ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ Подготовка бакалавров: Направление – “Теплоэнергетика и теплотехника” Профиль – “Энергетика теплотехнологий”
ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
Подготовка бакалавров: Направление – “Теплоэнергетика и теплотехника”
Профиль – “Энергетика теплотехнологий”
ВВЕДЕНИЕ. Краткий исторический обзор
Любые явления в природе и технике сопровождаются обменом энергией. Наука об энергии, её свойствах и взаимных превращениях называется термодинамикой. Направление этой науки, которое изучает процессы взаимного превращения теплоты и работы в теплотехнике, и нацелено, главным образом, на анализ уровня и путей повышения эффективности этого преобразования с использованием различных тепловых машин – энергетических установок – называется технической термодинамикой [1].
В своём развитии практика и теория технической термодинамики прошли несколько этапов.
В конце XVII века начаты работы по созданию паровой машины, идеи которой восходят к трудам Герона Александрийского и Леонардо да Винчи, который описал паровую машину, изобретённую Архимедом. “Стихия огня” тревожит умы изобретателей, и в 1667 г. в Лондоне демонстрируется паровой насос Э Сомерсета, поднимавший воду на высоту 40 футов. В 1680 г. французский механик Д. Папен представляет проект паровой машины для поднятия различных тяжестей, в 1698 г. паровой насос для откачки воды из шахт демонстрирует английский военный инженер Т. Сэвери, который использовался на протяжении всего XVIII века, в том числе в Петербурге для работы фонтанов в летнем саду.
В первой половине XVIII века совершенствуется машина Т. Сэвери, изобретена паровая машина Ньюкомена, делаются попытки использовать эти машины в качестве двигателей кораблей (1736 г.), паровых повозок (1769 г.) и для привода воздуходувок доменного производства (1755 г.). Принципиальная модель машины Ньюкомена оставалась неизменной на протяжении почти 50 лет!
В России в 1765 г. первая паровая машина непрерывного действия построена механиком И.И. Ползуновым, используемая для привода воздуходувки в металлургическую печь. Машина проработала 43 дня, и из-за возникших неполадок была разрушена, а идеи Ползунова вскоре забылись.
Следует отметить предложение венгерского механика Я.А. Сегнера, предложившего в качестве двигателя паровую машину, основанную на использовании реактивного колеса – некий прообраз паровой турбины.
Во второй половине XVIII века несмотря на определённые достижения в области создания паровых машин, в производственных установках того времени использовались, в основном, водяные колёса и конный привод различных механизмов. Дальнейшее развитие промышленности требовало универсального мобильного двигателя, способного непосредственно приводить в действие различные машины и механизмы. Таким двигателем явился паровой двигатель непрерывного действия, изобретённый и запатентованный в 1784 г. англичанином Д. Уаттом, механиком университета в Глазго. Машина Уатта предвосхитила и определила многие конструктивные особенности последующих паровых машин, которые были практически единственными двигателями в течение последующих 90 лет.
Однако до конца XVIII века все немногие попытки использовать силу пара для передвижения технических устройств, перевозящих грузы, не увенчались успехом.
В начале XIX века тепловые машины активно внедряются в производство. Совершенствуются паровые машины Д. Уатта, механиком Леблоном (1801 г.) предложен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работавший на светильном газе, впрочем, заметного влияния на развитие техники эта идея влияния не имела. Во Франции Фултоном испытывается первый пароход (1803 г.), отвергнутый Наполеоном. Позже, в 1807 г. Фултон построил на реке Гудзон (США) первый колёсный пароход “Клермонт”, а Франция осталась без пароходов. В Англии механик Р. Тревитик проводит испытания паровой повозки (1801 г.) и первого паровоза (1804 г.), в 1812 г. открыта первая железная дорога с паровой тягой.
В России первые пароходы строятся в 1815 г. на Ижевском заводе и в Петербурге. Первый паровоз и первая железная дорога создана на Уральских рудниках отцом и сыном Черепановыми в 1833..1834 г.
Одновременно с развитием паровых машин делаются попытки создать достаточно эффективный двигатель, использующий вместо пара нагретые газы или продукты сгорания топлива. Такой двигатель может быть достаточно мобильным, так как не нуждается в генераторах пара, громоздких и довольно трудозатратных. Так, в 1816 г. в Англии теплотехником Стирлингом была запатентована “машина, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха”.
Двигатель Стирлинга относится к группе двигателей наружного сгорания топлива, воздух в рабочем цилиндре нагревался и затем охлаждался, совсем как в машине Ньюкомена пар, через стенку конструкции. Этот двигатель был мало эффективен, уступал по этому показателю паровым двигателям Д. Уатта и применения не получил.
Основой начала развития термодинамики как новой науки можно считать опубликованный в 1824 г. французским военным инженером Сади Карно трактат “Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу”. Как показывает исторический экскурс, к этому времени уже был накоплен богатый практический опыт создания тепловых двигателей, главным образом паровых машин. Однако, в отличие от этих инженерных разработок, Карно впервые изложил проблему превращения теплоты в работу в общем виде, не вдаваясь в технические особенности этого вопроса. Его выводы, отвлечённые от определенной конструкции машины и конкретного рабочего тела и сформированные в виде теоремы, привели к открытию закономерности, которая теперь называется Вторым началом термодинамики. Работа Карно стала впоследствии основой теории тепловых машин, полное содержание теоремы Карно излагается в [1].
Становление термодинамики как науки, закладываемое трудами учёных-исследователей различного направления, сопровождалось достижениями в технике тепловых машин.
Вторая половина XIX и начало XX века явилась временем интенсивного развития ДВС как альтернативы паровым машинам. В 1860 г. французский механик Ленуар усовершенствовал ДВС на светильном газе. Эффективность цикла двигателя составляла 3…5%, как у паровых машин того времени.
В 1877 г. немецкий механик Отто построил ДВС, работающий на парах бензина с эффективностью 16…20%, что значительно превышало эффективность паровых машин. В 1892…1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель создал ДВС, работающий на дешёвых сортах топлива (соляровые масла, мазут), что резко повышало его экономичность по сравнению с двигателем Отто. В 1904 г. русский инженер П.П. Тринклер разработал усовершенствованный двигатель, работающий на соляровых маслах с эффективностью, намного превышающей показатели двигателя Дизеля. После значительного усовершенствования этот тип двигателя стал одним из основных типов современных ДВС.
В конце XIХ века стали интенсивно развиваться технологии производства и быта, основанные на использовании электрической энергии. Генераторы, вырабатывающие электрическую энергию, нуждались в высокооборотных и экономичных двигателях. Паровые машины и ДВС не могли удовлетворить эти требования, так как были существенно ограничены по требуемой мощности и частоте вращения вала. Эта задача была успешно решена созданием паровых, а затем и газовых турбин. Паровые турбины также становились основным двигателем в кораблестроении. Большая заслуга в развитии турбостроения принадлежит де Лавалю и Парсонсу.
Карл-Густав-Патрик де Лаваль ("основным" считалось все же имя Густав) родился в 1845 г. и получил превосходное образование, окончив в Швеции технологический институт и университет в Упсале. Предки де Лаваля были гугенотами, вынужденно эмигрировавшими в Швецию в конце XVI века из-за преследований на родине. В 1872 г. де Лаваль стал работать в качестве инженера по химической технологии и металлургии, но вскоре заинтересовался проблемой создания эффективного сепаратора для молока. В 1878 г. ему удалось разработать удачный вариант конструкции сепаратора, получивший широкое распространение; вырученные средства Густав использовал для развертывания работ по паровой турбине. Толчок к занятию новым устройством дал именно сепаратор, поскольку он нуждался в механическом приводе, способном обеспечить частоту вращения не менее 6000 об/мин. В 1883 г. на эту конструкцию был взят английский патент.
Затем де Лаваль перешел к разработке одноступенчатой турбины, и уже в 1889 г. он получил патент на расширяющееся сопло (термин "сопло Лаваля" является общеупотребительным), позволяющее уменьшить давление пара и повысить его скорость до сверхзвуковой (раздел 5). Лаваль также ввёл в практику сопло постоянного профиля с косым срезом, позволяющее получать на выходе из него сверхзвуковую скорость потока пара. Сопло Лаваля, резко повысившее эффективность паровых турбин, широко используется сейчас как в турбостроении, так и в реактивной технике.
На международной выставке в Чикаго в 1893 году была представлена небольшая турбина де Лаваля мощностью 5 лошадиных сил с частотой вращения вала 30 000 об/мин! Огромная скорость вращения вала являлась важным техническим достижением, но, одновременно, она стала и ахиллесовой пятой этой турбины. Для практического применения турбины Лаваля необходимо было использование в составе силовой установки понижающего редуктора, размеры которого значительно превосходили размеры самой турбины.
Интересной особенностью творчества де Лаваля можно считать его "голый эмпиризм": он создавал вполне работоспособные конструкции, теорию которых позднее разрабатывали другие.
Иного рода человеком был англичанин Чарльз Парсонс, сын лорда Росса. Чарльз Парсонс родился в 1854 г. и получил классическое английское образование, окончив Кембриджский университет. Родом своей деятельности он избрал машиностроение. Талант и изобретательность конструктора в сочетании с личной инициативой и финансовыми возможностями родителей позволили Парсонсу быстро встать во главе собственного дела.
Паровая турбина, предложенная в 1884 г. Парсонсом, существенно отличается от турбины Лаваля; расширение пара в ней производится не в одной сопловой группе, а в ряде следующих друг за другом ступеней, каждая из которых состоит из неподвижных сопловых и вращающихся рабочих лопаток. 
Таким образом, оказалось возможным работа с небольшими скоростями парового потока в каждой ступени и с меньшими, чем в турбине Лаваля, окружными скоростями рабочих лопаток. Турбина Парсонса и явилась первым прототипом современного турбостроения.
Первая паровая турбина в России, мощностью 200 кВт, была построена на Петербургском металлическом заводе в 1907 г.
Стремление обойтись без громоздкой котельной установки, конденсационного устройства и прочих вспомогательных устройств производства пара, присущих паротурбинным установкам, и в то же время использовать все преимущества ротационного двигателя над поршневыми ДВС, использующих кривошипно-шатунный механизм возвратно-поступательного действия, привело к идее создания газовых турбин.
В России первая газовая турбина построена в 1897...1900 г. инженером П.Д. Кузьминским. В Европе в 1900..1904 г.г. построена турбина Штольца, содержащая все основные элементы современных газовых турбин. К 1939 г фирмой Браун-Бовери (Швейцария) построена первая промышленная газовая турбина мощностью 800 кВт. В настоящее время паровые турбины являются основой энергетических систем, вырабатывая электрическую энергию на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях [4].
В наше время газовые турбины широко используются в промышленности, энергетике, авиации, кораблестроении и на транспорте [5]. В суммарной выработке электроэнергии они занимают небольшую долю, не превышающую 12%. В то же время комбинации газовой и паровой турбины, так называемые парогазовые установки, весьма перспективны, поскольку они могут обеспечить наивысший КПД теплосилового цикла, т.е. производство электроэнергии с минимальным расходом топлива. Сейчас эти установки интенсивно развиваются, занимая все большее место в энергетике. Задачи термодинамики энергетических систем приобретают большое значение в двигателестроении и турбостроении с целью повышения экономичности машин, использующихся в этих областях техники. Развивается наука о циклах АЭС, термодинамика высокотемпературных рабочих тел и тел с низким температурным потенциалом теплоты.
