Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников по учебной дисциплине «Газотурбинные установки»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Методические указания и контрольные задания для студентов–заочников по учебной дисциплине «Газотурбинные установки» по специальности 130502 «Сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» составлены в соответствии с примерной программой дисциплины «Газотурбинные установки», соответствующей государственным требованиям к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников.

Дисциплина «Газотурбинные установки» является общепрофессиональной, устанавливающей базовые знания для освоения специальных дисциплин.

Программа предусматривает изучение функций, конструкций, приемов, условий эксплуатации, режимов работы, технических характеристик газотурбинных установок и оборудования.

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:

- принцип действия газотурбинных установок (ГТУ) при переменном режиме работы;

- достоинства и недостатки отдельных конструктивных решений;

- вспомогательное оборудование и различные системы газотурбинных газоперекачивающих агрегатов (ГГПА);

- взаимозаменяемость конструкций и особенности эксплуатации газотурбинных ГПА;

- обеспечение надежности и техническую диагностику ГТУ;

уметь:

- проводить расчеты термодинамических показателей тепловых схем стационарных газотурбинных установок;

- использовать методы расчета основных элементов ГТУ: газовых турбин, осевых компрессоров, камер сгорания, теплообменных аппаратов;

- использовать ГОСТы, нормативно-справочную и техническую литературу.

Основная форма изучения курса – самостоятельная работа студента над учебной литературой и материалами периодической печати, технической документации.

Изучение дисциплины следует начинать с изучения литературы, указанной в каждой теме. При этом рекомендуется последовательность в изучении программного материала. Приступая к изучению темы, необходимо внимательно прочитать ее от начала до конца, найти в рекомендованной литературе соответствующие параграфы и проработать их.

Все это дает возможность составить себе ясное представление о содержании темы. После этого следует приступать к более глубокому изучению темы. При изучении отдельного параграфа, прежде всего, нужно весь его медленно прочитать, обдумывая каждое предложение.

При повторном чтении параграфа следует записать основное содержание рассматриваемых вопросов в конспект.

Для текущего контроля качества усвоения дисциплины студент предоставляет в техникум одну контрольную работу.

К выполнению контрольной работы можно приступать только после изучения соответствующей темы и получения навыка решения задач. Все задачи и расчеты должны быть доведены до окончательного числового результата.

Контрольная работа выполняется в отдельной тетради в клетку. Работа выполняется аккуратным почерком, шариковой ручкой или чернилами, с интервалом между строками. После каждой решенной задачи необходимо оставлять чистую страницу для замечаний преподавателя. При выполнении контрольной работы можно также использовать любые доступные средства информационных технологий, в том числе компьютерные.

Решение задач следует делить на пункты. Каждый пункт должен иметь подзаголовок с указанием, что и как определяется, по каким формулам, на основе каких теорем, законов и правил.

Выполненную контрольную работу следует своевременно предоставить в техникум.

После получения зачетной работы, студент должен изучить все замечания, ошибки и доработать материал.

Работа, выполненная не по своему материалу или не полностью, проверке не подлежит.

В техникуме, во время лабораторно-экзаменационной сессии для студентов – заочников будут прочитаны обзорные лекции и подведены практические занятия по наиболее сложным темам.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Наименование разделов и тем	Макс. уч. нагр. на студента	Количество аудиторных часов при очной форме обучения		Самостоятельная работа студента
		Всего	В том числе
			практ
1	2	3		6
Введение	2	2
Раздел 1. Принципиальные схемы и циклы газотурбинных установок	12	10	2	2
Тема 1.1 Принципиальные схемы и циклы простой газотурбинной установки и газотурбинной установки с регенерацией теплоты	4	4
Тема 1.2. Принципиальные схемы и циклы газотурбинной установки с промежуточным подогревом рабочего тела и охлаждением воздуха	4	2		2
Тема 1.3. Основные показатели современных стационарных газотурбинных установок	4	4	2
Раздел 2. Основы термодинамического расчета газотурбинных установок	4	4
Тема 2.1 Основы термодинамического расчета простой газотурбинной установки	2	2
Тема 2.2. Основы термодинамического расчета газотурбинной установки с регенерацией теплоты	2	2
Раздел 3. Осевые турбомашины	18	18	6
Тема 3.1 Общие сведения об осевых компрессорах. Элементарная ступень осевого компрессора		2
Тема 3.2. Многоступенчатые осевые компрессоры		2
Тема 3.3. Характеристики осевых компрессоров, неустойчивые режимы работы ступени		6	4
Тема 3.4. Основные геометрические, термодинамические и газодинамические параметры ступени осевой турбины		2
Тема 3.5. Потери в осевой турбинной ступени		4	2
Тема 3.6. Характеристики газовых турбин		2
Раздел 4. Эксплуатационные характеристики газотурбинных установок при работе на газопроводах, их конструкции	46	30	2	16
Тема 4.1. Газовые турбины, их конструкции и характеристики	4	4
Тема 4.2. Характеристики газотурбинного двигателя на частичных нагрузках	2	2
Тема 4.3. Опоры компрессоров и турбин	2	2
Тема 4.4. Охлаждение газовых турбин	2	2
Тема 4.5. Масляная система газотурбинных установок	2	2
Тема 4.6. Общие сведения о камерах сгорания ГТУ. Классификация камер сгорания. Конструктивное выполнение основных элементов	5	2		3
Тема 4.7. Теплообменные аппараты газотурбинных установок	4	4	2
Тема 4.8. Воздухоподготовка и защита газотурбинной установки от обледенения	5	2		3
Тема 4.9. Защита от шума газотурбинных газоперекачивающих агрегатов	4	2		2
Тема 4.10. Системы автоматического регулирования и управления газотурбинными газоперекачивающими агрегатами	4	2		2
Тема 4.11. Надежность и ремонотопригодность газотурбинных газоперекачивающих агрегатов	7	4		3
Тема 4.12. обеспечение виброустойчивой работы газотурбинных газоперекачивающих агрегатов	5	2		3
Всего:	82	64	10	18

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Цель и задачи учебной дисциплины в подготовке техников, связь с другими изучаемыми дисциплинами.

Краткие сведения о развитии газотурбинных установок. Вклад отечественных и зарубежных ученых в совершенствование газотурбинных установок. Прикладное значение дисциплины.

Литература; [1], стр. 4-11; [2], стр. 4-5; [4], стр. 5-8

Методические указания

На газопроводах в качестве энергопривода КС эксплуатируются газотурбинные приводы по мощности в настоящее время распределяются следующим образом: стационарные ГТУ -69,3%; ГТУ авиационного типа - 23,9%; привод от судовых ГТУ - 6,8%. ГТУ по сравнению, например, с ГМК имеют более простую конструкцию, позволяют значи­тельно концентрировать мощность в одном агрегате, относительно прост, полностью урав­новешен, хорошо поддаются автоматизации, имеют малый удельный вес на единицу мощно­сти и относительно небольшие габаритные размеры.

Основные недостатки современных ГТУ - их низкая экономичность ( кпд. не более 26 - 30%) и сильное влияние переменного режима работы на кпд. ГТУ, а следовательно, и на расход газа на нужды КС. ГТУ по сравнению с электроприводом - это автономный вид привода КС. Они хорошо работают на том же газе, который и перекачивают.

Техническая эксплуатация ГТУ - это дисциплина, изучающая вопросы контроля за со­стоянием агрегатов в ходе работы, а также диагностики, ремонта и совершенствования.

В условиях производства четко различаются две сферы хозяйствования, которым соответ­ствуют две службы: эксплуатация и обслуживание оборудования. Цели и задачи у них столько различны, насколько же едины. Служба эксплуатации эксплуатирует «угнетает» оборудование на основании соответствующих правил, инструкций и т.д., при этом осущест­вляется непрерывный ежесуточный контроль вахтенным персоналом, а служба обслужива­ния - это «лекари», которые устанавливают диагноз, «лечат» и совершенствуют оборудова­ние.

Основными поставщиками ГТУ для газовой промышленности является Невский машино­строительный завод им. В.И. Ленина (НЗЛ), Уральский трубомоторный завод (ТМЗ). НПО «Машинопроект»,

На магистральных газопроводах страны из импортных установок наибольшее примене­ние нашли установки MS 3002 и MS 5002, выпускаемые фирмой «Дженерал – Электрик», либо по ее лицензиям, фирмами Германии, Великобритании, Италии, а также ГТУ типа «Коббера», выпускаемые фирмой «Купер Ролле» (США).

