Газотурбинная установка мощностью 16 мВт

. . . . 7160Высокого давления . . . . . 8206Силовой турбины . . . . . 55006. Тепловая схемаГТУ выполнена по трехвальнойдвухкомпрессорной схеме. Мощность выделяется на свободной турбине, расположенной на отдельном валу, что значительно улучшает внешние характеристики, хотя при этом возрастает число турбомашин и конструктивная сложность агрегата. Турбина низкого давления (ТНД) вращает компрессор низкого давления (КНД), а турбина высокого давления (ТВД) приводит компрессор высокого давления (КВД). Для каскада высокого давления (ВД) обычно принимают частоту вращения заметно более высокую, чем для каскада низкого давления (НД), т.к. это позволяет уменьшать размеры турбокомпрессорного блока ВД, создать более благоприятные условия для проектирования ступеней турбомашин обоих каскадов. Через воздухозаборное устройство атмосферный воздух поступает в КНД, где сжимается и подается под давлением 0,5673 МПа через переходной патрубок в КВД, затем под давлением 2,8365 МПа он поступает в камеру сгорания, в которую также подается необходимое количество топлива. При сжигании топлива образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, которые перемешиваются с дополнительным количеством воздуха.Образующийся газ (рабочее тело) поступает в газовую турбину. В турбине энергия расширения рабочих газов преобразуется в механическую энергию, вырабатываемую ротором. Часть энергии, полученная в ТНД расходуется на работу сжатия воздуха в КНД, соответственно часть энергии, полученная в ТВД расходуется на работу сжатия воздуха в КВД. Оставшаяся энергия передается с силовой турбины на вал нагнетателя. Отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.Рис. 19. Конструкция ГТН-16МР7. Основные элементы ГТН-16МР7.1. Двухкаскадный осевой компрессорЧертеж проточной части компрессора представлен на рис. 5. Компрессорная группа выполнена со сборными дисковыми роторами. В сборном роторе КНД барабанно-дисковой конструкции крутящий момент через заплечики дисков передается штифтами. Диски вместе с концевыми частями стянуты центральным болтом. Ротор КВД дисковой конструкции с соединением отдельных рабочих колес болтами. Для пропуска вала от ТНД диаметры внутренних расточек дисков увеличены. Использование деления проточной части многоступенчатого компрессора на каскады значительно упрощает необходимые средства для регулирования. Связь между компрессорами только газодинамическая. На переменном режиме из-за перераспределения перепадов между турбинами возникает «скольжение» оборотов вала в сторону саморегулирования. Кроме того, в каждом из каскадов существенно меньше ступеней, чем в одном многоступенчатом компрессоре. Поэтому снижается рассогласование ступеней в пределах одного каскада.Степень повышения давления двухкаскадного компрессора . КНД и КВД связаны посредством переходного патрубка.Рис. 20. Проточная часть компрессора: 1 – входной направляющий аппарат; 2 – рабочее колесо; 3 – штифт; 4 – стяжной болт; 5 – болтовое соединение.7.1.1. Компрессор низкого давленияСтепень повышения давления КНД . Осевой КНД выполнен семи ступенчатым с постоянным наружным диаметром. Постоянный наружный диаметр и увеличивающийся диаметр втулки по ходу движения газа – самый распространенный способ изготовления. При данном конструктивном исполнении проточной части компрессора напорность ступеней увеличивается, так как густота решетки и средняя окружная скорость каждой ступени возрастают. Данный тип конструкции применяют для КНД, т. к. при высоте РЛ последней ступени свыше 60 мм не сказывается заметное влияние индуктивных потерь (потерь от вторичных перетеканий).Рис.21. Схема образования индуктивных потерь.В состав ротора компрессора входят семь рабочих дисков с РЛ, для которых применена прогрессивная осевая заводка рабочих лопаток. Неподвижные лопатки компрессора обандажены и образуют направляющие аппараты из двух половин. Крепление отдельных НЛ осевого компрессора осуществляется тангенциальной заводкой с горизонтального разъема в проточенный в корпусе Т-образный паз. Достоинства этой конструкции – простота и малая стоимость направляющих лопаток.