Использование рабочего тела в новом состоянии вещества – плазменном, будет в ближайшем будущем широко применяться в некоторых областях техники благодаря её замечательным свойствам (МГД-генераторы, термоядерные реакторы). Это требует тщательного изучения её теплофизических свойств. Стремление повышать температуру и давление в камерах сгорания тепловых машин и аппаратов также требует изучение поведения рабочих тел в состояниях, весьма далёких от модели идеального газа. Необходимо более широкое термодинамическое изучение газовых потоков с фазовыми превращениями, потоков диссоциированных высокотемпературных газовых смесей и т.д.
Актуальны вопросы термодинамического исследования возможности и эффективности преобразования энергии Солнца, ветра, приливов, геотермальных установок как альтернативных источников энергии с возобновляемыми энергоносителями.
Для анализа уровня и путей повышения эффективности работы тепловых машин разработаны специальные методы, в частности метод циклов и метод расчёта эксергии рабочего тела [1]. Анализ рабочих процессов различных тепловых машин с точки зрения эффективности преобразования энергии – составная часть технической термодинамики. Успешный анализ эффективности энергетических установок и путей её повышения невозможен без должного знания принципов, заложенных в их основу, их устройства и действия.
Глава 1. ПОРШНЕВЫЕ МАШИНЫ
К поршневым машинам относят такие агрегаты (двигатели или приводные установки), основной рабочей частью которых являются цилиндр с движущимся в нём поршнем. В этих машинах возвратно-поступательное движение поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется в непрерывное вращение вала, передаваемое потребителю механической работы непосредственно или с помощью различного рода трансмиссий. Рабочим телом поршневых машин, как правило, является газ (водяной пар в паровых машинах, или продукты сгорания топлива в смеси с воздухом в газотурбинных установках или в двигателях внутреннего сгорания [1]). К этому типу машин относят также поршневые компрессоры, предназначенные для получения газа высокого давления [6]. Работу на привод компрессор получает из внешней среды, для чего используются различного рода двигатели.
Исторически первыми поршневыми машинами являются паровые машины.
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий тепловую энергию пара в механическую работу посредством возвратно-поступательного движения поршня.
Поршневые паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, первых паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века.
Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.
Поршневые паровые машины
Силу пара знали ещё в древности. Так Герон Александрийский более 2-х тысяч лет назад изготавливал не только забавные механизмы, приводимые в… Только в XVII веке (1615 г.) француз С. Де Ко воспроизвёл опыты Герона: в его… Машину, подобную паровой турбине предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения…Атмосферные” паровые машины
Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым… Паровая машина Т. Сэвери. Схема машины Т. Сэвери показана на рис. 1.1. В… При закрытом клапане В и открытом А открывают клапан С, при этом пар, создавая давление в ёмкости 3, вытесняет из неё…Паровые машины высокого давления
Машина Дж. Уатта. В 1774 году появилась версия паровой машины, созданная Уаттом в сотрудничестве с Мэттью Боултоном, давшая новый импульс в развитие… Во-первых, пар П после совершения работы по поднятию поршня в рабочем… Во-вторых, рабочий цилиндр не охлаждается, а теплоизолируется специальной тепловой рубашкой, в которую подаётся часть…Паровые машины двойного действия.
В паровых машинах двойного действия (рис. 1.4) свежий пар поочередно подается по обе стороны рабочего поршня 1 в цилиндре 2, в то время как… Поршень 1 паровой машины соединён со скользящим штоком 3, выходящим из… Дальнейшее повышение мощности машин потребовало использование паровых котлов “высокого” давления, разработанных…Множественное расширение пара. Компаунд-машины
В процессе расширения пара в цилиндре машины высокого давления давление пара падает пропорционально его расширению. Для реализации полного… Один из методов использования большого перепада давления был предложен в 1804… Применение последовательного расширения пара высокого давления в нескольких цилиндрах уменьшало перепад давления в…Двигатели внутреннего сгорания
Принцип получения механической энергии в поршневых газовых двигателях состоит в расширении газообразного рабочего тела в цилиндре под поршнем,… ДВС — это тип тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно… Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к сравнительно несовершенному типу тепловых машин (их…Принципиальная схема ДВС
Принципиальная схема 4х-тактного ДВС показана на рис. 2.1. Здесь 1 – корпус, 2 – поршень с системой уплотнительных колец, 3 – впускной клапан для подачи воздуха из атмосферы, 4 – форсунка подачи жидкого топлива или свеча зажигания топливно-воздушной смеси, 5 – выпускной клапан для отработанных продуктов сгорания в атмосферу, 6 головка цилиндра, 7 – цилиндр с рубашкой охлаждения, 8 – шатун, 9 – коленчатый вал.
Совокупность всех процессов, протекающих в цилиндре двигателя, составляют его термодинамический цикл, который принято разделять на такты.
1-й такт. Впуск воздуха из атмосферы при открытом клапане 3. Поршень, совершая холостой (не рабочий) пробег, движется из верхнего положения в нижнее, так что весь объём цилиндра заполняется засасываемым воздухом.
2-й такт. Сжатие воздуха в цилиндре при движении поршня снизу вверх. При этом клапаны 3 и 5 закрыты, так что объём цилиндра становится герметичным, и воздух сжимается от 16 до 25 раз в зависимости от типа мощности двигателя. Инициирование сгорания топлива происходит чуть раньше момента достижения поршнем верхней точки вследствие некоторой инертности процесса горения.
В настоящее время ДВС подразделяют по роду используемого топлива на газовые, бензиновые и дизельные, так что инициирование и сам процесс горения происходит в них по-особому, в зависимости от рода топлива.
3-й такт. Расширение продуктов сгорания или рабочий ход. После выгорания топлива подвод теплоты к рабочему газу прекращается, и реализуется процесс быстрого расширения газа, по своему характеру близкому к адиабатному. При этом совершается механическая работа над внешней средой.
4-й такт. Поршень идёт вверх, через открытый выхлопной клапан 5 поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра. Затем процессы, составляющие цикл ДВС, повторяются.
Для сжатия воздуха в цилиндре ДВС используется частично работа соседнего цилиндра во время его рабочего хода, или, если двигатель имеет только один цилиндр, используется энергия маховика, насаженного на вал двигателя.
Двигатель на светильном газе
В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного… В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип… В двигателе Лебона для подготовки горючей смеси были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один…Двигатель на бензине
Поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания из-за недостатков светильного газа не прекращались. Некоторые изобретатели пытались… Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже.… Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из лёгких: они решили создать двигатель, который не требовал бы…Дизельные двигатели
Дизельный двигатель – это поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого жидкого топлива при его… Следует отличать дизельный двигатель от компрессионного двигателя, работающего… Сгорание топлива в дизеле происходит, таким образом, длительно, столько времени, сколько длится подача порции топлива…Поршневые компрессоры
Поршневой компрессор – объёмная машина, у которой все рабочие процессы, направленные на получение сжатого газа, происходят под поршнем, перемещающемся в цилиндре под действием внешних сил [1], раздел 10.1, [6], глава 3.
Принципиальная схема компрессора
Наиболее распространены поршневые компрессоры с возвратно-поступательным движением поршня с приводом от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания. В этом случае преобразование вращательного движения вала двигателя в возвратно-поступательное движение поршня происходит при помощи кривошипно-шатунного механизма. В общем случае этот механизм состоит из вала с кривошипом (или коленом), шатуна и крейцкопфа (ползуна) (схема на рис. 2.9). Здесь 1 – коленчатый вал, 2 – шатун, 3 – клапаны нагнетания и всасывания, 4 – патрубки, 5 – поршень двойного действия, 6 – цилиндр, 7 – шток, 8 – крейцкопф, 9 - направляющие крейцкопфа.
Назначение крейцкопфа – спрямлять движение поршня, что особенно требуется при его большом ходе в цилиндре, необходимом для получения повышенной степени сжатия газа. Компрессоры малой мощности выполняются обычно без крейцкопфа с поршнем удлиненной формы. Крейцкопфные компрессоры могут быть как с цилиндром двухстороннего действия, так и одностороннего действия, которые могут быть и без крейцкопфа.
Положение поршня, наиболее удалённое от вала, называют верхней мёртвой точкой (ВМТ), соответственно наименьшее удаление – нижней мёртвой точкой (НМТ). В этих положениях поршень практически неподвижен, что следует из кинематики кривошипно-шатунного механизма. При движении поршня из ВМТ в НМТ в левой полости цилиндра двухстороннего действия создаётся разрежение, а в правой его полости – сжатие газа. Под действием разности давлений, действующих на клапана, клапан всасывания в левой полости и клапан нагнетания в правой полости цилиндра открываются. В результате газ из внешней среды (из атмосферы) поступает в левую полость, и вытесняется при заданном давлении из правого объёма цилиндра к потребителю (например, в ресивер высокого давления). При обратном ходе поршня из НМТ в ВМТ процессы в объёмах цилиндра меняют свой характер на противоположный – всасывание в правом и сжатие в левом объёме.
В тех случаях, когда требуемое давление газа не может быть получено однократным сжатием, применяются компрессоры со ступенями давления, т.е. многоступенчатые компрессоры [1,5]. В таких компрессорах сжатие газа происходит многократно в последовательно соединённых цилиндрах, разобщённых клапанами. Между цилиндрами газ проходит через межступенчатое охлаждение в специальных теплообменных аппаратах. В некоторых случаях многократное сжатие достигается в одном цилиндре поршнем специальной конструкции, с несколькими диаметрами. Такие поршни называют дифференциальными.
Сжатие газа с охлаждением в межступенных аппаратах до исходной температуры существенно уменьшает работу на привод компрессора. Также очевидно, что минимальная работа на привод компрессора в заданном интервале повышения давления газа соответствует изотермическому сжатию. Эта особенность предусмотрена С. Карно при составлении им цикла тепловой машины, обладающей максимальной эффективностью преобразования теплоты в работу.
 |
Принципиальный вид компрессора повышенной мощности с двухступенчатым сжатием воздуха, забираемого из окружающей среды, показан на рис. 2.11. Использована схема компрессора с одним цилиндром и ступенчатым (дифференциальным) поршнем. Здесь 1 - дифференциальный поршень, 2 – полость цилиндра первой ступени сжатия, 3 – обратная полость цилиндра второй ступени сжатия, 4 –рубашка водяного охлаждения цилиндра, 5 – всасывающий клапан и впускной коллектор первой ступени, 6 – нагнетательный клапан и выпускной коллектор первой ступени, 7 – теплообменник-охладитель кожухотрубного типа, 8 – кривошипно-шатунный механизм с маховым колесом.
Атмосферный воздух через клапан всасыванием поступает в полость первой ступени цилиндра с большим диаметром поршня. Отсюда ходом поршня газ вытесняется через нагнетательный клапан в межступенный охладитель, установленный сверху над цилиндром. После охлаждения газ засасывается в полость второй ступени цилиндра, откуда при повышенном давлении подаётся к потребителю.
Компрессор установлен на массивном фундаменте. Цилиндр компрессора и теплообменник интенсивно охлаждаются водой, прокачиваемой через тракт охлаждения специальным насосом. Возвратно-поступательное движение массивного поршня сглаживается специальным маховиком, установленным на валу компрессора.
Для производительной работы компрессора большое значение имеет действие всасывающих и нагнетательных клапанов. На рис. 2.12 показана простейшая схема нагнетательного клапана. Здесь 1 – корпус, 2 – клапанная пластина, лежащая на сёдлах клапанов, 3 – пружины, 4 – хомутик, 5 –гайка, регулирующая усилие пружин.
Всасывающие клапаны открываются, когда давление в цилиндре (область а на рисунке) падает ниже давления в линии всасывания. Нагнетательные клапаны открываются, когда давление в цилиндре выше давления среды, куда происходит нагнетание (область b на рисунке). Обратная посадка клапана на седло обычно происходит под действием пружин. Величина давления нагнетания регулируется степенью поджатия пружин хомутиком при закручивании регулирующей гайки. Работа клапанов такого типа происходит автоматически и не требует какого-либо привода.
