4)

- относительный расход воздуха . (30.5)

Кривые = const именуют изодромами. В расчетном режиме =1. Приведенная частота nпр= × n, где n – частота вращения валопровода. Для определения черт компрессора в нерасчетном режиме нужно знать два параметра:

pк* = f ( , ) и hк* = f ( , ).

Рис. 30.4. Свойства компрессора:

а – по абсолютным значениям характеристик; б Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ – универсальная черта

Одной из черт осевого компрессора является граница помпажа, определяющая границу его устойчивой работы. На характеристике компрессора (рис. 30.4,а) эта граница выделена. Область режимов выше данной границы является неуравновешенной. Появление помпажа в большинстве случаев происходит при пуске ГТУ, когда частота вращения ротора и расход воздуха через компрессор малы, а Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ давление за компрессором резко увеличивается сначала процесса зажигания горючего в камере сгорания. Для защиты компрессора от помпажных явлений, связанных с вращающимся срывом потока в проточной части, в его конструкции предусмотрены антипомпажные устройства (антипомпажные клапаны). Через их часть воздуха из промежных ступеней сбрасывается в атмосферу. При пуске ГТУ также Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ употребляется регулирование расхода воздуха ВНА (входной направляющий аппарат).

Границу помпажа определяют расход воздуха и другие характеристики, при которых в компрессоре поначалу возникают повторяющиеся хлопки, сопровождающиеся обычно выбросом воздуха во входной патрубок. При предстоящем уменьшении расхода формируется сплошной рокот и резкие колебания расходных черт, что вызывает существенное повышение динамических нагрузок в Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ лопаточном аппарате и дисках ротора компрессора. В конечном итоге это явление приводит к поломкам, являющихся предпосылкой томных аварий. Потому работа компрессора в области границ помпажа не допустима.

Меры борьбы с помпажом делят на две группы. К первой группе относятся мероприятия, используемые при проектировании компрессоров и направленные на повышение области безотрывного обтекания Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ компрессорных профилей при увеличении углов их атаки. Ко 2-ой группе относятся мероприятия, связанные с организацией антипомпажных устройств. Антипомпажное устройство имеет особый регулятор (регулятор количества), который через сервомотор повлияет на антипомпажный клапан. Регулятор количества вступает в действие при уменьшении расхода (подачи) до мало допустимого уровня Gmin. Изменяя открытие клапана, сбрасывающего Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ воздух в атмосферу либо во поглощающую магистраль, регулятор обеспечивает постоянную подачу компрессора Gmin при любом расходе газа через турбину.

Наибольшее воздействие на главные свойства ГТУ оказывает изменение температуры внешнего воздуха. Понижение температуры и переход к их отрицательным значениям наращивает плотность воздуха и, как следует, его расход через Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ компрессор, мощность ГТУ и ее электронный КПД. При всем этом вырастает расход газов на выходе из газовой турбины, а их температура снижается. При неизменной исходной температуре рабочей среды перед ГТ переход к более низкой температуре внешнего воздуха наращивает степень увеличения давления в компрессоре, что в согласовании с его чертами Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ (рис. 30.4) понижает температуру выходных газов. На рис. 30.5 показаны главные зависимости по воздействию температуры внешнего воздуха на мощность одной из ГТУ конторы «АВВ», ее КПД, расход через компрессор и на уровень понижения температуры выходных из ГТ газов. Относительные величины представлены тут по отношению к базисному режиму эксплуатации ГТУ (при Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ tн=15оС).

Из представленных зависимостей следует, что изменение мощности, к примеру, при изменении температуры внешнего воздуха в спектре –20оС ¸+45оС составляет до 70%. Потому обычно номинальную мощность электрогенератора выбирают выше, чем мощность ГТУ на расчетном режиме. Так для ГТЭ-150 ЛМЗ при электронной мощности 150 МВт в расчетном режиме употребляется электрогенератор мощностью Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ 210 МВт.

а) б)

Рис. 30.5. Воздействие температуры внешнего воздуха на изменение:

а) электронной мощности ГТУ (1 – номинальная нагрузка; 2 – пиковая нагрузка);

б) электронного КПД ГТУ (1 – 100 % нагрузки; 2 – 75 %; 3 – 50 %; 4 – 25 %; 5 – пиковая);

(1 – 100 % нагрузки; 2 – 75 %; 3 – 50 %; 4 – 25 %; 5 – пиковая нагрузка)

В неких ГТУ для стабилизации температуры выходных газов употребляется дополнительное дожигание горючего либо регулирование расхода воздуха ВНА, также ПНА первых ступеней компрессора. При Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ работе в области отрицательных температур для ограничения роста мощности турбоустановки употребляется обогрев забираемого в компрессор воздуха в теплообменниках поверхностного типа либо подмешиванием части уходящих из турбины газов. Так добавка 4 -5 % выходных газов в КВОУ ГТУ позволяет повысить температуру воздуха на 15–20оС. При работе в области больших температур внешнего воздуха Режимы работы и характеристики осевых компрессоров ГТУ стабилизацию режимов по мощности ГТУ производят средством поверхностных охладителей либо испарительных устройств. Испарительное остывание перед компрессором основано на впрыске в воздух воды, которая, испаряясь, понижает его температуру и увеличивает плотность.


rezhim-dnya-dlya-1-mladshej-gruppi-na-period-s-1-sentyabrya-po-31-maya-osnovnaya-obsheobrazovatelnaya-programma-municipalnogo.html
rezhim-dnya-holodnij-period-goda-osnovnaya-obsheobrazovatelnaya-programma-doshkolnogo-obrazovaniya-municipalnogo.html
rezhim-dnya-ii-mladshaya-gruppa-programma-doshkolnogo-obrazovaniya-municipalnogo-byudzhetnogo.html