|
|
Камеры сгорания ГТУ. Токсичность продуктов сгорания.В газотурбинных установках процесс подвода тепла к рабочему телу агрегатно отделен от процессов сжатия и расширения и осуществляется в специальных камерах сгорания, которые предназначены для полного и эффективного сжигания топливного газа в потоке воздуха, поступающего из осевого компрессора или регенератора с целью получения продуктов сгорания с температурой, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины. Камеры сгорания ГТУ предназначены для полного сжигания топлива в потоке воздуха, поступающего из осевого компрессора или регенератора, с целью получения продуктов сгорания с температурой, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины. В стационарных приводных ГТУ средней и большой мощности применяют камеры сгорания двух типов - выносные и встроенные. Направление движения воздуха во встроенных камерах сгорания может быть различным: прямоточным, противоточным по отношению к направлению потока воздуха в компрессоре или угловым. Основными элементами камеры сгорания являются: корпус, жаровая труба, горелочные устройство и смеситель. К камерам сгорания ГТУ предъявляются высокие требования по конструктивному исполнению и особенно по организации рабочего процесса. Под кпд камеры сгорания принято понимать отношение теплоты, переданной воздуху при сжигании топлива, к общему количеству теплоты, выделяемой при полном сжигании того же количества топлива. Кпд современных камер сгорания, работающих на газообразном топливе, достигает 0,97-0,98. Минимальные потери от химического недожога топлива достигаются двумя путями: в результате высокой турбулизации потока в зоне горения и разделением поступающего в камеру сгорания воздуха на два потока. Разнообразием ГТУ, устанавливаемых на газопроводах, обусловлено и разнообразие типов камер сгорания, применяемых в них. Камеры сгорания классифицируют следующим образом: по включению в конструкцию ГТУ - встроенные и выносные, по конструктивному выполнению - секционные, трубчато-кольцевые, кольцевые индивидуальные; по взаимному направлению воздуха и продуктов сгорания - прямоточные и противоточные; по числу горелок (регистров) - одногорелочные, много горелочные с непрерывным кольцевым горелочным устройством. В настоящее время совершенствование узла камеры сгорания идет по пути сокращения длины камеры и обеспечения ее экологической чистоты и минимального дымления. Дым – это несгоревшие частички углерода, для образования которых достаточно, чтобы топливо-воздушная смесь была богаче в 1,5-2 раза, чем стехиометрическая. Дымление двигателя нежелательно как с коммерческой, так и с военной точки зрения. С коммерческой – дым загрязняет атмосферу и, будучи видимым, неблагоприятно воздействует на психику пассажиров. С военной – повышает возможность визуального обнаружения летательного аппарата противником. Перспективным методом снижения дымности камеры сгорания является улучшение конструкции, направленное на устранение зон богатой смеси. В таком улучшении нуждается та часть камеры, в которой воздух и топливо поступают в первичную зону. Для уменьшения вероятности образования зон с богатой смесью, в первичную зону может подводиться дополнительный воздух (около 5%) через специальные направляющие отверстия и трубы, что позволяет ему проникнуть в ядро потока. Возможно и применение конструкции с предварительным испарением топлива (Д-36, Д-136) и форсунок с аэрацией (Р-29). В настоящее время камеры с малым дымлением могут считаться технически освоенными, однако доводка камеры с целью уменьшения дымления не должна ухудшать ее остальных эксплуатационных характеристик – надежности розжига при запуске, устойчивости горения, КПД, температурного поля, ресурса и др. К загрязняющим атмосферу газообразным веществам, образующихся при сжигании топлива в камерах сгорания ГТУ следует отнести оксиды азота (в пересчете на NO2), серы SO2, окислов углерода СО, метана СН4 и других летучих веществ. Опыт эксплуатации показывает, что выбросы вредных веществ в атмосферу при пуске, работе и остановках агрегатов в общей сложности достигает 12-15 млн м3/год. Для окружающей среды основное значение имеют разовая и среднесуточная предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ, поступающих в атмосферу. Максимальная разовая и среднесуточная концентрации, например, диоксида азота NO2 составляет соответственно, мг/м3 : 0.085 и 0,040; оксида азота NO –0,60 и 0,060; оксида углерода СО – 5,0 и 1,0; сернистого углерода SO2 - 0,5 и 0,05 и т. д. Приведенные данные свидетельствуют, что наиболее высокой токсичностью