Рис.22. Направляющий аппарат КНД:1 - бандаж; 2 - хвостовик.В качестве антипомпажных мероприятий используется отбор воздуха из ступеней компрессора и противопомпажные клапаны.Ниже приведены технические характеристики и геометрические размеры КНД.Технические характеристики Таблица 7Сжимаемый газвоздухЧастота вращения вала, об/мин7160Давление, МПа начальное конечное0,099270,573Начальная температура, С15Расход воздуха, кг/с86,062Геометрические размерыТаблица 8Наружный диаметр, м0,934Количество ступеней7Длина рабочей лопатки, мпервая ступеньпоследняя ступень0,2100,061Длина компрессора, м1,47.1.2. Переходный патрубокПереходный патрубок связывает между собой КНД и КВД. Крепление корпуса переходного патрубка корпусу компрессора осуществлено призонными болтами, под самим патрубком располагается подшипниковый узел. 7.1.3. Компрессор высокого давленияСтепень повышения давления КВД .Осевой КНД выполнен десяти ступенчатым с постоянным средним диаметром и служит для дальнейшего повышения давления воздуха.Технические характеристикиТаблица 9Сжимаемый газвоздухЧастота вращения вала, об/мин8206Давление, МПа начальное конечное0,5560,28651Начальная температура, С215,9Расход воздуха, кг/с86,062Геометрические размерыТаблица 10Средний диаметр, м0,754Количество ступеней10Длина рабочей лопатки, мпервая ступеньпоследняя ступень0,0610,026Длина компрессора, м1,17.2. Камера сгоранияВ установке ГТН-16МР реализована встроенная кольцевая камера сгорания, образованная кольцевым пространством между наружным и внутренним корпусом двигателя. Она компактна, входит в силовую схему двигателя, пламя легко распространяется по всей камере.В кольцевых камерах сгорания (рис. 23) зона горения I имеет форму кольцевой полости, которая образуется цилиндрами 1 и 2. Два других соосно расположенных цилиндра (9 и 8) составляют кожух камеры. Первичный воздух через воздухоподводящее устройство поступает в зону горения I. Вторичный воздух направляется по кольцевым зазорам 6 и 7 к смесительным насадкам 5, через которые поступает в зону II, где смешивается с продуктами сгорания, понижая тем самым их температуру. В воздухоподводящем устройстве 4 на входе в зону горения I по всей окружности расположены форсунки 3. За счет этого обеспечивается хорошее перемешивание топлива с воздухом и горение по всему кольцевому пространству. Рис.23. Схема кольцевой камеры сгоранияРис. 24. Кольцевая камера сгоранияКамера сгорания ГТУ ГТН-16МР является прямоточной, в ней реализован принцип микрофакельного сжигания топлива. КС состоит из 12 сегментов-горелок, внутренней и наружной оболочек жарового объема. Оболочки листовые сварно-штампованные. Сегменты горелочного устройства состоят из четырех рядов концентрично расположенных стабилизаторов с тремя рядами раздаточных отверстий на торцах и пяти лопаточных завихрителей с разноименной закруткой. Крайние завихрители создают пелены охлаждающего воздуха, защищающие оболочки. КС имеет четыре воспламенителя. Оболочки подвешены на опорных кольцах. Сегменты крепятся Т-образными хвостовиками. КС имеет горизонтальный разъем.Рис. 24. Кольцевая камера сгорания ГТУ ГТН-16МР: 1 – горелочное устройство; 2 – кольца подвески; 3 – корпус; 4 – завихрители; 5 – стенки жарового объема; 6 – газосборник.Объем вторичного воздуха не участвующего в процессе сгорания составляет примерно 60% от общего, поступающего из осевого компрессора.Рис. 24. Разделение воздуха на первичный и вторичный потокиДля тепловой защиты корпуса камеры сгорания от высокотемпературных продуктов сгорания применяют ненапряженные (в силовом отношении) проницаемые экраны. При этом используется примерно 60% от объема вторичного воздуха. По тракту охлаждения (каналу между корпусом и экраном (внутренней поверхности стенок жаровой трубы)) протекает газ (или чисты воздух) с относительно низкой температурой. Происходит изоляция поверхности их от горячих газов, образуемых при горении.7.3. ТурбинаТурбина является трехвальной. При расширении газов на каждом валу турбины создается мощность, частично затрачиваемая (больше половины всей мощности) ТВД и ТНД на работу воздушного компрессора а остаток мощности на привод нагнетателя природного газа. Выбор числа ступеней служит основным критерием при проектировании турбины. С ростом числа ступеней возрастают размеры и стоимость турбины, усложняется конструкция элементов и организация их охлаждения, но повышается к.