Тестовые вопросы по разделу “Поршневые машины”.
1. Что такое поршневая машина? По каким основным признакам их классифицируют? Каковы области их применения?
2. Каков принцип действия атмосферной (или вакуумной) машины? Приведите примеры.
3. Назовите основные особенности машины Дж. Уатта? Каково их влияние на термодинамическую эффективность тепловой машины?
4. Каков принцип работы и устройства двигателя внутреннего сгорания (ДВС)? По каким признакам их подразделяют?
5. Назовите основные преимущества ДВС над поршневой паровой машиной? Каково их влияние на термодинамическую эффективность тепловой машины?
6. От чего зависит и как повысить эффективность ДВС? Сравните эффективность ДВС различных классов.
7. Как достигается изохорный подвод теплоты в цикле двигателя Отто? В чём преимущества и недостатки этого способа сгорания топлива?
8. Как достигается изобарный подвод теплоты в цикле двигателя Дизеля? В чём преимущества и недостатки этого способа сгорания топлива?
9. Как достигается смешанный подвод теплоты в цикле двигателя Тринклера? В чём преимущества этого способа сгорания топлива над схемой Дизеля?
10. Каков принцип работы и устройства поршневого компрессора? По каким признакам их подразделяют?
11. Перечислите пути повышения термодинамической эффективности поршневого компрессора.
12. В чём заключается принцип многоступенчатого сжатия газа? Как он реализуется на примере компрессора двухстороннего действия?
13. Всегда ли целесообразно использовать межступенное охлаждение сжимаемого газа компрессором? Возможен ли этот приём без использования специального теплообменника?
Глава 2. ТУРБИНЫ – ПРОИЗВОДИТЕЛИ РАБОТЫ
Турбина (от латинского turbo – вихрь, вращение) – машина, преобразующая потенциальную и кинетическую энергию рабочего тела в механическую энергию вращения её вала. В зависимости от рабочего тела турбины могут быть газовые, паровые и гидравлические.
В паровых турбинах рабочим телом, как правило, служит водяной пар, а паровая турбина является одним из основных элементов тепловой (ТЭС) и атомной (АЭС) энергетических электростанций. В газовых турбинах в качестве рабочего тела используются газы – продукты сгорания топлива. Гидравлические турбины – основа гидроэлектростанций (ГЭС) не являются объектами исследования теплотехники, и нами рассматриваться не будут.
В зависимости от потребителя энергии турбины могут служить в качестве привода (двигателя) генераторов, вырабатывающих электроэнергию (энергетические турбины), кораблей, наземных и воздушных транспортных средств (тепловозы, пассажирские и военные самолёты и т.п.), для привода насосов и компрессоров на перекачивающих станциях газо- и нефтепродуктов и др. (турбины привода)
Для сравнения возможностей различных машин: паровой поршневой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл – генератор пара) от 1 до 8% (локомобили и первые паровозы), однако этот же двигатель с конденсатором может улучшить КПД до 25% (наивысший показатель для паровозов последних серий). Паротурбинная установка с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом в её цикле может достичь КПД в 30..42% [4]. КПД газотурбинных установок может достигать 35% и выше [5].
Парогазовые турбоустановки с комбинированным циклом, в котором энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем теплота отходящих газов используется для паровой турбины, могут достичь КПД в 50..60% [4]. В настоящее время это направление в энергетике интенсивно развивается.
Таким образом, представленные показатели свидетельствуют о подавляющем преимуществе использования турбин в качестве двигателей энергетических установок различного назначения. Чем же определяется это преимущество, от каких факторов оно зависит, как его усилить, повышая эффективность турбоагрегатов? Для ответа на поставленные вопросы следует рассмотреть и усвоить принципиальное отличие в процессах преобразования энергии в сравниваемых системах.
Принцип действия турбины
В отличие от поршневой машины, непосредственно использующей потенциальную энергию давления рабочего тела (пара или газа), процесс преобразования энергии в турбине имеет более сложный характер. Первоначально потенциальная энергия рабочего тела, приобретенная им перед подачей в турбину, частично преобразуется в кинетическую энергию направленного потока. Поток рабочего тела при движении в проточной части турбины, взаимодействуя с рабочими лопатками её ротора, оказывает на них силовое воздействие и совершает работу вращения вала на привод подсоединённого к нему потребителю механической энергии.
Воздействие потока рабочего тела на лопатки рабочего колеса турбины
Принцип действия турбины рассмотрим на примере её колеса (схема колеса турбины показана на рис. 3.8). При истечении газа через специальные насадки… а) Активные турбины. Ступени, в которых ускорение потока газа происходит… Рассмотрим схему возникновения силы давления потока газа на поверхность рабочей лопатки ротора турбины (рис. 3.9).…Сопловые и рабочие решётки ступени турбины
Профили лопаток количеством z, образуя решётки, располагаются на диске с корневым диаметром dк друг относительно друга на расстоянии шага D =… Принципиально сопловые и рабочие решетки не отличаются друг от друга, однако,… Здесь сопловые лопатки объединены в решётку посредством двух бандажей – наружного и внутреннего Наружный бандаж…Проточная часть многоступенчатой турбины
Так как на одной ступени турбины можно снять лишь часть энергии рабочего тела, турбины выполняются многоступенчатыми. При этом поток рабочего тела, покидая очередную ступень, направляется на сопловую решётку последующей ступени, и так повторяется до тех пор, пока поток не отдаст практически всю энергию валу турбины. Та часть турбины, по которой движется поток, называется проточной частью.
Проточная часть многоступенчатой турбины и распределение параметров газа на её ступенях схематически показаны на рис. 3.19. Здесь сплошной линией показано распределение теплоперепада (энтальпии) газа h и абсолютной скорости с по ступеням активной турбины, штриховой линией – реактивной турбины (распределение теплоперепада и давления имеют аналогичный характер).
Основная часть кинетической энергии потока пара с2/2, предварительно ускоренного в сопловых решётках, преобразуется в механическую работу турбины на лопатках ступеней её ротора. Так что на входе в турбину и на выходе из неё скорость потока газа с0 и скорость потока на выходе из турбины с2т сравнительно невелика.
Расширение потока газа в активной турбине происходит только в сопловых решётках ступеней (на рисунке они зачернены), в реактивной турбине – и на рабочих лопатках. Поэтому в одинаковых условиях реактивная турбина способна переработать в механическую энергию значительно больший перепад теплоты, но и требует организации большего перепада давления в её проточной части. Поэтому в ступенях высокого и среднего давления активной турбины обычно предусматривается невысокая степень реактивности, в ступенях низкого давления их реактивность увеличивается (на схеме показано увеличение перепада теплоты и давления в последней ступени активной турбины с повышенной реактивностью). Такими мерами достигается расчётное давление р2т в выходном патрубке турбины.
По мере расширения газа и понижения давления его удельный объём увеличивается. Для пропуска возрастающих объёмов постепенно от ступени к ступени увеличивают проходные сечения сопловых и рабочих решёток, что достигается, в основном, увеличением диаметров ступеней и высоты лопаток. При большом числе ступеней это может потребовать слишком больших поперечных размеров ступеней низкого давления, так что на практике турбины, рассчитанные на минимальное противодавление (в основном, это паровые турбины с конденсацией отработанного пара) разделяют на блоки, выполняя их в двух или трёх и более цилиндрах.
При проектировании турбины возможно различное конструктивное выполнение её проточной части в её меридиональном (продольном) сечении. На рис. 3.19 показаны характерные поперечные размеры последней ступени: диаметры корневой Dк, средний Dс и периферийный Dп, а также угол раствора gп профиля проточной части на её периферии. Схема а проточной части выполнена при Dк = const, т.е. при одинаковом наружном диаметре дисков, на которых закреплены рабочие лопатки. Схема обладает технологическим преимуществом изготовления ротора турбины. Однако окружные скорости передних ступеней турбины из-за малого среднего диаметра их лопаток невелики, что может вызвать увеличение количества ступеней или повышения их нагрузки, что снижает кпд турбины.
Проточная часть турбины может быть выполнена при Dп = const (схема b), т.е. при неизменном диаметре дисков статора, на которых закреплены сопловые решётки. Схема позволяет получить турбину с наименьшим числом ступеней, так как при этом достигается максимальные окружные скорости рабочих лопаток, а, следовательно, и максимальные тепловые перепады на каждую ступень. Однако в лопатках и дисках передних ступеней возникают более высокие напряжения в силу повышенных механических нагрузок и больших диаметров дисков.
Помимо указанных схем может быть конструктивно осуществлена схема проточной части турбины, в которой как Dк так и Dп изменяются от ступени к ступени (в частном случае Dс = const). При этом углы раствора gп и gк наименьшие, что положительно отражается на кпд турбины, однако технология изготовления турбины существенно усложняется.
Конструктивное исполнение и размеры проточной части турбины (или отдельного цилиндра паровой турбины) в большой степени зависят от объёмного расхода рабочего тела (газа или пара), т.е. от Gv, м3/сек (3.2). Если в силу сохранения расхода G = const, то в конденсационных турбинах ТЭС и АЭС удельный объём пара v в их проточной части может увеличиваться в зависимости от перепада давления на турбине в (1,0 – 2,5)103 раз, что влечёт за собой многократное увеличение площади её кольцевого сечения. Разделение многоступенчатой турбины на отдельные цилиндры позволяет сравнительно легко учесть этот фактор.
Размеры поперечного сечения проточной части на выходе из турбины в силу многократного расширения пара могут быть недопустимо большими, поэтому на начальном этапе проектирования их рассчитывают в первую очередь. Примеры конструктивного воплощения ротора турбины с рабочими лопатками и сопловых решёток показаны в приложении.
Паровые турбины
Современная энергетика основана на централизованном производстве электроэнергии. Генераторы тока, установленные на электростанциях, в большинстве… Использование в электроэнергетике другой тепловой турбины – газовой, не… В то же время комбинации газовых и паровых турбин, объединённых единым циклом преобразования энергии, так называемые…Первые паровые турбины
К концу XIX века промышленная революция достигла поворотной точки своего развития. За полтора века до этого паровые двигатели значительно… В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания окружного усилия… Второй принцип основан на преобразовании потенциальной энергии давления пара в кинетическую, которая совершает…Конденсационные паротурбинные установки.
Часть энергии, полученной паром в котле от сгорающего топлива, используется в турбине для генерации электрического тока, подаваемого через… Для заполнения рабочего контура ПТУ водой и для компенсации её утечек из… Электроэнергия, вырабатываемая генератором 4, через подстанцию подаётся в сеть…Краткая историческая справка.
За пределами СССР первая АЭС промышленного назначения была введена в эксплуатацию в 1956 г. в Колдер-Холле (Великобритания), её мощность составляла… Крупнейшая АЭС в Европе – Запорожская АЭС (Украина), строительство которой… Мировыми лидерами в производстве ядерной электроэнергетики являются США (836,63 млрд кВт.ч/год), Франция (439,73 млрд…Классификация АЭС.
По виду поставляемой энергии АЭС можно разделить на две группы [4]:
· АЭС, предназначенные для выработки электроэнергии. При этом на многих АЭС есть теплофикационные установки, использующие тепловые потери станции для удовлетворения собственных нужд.
· Атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), вырабатывающие как электрическую, так и тепловую энергию.