обладают диоксид и оксид азота (токсичность NO2 примерно в 7 раз выше токсичности NO), которые совместно обозначаются как NOx. Образование вредных выбросов при сжигании топлива в камере сгорания и, прежде всего, оксидов азота, как наиболее опасных для окружающей среды, осуществляется по трем основным направлениям: «термические», «быстрые» и «топливные» (Рис. 4.2) [18]. «Термические» оксиды азота образуются непосредственно в факеле горения топлива в результате высокотемпературной цепной реакции окисления атмосферного азота свободным кислородом с выделением теплоты, формальная кинетика которой описывается уравнением: N2 + O2 ® 2NO + q (4.21) «Быстрые» оксиды азота NOx обычно образуются при температуре ниже 1000 К на начальном участке фронта пламени: их выход при горении природного газа составляет примерно 100-120 мг/м3 и практически не зависит от температуры горения и от коэффициента избытка воздуха. Образующиеся в начале зоны горения оксиды азота свидетельствуют о малом времени их образования, в связи с чем они и получили наименование «быстрых». При температурах Т @ 300 К скорость их образования значительно выше, чем скорость образования «термических» NO. «Топливные» оксиды NOx образуются из азотосодержащих соединений топлива на начальном участке факела горения одновременно с «быстрыми» оксидами, но до появления «термических» NO. Образование «топливных» оксидов начинается уже при температурах 900-1000 К и быстро увеличивается с повышением температуры горения. Вопрос №20. ГТУ с регенерацией тепла. Регенерация теплоты - подогрев воздуха после компрессора выхлопными газами - возможна при условии, что
Рис. 12. Схема ГТУ с регенерацией теплоты (ТО – теплообменник)
Рис. 13. Тепловая диаграмма ГТУ с регенерацией теплоты
В процессе 4-5 продукты сгорания охлаждаются в теплообменнике и эта теплота передается воздуху в процессе 2-6. Количество теплоты регенерации рассчитывается по формуле: При полной регенерации (идеальном теплообменнике) воздух можно нагреть до температуры T 6, равной температуре T 4, а продукты сгорания охладить до температуры T 5, равной температуре воздуха T 2. Работа цикла остается прежней, а количество подведенной теплоты уменьшается; теперь теплота qp 1 подводится в камере сгорания только в процессе 6-3. Термический КПД цикла в этом случае равен: В реальных условиях теплота регенерации передается не полностью, так как теплообменники не идеальные. Нагрев воздуха осуществляется до точки 6', а продукты сгорания охлаждаются до точки 5′. В этом случае термический КПД должен учитывать степень регенерации, определяемую как отношение количества теплоты, переданного воздуху, к тому количеству теплоты, которое могло бы быть передано при охлаждении газов до температуры воздуха: Термический КПД цикла с учетом степени регенерации:
В настоящее время регенерация теплоты в основном находит применение в стационарных установках из-за большого веса и габаритов регенератора. Вопрос №26. Поясните понятие об элементарной ступени осевой турбины. Изобразите план скоростей для такой турбины и укажите характерные углы определяющие направление движения потока. Рассмотрим принцип осевой турбины, схема которой приведена на рис. 1.2. Выделим элементарную ступень турбины толщиной dr на произвольном радиусе (рис. 1.2 а, б). На входе в СА газ имеет начальные параметры T * 0 и p * 0 и скорость c0 направленную под углом α0 к фронту решетки. Для исключения по- терь, связанных с отрывом потока, лопатки проектируются таким образом, чтобы входной конструктивный угол лопаток был близок к углу натекания потока (αл ≈ α0л). Лопаточный венец СА выполняют таким образом, чтобы конструк- тивный угол решетки на выходе из СА α1л был гораздо меньше лопа- точного угла на входе в решетку α0л. При таком соотношении углов площадь межлопаточного канала на выходе из СА оказывается суще- ственно меньше, чем на входе, т.е. межлопаточный канал СА является сужающимся (конфузорным). Это приводит к увеличению абсолютной скорости газа: с1>c0. Течение в СА является энергоизолированным, поэтому полные параметры газа остаются практически постоянными, поскольку они характеризуют его внутреннюю энергию, а в СА энергия (в виде механической работы или тепла) не подводится и не отводится. Строго говоря, газ при прохождении канала СА все-таки совершает небольшую механическую работу против сил трения (в по- граничном слое и между слоями при турбулентности). Поэтому пол- ное давление p * немного уменьшается. Полная температура же T * не 11 изменяется, поскольку тепло, выделившееся из-за такого трения, це- ликом остается внутри газа.