Вопросы для самоконтроля

1.Роль газовой промышленности в народном хозяйстве РФ?

2.Цель и задачи дисциплины «Газотурбинные установки».

3.Основные поставщики ГТУ для газовой промышленности.

4.Основные преимущества ГТУ по сравнению с другими энергоприводами КС.

5.Основные недостатки современных ГТУ.

6.Что следует понимать под технической эксплуатацией ГТУ?

7.Назовите импортные установки, применяемые на магистральных газопроводах страны

Раздел 1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Тема 1.1. Принципиальные схемы и циклы простой газотурбинной установки с регенерацией теплоты

Студент должен:

знать:
принцип работы простой ГТУ и ГТУ с регенерацией теплоты;

умет
ь: читать и чертить схемы процессов, происходящих в простой ГТУ и ГТУ с регенерацией теплоты.

Распределение основных параметров по элементам простой газотурбинной установки. Идеальный цикл простой ГТУ в T-S диаграмме. Реальный цикл простой ГТУ в T-S и P-V диаграммах. Схема ГТУ с регенерацией теплоты. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты в T-S диаграмме.

Литература: [1], стр. 11-19; [2], стр. 35-44; [4], стр. 48-52; стр.; стр. 60-61; [3],
стр. 8-12; стр. 14-19.

Методические указания

Простая одновальная ГТУ состоит из компрессора, камеры сгорания и турбины. К валу турбогруппы непосредственно присоединена нагрузка. Атмосферный воздух поступает в компрессор через воздухозаборное устройство, а отработавшие в турбине продукты уходят в

Рабочий процесс ГТУ простейшей схемы осуществляется следующим образом: атмо­сферный воздух, пройдя системы фильтров, поступает на вход осевого компрессора. После сжатия в осевом компрессоре воздух с давлением 0,5-0,7 МПа и температурой 180-240°С по­ступает в камеру сгорания, где он разделяется на два патока: меньшая часть непосредственно участвует в процессе горения подведенного извне теплоты, большая его часть, пройдя между корпусом камеры сгорания и ее жаровой трубой, охлаждает ее, а после смешивания с про­дуктами сгорания в конце камеры сгорания снижает температуру газов до величины, обу­словленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины (750-850°С). После прохож­дения газовой турбины продуктов сгорания с температурой порядка 400-450°С выбрасыва­ются в атмосферу и теплота рабочего тела теряется безвозвратно. Мощность, развиваемая газовой турбиной, расходуется на привод осевого компрессора (примерно 60-70%) и на при­вод полезной нагрузки.

Поскольку в ГТУ простого цикла, несмотря на приемлемую для целей транспорта газа экономичность, теряется много теплоты, то целесообразно использовать эту теплоту для по­догрева воздуха после компрессора перед его поступлением в камеру сгорания и снижения тем самым расхода топлива по установке в целом. Поэтому газотурбинная установка с регенерацией - это такая стационарная газотурбинная установка, в которой часть процесса по­догрева рабочего тела поле сжатия осуществляется теплотой выхлопных газов.

Использование теплоты отходящих газов осуществляется в специальных теплообменных аппаратах-регенераторах. Эффективность регенератора как теплообменника оценивают сте­пенью регенерации, определяемой как отношение фактического повышения температуры воздуха в регенераторе к предельно возможному.

Гидравлическое сопротивление регенератора по воздушной и газовой сторонам воздухопроводов к нему и от него к камере сгорания несколько снижает удельную полезную работу в регенеративной ГТУ по сравнению с простой, и существенно усложняет компоновку ГТУ. За счет применения регенерации теплоты в приводных ГТУ можно получить экономию -15-20% топливного газа, если регенератор имеет достаточно развитую поверхность с нет заметных утечек воздуха через газовую сторону в дымовую трубу.

Вопросы для самоконтроля

1.Как зависит кпд простой ГТУ от степени сжатия?

2.Каково влияние регенерации на кпд ГТУ?

3.Что представляет из себя регенератор?

4.Что произойдет с компрессором, если вышла из строя система фильтров?

5.Что является основной причиной низкой экономичности простой ГТУ?

Тема 1.2. Принципиальные схемы и циклы газотурбинной установки с промежуточным подогревом рабочего тела и охлаждением воздуха

Студент должен:

знать
: процессы, происходящие в ГТУ;

умет
ь: читать схемы ГТУ.

Способы увеличения эффективности работы ГТУ. Схема одновальной ГТУ с промежуточным подводом теплоты и промежуточным охлаждением воздуха.

Литература: [2], стр. 44-48; [4], стр. 67-69; [3], стр. 17-19.

Методические указания

За счет введения в схему ГТУ различного рода теплтехнических мероприятий (отвод теплоты при сжатии, подвод теплоты при расширении, регенерации) можно значительно улучшить основные показатели ГТУ: повысить кпд, коэффициент полезной работы, удель­ную мощность установки, уменьшить удельный расход рабочего тела.

Одним из способов увеличения экономичности ГТУ является введение промежуточных подогрева газа и охлаждения воздуха.

Используются и более сложные схемы ГТУ, позволяющие, например двукратно дать воздух и размещать турбины и компрессоры на разных валах. Многие ГТУ обладают большей экономичностью, чем простые, хорошими показателями на частичные нагрузки широким и диапазоном устойчивой работы.

Промежуточное охлаждение воздуха приводит к уменьшению работы, затрачиваемой на привод компрессора высокого давления и, как следствие, увеличивает полезную работу ГТУ. Вместе с тем охлаждение снижает температуру воздуха за компрессором. Поэтому в камеру сгорания ГТУ с промежуточным охлаждением воздуха приходится проводить больше тепло­ты, чем в камеру сгорания простой ГТУ.

Применение промежуточного охлаждения воздуха в ГТУ с регенерацией всегда увеличи­вает ее кпд. Оптимальная степень сжатия при использовании охлаждения воздуха резко воз­растает.

Введение промежуточного охлаждения воздуха в компрессоре увеличивает степень сжа­тия и позволяет получить наибольший кпд.

Введение промежуточного подвода теплоты приводит к тем же последствиям, что и вве­дение промежуточного охлаждения. Одновременное промежуточное охлаждение воздуха и промежуточный подвод теплоты к газу позволяют значительно увеличить удельную полез­ную работу и кпд. Однако излишнее усложнение схемы снижает маневренность ГТУ, увели­чивает ее размеры и массу. Чаще всего такие ГТУ выполняют двухвальными, а иногда -трехвальными.

Вопросы для самоконтроля

1. Для чего применяют промежуточные подогрев рабочего тела и охлаждение воздуха в ГТУ?

2. К чему приводит введение промежуточного охлаждения воздуха в ГТУ?

3. К чему приводит применение промежуточного охлаждения воздуха в ГТУ с регенераци­ей?

4. Покажите зависимость кпд ГТУ без регенерации от степени сжатия.

5. От чего зависит кпд многовальной ГТУ?

Тема 1.3 Основные показатели современных стационарных газотурбинных установок

Студент должен:

знать:
основные показатели современных стацио-

­нарных ГТУ;

уметь
: читать и чертить схемы ГТУ.

Основные показатели стационарных газотурбинных установок отечественного и зару­бежного производства. Классификация типовых конструктивных схем ГТУ. Совершенство­вание конструкции стационарных ГТУ. Прогресс в стационарном газотурбостроении.

Практические занятия №1

Литература: [3], стр. 12-14; [4], стр. 67, 70-75.

Методические указания

Газотурбинные установки простейших схем получили наибольшее распространение на газопроводах прежде всего из-за простоты конструкции большой удельной мощности и дос­таточно высокой надежности в эксплуатации, несмотря на свой относительно низкий кпд.

За счет введения в схему ГТУ различного рода теплотехнических мероприятия (отвод те­плоты при сжатии, подвод теплоты при расширении, регенерации) можно значительно улучшить основные показатели ГТУ: повысить кпд ГТУ?
коэффициент полезной работы.. удельную мощность установки, уменьшить удельный расход рабочего тела. Отсюда и выте­кает различные схемы ГТУ, в которых стремятся уменьшить работу сжатия, увеличить рабо­ту расширения, уменьшить (в частности, за счет регенерации) количество подводимого топлива в камере сгорания и все это, с целью повышения кпд и других показателей газотурбин­ной установки.