По числу контуров. Классификация АЭС по числу контуров является наиболее важной. Различают АЭС одноконтурные, двухконтурные и трёхконтурные. Во всех случаях на современных АЭС в качестве двигателя электрогенераторов применяются паровые турбины.
 |
Принципиальная схема АЭС показана на рис. 4.10. Производителем теплоты на АЭС является ядерный реактор, в котором энергия распада ядерного топлива выделяется в виде теплоты. Производительность теплоты реактором определяется не только энергией ядерного топлива, но и рядом других факторов. В частности, к ним относят, прежде всего, интенсивность отвода теплоты с поверхности тепловыделяющих элементов (твэлов). Определённые ограничения на параметры реакторов (а, следовательно, на их производительность и экономичность) накладывают физические свойства ядерного топлива, прежде всего, его термостойкость [4].
В системе АЭС различают теплоноситель и рабочее тело. Термические и экономические приемлемые показатели турбины реализуются при организации её работы в виде замкнутого цикла или, как принято называть, замкнутого контура. Рабочим телом, совершающим работу с преобразованием тепловой энергии в механическую, является водяной пар (на электронной схеме его контур показан синим цветом).
Назначение теплоносителя на АЭС – отводить теплоту, выделяющуюся в реакторе АЭС в ходе распада ядерного топлива, помещаемого в его корпус. Поэтому для него также необходим замкнутый контур, так как теплоноситель реактора всегда радиоактивен (его контур показан красным цветом). Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель поступает в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища или градирни. Конденсат водяным насосом возвращается в парогенератор.
Контур теплоносителя содержит компенсатор давления, довольно сложную и громоздкую конструкцию, которая служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, возникающих за счёт теплового расширения теплоносителя. Давление в первом контуре может доходить до 160 атмосфер (ВВЭР-1000) [4].
К настоящему времени освоены схемы АЭС, в которых в качестве теплоносителей используется вода и жидкометаллические теплоносители (в основном, натрий и калий).
Ядерные установки с водяным теплоносителем бывают двух типов: кипящие и некипящие. В первом случае вода доводится до кипения с интенсивным парообразованием непосредственно в самом реакторе. Во втором случае реактор нагревает воду до температуры насыщения при повышенном давлении (р0 = 10..12 МПа при Т0 = 550..620 К), а водяной пар как рабочее тело получают в специальном теплообменнике в виде насыщенного или немного перегретого состояния (р1 = 3..6 МПа при Т1 = 530..550 К). Использование насыщенного пара или пара с незначительным перегревом существенно снижает эффективность паровой турбины (рис. 4.5).
Жидкометаллические теплоносители дают возможность за счёт своих теплофизических свойств резко увеличить начальную температуру рабочего тела, поставляемого в турбину. При этом значительно возрастает кпд цикла и установки в целом. Однако такие теплоносители обладают высокой восприимчивостью к радиоактивности. Кроме того, они могут привести к взрыву при контакте с водой или с выделяемым ею кислородом, или кислородом воздуха. Эти обстоятельства приводят к необходимости использовать схемы АЭС с раздельными контурами для теплоносителя реактора и рабочего тела (водяного пара) турбины.
Разрабатываются схемы АЭС с газовыми теплоносителями в силу их термической и радиационной стойкости. Считается перспективной создание схемы АЭС с газовой турбиной, в которой газ будет исполнять роль теплоносителя в реакторе и рабочего тела в турбине. Однако эти теплоносители требуют значительно больших расходов энергии на прокачку их повышенного расхода в контуре реактора (10..15% вместо 1..3% для водяных теплоносителей) [4].
Оценки показывают, что кпд цикла АЭС на гелии при его начальных параметрах на турбине р1 = 10 МПа и Т1 = 870..920 К (температура поверхности твэлов может быть до 970 К) составит 42% при регенеративном подогреве гелия в цикле турбины и всего лишь 31% без регенерации теплоты.
Рассмотрим схемы АЭС, освоенные к настоящему времени [4].
Одноконтурная АЭС. Схема одноконтурной АЭС показана на рис. 4.11. В этом случае контуры теплоносителя и рабочего тела не разделены, так что теплоноситель, охлаждающий реактор, является и рабочим телом турбины. В реакторе 1 вода нагревается до кипения и заполняет котёл 2, в котором над свободной поверхностью жидкости собирается насыщенный пар. Циркуляционный насос 3 постоянно прокачивает кипящую воду через реактор, охлаждая его. Пар под давлением насыщения из котла направляется в турбину 4, где производит механическую работу, превращаемую генератором в электроэнергию. При выходе из турбины пар поступает в конденсатор 5, где охлаждается водой, подаваемой из внешней среды. После конденсации всего пара конденсат питательным насосом 6 подаётся в паровой котёл, в котором смешивается с кипящей водой. Из парового котла конденсат снова поступает в реактор.
В одноконтурной схеме всё её оборудование работает в радиационных условиях, что осложняет его эксплуатацию. Параметры пара перед турбиной и в реакторе отличаются лишь на значение потерь в паропроводах. Большое преимущество таких схем – простота и экономичность. По одноконтурной схеме работают Ленинградская, Курская и Смоленская АЭС.
Двухконтурная АЭС. В двухконтурной схеме АЭС (рис. 4.12) контуры теплоносителя и рабочего тела разделены. Контур теплоносителя называют первым, а рабочего тела – вторым контуром. Реактор 1 охлаждается теплоносителем, прокачиваемым через него и специальный парогенератор 2 рабочего тела главным циркуляционным насосом 3. Образованный таким образом первый контур является радиоактивным, он охватывает не всё оборудование схемы АЭС, а лишь его часть.
В парогенераторе происходит теплопередача от теплоносителя к рабочему телу через разделяющую их поверхность теплообмена [11]. Пар из парогенератора 2 поступает в турбину 4, затем в конденсатор 5, конденсат питательным насосом 6 подаётся обратно в парогенератор. Оборудование второго контура работает уже вне зоны радиации, это значительно упрощает эксплуатацию станции.
На двухконтурной АЭС обязателен парогенератор – устройство, разделяющее контур теплоносителя от контура рабочего тела, и вместе с тем объединяющее их процессом теплопередачи. Теплообмен через рабочую поверхность парогенератора требует определённый перепад температур между теплоносителем и кипящей водой, что сопряжено с потерей эксергии системы по сравнению с одноконтурной схемой АЭС.
Для водного теплоносителя повышенная температура в первом контуре означает поддержание более высокого давления, чем давление пара, подаваемого на турбину. Стремление избежать закипания теплоносителя в активной зоне реактора также приводит к необходимости иметь в первом контуре давление, существенно превышающее давление во втором контуре.
В качестве теплоносителя в схеме АЭС могут быть использованы также и газы. Газовый теплоноситель прокачивается через реактор и парогенератор воздуходувкой вместо главного циркуляционного насоса. При этом давление в первом контуре может быть как выше, так и ниже, чем во втором контуре. По двухконтурной схеме работают Нововоронежская, Кольская, Балаковская и Калининская АЭС,
Одноконтурные и двухконтурные типы АЭС имеют свои преимущества и недостатки, поэтому в настоящее время развиваются АЭС обоих типов. Общим для них является работа турбины на насыщенном водяном паре средних давлений. В мировой практике в основном предпочтение отдаётся двухконтурным АЭС.
Трёхконтурная АЭС. В процессе эксплуатации возможна ситуация, при которой в результате негерметичности парогенератора радиоактивный теплоноситель из первого контура при имеющемся существенном перепаде давления может перетекать во второй контур, приводя его в радиоактивное загрязнение. В определённых пределах такая перетечка не нарушает нормальной эксплуатации АЭС, но существуют и используются теплоносители, активно взаимодействующие с водой, водяным паром и кислородом. Это может вызвать опасность выброса радиоактивных веществ в обслуживаемые помещения АЭС, и даже взрыв системы. Таким теплоносителем является, например, жидкий натрий. Поэтому создают дополнительный, третий контур, промежуточный между первым и вторым контурами АЭС, чтобы избежать контакта радиоактивного натрия первого контура с водой или водяным паром во втором контуре (рис. 4.13)
Радиоактивный жидкометаллический теплоноситель в первом контуре АЭС насосом прокачивается через реактор 1 и промежуточный теплообменник 7, в котором отдаёт теплоту нерадиоактивному жидкометаллическому теплоносителю промежуточного контура. Последний прокачивается через парогенератор 2 своим циркуляционным насосом 8 по системе, образующей промежуточный контур. Давление в промежуточном контуре поддерживается более высоким, чем в первом, так что перетечка радиоактивного натрия из первого контура в промежуточный невозможна, а контакт воды или пара во втором контуре будет только с нерадиоактивным натрием.
Система второго контура в трёхконтурной схеме АЭС аналогична двухконтурной схеме. Трехконтурные АЭС наиболее дорогие из-за большого количества оборудования. По трёхконтурной схеме работают Шевченковская АЭС и третий блок Белоярской АЭС.
Наиболее полная характеристика АЭС объединяет все классификации, например, следующие условные обозначения.
РБМК – реактор большой мощности, канальный, водографитный, кипящего типа. Из реактора сухой насыщенный пар подаётся прямо в турбину при р1 = 6,5 МПа, АЭС одноконтурная, пар в турбине радиоактивный.
ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор, 2-х контурный, теплоноситель – вода в реакторе под давлением, без кипения, при рр = 13..17 МПа, в парогенераторе производится пар при р1 = 4,4..8 МПа. На турбину поступает пар нерадиоактивный, насыщенный, реже слегка перегретый.
БНР – реактор на быстрых нейтронах (РБМК и ВВЭР на тепловых нейтронах), используется изотоп урана или плутоний. Теплоноситель – жидкометаллический натрий, схема 3-х контурная, третий контур водокипящий с температурой пара ~ 5000 С.
Как уже говорилось, использование насыщенного или слабоперегретого пара в турбинах АЭС снижает эксплуатационные характеристики их турбин по сравнению с ТЭЦ, обеспечивающих существенный перегрев пара (до 8000 С и выше).
Элементы конструкции паровых турбин
Общий вид паровой турбины показан на рис. 4.14. Здесь 1 – узел разгрузки осевого усилия на вал турбины, 2 – цилиндр высокого давления, 3 –… Конструкция турбины состоит из трёх цилиндров, для облегчения монтажа и… Мощность турбины 250 МВт с начальными параметрами пара 170 ата и 550 0С, пар после работы в ЦВД поступает в…Газовые турбины
Газовые турбины являются составным элементом газотурбинных установок (ГТУ). ГТУ являются прогрессивными высокоэкономичными энергетическими системами, использующими в качестве рабочего тела продукты сгорания углеводородного топлива (газы) [5]. Такие специфические качества, как малая удельная металлоёмкость и трудоёмкость в обслуживании, высокая маневренность и степень автоматизации управления, эксплуатационная надёжность обусловили распространение ГТУ на воздушном и морском транспорте. В теплоэнергетике ГТУ применяются для производства электрической и тепловой энергии при покрытии пиковых нагрузок при использовании этих видов энергии, и в качестве составного элемента комбинированных парогазовых установок. В настоящее время использование ГТУ интенсивно расширяется как в энергетике, так и в газовой, химической, металлургической и др. отраслях промышленности.
Газовые турбины в теплоэнергетике
Наряду с развитием паротурбинных установок и усовершенствованиями двигателей внутреннего сгорания (ДВС) к началу XX века возрос интерес к проблеме… Традиционная современная газотурбинная установка (ГТУ) — это совокупность… ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме – на газе, а в резервном…Эффективность и область применения ГТУ.