а - схема проточной части; б - двумерная модель ступени; в - план скоростей Рис. 1.2. Схема и принцип действия ступени осевой турбины:
Согласно уравнению Бернулли () при неизменных полных параметрах увеличение скорости потока приводит к снижению статических параметров: давления и температуры (p1 < p0, T1 < T0). Та- ким образом, в СА потенциальная энергия рабочего тела преобразу- ется в кинетическую энергию потока. Кроме того, для создания на РК максимального крутящего момента и получения наибольшей работы () СА создает закрутку выходящего потока (с1u>>с1r), разворачивая высокоскоростной поток практически в ок- ружном направлении (α1=12..25°).12 На входных кромках РК газ участвует в двух движениях относи- тельном (относительно лопаток РК) со скоростью w1 и переносном (вместе с лопатками РК) со скоростью u1 (окружная скорость). При этом абсолютная скорость c1 относительно неподвижной СК опреде- ляется векторной суммой. Межлопаточный канал РК также часто выполняется сужающимся (конфузорным). В результате скорость потока в относительном движении возрастает, а статические давление и температура рабочего тела снижаются ( ,). Абсолютная скорость газового потока c2 на выходе из РК опреде- ляется как векторная сумма. Обычно ступени турбины проектируют так, чтобы скорость c2 была близка к осевому направле- нию, т.е. угол 2 был близок к 90. Это способствует обеспечению вы- соких КПД турбинных ступеней. Проходя через межлопаточный канал РК, поток газа поворачива- ется. В результате из-за действия центробежных сил поток газа при- жимается к поверхности корытца, из-за чего происходит местное по- вышение давления (показано знаком «+» на рис. 1.2, б). С другой сто- роны, те же силы «отжимают» поток от спинки формируя там область разрежения (показана знаком «–» на рис. 1.2, б). В результате рабочая лопатка испытывает действие разности давлений, равнодействующая сила которой направлена в сторону указанную на рис. 1.2, б. Силу можно разложить на две составляющие окружную и осевую. Окружная составляющая создает на рабочих лопатках крутящий момент и заставляет РК вращаться. Осевая составляющая воспринимается упорным подшипником ротора турбины. Поскольку (газ совершает работу), абсолютная скорость c2 оказывается меньше скорости c1. Графическим отображением векторной суммы скоростей является треугольник скоростей. Совместив входной треугольник скоростей в одном полюсе с выходным, получим план скоростей в ступени осевой 13 турбины, изображенный на рис. 1.2, в. Следует обратить внимание на то, что поскольку процесс расширения не сопровождается повышен- ными потерями энергии, поэтому () могут достигать значений 100...120 (для сравнения, процесс сжатия в компрессоре с приемле- мым уровнем КПД может быть только при max = 20...30). Поэтому при равных расходах рабочего тела и близких размерах работа ступени осевой турбины больше работы ступени осевого компрессора, а по- требное число ступеней турбины всегда меньше числа ступеней ком- прессора. Запишем уравнение неразрывности применительно к турбине: 1.1 При расширении газа в турбине плотность рабочего тела снижа- ется. При этом увеличение скорости газа оказывается значи- тельно меньше снижения его плотности (обычно турбины проектиру- ются так, что). Это приводит к необходимости увеличивать площадь проходного сечения и высоту лопаток к выходу (см. фор- мулу 1.1.). Стоит особо подчеркнуть, что именно расширение газа яв- ляется причиной увеличения высоты лопаток турбины, а не наоборот. Вопрос №28.   ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...  Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...  Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...  Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
.. Для этого в схему установки необходимо ввести дополнительное устройство – теплообменник. Схема и тепловая диаграмма ГТУ с регенерацией теплоты представлены на рис. 12, 13. Воздух из компрессора направляется в теплообменник, где он получает теплоту от газов, вышедших из турбины. После подогрева воздух направляется в камеру сгорания, где для достижения определенной температуры он должен получить меньшее количество теплоты сгорания топлива.
.
.