Термодинамический анализ показал, что усложнение простейшей схемы ГТУ за счет вве­дения промежуточного охлаждения или промежуточного подвода теплоты ведет к значи­тельному повышению кпд и удельной эффективной работы ГТУ одновременно с увеличени­ем соотношения давлений сжатия по условию достижения наибольшего Значения кпд уста­новки.

Усложнение схем ГТУ введением разного рода теплотехнических мероприятий является, казалось бы, простейшим средством повышения кпд. Однако применяемые в настоящее время в ГТУ теплообменные аппараты имеют пока недостаточно высокие показатели и по­этому чрезвычайно громоздки. Кроме того, сложные схемы ГТУ требуют значительно боль­шего времени на доводку и эксплуатационное освоение, что предопределило использование на газопроводах в основном ГТУ простейших технологических схем.

Важнейшим резервом повышения кпд ГТУ являются повышение температуры газов пе­ред турбиной, увеличение соотношения давлений сжатия по компрессору и улучшение отно­сительных значений кпд компрессора и турбины,

В ближайшем будущем будут освоены ГТУ длительного срока службы с начальной тем­пературой газов перед турбиной 900-950°С и выше.

В оценке перспектив развития ГТУ прежде всего должны быть отмечены следующие по­ложительные их особенности: высокий уровень удельной мощности, отнесенный к единице массы ГТУ, исключение снабжения водой, повышение мощности и улучшение показателей установки в зимних условиях, когда пропускная способность газопроводов возрастает, сравнительная простота обслуживания, малый расход смазки и т.д.

Успешная работа ГТУ дает основание предполагать, что на ближайшую перспективу(10-15 лет) стационарные установки с хорошими моторесурсами- (до 100000 ч) могут быть вы
полнены с удельной массой 5-8 кг/кВт. Одновременно может быть снижена и продолжительность пуска ГТУ.

Вопросы для самоконтроля:

1.Перечислите основные показатели стационарных газотурбинных установок

2.Каковы недостатки сложных схем ГТУ?

3.Перечислите важнейшие резервы повышения кпд ГТУ

4.Приведите классификацию типовых конструктивных схем ГТУ

5.В чем заключается прогресс в стационарном газотурбостроении?

Раздел 2. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

2.1. Основы термодинамического расчета простой

газотурбинной установки

Студент должен:

знать:
основы термодинамического расчета газотурбинных установок:

уметь
: проводить термодинамические расчеты турбинных установок.

Предельные циклы простой ГТУ. Связь кпд простой ГТУ с величинами, характеризующими ее цикл. Характерные точки зависимости полезной работы простой ГТУ от степени сжатия. Зависимость удельной работы ГТУ от степени сжатия при разных температурах. Зависимость кпд простой ГТУ от степени сжатия.

Влияние температуры на кпд простой ГТУ. Зависимость удельного расхода газа (рабоче­го тела) от степени сжатия.

Литература: [2], стр. 35-41; [4], стр. 48-60

Методические указания

Отношение давления за компрессором к давлению перед ним называют степенью сжатия в компрессоре.

Отношение давления перед турбиной к давлению за ней называют степенью расширения в турбине.

Удельной полезной работой ГТУ называют разность удельной работы турбины и ком­прессора.

Количество подведенной теплоты зависит от разности температур пред турбиной и за компрессором и совершенства камеры сгорания.

С ростом относительной температуры газа увеличивается удельная полезная работа, а также оптимальная степень сжатия,

С увеличением относительной температуры газа кпд ГТУ увеличивается, так как увели­чивается разность между верхней и нижней температурами цикла и, следовательно, должен повышаться термодинамический кпд. При одинаковых относительных температур газа мак­симальный кпд достигается при большей степени сжатия, чем максимальная, удельная полез­ная работа. Это объясняется тем, что кпд зависит не только от удельной полезной работы, но и от количества теплоты, подведенной в камеру сгорания. Уменьшение количества подве­денной теплоты смещает максимум кпд в сторону больших степеней сжатия по сравнению с удельной полезной работой.

Одной из важных характеристик, цикла ГТУ является коэффициент полезной работы, ко­торый равен отношению полезной работы ГТУ к работе турбины.

Если полезная работа цикла ГТУ по сравнению с работой турбины мала, коэффициент полезной работы также мал. В этом случае большая часть работы турбины расходуется на привод компрессора.

Второй характерной ГТУ является удельный расход газа. Удельная полезная работа ГТУ обратно пропорциональная удельному расходу газа. Чем выше удельная полезная работа и меньше расход газа, тем меньший расход газа необходим для получения заданной мощности, а следовательно, меньше размеры установки.

Вопросы для самоконтроля

1. Какими соотношениями можно связать удельную работу турбины и компрессора соот­ ветственно со степенью сжатия и степенью расширения?

2.От чего зависит количество подведенной теплоты в камеру сгорания?

3. Каков характер изменения удельной полезной работы ГТУ в зависимости от степени сжа­тия в компрессоре?

4. Какова зависимость кпд ГТУ от степени сжатия?

5. Как влияет уменьшение количества подведенной теплоты на максимальный кпд?

6. Перечислите основные характеристики ГТУ

7. Какова зависимость удельного расхода газа от степени сжатия?

Тема 2.2 Основы термодинамического расчета

газотурбинной установки
с регенерацией теплоты

Студент должен:

знат
ь: основы термодинамического расчета газотурбинной установки с регенерацией теплоты;

уметь
: применять методики термодинамических расчетов газотурбинных установок с регенерацией теплоты.

Зависимость степени регенерации от конструкции регенератора и от площади его теплопередающей поверхности. Зависимость кпд ГТУ с регенерацией теплоты от степени сжатия и степени регенерации. Влияние регенерации на оптимальную степень сжатия. Зависимость оптимальной степени сжатия от степени регенерации.

Раздел 3. ОСЕВЫЕ ТУРБОМАШИНЫ

Тема 3.1 Общие сведения об осевых компрессорах.

Элементарная ступень осевого компрессора

Студент должен:

знать:
основные уравнения для газодинамического расчета ГТУ и схему многоступенчатого осе­вого компрессора, треугольники скоростей в элементарной ступени, основные параметры элементарной ступени компрессора;

уметь: определять абсолютные и относительные скорости и углы треугольников скоростей.

Требования, предъявляемые к компрессорам газотурбинных установок. Схема многосту­пенчатого осевого компрессора, Основные уравнения, используемые при газодинамическое расчете компрессоров ГТУ.

Схема ступени осевого компрессора и кинематика потока в ней. Основные параметры элементарной ступени компрессора. Влияние радиальных и осевых зазоров на работу ступени. Особенности сверхзвуковых ступеней.

Литература: [2], стр. 8-22; [4], стр. 33-37

Методические указания

Из известных типов компрессоров - поршневых, ротационных и лопаточных - наиболь­шей экономичностью и компактностью отличаются лопаточные компрессоры, к которым от­носятся осевые и центробежные. Кпд крупных осевых компрессоров достигает 90-91% при умеренных окружных скоростях (порядка 200 м/с) и 87-88% при больших окружных скоро­стях (порядок 250-330 м/с).

Осевые компрессоры применяются, как правило, одно- и двухкаскадные с промежуточ­ным охлаждением рабочего тела. Соотношение давлений в одном корпусе осевого компрес­сора стационарной ГТУ достигают 6-9 при числе ступеней в компрессоре 10-12.

В ГТУ средней и большей мощности (4000-16000 кВт) применяются только однокаскадные осевые компрессоры.

Простейший одноступенчатый компрессор имеет ротор, состоящий из вала, диска и ра­бочих лопаток. На внутренней поверхности корпуса компрессора располагаются направ­ляющие лопатки. Решетку направляющих лопаток и следующую за ней рабочую решетку называют ступенью компрессора. Воздух засасывается в компрессор через входной патру­бок. Каналы между направляющими и рабочими лопатками имеют такую форму, что ско­рость воздуха в них уменьшается, а давление растет. Чтобы производилась работа сжатия воздуха, от турбины отбирается значительная часть мощности, необходимой для вращения ротора компрессора.