Газотурбинные установки на электростанциях, как основной тип двигателя для привода электрогенераторов, использовались первоначально главным образом… Однако работы, проводившиеся в течение ряда лет, показали, что путь… Еще одно из направлений по применению газотурбинных установок для выработки электроэнергии – использование авиационных…Общая схема устройства ГТУ
Принципиальное устройство газотурбинной установки, предназначенной для привода электрогенератора в составе энергетической системы, показано на рис. 4.1. ГТУ состоит из следующих блоков: I – электрогенератор, II – компрессор, III – газовая турбина, IV – камера сгорания (всего их две).
 |
Конструкция системы состоит из следующих узлов: 1 – электрогенератор, 2 – вал, соединяющий валы электрогенератора и ГТУ, 3 - соединительная муфта валов с опорным узлом, 4 – корпус воздухозаборника-очистителя, 5 – вал компрессора, 6 – трубы подачи воздуха из компрессора в систему охлаждения турбины, 7 – турбина, 8 – выпускной коллектор отработанных газов, 9 – опорный узел вала турбины, 10 – камера сгорания, 11 – щелевой канал подачи воздуха в камеру сгорания, 12 – узел топливных форсунок, 13 – опорно-соединительная муфта валов турбины и компрессора, 14 – статор компрессора с системой отводов воздуха, 15 – трубопроводы подачи топлива, 16 – ротор компрессора, 17 и 18 – опоры ГТУ на фундамент.
Таким образом, ГТУ – это двигатель, в котором происходит превращение тепловой энергии газа в механическую работу, затрачиваемую на привод электрогенератора (или иного потребителя механической энергии). Процесс производства работы осуществляется в турбине, рабочим телом является газ (продукты сгорания топлива в смеси с воздухом), сформированный в поток. Поток, кроме внутренней энергии газа, должен обладать определённой энергией давления, совершающей работу проталкивания в проточной части турбины. Заданный уровень температуры и давления обеспечивают камера сгорания топлива и компрессор, забирающий воздух из атмосферы.
Компрессор, используя часть мощности турбины, создаёт высокий уровень потенциальной энергии давления газа и подаёт его в камеру сгорания. В камере сгорания выделяется химическая энергия топлива при сгорании его углеводородов в воздухе, необходимая для повышения температуры газа.
Последовательность реальных процессов, протекающих в отдельных блоках ГТУ, принято изображать как на принципиальных физических схемах энергетических установок, так и на диаграммах термодинамического состояния рабочего тела в ходе цикла непрерывного производства работы.
Простейшая принципиальная схема ГТУ (рис. 4.2) объединяет в единый рабочий цикл турбину Т, компрессор К и камеру сгорания КС. Воздух, забираемый из атмосферы компрессором, подаётся под давлением в камеру сгорания, где происходит процесс горения топлива в воздушной среде. Туда же специальным насосом Н подаётся топливо, которое распыливается форсунками, и сгорает с выделением химической энергии. Образовавшаяся смесь газов (продукты сгорания) поступает в виде потока в турбину, где ускоряется в сопловых решётках и при взаимодействии с лопатками ротора турбины совершает работу на привод вращения вала. Отработанные газы отводятся от турбины во внешнюю среду.
На валу ротора турбины закреплены потребитель энергии ЭГ (например, электрогенератор или гребной винт корабля), и компрессор, на привод которого от турбины отводится определённая часть энергии. Работу на привод топливного насоса не учитывают ввиду её малости. Подобные схемы ГТУ называются одновальными схемами.
Наибольшее применение нашли ГТУ с изобарным (непрерывным) горением топлива. Идеальный цикл ГТУ непрерывного изобарного горения топлива называется циклом Брайтона.
Анализ литературных источников, как отечественных, так и зарубежных, свидетельствует, что наибольшее распространение в стационарных ГТУ получили две типовые конструктивные схемы. Первая – одновальная ГТУ простого цикла с возможной разбивкой компрессорной группы на две-три ступени сжатия. Вторая – двухвальная ГТУ со свободной силовой турбиной низкого давления для привода полезной нагрузки. На рис. 4.8 показана принципиальная схема ГТУ повышенной мощности с промежуточным охлаждением воздуха при его сжатии и подогреве газов при совершении ими работы. Схема двухвальная, со свободным выходом отходящих газов. Компрессоры и турбины делятся соответственно на агрегаты низкого и высокого уровня давления (КНД и КВД для компрессоров и ТВД и ТНД для турбин). Полезная нагрузка может быть как на обоих валах установки, так и на одном из них (обычно ТВД является приводом для КВД, являющимся основным в цикле установки, а ТНД – для полезной нагрузки и КНД малой мощности) [5].
Компрессор низкого давления КНД забирает атмосферный воздух и повышает его давление до промежуточного значения. Нагретый сжатием воздух направляется в теплообменник – охладитель ТОА, после чего поступает в компрессор высокого давления КВД, повышающий его давление до расчётной величины. В камере сгорания высокого давления КСВ образуется смесь газов и с заданной температурой и давлением поступает на турбину высокого давления ТВД, приводящей в действие потребитель П2 и компрессор КВД. После турбины отработанные газы поступают в камеру сгорания низкого давления КСН, где подогреваются до расчётного уровня, и направляются на турбину низкого давления ТНД. Турбина приводит в действие основной потребитель П1 и компрессор КНД. Отработанные газы выводятся в окружающую среду или утилизируются для вторичных нужд производства.
Как уже говорилось, промежуточное охлаждение воздуха при сжатии может увеличить затраты топлива, вводимого в камеру КСВ, т.е. охлаждение воздуха не всегда способствует повышению эффективности установки. Для определения оптимального распределения степени повышения давления в компрессорах существуют методики расчёта, нацеленные на определение оптимального режима системы в целом по её эффективности.
Промежуточный подогрев газов перед турбиной требует использование специальной камеры сгорания и дополнительного расхода топлива. Однако в совокупности с промежуточным охлаждением воздуха эта мера при надлежащем анализе её показателей может привести к существенному повышению полезной работы и термического кпд установки [5].
Максимальная полезная мощность энергетических ГТУ достигла 130 – 145 МВт с тенденцией дальнейшего повышения до 160 – 200 МВт за счёт повышения температуры газа перед турбиной и повышения расхода воздуха (для приводных ГТУ мощность агрегатов составляет 16 – 25 МВт). КПД эксплуатируемых стационарных ГТУ составляет 32 – 34% (в перспективе повышение до 36 – 38%).
Достигнуты следующие основные показатели энергетических ГТУ мощностью ~ 100 МВт (отечественные/зарубежные) [5]: кпд hэ = 28 – 30/30 – 32; степень повышения давления p = 25/(12 – 15); расход воздуха Gв = 630/(280 – 360) кг/с; максимальная температура газа 1300/1365 К; температура газа после турбины 820/780 К; масса турбинной группы 620/(200 – 290) тонн. Следует обратить внимание на то, что зарубежные ГТУ при одинаковой температуре в камере сгорания имеют более высокую эффективность, позволяющую развивать заданную мощность при меньшем расходе воздуха, и меньшую массу турбинной группы. При этом степень повышения давления воздуха в компрессоре в 1,5 – 2 раза меньше, чем у отечественных аналогов.
Постоянный прогресс энергетического турбостроения предусматривает как повышение максимальной температуры цикла ГТУ и расхода воздуха, так и аэродинамическое совершенствование проточных частей турбомашин и элементов газовоздушного тракта ГТУ [5,7].
Дальнейший прогресс в энергетическом турбостроении связан с расширением и углублением блочного принципа разработки исходного прототипа энергетической системы [5]. В перечень таких блоков (модулей) обычно выделяют:
· Блок турбомашин (турбина и компрессор), имеющий общую базу, на которой также монтируются системы обеспечения работы установки;
· Блок выносных камер сгорания, не входящих в блок турбомашин;
· Блок пускового устройства;
· Блок полезной нагрузки (электрогенератор, нагнетатели, насосы и т.п.);
· Воздухоочистительное устройство;
· Блок выпуска газов из турбины с регенератором и шумоглушителем.
Блочный принцип разработки энергетических систем определяет возможность взаимозаменяемости, использование прогрессивных методов изготовления и сборки, транспортировки, монтажа, контроля технического состояния, обслуживания и ремонта.
Повышение мощности последующих прототипов достигается, в основном за счёт последовательного повышения максимальной температуры газа и в меньшей мере за счёт повышения степени сжатия и расхода воздуха. Уровень Тmax = 1600..1700 К будет осваиваться за счёт использования уже существующих марок жаропрочных сталей и систем воздушного охлаждения таких ответственных узлов и деталей, как лопаточный аппарат, диски статоров турбины, поддерживающие сопловые решётки, пламенные трубы КС, горячие газоходы.
Дальнейшее повышение до Тmax = 1800..1900 К потребует применения новых систем охлаждения (в том числе водяных) и разработки новых жаропрочных сплавов и композитных материалов [5].
На рис. 4.11 показана турбокомпрессорная установка энергетической ГТУ, спроектированная фирмой “Браун Бовери”с использованием блочного принципа изготовления. Внешний вид ГТУ типа 13Е АВВ (Asea Brown Boveri) на сборочном стенде завода показан на рис. 4.12. Видны сборка турбокомпрессорного агрегата и камер сгорания (вторая камера сгорания находится под сборочным стапелем). На виде с торца агрегата расположен направляющий аппарат входного коллектора компрессора.
Мощность ГТУ 265 МВт, кпд hэ = 38,5%, степень сжатия p = 30, расход воздуха Gв = 562 кг/с, температура газов в КС Т3 = 1290 0С, на выходе из турбины Т2 = 640 0С, масса 330 тонн. ГТУ может быть использована в качестве “верхнего” энергоблока в парогазовом цикле энергетической системы.
Воздух из атмосферы поступает во входной коллектор компрессора 1, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных лопаток. Сформировавшийся поток после компрессора, совершающего работу сжатия газа до определённой степени повышения давления, поступает в камеру сгорания 2 (камер сгорания может быть несколько). При сжигании топлива образуются продукты сгорания высокой температуры. Рабочие газы подаются в проточную часть турбины 3, принцип действия которой ничем не отличается от принципа действия паровой турбины. В турбине поток газов совершает работу на лопатках её ротора, расширяясь при этом практически до атмосферного давления, и поступают в выходной диффузор, и из него — либо сразу в дымовую трубу, либо предварительно в какой-либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ.
Часть воздуха высокого давления из ступеней компрессора через специальные каналы в барабане вала 4 ГТУ подаётся на лопатки турбины для их охлаждения (на рис. 4.11 это показано штрихами). Охлаждение лопаток газовой турбины позволяет повысить температуру в её камере сгорания, что приводит к повышению эффективности преобразования энергии.
Турбина через вал 4, общий для всей установки, приводит в действие компрессор, тратя на его привод весьма значительную часть своей мощности (половину или более от мощности на валу турбины). Оставшаяся часть мощности турбины тратится на привод потребителя (например, электрогенератора). Это и есть полезная мощность ГТУ, которая указывается при ее маркировке.
Камера сгорания может быть выполнена и отдельным блоком, при этом необходима система специальных газоходов, что приводит к дополнительным потерям мощности ГТУ.
Повышение температуры газа, поступающего из камеры сгорания на турбину, приводит к существенному увеличению её термодинамической эффективности (рис. 4.2) и мощности. Такие турбины называют высокотемпературными (ВГТУ). Вместе с этим, неизбежным является использование дорогостоящих и сложных по технологии обработки жаропрочных материалов для изготовления деталей турбины, прежде всего деталей конструкции её проточной части – направляющих лопаток сопловых решёток и рабочих лопаток, особенно для первых ступеней турбины [5].
Между тем охлаждение деталей турбины в значительной степени позволяет реализовать преимущества от повышения начальной температуры процесса расширения газа в цикле ГТУ при применении вполне обычных материалов. Становится возможным использовать такой температурный уровень материала охлаждаемой детали и перепады температуры (или градиенты температуры) в ней, которые обеспечивают её надёжность во всём диапазоне режимов работы установки.