п.д. проточной части. Турбина ГТН-16МР состоит из пяти ступеней, что обеспечивает необходимое распределение нагрузок. Для повышения технологичности проточная часть раскрывается при постоянном корневом диаметре.Рис.25. Продольный разрез турбины ГТН-16МР: 1 - ротор ТВД; 2 – ротор ТНД; 3 – ротор свободной турбины.Ниже приведены технические характеристики и геометрические размеры турбины:Технические характеристикиТаблица 11Давление, МПа начальное конечное2,77980,09842Начальная температура, К1500КПД турбины0,895Развиваемая мощность, кВт70143,6Геометрические размерыТаблица 12Средний диаметр последней ступени, м1,24Длина рабочей лопатки последней ступени, м0,199Длина турбины, м2,5 Для обеспечения нормальной работы ГТУ требуются уплотнения: – проточной части газовоздушного тракта (чтобы поток воздуха двигался только по межлопаточным каналам); – масляных полостей опор (чтобы предотвратить выброс масла из этих полостей).Рис. 26. Лабиринтное уплотнение: 1- камера; 2 – изменение давления воздуха по длине уплотненияЭффективность работы лабиринтного уплотнения зависит от: – числа гребешков (двух-трехъярусные лабиринты при необходимости); – конфигурации гребешков (кромки должны быть острыми); – величины зазоров (0, 1-0, 4 мм); – радиуса, на котором организовано уплотнение (меньше радиус – меньше суммарная площадь щели, а значит меньше утечка через нее).7.3.1. Турбина высокого давленияТурбина высокого давления двухступенчатая, предназначена для вращения компрессора высокого давления. Используется дисковый ротор, стягиваемый периферийными болтами. Диски выполнены с отверстиями. Торцевые поверхности дисков плотно прилегают друг к другу, чтобы ротор на всех возможных режимах работал как единое целое, и не происходило раскрытие стыков. Периферийные стяжные болты размещены на достаточном расстоянии от центра, чтобы увеличить жесткость ротора. Прямолинейность оси ротора достигается высокой точностью обработки и как следствие строгой параллельностью боковых поверхностей дисков.Рабочие лопатки выполнены с бандажными полками, которые демпфируют колебания и повышают КПД венца. На полке выполнены уплотнение, снижающее протечки. Технические характеристики ТВДТаблица 13Давление, МПа начальное конечное2,83650,905275Начальная температура, К1500Развиваемая мощность, кВт29795Геометрические размеры ТНДТаблица 14Средний диаметр последней ступени, м0,834Длина рабочей лопатки последней ступени, м0,082Длина турбины, м0,3В лопатках используется хвостовик елочного типа, преимущества которого – восприятие большого усилия, рациональное использование материалов, самоустанавливаемость лопаток по направлению действия центробежных сил и легкость их замены. Хвостовики изготовлены с удлинением ножки, что позволяет снизить градиент температур как в хвостовике, так и корневой части пера, а также это играет роль демпфера колебаний в зоне корневой полки.Рис.27. Рабочая лопатка последней ступени ТВД: 1 – бандажная полка; 2 – тело лопатки; 3 – хвостовик с удлиненной ножкой7.3.2. Турбина низкого давленияТехнические характеристики ТНДТаблица 15Давление, МПа начальное конечное0,9052750,408859Начальная температура, К1175,9Развиваемая мощность, кВт17441,3Геометрические размеры ТНДТаблица 16Средний диаметр последней ступени, м0,98Длина рабочей лопатки последней ступени, м0,120Длина турбины, м0,25Турбина низкого давления одноступенчатая, предназначена для вращения компрессора низкого давления. Диск турбины выполнен без отверстия. Соединение с валом КНД осуществлено штифтовым соединением. Рабочая лопатка выполнена с елочным хвостовиком с удлиненной ножкой и бандажной полкой. На общем валу КНД-ТНД используется опорно-упорный подшипник, что позволяет при большом осевом усилии демпфировать поперечные колебания ротора. Подшипник заливается оловянистым баббитом.