Выхлопной патрубок (диффузор) служит для вывода воздуха из компрессора. Давление воздуха за диффузором значительно выше, чем во входном патрубке, и является наибольшим давлением в ГТУ.

Компрессоры, имеющие одну ступень, называют одноступенчатыми. Роторы осевых компрессоров стационарных ГТУ характеризуются большим разнообразием конструкций; цельнокованые, барабанные, барабанно-дисковые.

Крепления отдельных направляющих лопаток ступени осевых компрессоров является их крепление в Т - образный паз, проточенный в корпусе компрессора. Крепления рабочих ло­паток - это их осевая заводка в пазы ротора по схеме «ласточкиного хвоста», цилиндра и сложного крепления. Роторы компрессоров опираются на опорные подшипники.

Вопросы для самоконтроля

1. Для чего служит компрессор?

2. Из каких элементов состоит простейший одноступенчатый компрессор?

3. Какие компрессоры называют многоступенчатыми?

4. Изобразите схему ступени осевого компрессора

5. Как устроен ротор компрессора?

6. Какова конструкция ротора?

7. Как производится крепление направляющих лопаток ступени компрессора и рабочих ло­паток?

Тема 3.2 Многоступенчатые осевые компрессоры

Студент должен:

знать:
распределение теоретического напора по ступеням компрессора и применяемые фор­мы проточной части.

Применяемые формы проточной части. Распределение параметров по ступени. Связь ме­жду параметрами ступени и всего компрессора.

Литература: [3], стр. 33-36; [4], стр. 83-88

Методические указания

Так как степень повышения давления ступени компрессора ограничена, а для ГТУ необ-ходимы большие πк, то число ступеней в компрессоре Z
ст ≤ 20
. При этом πк = π1 π2 …πz. В противоположность турбин кпд многоступенчатого компрессора ниже, чем кпд его отдель­ной ступени. Кпд отдельной ступени компрессора доходит до 0,94.

Наиболее распространены три типа проточных частей компрессора. Первый тип с постоянным наружным диаметром принят в транспортных ГТД. Для него характерно: рост напорности с увеличением номера ступени, минимальная масса по сравнению с другими типами крутое убывание высоты лопаток.

Для второго типа с постоянным корневым диаметром свойственна более высока техно-логичность корневой части рабочих лопаток и всего хвостового соединения(цилиндр, а не конус), увеличенные высоты лопаток в последних ступенях по сравнению с первой ступени к последней, что позволяет соответственно их кпд.

Третий тип с мало меняющимся средним диаметром применяют нередко для группы ступеней.

В многоступенчатых компрессорах важно изменение проекции абсолютной скорости вдоль проточной части. Целесообразно уменьшение последней от первой ступени к послед­ней, что позволяет приблизится к более эффективным высотам лопаток.

Распределение работы сжатия между ступенями связано с типом проточной части, с
вту­лочным отношением первых ступеней, типом ступеней и т.п.

Первые одну-две ступени компрессора часто выполняют с пониженной нагрузкой. Последние ступени не должны быть сильно нагружены. Поэтому, как правило, нагружают средние ступени.

Значительно большую нагрузку можно получить от второй группы ступеней, ее выполнить осевой компрессор двух торцевым (двух каскадным) с приводом каждого ротора своей турбиной. Тогда для второго компрессора высокого давления (КВД) принимаю частоту вращения, чем для первого, диаметры ступеней КВД снижают, втулочные отношения увеличивают, что повышает напор и кпд.

В двухзальном компрессоре при одинаковом с одновальным числом ступеней более высокие πк при повышенном кпд компрессора.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные типы проточной части компрессора

2. Что характерно для компрессора с постоянным наружным диаметром?

3. Что характерно для компрессора с постоянным корневым диаметром?

4. Почему первые одну-две ступени компрессора выполняют с пониженной нагрузкой?

5. За счет чего можно увеличить нагрузку компрессора?

Тема 3.3 Характеристики осевых компрессоров,

неустойчивые режимы работы ступени

Студент должен:

знать
: характеристики компрессора и режимы рабо­ты ступени в нерегулируемом многоступен­чатом компрессоре;

уметь
: рассчитывать основные размеры первой ступени и количество ступеней.

Универсальная характеристика компрессора. Срывные и неустойчивые режимы работы ступени. Режимы работы ступени в нерегулируемом многоступенчатом компрессоре.

Практические занятия №2

Практические занятия №3

Литература: [2], стр. 70-71; [3], стр. 36-39; [4], стр. 89-93

Методические указания

Характеристикой осевого компрессора в целом принято считать зависимость соотноше­ния давлений сжатия от расхода воздуха через компрессор при различной частоте и относи­тельного внутреннего кпд.

Компрессоры проектируются так, чтобы кпд на расчетном режиме был наибольшим.

С уменьшением расхода воздуха при постоянной степени сжатия изменяются углы натекания потока на лопатки компрессора. При слишком большом изменении угла натекания по­ток отрывается от лопаток - возникает его «срыв», который захватывает сразу несколько ло­паток. Наблюдаются также полные срывы потока, которые захватывают все лопатки. При этом работа может стать неустойчивой.

Если на каждой ступени сжатия определить расход, при котором режим работы компрес­сора становится неустойчивым, то на универсальной характеристике можно построить кри­вую, которая называется границей помпажа.

При неустойчивом режиме работы компрессора начинают резко изменяться давление и расход рабочего тела. Эти изменения происходят периодически, их частота определяется как характеристикой компрессора, так и особенностями сети, на которую он работает (трубопро­воды, камера сгорания, газовая турбина), и они оказываются самоподдерживающимся ( так называемые автоколебания).

Автоколебательный процесс в тракте ГТУ, называемый помпажом, сопровождается ха­рактерным шумом, работа ГТУ в режиме помпажа недопустима даже кратковременно, так как это может привести к поломке лопаток компрессора, ухудшению работы камеры сгора­ния, нарушающему нормальную эксплуатацию ГТУ.

Чтобы вывести компрессор из помпажа, необходимо увеличить расход воздуха. Для этого служат противопомпажные клапаны, позволяющие сбрасывать воздух после компрессора в атмосферу или на его всас. В результате резко увеличивается расход воздуха через компрес­сор и он входит в режим устойчивой работы. Длительное время работать с открытыми противопомпажными клапанами нельзя, так как при этом резко уменьшается кпд ГТУ.

Для предупреждения помпажа используются поворотные направляющие лопатки,, уста­навливаемые перед первой ступенью компрессора, которые позволяют изменить расход воз­духа через компрессор без срыва потока на рабочих лопатках.

Изменение кпд компрессора в зависимости от режима его работы происходит главным образом из-за возникновения на нерасчетных режимах положительных или отрицательных углов атаки на лопатках.

Под углом атаки понимается угол, образованный направлением входной скорости воз­душного потока и направлением касательной к передней точке средней линии самой лопат­ки. Вдоль тракта многоступенчатого компрессора площадь для прохода воздуха уменьшается в соответствии с изменением плотности и объемного расхода рабочего тела. Полное соответ­ствие между площадями проходных сечений и объемным расходом воздуха по тракту может быть достигнуто на расчетном режиме. На нерасчетных режимах это соответствие нарушает­ся, что приводит к нарушению углов атаки на лопатках.

При повышении числа оборотов напорность первых ступеней возрастает, объемный рас­ход перед средними ступенями снижается, напор растет, а последние приближаются к гра­нице устойчивой работы. При снижении числа оборотов падает напор всех ступеней, а пер­вые приближаются к границе срыва.

Небольшое уменьшение расхода воздуха в первой ступени вызывает в соответствии с ха­рактеристикой компрессорной ступени увеличение ее напора, процесс нарастает, от ступени к ступени и объемный расход резко уменьшается в хвостовых ступенях, они приближаются к границе устойчивой работы. При увеличении расхода процесс идет в обратном направлении.

Вопросы для самоконтроля

1. Что принято считать характеристикой осевого компрессора?

2. Каково значение характеристик осевого компрессора?

3. При каких условиях работа ступени станет неустойчивой?

4. Какой процесс в тракте ГТУ называют помпажом?

5. При каких условиях возникает помпаж?

6. Что называется углом атаки воздушного потока?

7. Почему недопустима работа компрессора в области помпажа?

8. Каковы режимы работы ступени в многоступенчатом компрессоре?

9.Почему приведенная характеристика носит название универсальной?