В качестве теплоносителей могут быть различные газы и жидкости. Наибольшую глубину охлаждения, т.е. разность температур между горячим рабочим газом и охлаждаемой деталью, получают при использовании воды или жидких металлов (натрий, калий и т.п.) в силу их теплофизических характеристик (прежде всего, теплоёмкости и теплопроводности). Однако использование их для охлаждения ГТУ связано с решением сложных конструкторских и технологических задач, и пока не вышло из стадии предварительного проектирования и экспериментальной отработки опытных образцов.
В современных стационарных ВГТУ повсеместно используют в качестве охлаждающего теплоносителя воздух, отбираемый из её силового компрессора [5].
При охлаждении дисков, роторов, узлов подшипников вала, уплотнителей и корпусных деталей ВГТУ теплота отводится в большинстве случаев за счёт конвективной схемы охлаждения. Для этого используют организованный обдув их поверхностей через специальные щелевые зазоры и отверстия – каналы, направляющие поток охлаждающего воздуха к наиболее теплонапряжённым местам конструкции. В ряде случаев охлаждающий воздух подаётся во внутренние полости ротора, из которых он поступает в зону крепления рабочих лопаток для охлаждения их корневой части и для дальнейшего поступления во внутренние каналы системы охлаждения лопатки.
Охлаждение сопловых решёток. Сопловой аппарат первых ступеней газовой турбины находится в зоне максимальных температур газа, поэтому уже при начальной температуре Т3 ~ 1200К требуется интенсивное охлаждение его деталей, особенно направляющих лопаток [5]. С этой целью сопловые лопатки изготавливают полыми, с вставным дефлектором – устройством для направления потока охлаждающего воздуха внутри полости лопатки (рис. 4.14). При использовании литых лопаток их внутренние полости охлаждающего тракта изготавливают с развитой системой проточных щелей и канавок. Поступающий охлаждающий воздух через дефлекторы 1 в полости лопатки, проходя по соединяющим их каналам, выдувается через щели 2, расположенные в непосредственной близости от выходной кромки лопатки, или в самой кромке. Для усиления теплообмена охлаждающего воздуха с лопаткой в щелевом канале, выполненном в её теле вместо простого протока 2 могут быть установлены турбулизаторы (штыри – выступы) 3. В результате создания конвективно-плёночного охлаждения на поверхности лопатки обеспечивается снижение температуры её поверхности на DТ = 200..250 градусов относительно температуры газа. При этом охлаждающий воздух выводится из щели или системы каналов тракта охлаждения в поток рабочего газа на выходе из сопловой решётки.
Дальнейшее увеличение глубины охлаждения может быть получено при использовании конструкции лопаток с пористой профильной оболочкой и внутренним несущим основанием [5] (рис. 4.15). Основание 1 лопатки покрыто пористой оболочкой 2, опирающейся на его выступы так, что вдоль поверхности лопатки образуются продольные каналы 3. По этим каналам осуществляется дифференцированный подвод охлаждающего воздуха к пористой оболочке лопатки. Часть охлаждающего воздуха выводится в поток рабочих газов через щель в концевом профиле лопатки.
Схема может быть реализована при освоении технологии пористых материалов со стабильными характеристиками и высоком требовании к чистоте охлаждающего воздуха. Повышенная шероховатость поверхности лопатки с пористым охлаждением вызывает заметное увеличение профильных потерь энергии на ступени турбины.
Охлаждение рабочих лопаток. Охлаждение рабочих лопаток, закреплённых на дисках вращающегося ротора, представляет собой более сложную проблему, нежели охлаждение сопловых лопаток, установленных в виде венцов на неподвижном массивном статоре турбины.
Среди возможных схем охлаждения рабочих лопаток может быть реализовано струйное внешнее охлаждение, при котором вода подаётся на их поверхность через щели, расположенные в выходных кромках сопловых лопаток. На поверхности рабочих лопаток вода испаряется, тем самым достигается большая глубина их охлаждения. Однако при этом резко снижается эффективность преобразования энергии на ступени турбины, так что этот способ используется весьма редко, в маломощных турбинах специального назначения [5].
Широко используются схемы внутреннего охлаждения открытого типа. Конструктивно наиболее простой и достаточно эффективной является рабочая лопатка с системой продольных и поперечных каналов для пропуска охлаждающего воздуха, который подаётся во внутреннюю полость лопатки в её корневую часть и из верхнего (периферийного) конца выпускается в радиальный зазор между рабочим колесом и статором турбины. Этот способ обеспечивает глубину охлаждения DТ = 150..250 градусов относительно температуры газа при Т3 ~ 1200К. Технология изготовления таких лопаток достаточно проста, но охлаждение не позволяет обеспечить достаточную равномерность распределения температуры по объёму лопатки, вызывающую её термическую деформацию.
Весьма эффективны системы охлаждения с многократным продольно-поперечным движением воздуха по внутренним каналам, устроенным в теле лопатки (рис. 4.16). В этой схеме поток охлаждающего воздуха распределяется дифференцированно в зависимости от поля температур в теле лопатки через систему рёбер 1, направляясь через систему турбулизаторов 2 в щель, расположенную вдоль выходной кромки лопатки, и поступает в поток рабочего газа. Воздух в систему охлаждения лопатки подаётся через её корневую часть 3, которой лопатка крепится на ротор вала турбины.
Система охлаждения рабочих лопаток жидкостью (водой) может быть выполнена как с принудительной, так и естественной её циркуляцией. В первом случае теплоноситель прокачивается в системе охлаждения лопатки за счёт перепада давления специальным насосом. Во втором случае используется так называемый термосифонный эффект в поле центробежных сил из-за разности плотности нагретой и холодной жидкости. Жидкость, заполнившая внутреннюю полость лопатки, на периферийном её конце будет испытывать большее воздействие центробежных сил, чем в корневой части. Кроме того, в корневой части жидкость охлаждается внешним теплоносителем в случае замкнутой системы, либо поступает в систему охлаждения с меньшей температурой.
Широкое применение охлаждаемых лопаток в ВГТУ, как сопловых, так и рабочих, связано с решением следующих конструктивно-технологических проблем [5].
· Наличие многочисленных каналов и полостей в тракте теплоносителя, сложной конфигурации и малой площадью проходных сечений,
· Малая толщина стенки профильной части лопатки,
· Необходимость обеспечения достаточной герметичности тракта, особенно для замкнутых схем охлаждения,
· Обеспечение требуемой пористости оболочки или самой стенки лопатки.
При изготовлении лопатки, несмотря на её охлаждение, необходимо использовать жаропрочные сплавы, обладающие приемлемыми характеристиками пластичности при высоких тепловых нагрузках. Как правило, эти материалы с трудом поддаются обработке обычными технологическими методами.
В современных технологиях охлаждаемые лопатки выполняют преимущественно методом точного литья с последующим полированием профильных поверхностей. В некоторых, особо ответственных случаях для доводки профилей лопаток применяют электрохимический способ обработки. Для изготовления или доводки внутренних каналов и полостей тракта охлаждения широко используют электрохимическую или электроимпульсную обработку. Наиболее сложной является технология изготовления пористой (проникающей) оболочки профильной части лопаток.
В целях повышение коррозионной стойкости материалов применяют поверхностные жаростойкие покрытия, наносимые плазменным, электронно-лучевым или диффузионным способом.
Охлаждение ВГТУ приводит к следующим особенностям [5].
· Повышение температуры газов в камере сгорания приводит к увеличению эффективности термодинамического цикла ГТУ.
· Из-за отвода части теплоты от потока рабочего газа происходит уменьшение его работоспособности.
· Часть располагаемой работы потока газа затрачивается на сжатие и прокачку охлаждающего теплоносителя.
· 
Из-за ввода охлаждающего воздуха в поток горячих газов в открытых системах охлаждения возникают дополнительные термодинамические и аэродинамические потери располагаемой работы.
· При использовании водяного пара в открытых системах при Т3 ~ 1500К экономия топлива составляет 12..14% и увеличивается при повышении Т3.
На рис. 4.17 представлена диаграмма, иллюстрирующая развитие по годам и достигнутые результаты по эффективности отечественных и зарубежных энергетических ГТУ с повышением температуры газов перед турбиной (обобщение ЛМЗ). Показаны результаты фирм АВВ (Швейцария), General Elektric (США), Siemens (Австрия) и Westinghous (Германия) без расшифровки, указаны марки отечественных ГТУ (разработки ЛМЗ).
На рис. 4.18 показана диаграмма достигнутого уровня мощности и эффективности отечественных и зарубежных ГТУ (продолжение диаграммы на рис. 4.17). Как видно, общая тенденция развития энергетических ГТУ следующая: стремление повышать абсолютную мощность ГТУ сопровождается мерами, направленными на повышение их эффективности. Следует отметить, что наилучшие показатели соответствуют высокотемпературным ВГТУ (рис. 4.18) зарубежных систем.
2.3.2. Компрессоры газотурбинных установок
Компрессор – машина для повышения давления и перемещения газа. По принципу действия компрессоры подразделяют на объёмные и лопастные. В свою очередь, объёмные компрессоры делятся на поршневые и роторные. В поршневом компрессоре сжатие газа осуществляется перемещением поршня в цилиндре, совершающего возвратно-поступательное движение. К роторным машинам относятся винтовые, ротационно-пластинчатые и другие конструкции компрессорных машин [6].
Лопастной компрессор – машина динамического действия, в которой сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока газа с вращающейся и неподвижной решётками лопастей (лопаток), установленных в его проточной части. К лопастным машинам относят радиальные (центробежные), в которых поток газа движется в основном от центра к периферии, и осевые компрессоры, в которых поток движется вдоль оси ротора.
К компрессору как важнейшему компоненту ГТУ предъявляют требования, среди которых наиболее важными являются производительность (или массовый расход газа G, кг/с; достаточно большая степень повышения давления pк = рвых/рвх как отношение давления на его выходе к давлению газа на входе; высокий кпд, определяемый как отношение полученной энергии сжатого газа к работе, затраченной на привод; высокая надёжность и долговечность работы; малые габариты и масса. Немаловажным условием является требование подачи сжатого газа без пульсаций давления. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют центробежные компрессоры, используемые в цикле ГТУ малой мощности, и осевые компрессоры для ГТУ средней и большой мощности [5,6].
Осевые компрессоры имеют преимущество перед центробежными, – более высокие значения кпд, меньшая масса и габариты, примерно равная стоимость изготовления и эксплуатации. В большинстве случаев осевые компрессоры – это многоступенчатые машины, применяемые в энергетической промышленности, в авиационной, криогенной, газовой, химической, металлургической и других отраслях, т.е. там, где нашли широкое применение газовые турбины.
Современные осевые компрессоры ГТУ имеют степень повышения давления до 25..35 и выше. В зависимости от скорости газового потока в рабочих органах различают дозвуковые и сверхзвуковые компрессоры, они могут иметь привод как от турбины, так и от электродвигателя.
Схема многоступенчатого осевого компрессора представлена на рис. 4.19 (показан вход в проточный канал компрессора).
Подводящее устройство. Наиболее простым подводящим устройством, широко используемым в осевых компрессорах, является подвод газа в виде патрубка (рис. 4.11). Для уменьшения потерь энергии вводная часть патрубка закруглена, а его профиль может быть выполнен в виде конфузора с углом 10..150.
Во вводной патрубок воздух поступает из атмосферы (из блока очистки, см. рис. 4.1) через формирующий его поток вводной аппарат (рис. 4.19) с лопатками 1, установленными в корпусе 2. Угол наклона направляющих лопаток относительно потока газа регулируется посредством тяг-рычагов 3, соединённых с системой управления расходом газа через компрессор. Далее сформированный поток воздуха подаётся на рабочее колесо первой ступени компрессора.