Рис. 28. Опорно-упорный подшипник: 1 - вкладыш; 2 - разделительное кольцо; 3 -установочный сегмент; 4 - винт; 5 -опорная подушка; 6 - прокладка; 7 - винт; 8 - рабочая колодка; 9, 10 - каналы для подвода масла; 12 - стопорное кольцо; 13 - установочная колодка; 14 - отверстие для вывода провода от термометра сопротивления; 15 - штифт; 16 - уплотнительное плавающее кольцо.Ценное свойство баббита – прирабатываемость поверхности, если нет идеального прилегания. Хотя баббит пластичен, под влиянием чрезмерных вибраций ротора он может получить трещины и выкрошиться.7.3.3. Силовая турбинаСиловая турбина выполнена двухступенчатой. После ТНД рабочие газы поступают в СТ по переходному патрубку. С учетом большой скорости потока после турбины привода КНД гидравлические потери в патрубке должны быть сведены к минимуму, для этого были использованы рекомендации к проектированию угла раскрытия. По аналогии с ТНД используется дисковый ротор, стягиваемый периферийными болтами. Диски выполнены без отверстий. Торцевые поверхности дисков плотно прилегают друг к другу. РЛ силовой турбины выполнены с закруткой, используется хвостовик елочного типа.Технические характеристики ТНДТаблица 17Давление, МПа начальное конечное0,4088590,109882Начальная температура, К862Развиваемая мощность, кВт22907,3Геометрические размеры ТНДТаблица 18Средний диаметр последней ступени, м1,24Длина рабочей лопатки последней ступени, м0,199Длина турбины, м0,68Выходной патрубок состоит из двух частей: диффузора и улиточного газосборника с последующим газовыпускным трактом. Назначение диффузора – увеличение теплоперепада на турбину за счет снижения за ней статического и преобразования скоростного напора в давление.7.3.4. Рабочая лопатка последней ступени силовой турбиныКоличество лопаток на диске – 86, материал лопаток - ХН70ВМЮТ.Геометрически характеристики РЛ последней ступени силовой турбиныТаблица 19СечениеКорневоеСредне-корневоеСреднееСредне-периферийноеПериферийноеВысота сечения, м0,52050,570250,6200,669750,7195Угол установки79°4’74°4’66°57’58°41’50°11’Шаг, м0,038140,041790,045440,049080,05273Рис. 29. Диск последней ступени силовой турбины с лопаткамиРис. 30. Рабочая лопатка последней ступени силовой турбины.ЗаключениеТурбина является трехвальной. При расширении газов на каждом валу турбины создается мощность, частично затрачиваемая (больше половины всей мощности) ТВД и ТНД на работу воздушного компрессора а остаток мощности на привод нагнетателя природного газа. Выбор числа ступеней служит основным критерием при проектировании турбины. С ростом числа ступеней возрастают размеры и стоимость турбины, усложняется конструкция элементов и организация их охлаждения, но повышается к.п.д. проточной части. Турбина ГТН-16МР состоит из пяти ступеней, что обеспечивает необходимое распределение нагрузок. Для повышения технологичности проточная часть раскрывается при постоянном корневом диаметре.Список используемой литературыЛапшин К.Л. Математические модели проточных частей в проектировочных газодинамических расчетах осевых тепловых турбин на ЭВМ: Учебное пособие. –Л.: изд. ЛПИ, 1989.- 68 с.Расчет тепловой схемы ГТУ: Учебное пособие/ Л.В.Арсеньев, В.А. Рассохин, С.Ю.Оленников, Г.Л.Раков. Ленингр. гос.техн.ун-т. СПб, 1992.-64 с.Подобуев Ю.С. Приближенный расчет осевого компрессора. Учебное пособие, Л.: изд. ЛПИ, 1981. – 18 с.Атлас профилей решеток осевых турбин/ М.Е. Дейч, Г.А. Филиппов, Л.Я. Лазарев, М.: Машиностроение, 1965. – 96 с.Ревзин Б.С. Газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом. 2-е изд., стереотип. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. 269 с.Ревзин Б.С., Ларионов И.Д. Газотурбинные установки с нагнетателями для транспорта газа. М.: Недра, 1991. 303 с.Рудаченко А.В., Чухарева Н.В. Газотурбинные установки для транспорта природного газа. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 217 с.Корж В.В. Газотурбинные установки. Ухта: УГТУ, 2010. – 180 с.Шварц В.А. Конструкции газотурбинных установок. М.: Машиностроение, 1970, 436 с.