Тема 3.4 Основные геометрические, термодинамические и газодинамические
параметры ступени осевой турбины

Студент должен:

знать
: геометрические, термодинамические, газодинамические параметры осевой турбинной ступени и их основные уравнения;

уметь
: использовать в расчетах основные уравнения для определения работы и кпд турбинной ступени

Схема ступени осевой турбины с рабочими лопатками. Плоские решетки профилей лопа­точных венцов турбинной ступени. Процесс расширения в ступени турбины в I-s диаграмме и соответствующие ему треугольники скоростей турбинной ступени. Основные уравнения для определения работы и кпд турбинной ступени. Основные газодинамические параметры осевой турбинной установки.

Литература: [3], стр. 42-47

Методические указания

Ступень осевой турбины состоит из соплового аппарата и рабочего колеса. К основным геометрическим характеристикам ступени относятся: средние диаметры на входе из соплового аппарата и рабочего колеса; корневые и наружные диаметры соплового аппарата и рабочего колеса; высота на выходе сопловых и рабочих лопаток; перекрыши корневые и наружные; установочные углы профилей; углы раскрытия сопловых и рабочих лопаток в корне и на наружной поверхности и т.д.

Главное исходное условие для получения высокого кпд турбинных ступеней – рациональный выбор втулочного отношения.

Важной геометрической характеристикой лопаточной решетки является относительный шаг или обратная ему величина - густота решетки. Ширина лопатки связана с ее высотой. Малый осевой зазор вызывает повышенное динамическое воздействие на рабочие лог с кромочных следов сопел. При большом зазоре поток заметно отклоняется к периферии. Задний осевой зазор принимают приблизительно в 1,5 раза больше переднего. Высота входной кромки рабочих лопаток должна быть больше высоты входной кромки сопел на значение перекрыш.

Если вращение рабочего колеса, глядя со стороны входа газа, происходит по . стрелке, лопатка считается правой, против часовой стрелки - левой.

К термодинамическим параметрам ступени относят степень понижения давления, раб расширения и кпд.

К газодинамическим параметрам осевой турбинной ступени относят работу на окружности, коэффициент расхода и характеристический коэффициент.

В результате прохождения через рабочее колесо поток в абсолютном движении меняет направление, а в турбине движется как бы по спирали. Окружная скорость на среднем диаметре в приводных газовых турбинах составляет 250-350 м/с, а в сильно нагруженных ступенях может достигать на периферии 400-450 м/с. Она ограничена прочностью ступени. дует различать геометрические углы и поточные. Разницу между ними называют углом атаки. Угол атаки может быть как положительным, так и отрицательным.

Коэффициент расхода определяют отдельно для соплового и рабочего венцов, но часто используют и средний для ступени, который составляет 0,5-0,9, плавно возрастая от первой к последней ступени в отсеке. Он связан с удельной работой ступени, влияет на высоты лопаток, на потери в патрубке за последней ступенью отсека.

Характеристический коэффициент определяет направление выхода потока за рабочим колесом и достижимую работу в ступени. При отклонении характеристически коэффициента от оптимального значения затруднено использование выходной скорости в следующей ступени, а в последней ступени возрастают потери с выходной скоростью. Из оптмального значения характеристического коэффициента следует, что теплоперепад, который можно эффективно сработать в одной ступени, зависит от окружной скорости.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислить важнейшие геометрические характеристики ступени

2. Что является важной геометрической характеристикой лопаточной решетки?

3. При каком условии лопатка рабочего колеса считается правой, левой?

4. Что относят к термодинамическим параметрам ступени?

5. Что относят к газодинамическим параметрам осевой турбинной ступени?

6. Что определяет характеристический коэффициент?

Тема 3.5 Потери в осевой турбинной ступени

Студент должен:

знать
: все виды потерь располагаемой работы, воз­никающие в реальной турбинной ступени;

уметь
: рассчитывать основные размеры первой ступени и количество ступеней осевой турбины.

Классификация и способы количественной оценки потерь. Коэффициент количествен­ной оценки потерь располгаемой работы. Профильные потери (потери на трение, кромочные потери, потери от угла атаки и волновые). Зависимость коэффициента потерь на трение от утла атаки для активной и реактивной решеток.

Концевые потери (потери на трение по концам лопаток, потери от вторичных течений, потери от перетекания газа через зазор в безбандажных венцах).

Потери во вращающемся венце (потери от радикальной неуравновешенности, нестационар­ности и веерности).

Конструктивные схемы типовых лабиринтных уплотнений, применяемых в газовых турбинах, и потери из-за утечек газа через лабиринтные уплотнения.

Практическая работа №4.

Литература: [3], стр. 50-55

Методические указания

Потери в турбинной ступени, состоящей из двух венцов, разделенных межвенцовым за­зором, складываются из профильных, концевых и от вращения, если венец вращается.

Профильные потери можно разделить на потери трения, кромочные, потери от угла атака и волновые.

Потери на трение о профильную часть лопатки связаны с образованием пограничного слоя на профильной поверхности.

Потери трения зависят от шероховатости поверхности профиля. Потери трения возрас­тают при увеличении угла поворота потока в решетке и при снижении конфузорности.

Кромочные потери в газовых турбинах наблюдаются за кромками в потоке, где просле­живаются вихревые следы, которые полностью исчезают на расстоянии приблизительно 1,5 t. Кромочные потери усиливают неравномерность потока по шагу.

Потери от угла атаки связаны с тем, что при больших положительных углах атаки на спинке, а при отрицательных на вогнутой поверхности, возникают отрывные течения.

Волновые потери имеют место только в том случае, если скорость потока в какой-то час­ти профиля достигает скорости звука или превосходит ее.

В концевые потери обычно включают потери трения по концам лопаток, потери от вто­ричных течений и от перетеканий через зазор в безбандажных венцах.

Потери во вращающемся венце складываются из потерь от радиальной неуравновешенности, нестационарности и веерности.

Потери в межвенцовом зазоре зависят от того, является ли он открытом или закрытым. При открытом осевом зазоре происходит подсос среды и размыв потока у корня, может иметь место и утечка рабочего тела. Закрытый осевой зазор позволяет снизить поднос или утечку.

Вопросы для самоконтроля

1. Из каких потерь складываются потери в венце ступени турбины?

2. На какие потери разделяются профильные потери?

3. От чего зависят потери трения?

4. Как влияют на потери положительные и отрицательные углы атаки?

5. Какие потери включают в себя концевые потери?

6.Из чего складываются потери во вращающемся венце?

7.С чем связаны потери от радиальной неуравновешенности?

8.Чем вызваны потери от нестационарности потока0

9.С чем связаны потери от веерности?

10.От чего зависят потери в межвенцовом зазоре?

Тема 3.6 Характеристики газовых турбин

Студент должен:

знать
: зависимости температуры, давления, расхода газа и частоты вращения ротора от изменения внешней нагрузки;

уметь
: строить характеристики газовых турбин при изменении режима работы турбины.

Зависимость температуры, давления и расхода газа, а такие частоты вращения ротора от изменения нагрузки. Построение характеристики турбины с использованием приведенного расхода и частоты вращения.

Литература: [2], стр. 63-65; [3], стр. 184-187, [4], стр. 148-155; [5], стр. 73-76

Методические указания

Регулирование режимов работы ГТУ можно проследить на основе совмещения характе­ристик осевого компрессора, турбины и нагнетателя, прежде всего ГТУ простейших схем открытого цикла.

При изменении режима работы турбины изменяются температура, давление и расход га­за. Связь между этими величинами при изменении нагрузки называют характеристикой тур­бины.

Для построения характеристики турбины удобно пользоваться не абсолютными, а отно­сительными приведенными расходом и частотой вращения.

Приведенный расход газа через турбину не зависит от частоты вращения турбины к практически зависит от соотношения давлений расширения, что позволяет построить совме­щенные характеристики и турбины в одних и тех же координатах. В общем виде характеристиками турбины являются зависимости степени расширения и кпд от относительного приведенного расхода и относительной приведенной частоты враще­ния.

Самый точный способ определения характеристик - испытания турбины, при которых на каждом режиме измеряют температуру, давление и расход газа, частоту вращения ротора и определяют кпд.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называют характеристикой турбины?

2. Какими величинами пользуются для характеристики турбины?