Рабочее колесо. Рабочее колесо является основным элементом проточной части компрессора, в которой происходит преобразование механической энергии привода (в частности, турбины) в энергию потока перекачиваемого газа. Колесо состоит из рабочих лопаток (профилированных лопастей) 4, закреплённых своей корневой частью равномерно по окружности на цилиндрической поверхности барабана 5, составленного из отдельных дисков. Диски устанавливаются на общий вал 6, образуя ротор компрессора, который соединён муфтой с валом привода (турбины). В системе направляющих решёток и дисков рабочих лопаток предусмотрены элементы 7 герметизации ступеней компрессора, предотвращающие перетекание газа в область с низким давлением. Для регулирования расхода газа через компрессор лопасти также могут быть поворотными синхронно с лопастями подводящего устройства.
Выпрямляющий аппарат. Поток воздуха высокого давления, завихрённый в лопаточном аппарате рабочего колеса компрессора, проходит через выпрямляющий аппарат, представляющий собой решётку профилированных лопаток, расположенную за рабочим колесом. Лопатки обычно направлены по радиусу проточной части, могут быть неподвижными или, как и рабочие лопатки, поворотными. В решётке выпрямляющего аппарата осуществляется гашение вращательного момента скорости, создаваемого рабочим колесом, и преобразование кинетической энергии потока в энергию давления.
Выводное устройство. Отводное устройство предназначено для отвода потока газа из проточной части компрессора, дополнительного гашения момента скорости за ступенями и преобразования кинетической энергии потока в энергию давления газа. За выводным устройством может быть установлен кольцевой диффузор.
К потребителям воздух высокого давления поступает через специальные воздуховоды, в системе ГТУ поток воздуха направляется непосредственно в камеру сгорания.
На рис. 4.20 показан ротор компрессора, установленный на опорные подшипники в корпус агрегата. Здесь 1 – канал воздухозаборника с установленными в нём направляющим аппаратом 2. За направляющим аппаратом расположены рабочие лопатки 3 первой ступени сжатия газа. В проточной части компрессора в его корпусе 4 установлены направляющие лопатки 5, а за ними – снова рабочие лопатки 3, установленные на барабане вала 6, опирающегося на подшипники 7 в опорах корпуса компрессора.
Работа ступени осевого компрессора. В осевом компрессоре передача энергии с его вала потоку газа происходит при помощи рабочего колеса, состоящего из лопастей, закреплённых на барабане. Так как лопасти установлены под углом в плоскости вращения колеса, то они захватывают и тянут на себя газ, несколько закручивая его, ускоряя и перемещая вдоль оси вращения с определённой скоростью. Приращение энергии газового потока в проточной части компрессора сопровождается одновременным изменением всех термодинамических параметров состояния газа – давления, температуры и плотности.
Величина повышения давления газа, создаваемая одним колесом, ограничена скоростными и геометрическими факторами. В современных осевых компрессорах энергетических установок применяются очень высокие числа оборотов вала, дающие окружные скорости на концах лопастей до 400 м/с. Но даже это во многих случаях не обеспечивает получения требующегося давления. Повышение давления в одной ступени обычно невелико, степень сжатия газа в ступени pст (отношение конечного давления к начальному) составляет всего pст ~ 1,05..1,35, и поэтому применяют многоступенчатое сжатие газа. Количество ступеней давления в осевых компрессорах достигает 20 [5,6].
Работа всех элементов проточной части компрессора взаимосвязана. В общем случае ступень компрессора включает в себя рабочее колесо и установленный непосредственно за ним выпрямляющий аппарат. Схема ступени осевого компрессора показана на рис. 4.21. Ступень состоит из рабочего лопаточного колеса 1 и следующего за ним неподвижного направляющего аппарата 2 (схема а). К рабочему колесу подводится механическая работа, которая с помощью лопаток преобразуется в кинетическую энергию потока газа. В направляющем аппарате в общем случае происходит лишь преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления газа (или без такого преобразования), и изменение направления потока для его подвода к следующей ступени (схема b).
В каналах между лопатками рабочего колеса газ перемещается в двух направлениях: вращается вместе с колесом с окружной скоростью и, и движется вдоль поверхности лопаток с относительной скоростью w. В результате поток газа с заданным массовым расходом перемещается в проточной части компрессора вдоль его оси с координатой z (поэтому компрессор и называется осевым).
В соответствии с заданным расходом, по аналогии с рабочим колесом турбины, строятся треугольники скоростей потока газа на входе и на выходе с профиля лопатки. При этом выбор расчётного угла b для установки рабочей лопатки относительно плоскости диска рабочего колеса должен обеспечить максимальный напор газа при минимальной его потере на профиле лопатки. Наибольший интерес представляет режим работы решётки лопаток рабочего колеса, когда достигается наибольший угол разворота потока в канале, а коэффициент её профильного сопротивления ещё не велик. Это достигается уменьшением до определённых пределов относительного шага решётки D/b, где b – ширина лопатки.
Типичные формы проточной части многоступенчатых осевых компрессоров в меридиональной плоскости могут быть различными. Например, на рис. 4.19 показана схема компрессора с изменяющимися внутренним Dв и наружным Dн диаметрами проточной части. Наиболее распространена схема, при которой неизменным выполняется наружный (периферийный) диаметр проточной части Dн = const (схема а на рис. 4.21). В этом случае окружная скорость на периферии рабочих лопаток во всех ступенях оказывается одинаковой, а скорости на внутреннем диаметре Dв возрастают вдоль по проточной части от ступени к ступени. Это позволяет увеличить напор в последующих ступенях, что сокращает их количество [5,6].
При больших степенях повышения давления и, в первую очередь, при небольших расходах газа лопатки последних ступеней могут иметь малую относительную длину, что ухудшает экономичность компрессора из-за повышенного расхода перетекания газа в щелях между лопатками в зону с низким давлением.
Ступени осевого компрессора принято классифицировать по коэффициенту реактивности. В чисто реактивной ступени давление газа возрастает в результате преобразования кинетической энергии потока только в рабочих каналах, а направляющие устройства служат только для изменения направления потока, подготавливая его для взаимодействия со следующим рабочим колесом.
В частично реактивных ступенях преобразование кинетической энергии в давление происходит как в рабочих, так и в направляющих каналах. Коэффициент реактивности ступеней назначается в пределах 0,4..1,0 [5,6].
Камеры сгорания газотурбинных установок
Камерой сгорания называется устройство, обеспечивающее повышение теплосодержания газа в цикле ГТУ за счёт химических реакций окисления углеводородов… В энергетике более распространены камеры непрерывного сгорания топлива при… Принципиальная схема камеры показана на рис. 4.25 [5]. Поток воздуха В, подаваемого в камеру сгорания компрессором,…Глава 3. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
Теплообменные аппараты (ТОА) – это устройства, предназначенные для передачи теплоты от теплоносителя первичного, имеющего более высокую температуру, к теплоносителю вторичному, с низкой температурой. ТОА используются в производственных целях для осуществления различных тепловых процессов (например, нагревание холодного теплоносителя, производство водяного пара, охлаждение горячего теплоносителя и конденсация пара, и т.п.), а также в целях, направленных на повышение эффективности использования теплоты в энергетических установках [3].
В большинстве случаев основой теплообмена в теплообменниках различного назначения является процесс теплопередачи, т.е. обмен теплотой между двумя подвижными средами (теплоносителями) через разделяющую их стенку. Отдельным классом теплообменников выделяют паровые котлы – энергетические аппараты, предназначенные для производства пара.
Паровые котлы энергетических систем
Рассмотрим особенности устройства, энергетические характеристики и принципы расчёта параметров паровых котлов, предназначенных для производства… Для получения насыщенного и перегретого пара в системе ПТУ используются… На данный момент котлы, установленные на тепловых электростанциях (ТЭС), могут вырабатывать до 4500 тонн пара в час…Котёл-генератор насыщенного пара
Простейший водотрубный котел для производства насыщенного пара состоит из пучков труб, присоединенных своими концами к барабану (или барабанам)… На рис. 5.1 показана простейшая схема горизонтального водотрубного парового… Котёл работает следующим образом. Горячие продукты сгорания топлива из топочной камеры самотягой (естественной…Котёл-генератор перегретого пара
В настоящее время большинство паротурбинных установок работают не с насыщенным, а с перегретым паром с предельно высокими температурой и давлением.… Пароперегреватель состоит, как правило, из стальных труб, образующих… На рис. 5.3 дана схема прямоточного водотрубного котла перегретого пара высокого давления системы проф. Рамзина (котёл…Теплообменники энергетических установок
Теплообменники энергетических установок (ТОА) используются в целях осуществления различных тепловых процессов (нагревание, охлаждение и т.п.),… Теплообменный аппарат состоит из теплопередающей части, в которой через… По назначению ТОА энергетических установок подразделяются на воздухоподогреватели, воздухоохладители, маслоохладители,…Кожухотрубный теплообменный аппарат
Схема кожухотрубного ТОА показана на рис. 5.5. Здесь 1 – параллельные трубы, собранные в пучок и своими концами вмонтированные в трубные доски 2.… Многоходовое движение вторичного теплоносителя организовано для повышения… Рабочей поверхностью аппарата, через которую реализуется передача теплоты между теплоносителями, является боковая…Конденсаторы пара
Конденсаторы пара являются одной из определяющих составляющих различных энергетических систем, таких как переработка нефти, производство дистиллята… Схема поверхностного конденсатора показана на рис. 5.10. На торцах корпуса 1… Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор через патрубок 9, заполняет межтрубное пространство в объёме…Тестовые вопросы по главе 3 “Теплообменные аппараты”.
1. Какие функции выполняют теплообменные аппараты в энергетических установках? Приведите примеры их использования.
2. Какое назначение паровых котлов в различных энергетических системах? Что такое насыщенный и перегретый пар? В чём их отличие, каковы схемы их производства?
3. Как устроен паровой котёл? По каким признакам их подразделяют на классы?
4. Каковы схемы теплообменников реализуются в котлах различного типа? Как достигается перегрев пара в паровых котлах различного типа?
5. Как достигается повышенное давление пара в паровом котле, необходимое для эффективной работы паровой турбины? Чем это отличается от схемы газотурбинной установки?
6. Каков принцип теплообмена реализован в ТОА различного назначения? Какие теплоносители могут быть использованы при применении ТОА в энергетических установках и системах?
7. Как связаны между собой расход теплоносителя и размеры теплообменного аппарата? Каких размеров может достигать ТОА энергетической системы повышенной мощности?
8. Пользуясь схемами, поясните устройство и схему тока теплоносителей в ТОА.
9. Пользуясь схемами, поясните устройство и принцип действия конденсатора пара.
10. Поясните принцип действия и устройство теплообменных аппаратов, используемых в АЭС различных схем производства пара. Возможно ли получение пара высокой степени перегрева на АЭС?
Глава 4. ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Воздушно-реактивные двигатели (ВРД) относятся к классу реактивных двигателей, использующих для своей работы окружающую среду (атмосферу).
Под реактивным принципом движения тел, согласно установившейся терминологии, подразумевают движение в результате воздействия силы отдачи, проявляющейся как реакция на отбрасывание массы тела в виде направленного потока в окружающую среду. При этом следует подчеркнуть, что всякий способ передвижения тел в жидкой или газообразной среде основан на силах отдачи, возникающих при отбросе некоторой массы среды в направлении, обратном движению тела. Например, лодка и пароход движутся под действием реакции отбрасываемой вёслами или гребным винтом массы воды. Пропеллер (винт) самолёта создаёт тягу, отбрасывая назад по ходу движения массу воздуха. В отличие от этих примеров, ракета движется под действием силы реакции, возникшей при истечении из сопла ракетного двигателя продуктов сгорания топлива, т.е. отбрасывания собственной массы.