3. Что называют универсальной характеристикой турбины?

4. Как изменяется кпд турбины при увеличении или уменьшении расхода газа?

5. Какие параметры газовых турбин можно определить по их характеристикам?

Раздел 4. ЭКСПЛУТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
ПРИ РАБОТЕ НА

ГАЗОПРОВОДАХ, ИХ КОНСТРУКЦИИ

Тема 4.1 Газовые турбины, их конструкции и

характеристики

Студент должен:

знать
: основные элементы газовой турбины

Основные элементы газовой турбины, их назначение и конструкция. Активная и реактив­ная турбинная ступень, их характеристики.

Литература: [2], стр. 6-22; [4], стр. 102-114; [3
J
, стр. 96-116

Методические указания

Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель, в котором потенциальная энер­гия преобразуется в механическую энергию на валу агрегата.

Основными элементами газовой турбины с внутренней теплоизоляцией при выносной камере сгорания являются: внешний корпус, обеспечивающий прочность и жесткость уста­новки, внутренний корпус, обеспечивающий направление потока газа, который отделен от внешнего корпуса слоем изоляции .

По пути продуктов сгорания устанавливаются направляющие и рабочие лопатки турбины высокого и низкого давления. Выпускные патрубки газовых турбин разделяются на две зо­ны: первая - это диффузор, вторая за диффузором - зона отводных газов в круглое сечение газопровода.

Назначение диффузоров - увеличить теплоперепад на турбину за счет снижения стати­стического давления за ТНД и частичного преобразования скоростного напора в давление.

Рабочие лопатки газовых турбин - одни из наиболее напряженных деталей газовых тур­бин. Рабочие лопатки турбины крепят на ее роторе с помощью хвостовиков, выполненных в форме елочной конструкции. Рабочие лопатки турбин закручены по высоте с целью равно­мерного обтекания их рабочим телом.

Сопловый аппарат первой ступени турбины в современных ГТУ выполняют с двухопорными соплами, так как именно он воспринимает наибольший перепад давления и наиболь­шее термическое напряжение.

Под турбинной ступенью понимается совокупность направляющего аппарата и располо­женного за ним рабочего колеса.

Турбинная ступень подразделяется на ступень активного и реактивного типов. Основная характеристика ступени газовой турбины - ее кпд.

Основными потерями в ступени являются потери в направляющем аппарате, в рабочем колесе.

При изменении режима работы турбины изменяются температура, давление и расход га­за. Связь между этими величинами при изменении нагрузки называют характеристикой тур­бины.

Вопросы для самоконтроля

1. Каково назначение газовых турбин?

2. Перечислите основные элементы газовой турбины

3. Каково назначение диффузоров?

4. Что понимают под турбинной ступенью?

5. В результате чего возникают усилия на рабочих лопатках газовой турбины?

6. Почему кпд многоступенчатой турбины больше кпд ступени?

7. Какие параметры газовых турбин можно определить по их характеристикам?

Тема 4.2 Характеристики газотурбинного двигателя на частичных нагрузках

Студент должен:

знать
: изменение мощности и кпд газотурбинного двигателя в процессе изменения внешней на­грузки ГТУ.

Основные пути регулирования мощности и экономичности газотурбинных установок на частичных нагрузках. Диаграмма совмещения характеристик осевого компрессора и газовой турбины. Важнейшие характеристики переменного режима работы газотурбинных двигате­лей на частичных нагрузках.

Литература: [2], стр. 104-109; [4], стр. 148-158; [5], стр. 73-79

Методические указания

Изменение мощности и кпд газотурбинного двигателя в процессе изменения нагрузки ГТУ является следствием сложного взаимодействия осевого компрессора, газовой турбины, камера сгорания и центробежного нагнетателя природного газа.

Регулирование мощности и экономичности ГТУ на частичных нагрузках может осуществляться тремя основными путями: количественно - путем изменения расхода рабочего тела, качественно - изменением термодинамических параметров цикла ГТУ и смешанным путем, сочетающим в себе элементы количественного и качественного регулирования.

Регулирование режимов работы ГТУ можно проследить на основе совмещения характе­ристик осевого компрессора, турбины и нагнетателя для простейших схем ГТУ (одновальные и двухвальные) открытого цикла.

При сравнении характеристик изменения мощности ГТУ в зависимости от частоты вращения нагнетателя оказывается, что одновальная ГТУ при снижении частоты вращения бывает теряет мощность, чем снижается мощность, потребляемая нагнетателем.

Важнейшими характеристиками переменного режима работы газотурбинных двигателей является их эффективно-термодинамический кпд и расход топлива относительной мощности носит линейный характер.

Как для одновальных, так и для двувальных ГТУ при регулировании двигателей изменения частоты вращения турбины зависимость относительного расхода топлива от относительной мощности носит линейный характер.

В этих условиях расход топлива на холостом ходу является основным показателем положения кпд ГТУ на частичных нагрузках.

В зксплутационных условиях характеристики агрегата могут заметно изменяться по ус­ловиям режима его работы и из-за ухудшения его технического состояния (снижение кпд компрессора, турбины и т.д.), что вызывает перерасход топлива на установке.

Даже рассчитав возможные режимы работы турбин и компрессоров, необходимо для оп­ределения зоны возможных режимов работы ГТУ ввести дополнительные ограничения.

Вопросы для самоконтроля

1. В каких ГТУ можно осуществлять только смешанное регулирование?

2. От чего зависит характер изменения расхода кпд ГТУ?

3. Чем отличаются количественный и качественный способы регулирования ГТУ?

4. Почему нельзя уменьшить расход воздуха через компрессор до нуля?

5. Как изменяются расходы рабочего тела при режимах частичных нагрузок ГТУ, предназначенных для привода нагнетателей природного газа?

Тема 4.3 Опоры компрессоров и турбин

Студент должен:

знать
: назначение и расположение опор компрессоров и турбин.

Назначение и расположение опор компрессоров и тубин.

Литература : [2], стр. 15-20; [5], стр. 111-114

Методические указания

Роторы турбин и компрессоров опираются на опорные подшипники, которые восприни­мают их вес. Кроме этого на ротор действуют силы, возникающие при работе турбины или компрессора. Это силы стремятся сдвинуть ротор в осевом направлении в сторону меньшего давления. Перемещению ротора в осевом направлении препятствует упорный подшипник.

При больших нагрузках длительно работают подшипники скольжения, которые в мощ­ных ГТУ используются в качестве опорных и упорных. Для смазывания подшипников при­меняют турбинное масло.

В опорном подшипнике между шейкой ротора и нижним вкладышем подшипника созда­ется тонкая пленка масла (масляный клин). Давление масла в масляном клине резко повыша­ется. В результате создается усилие, равное вес)' той части ротора, которая приходится на. данный подшипник, и ротор как бы «плавает» на

масляной пленке.

При работе ГТУ ротор «всплывает» на масляной пленке так, что расстояние между цен­тром подшипника и осью шейки ротора составляет 0,5-0,7 мм. Коэффициент трения при нормальной работе подшипника составляет 0,002-0,005. Но даже при таком малом коэффи­циенте трения выделяется большое количество теплоты и масло нагревается на 20-25 С. Чтобы уменьшить трение при пуске и остановке ГТУ, поверхность вкладышей заливают баббитом.

Чтобы уменьшить перекосы шейки ротора относительно подшипника, применяют под­шипники со сферическими вкладышами.

В настоящее время в опорных подшипниках почти не применяют круговую расточку, так как при этом велики расходы масла, возникает низкочастотная вибрация ротора и заметное смещение вала в работающем подшипнике по отношению к неработающему.

Поэтому применяют другие формы расточки опорных подшипников (круговая расточка со смещением верхнего вкладыша относительно нижнего, овальная и трехклиновая), кото­рые позволяют избавится от тех или иных недостатков.

Используются также подшипники с качающимися сегментами, на которые опираются шейки роторов, сегменты в свою очередь опираются на поверхность внутренней расточки верхнего и нижнего вкладышей. При вращении ротора они самоустанавливаются так, что давление в масляном клине компенсирует ту часть ротора, которую воспринимает данный сегмент.