Различие между реактивным и нереактивным принципами движения тел обусловлено характером реакции. В случае нереактивного движения реакция имеет, как принято говорить, непрямое действие. Между двигателем, являющимся источником (преобразователем) энергии, и отбрасываемой массой имеется некоторый промежуточный элемент – движитель. У лодки двигатель – гребец, а движитель – вёсла. У парохода и самолёта движитель – винт. Для реактивного движения характерно отсутствие движителя, поэтому возникающая реакция называется реакцией прямого действия. При реактивном движении тела его масса не остаётся постоянной, а существенно убывает вследствие вытекания потока вещества в виде реактивной струи.
Общие сведения о воздушно-реактивном двигателе
Рассмотрим более детально условия создания реактивной силы, движущей реактивную систему (РС). Известно, что реактивная сила, создаваемая двигателем, определяется, прежде всего, массовым расходом рабочего тела и скоростью выброса его из системы.
Следовательно, для создания силы тяги необходимо:
1. Вещество, выбрасываемое в виде реактивной струи в окружающую среду и обычно называемое рабочим телом.
2. Источник энергии для обеспечения высокой работоспособности рабочего тела.
3. Двигатель, т.е. устройство, преобразующее какой-либо вид энергии (химической, электрической, ядерной и т.д.) в кинетическую энергию сформированной им реактивной струи. Такой двигатель называют реактивным двигателем (РД).
Для эффективной организации реактивного движения необходимо выполнить анализ влияния различных факторов на этот процесс, особенно на величину силы тяги ВРД, влияющей на ускорение движения РС. К таким факторам относят, прежде всего, следующее: вид энергии; физические и термодинамические параметры рабочего тела, реализующиеся при преобразовании энергии; параметры и условия, формирующие поток рабочего тела в окружающую среду.
Рассмотрим ВРД, устроенный в виде трубы переменного сечения (рис. 6.2), обеспечивающий движение летательного аппарата (ЛА) с постоянной скоростью полёта wп в атмосфере. На высоте полёта ЛА атмосфера Земли имеет давление pп и плотность rп. В общем случае сила тяги Р создаётся двигателем с использованием окружающей среды (воздуха).
Основными элементами двигателя является диффузор Д, выполненный в виде расширяющегося канала, камера сгорания КС с форсунками подачи топлива и сопло С, устроенное в виде сужающегося канала. Во время полёта атмосферный воздух через входное отверстие диффузора (воздухозаборник) поступает в двигатель в виде потока со скоростью wп и массовым расходом, определяемым по следующей формуле:
Gв = rпwпFв, где Fв – площадь сечения воздухозаборника.
В канале диффузора происходит торможение потока со сжатием воздуха и повышением давления до величины рк (характер процессов, происходящих в канале двигателя показан под его схемой). Скорость потока в диффузоре существенно понижается и на его выходе составляет величину wк << wп.
С параметрами wк и рк поток воздуха поступает в камеру сгорания, где в изобарном процессе горения топлива в воздушной среде к нему подводится теплота Q. Топливо в камеру сгорания подаётся с массовым расходом Gт специальным насосом из бака, расположенного на борту ЛА, и распыливается в потоке воздуха через специальные форсунки (на схеме они не показаны).
Образовавшиеся продукты сгорания (рабочие газы) поступают в сопло, ускоряются в его объёме и истекают в атмосферу со скоростью wa и массовым расходом
Gг = Gв + Gт = rаwаFа, где Fа – площадь сечения среза сопла.
Давление в потоке рабочих газов в процессе их ускорения и расширения [1,2] убывает от давления в камере сгорания рк до давления на срезе сопла ра.
Набегающий на двигатель воздушный поток разделяется на две части: одна, внешняя часть, обтекает двигатель снаружи, вторая, внутренняя часть, протекая через воздухозаборник, движется в виде потока по тракту двигателя, выполненному в виде трубы переменного сечения.
Для анализа сил, действующих на двигатель, ограничим его контрольной поверхностью так, чтобы торцы образовавшейся системы совпадали с сечениями воздухозаборника и сопла двигателя, а боковая поверхность системы была расположена в невозмущённой среде. В такой постановке формально задача сводится к определению силы, действующей на двигатель вдоль его оси. В выделенном объёме все радиальные составляющие сил взаимно уравновешиваются, а сумма сил, действующих вдоль оси системы, определяет тягу двигателя. Таковыми являются силы избыточного давления, действующего на стенки диффузора и сопла, имеющие угол наклона к оси двигателя.
В общем случае [2] кроме реактивной составляющей, развиваемой двигателем за счёт выброса массы рабочих газов, на него будет действовать сила, величина которой зависит от разности давлений в потоке газа на срезе сопла pa и в окружающей среде p¥:
P = Gawa – Gвwп + (pa – p¥)Fa. (4.1)
Уравнение (4.1) – обобщённое выражение тяги, развиваемой реактивным двигателем. Первое слагаемое называют, как уже говорилось, реактивной составляющей тяги, полученное за счёт выброса массы, второе – силой сопротивления, вызванной присоединением массы воздуха, забираемого из окружающей среды; последнее слагаемое – статической составляющей силы тяги двигателя. Статическая составляющая присуща реактивным двигателям, использующим сверхзвуковое сопло (сопло Лаваля). В теории реактивной техники показано, что максимальная тяга двигателя соответствует условию так называемого расчётного режима истечения газов из сопла, т.е. при pa = p¥.
В соответствие с формулой тяги (4.1) все существующие реактивные двигатели можно разделить на две группы. Двигатели первой группы используют для образования реактивной тяги окружающую среду (атмосферу) и не являются автономными, т.е. независимыми от неё. Они называются воздушно-реактивными двигателями (ВРД) и подразделяются на прямоточные, пульсирующие и турбореактивные. Основы термодинамического анализа ВРД и их эффективности изложены в [1, 2] и изучаются в рамках дисциплины «Термодинамика энергетических систем».
У двигателей второй группы реактивная струя формируется только из веществ, запасённых на борту летательного аппарата. Эти двигатели отличаются полной автономией и называются ракетными двигателями (РД). В настоящее время РД являются основным видом двигателей, используемых в ракетной и космической технике.
Наиболее существенный признак, по которому также можно разделять реактивные двигатели, – вид первичной энергии и способ ускорения рабочего тела. По первому признаку различают химические, электротермические и ядерные двигатели. Если энергия используется для нагрева рабочего тела, то такие двигатели называют тепловыми, в них реализуется так называемый термический или газодинамический способ ускорения рабочего тела в объёме сопла. К этой группе двигателей относят все виды ВРД и ракетные двигатели на жидком (ЖРД) или твёрдом (ТТРД) топливе.
Кроме тепловых двигателей, можно выделить реактивные двигатели, использующие электрическую энергию для создания электромагнитного поля и ускорения в нём потоков плазмы или заряженных частиц (электромагнитные или электростатические двигатели). Эти двигатели, сила тяги которых чрезвычайно мала, могут обеспечить реактивной системе, согласно формуле Циолковского [2], очень большую конечную скорость, необходимую для полётов в дальнем космосе. Устройство и принцип действия подобных ускорителей изложен в [2].
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели
Принципиальная схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) показана на рис. 6.2. Принцип ПВРД предложен французским инженером Лореном в 1913 г., двигатель применялся на некоторых управляемых снарядах ВМФ и ВВС США в 1950...60 г, а также в нереализованных проектах крылатых ракет дальнего действия. В настоящее время интерес к ПВРД проявляется как к маршевому двигателю воздушно-космической системы для её разгона в верхних слоях атмосферы. Причиной интереса является высокая термическая эффективность двигателя при полёте ЛА с большими скоростями, соответствующим числам Маха (Мп > 4) и возможность использования воздух из атмосферы в качестве рабочего тела.
Особенности ПВРД для сверхзвуковых полётов ЛА.
Как и в предыдущем случае, воздухозаборник и диффузор обеспечивают понижение скорости потока воздуха, поступающего в двигатель, тем самым,… На схеме стрелками показаны участки контура газодинамического тракта… Диффузоры ПВРД. Диффузором называется входное устройство, которое обеспечивает торможение поступающего в двигатель…Компрессорные воздушно-реактивные двигатели
Как показал анализ ПВРД, эффективное использование двигателей этого типа возможно лишь при больших скоростях полёта, обеспечивающих достаточно… В компрессорных ВРД сжатие воздуха, поступающего в двигатель, осуществляется,… Компрессорные ВРД разделяются на турбокомпрессорные, турбовинтовые и двухконтурные, называемые также…Турбокомпрессорный (турбореактивный) двигатель.
Турбокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель (ТВРД) в настоящее время является основным типом реактивного двигателя, используемого в авиации. … Идея ТВРД предложена в патенте французского исследователя Гийома в 1922 г. В… Схема ТВД представлена на рис. 6.10. Воздух из атмосферы, поступающий в двигатель через воздухозаборник В,…Турбовинтовой двигатель.
По своему устройству и рабочему процессу турбовинтовой двигатель (ТВД) во многом напоминает ТВРД (схема ТВД приведена на рис. 6.13). Здесь 1 –… Атмосферный воздух подхватывается винтом, создающим тягу двигателя… Существенное различие между рабочими процессами обоих двигателей состоит в том, что в ТВД энергия газов почти целиком…Двухконтурный (вентиляторный) воздушно-реактивный двигатель.
Схема двухконтурного двигателя показана на рис. 6.14. Набегающий поток атмосферного воздуха подхватывается уже не винтом, а вентилятором 1,… В первом контуре протекают те же процессы, что и в турбовинтовом двигателе,… Общий вид вентиляторного ТВРД показан на рис. 6.15. Спереди двигателя расположен воздухозаборник с вентилятором, за…Тестовые вопросы по разделу “Воздушно-реактивные двигатели”.
1. На каком принципе основано реактивное движение тел? Как этот принцип реализуется в реактивном двигателе?
2. Выполните анализ схем различных воздушно-реактивных двигателей, чем определяется область их применения?
3. Чем определяется тяга реактивного двигателя? Каковы пути повышения тяги двигателя?
4. Почему сгорание топлива в камерах двигателей полагают либо изохорным, либо изобарным? Приведите примеры.
5. Почему в ВРД необходимо использовать воздушный компрессор, на привод которого затрачивается существенная часть энергии рабочих газов?
6. Чем принципиально отличается ТВРД от ТВД? Какова область их применения?
7. Почему возникла необходимость использования форсажной камеры в двухконтурных ВРД?
8. Чем объясняются особенности устройства диффузоров ВРД для сверхзвуковых полётов?
9. Каковы особенности работы ПуВРД? Почему эти типы РД не используются в настоящее время?
10. Пользуясь формулой (4.1), наметьте пути повышения тяги ВРД.
Библиографический список
1. Сахин В.В. Термодинамика энергетических систем: Учеб. пособие. Кн. 1 / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2005. – 246 с.
2. Сахин В.В. Устройство и действие энергетических объектов. Учеб. пособие. / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2005. 246 с.
3. Сахин В.В. Теплообменные аппараты. Учеб. пособие. / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2010. 134 с.
4. Щегляев А.В. Паровые турбины. Теория парового процесса и конструкция турбин. Учебн. для вузов в 2-х кн. М.: Энергоатомиздат, 1993.
5. Стационарные газотурбинные установки. / Л.В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин, И.А. Богов и др. Л. Машиностроение, Ленингр. Отделение, 1989. – 543 с.
6. Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины.: Учеб. для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 288 с.