Осевой разбег (перемещение) ротора при работе не должен превышать 0,3-0,5 мм. При сборке, когда в сегментном упорном подшипнике нет масла, разбег ротора заметно больше, так как упорный диск упирается непосредственно в упорные колодки без масляного клина. Чтобы добиться равномерного расширения усилий по упорным колодкам без точной подгон­ки, применяют различные способы опирания упорных колодок на корпус подшипника, на­пример через плоские пружины и рычажную систему. Оба способа позволяют автоматически перераспределить нагрузки на колодки до полного выравнивания.

Упорные поверхности упорных колодок заливают баббитом.

Вопросы для самоконтроля

1. Каково назначение масляного клина в опорном подшипнике между щеткой ротора и нижним вкладышем подшипника?

2. Как уменьшить трение при пуске и остановке ГТУ?

3. Как уменьшить перекосы шейки ротора относительно подшипника?

4. Какие применяют формы расточек опорных подшипников?

5. С помощью чего добиваются равномерного распределения усилий в упорных подшипниках?

6. Каково назначение упорных и опорных подшипников?

Тема 4.4. Охлаждение газовых турбин

Студент должен

знать
: основные системы охлаждения деталей газовых турбин;

уметь:
читать схемы воздушного охлаждения.

Способы воздушного охлаждения: внешние конвективное, заградительное (пленочное и пористое). Требования, предъявляемые к системе охлаждения. Различные системы открыто­го воздушного охлаждения деталей газовых турбин.

Система внутреннего воздушного охлаждения открытого типа. Охлаждением воздухом рабочих лопаток канального типа, гильзового типа, с петлевым движением воздуха, рабочих лопаток с одноконтурной замкнутой системой жидкостного охлаждения и циркуляцией (принудительной и естественной). Схемы систем охлаждения газовых турбин.

Литература: [2], стр. 88-98; [3], стр. 140-158

Методические указания

Турбины приводных ГТУ содержат большое количество сильно нагруженных узлов я де­талей: диски, роторы в целом, рабочие лопаты и др.

Назначением систем охлаждения газовых турбин является снижение температуры узлов к деталей до такого уровня, при котором молено обеспечить их надежную работу и применить менее дорогие и дефицитные материалы.

В приводных ГТУ компрессорных станций в настоящее время применяю исключительно охлаждение воздухом, отбираемым из промежуточной или за последней ступенью компрессора и поступающим после выполнения охлаждающей функции в проточную часть турбины или в выходной тракт, частично в масляные полости.

Наиболее распространены следующие типы систем охлаждения: внешнее конвективное охлаждение элементов роторов, корпусов; внутреннее конвективное; пленочное (заградительное).

При внешнем конвективном охлаждении детали обдувают струями или распределенным потоком охлаждающего воздуха. Применяют его чаще всего для дисков роторов и наружных корпусов турбины. При внутреннем конвективном охлаждении, которое наиболее распространено в сопловых и рабочих лопатках, воздух отводит от внутренней поверхности стенок» обогреваемых снаружи рабочим телом. Пленочное (заградительное) охлаждение, широко применяемое также для стенок жаровых труб камер сгорания, защищает охлаждаемую поверхность за счет выдува вдоль нее тонкой пленки охладителя.

Наиболее распространены следующие системы охлаждения дисков и роторов:

- обдув обода диска с обеих сторон или одной стороны воздушными струями в зоне хво­стовых соединений рабочих лопаток;

- продувка воздуха под полками рабочих лопаток или через зазоры в хвостовых соединениях;

- обдув боковой поверхности диска (радиальный обдув);

- комбинирование струйного обдува обода с радиальным;

- заградительное пленочное охлаждение на внешней поверхности ротора.

Выбор того или иного способа охлаждения ротора тесно связан с его конструкцией.

При охлаждении статоров широко распространено применение внутренней теплоизоля­ции наружных корпусов для снижения теплового потока от высокотемпературных деталей. Корпус, укрытый снаружи тепло - и звукоизолирующим кожухом, обдувается специально прокачиваемым или просасываемым воздухом.

В системах охлаждения статора стационарных ГТУ значительное место занимают внут­ренние подшипники, расположенные в труднодоступных горячих местах. Они защищают от теплоподвода кожухом, тепловой изоляцией, охлаждаются маслом и воздухом, поступаю­щим через лабиринтовые уплотнения подшипника.

Вопросы для самоконтроля

1. Каково назначение систем охлаждения?

2. Перечислите типы систем охлаждения

3. Требования, предъявляемые к системе охлаждения

4. Перечислите системы охлаждения дисков и роторов

5. Как охлаждается корпус газовой турбины?

6. Как подается воздух для охлаждения ротора газовой турбины?

Тема 4.5 Масляная система ГТУ

Студент должен

знать
: назначение и схему маслоснабжения ГТУ;

уметь
: читать схемы маслоснабжения.

Назначение масляной системы. Схема маслоснабжения.

Литература: [2], стр. 120-121; [5], стр. 152-156

Методические указания

Система маслоснабжения ГТУ предназначена для подачи масла в подшипниках, в гидравлическую или электрогидравлическую систему регулирования и к трущимся поверхностям. Обычно применяют турбинное масло, имеющее температуру застывание -15 ˚С. В северных районах используют специальные масла, температура застывания которых - 45˚С.

Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты со стационарными ГТУ имеют, как правило, общую масляную систему для ГТУ и нагнетателя, использующую один тип масла.

В зависимости от назначения давление масла имеет следующие значения: для смазки опорных подшипников - 0,05 - 0,1 МПа; для упорных подшипников 0,5-0,7 МПа; для уплотнений нагнетателя - 1,2-7 МПа; для системы регулирования и защиты – 0,5 – 1,5 МПа. Это влияет на сложность схемы маслоснабжения и число насосов.

Применяемые схемы маслоснабжения отличаются большим разнообразием, но всегда ставится вопрос о надежности маслоснабжения. Кроме того устройство масляной системы значительно влияет на пожароопасность агрегата.

В общем случае масляная система ГГПА состоит из масляного бака или рамы – маслоблока, насосов, инжекторов, охладителей масла, подогревателя масла (перед запуском), органов гидравлического регулирования и защиты, маслопроводов, различной арматуры (запорной, предохранительной, регулирующей).

При работе агрегата маслоснабжение ГПА осуществляется от главного масляного насоса., приводимого от одного из его валов.

Пусковой насос должен быть погружен в бак или находится под заливом, то есть ниже уровня масла в баке, чтобы в любой момент могла проводиться подача масла.

Резервный (аварийный) насос обеспечивает смазку подшипников без электроснабжения переменным током. Питается он цеховой аккумуляторной батареи.

Вопросы для самоконтроля

1. Каково назначение системы маслоснабжения ГТУ?

2. Какое применяют масло в системе маслоснабжения?

3. Из каких элементов состоит система маслоснабжения ГТУ?

4. Какие требования предъявляются к маслу маслосистемы?

5. От чего зависит расход масла в маслосистеме?

6. Чем осуществляется маслоснабжение ГПА при работе агрегата?

7. Чем производится охлаждение масла?

8. Назначение и расположение пускового насоса в системе маслоснабжения

9. Назначение резервного (аварийного) насоса

10.Что используют для борьбы со старением масла?

Тема 4.6 Общие сведения о камерах сгорания ГТУ. Классификация камер сгорания.
Конструктивное выполнение

основных элементов.

Студент должен:

знать
: классификации и конструкции камер сгорания

Факторы, влияющие на процесс устойчивого горения. Основные элементы камеры сгора­ния ГТУ, их назначение. Классификация камер сгорания по назначению, по компоновке в схеме газотурбинной установки, по конструкции корпуса и пламенной трубы, по направле­нию потоков воздуха и продуктов сгорания, по количеству горелок в одной пламенной тру­бе, по роду сжигаемого топлива.

Типы воздухо-направляющих устройств. Типовые конструкции пламенной трубы камер сгорания по способу их охлаждения. Конструкция смешивающего устройства.

Запальные устройства.

Литература: [2], стр. 22-30; [4], стр. 93-102; [3, стр. 65-70; стр. 76-80; [5], стр. 108-110.

Методические указания

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.

Камера сгорания должна удовлетворять следующим требованиям: обеспечение высокой полноты сгорания топлива, надежность и плавность запуска в работу, устойчивость горения в широком диапазоне изменений давления, скорости потока воздуха, малые потери давления по тракту камеры сгорания, низкая стоимость конструкции.

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.

Отечественная и зарубежная практика конструирования камер сгорания выработала ряд требований к ним:

• высокая степень перехода химической энергии топлива в тепловую;

• малые потери полного давления;

• определенный характер поля температур на выходе камеры сгорания;

• по возможности малые габариты камеры сгорания;

• надежная и устойчивая работа на пусковых и переходных режимах работы ГТУ;

• Экологическая чистота выхлопа,

Вопросы для самоконтроля

1. Каково назначение камеры сгорания?

2. Требования, предъявляемые к камере сгорания

3. Назовите типы камер сгорания в стационарных приводных ГТУ

4. Каково направление движения потока во встроенных камерах сгорания?

5. Каковы основные элементы камеры сгорания?

6. При каких условиях применяют несколько горелок в камере сгорания и зачем?

7. Что понимают под кпд камеры сгорания?

8. Какими путями достигаются минимальные потери от химического недожога топлива9

9. Чем достигается устойчивость горения топлива в камере сгорания?

10. По каким признакам классифицируют камеры сгорания?

11. Какие требования предъявляются к камерам сгорания при их конструировании?

12. Перечислите основные неисправности в работе камеры сгорания

Тема 4.7 Теплообменные аппараты ГТУ

Студент должен:

знать
: назначение и конструкцию теплообменных аппаратов ГТУ.

Классификация теплообменных аппаратов (ТОА) по характерным признакам, по назна­чению, по схеме течения рабочего тела. Конструкции воздухонагревателей и воздухоохлади­телей отечественного производства и зарубежных фирм. Подогреватели сетевой воды.

Практическая работа №5.

Литература: [2]; стр. 30-35; [3], стр. 81-96; [4], стр. 1141-23

Методические указания

Теплообменные аппараты (ТА)-устройства, в которых происходит передача теплоты от горячего рабочего тела ГТУ к холодному. Аппараты в составе ГТУ можно разделить на два класса: включенные и не включенные в цикл. К первому классу относят воздухоподогрева­тели (регенераторы) Ко второму - маслоохладители, котлы-утилизаторы, подогреватели топ­ливного газа (ПТГ).

Теплообменные аппараты классифицируют следующим образом: по принципу действия (поверхностные и смешивающие); по способу выполнения теплообменной поверхности (трубчатые и пластичные); по взаимному направлению движения теплоносителей (прямо­точные, противоточные, с перекрестным током); по числу ходов, совершаемых теплоносите­лями в ТА (одно- и многоходовые).

К теплообменным аппаратам предъявляют ряд требований:

- высокая интенсивность теплопередачи;

- малые потери полного давления теплоносителей;

- герметичность трактов ТА;

- простота обслуживания ремонта;

- удобство компановки с другим оборудованием ГПА и размещения в зданиях Основные характеристики ТА определяются исходя: из уравнения теплопередачи; сред­ него температурного напора ТА.

В стационарных газотурбинных установках используют в основном два типа регенерато­ров (воздухонагревателей): трубчатые и пластинчатые. Регенераторы обоих типов предна­значаются для частичного подогрева воздуха после осевого компрессора перед поступлени­ем его в камеру сгорания, что приводит к снижению расхода топлива по ГТУ.

Вопросы для самоконтроля

1. Каково назначение теплообменных аппаратов?

2. На какие классы делятся теплообменные аппараты?

3. Как классифицируют теплообменные аппараты?

4. Какие требования предъявляются к ТА?

5. Перечислите основные характеристики ТА?

6. Что служит теплоносителями теплобменных систем?

7. Перечислите важные теплофизические свойства теплоносителей

8. Каково назначение регенераторов ГТУ?

9. Перечислите основные требования, предъявляемые к регенераторам ГТУ?

10. Назовите типы регенераторов

11. Каково устройство теплообменных аппаратов?

Тема 4.8 Воздухоподготовка и защита газотурбинной

установки от обледенения

Студент должен:

знат
ь: мероприятия по защите ГТУ от аэрозолей и обледенения.

Воздействие аэрозолей на газотурбинную установку и их влияние па мощность и КПД ГТУ. Направления защиты ГТУ от аэрозолей и проводимые для этого мероприятия. Причи­ны, вызывающие обледенение ГТУ, и основные направления защиты от обледенения. Охла­ждение воздуха в летнее время.

Литература: [3], стр. 252-257; [5], стр. 142-152

Методические указания

Устройства воздухоподготовки и противообледенительной защиты - основная часть сис­темы подготовки циклового воздуха, которую в различных агрегатах называют воздухоочи­стительным устройством (ВОУ) иди комплексным устройством воздухоподготовки (КУВ).

В атмосферном воздухе присутствует крупная и мелкая пыль, может быть влага в виде тумана, в летнее - пыльца и семена растений, насекомые. Крупные аэрозоли вызывают пре­имущественно эрозионный износ лопаточного аппарата компрессора. Мелкие аэрозоли вы­зывают загрязнение его проточной части.

Эрозионному воздействию подвергается в основном лопатки первых ступеней осевого компрессора. Рабочие лопатки изнашиваются больше со стороны вогнутой поверхность; так как именно она воспринимает прямые удары движущихся частиц. В начальной стадии износа и загрязнения характеристика компрессора и ГТУ в целом изменяется несущественно. Затем скорость ухудшения характеристик заметно возрастает. Падает напор в кпд компрессора, ли­ния рабочих режимов ГТУ смещается влево,
а граница помпажа вправо, номинальная мощ­ность ГТУ при расчетной температуре воздуха не достигается. На лопатках компрессора по­являются эрозионные раковины, которые являются концентраторами
напряжений. Конструк­тивный предел выносливости лопаток падает.

Кроме воздействия на компрессор, пыль проходит и в турбину и отлагается на ее лопат­ках, особенно на соплах первой ступени.

При высокой запыленности воздуха в качестве первой ступени очистки применяют пре­имущественно инерционные сепараторы. В них отделение пыли происходит за счет резкого изменения направления движения.

В качестве второй ступени очистки для удаления мелкой пыли используют рулонные (барьерные) фильтры, например, типа ФРУ. На некоторых агрегатах (ГТК-25
ИМ) применя­ют съемные кассетные фильтры многократного использования. Фильтры тонкой очистки бы­вают сухие и масляные.

Обледенение входного тракта ГТУ происходит, когда температура его элементов отрица­тельна, а тепло, выделяемое замерзающей влагой, отводится или за счет теплопроводимости
деталей, или самим потоком. Обледенение возникает в интервале температур атмосферного воздуха от 3 до - 5 С при высокой влажности воздуха.

Основными направлениями защиты от обледенения являются:

- снижение количества атмосферных осадков, попадающих во входной тракт, за счет кон­ струкции воздухозабора и сепарации влаги;

- испарение капельной влаги во всасываемом воздухе путем его подогрева;

- обогрев деталей тракта и осевого компрессора, подверженных обледенению.

Все эти способности используют в современных приводных ГТУ. Широкое распростра­нение получила противообледенительная система подогрева и подсушки всасываемого воз­духа благодаря подмешиванию к нему части горячего воздуха, отбираемого после компрес­сора или из его промежуточной ступени.

Применяется также комбинированная противообледенительная система, при которой в воздухоподводящий тракт подают газо-воздушную смесь, получаемую за счет эжектирова-ния дымовых газов воздухом после компрессора или его промежуточной ступени.

Вопросы для самоконтроля

1. В каких направлениях может осуществляться защита ГТУ от аэрозолей?

2. При какой среднегодовой концентрации пыли может быть обеспечена нормальная экс­плуатация ГТУ?

3. За счет чего происходит отделение пыли в инерционных сепараторах?

4. Перечислите основные ступени очистки воздуха.

5. Что влияет на осуществимость процесса обледенения?

6. От чего зависит обледенение?

7. Что произойдет при обледенении фильтров и входного направляющего аппарата осевого компрессора?

8. Перечислите основные направления защиты от обледенения.

Тема 4.9 Защита от шума газотурбинных

газоперекачивающих агрегатов

Студент должен:

знать
: основные источники шума, мероприятия по

снижению шума;

уметь
: анализировать и осуществлять выбор средств и мероприятий по борьбе с шумом.

Источники шума в газотурбинных установках. Материалы, применяемые для борьбы с шу­мом. Мероприятия по снижению шума газотурбинных газоперекачивающих агрегатов.

Литература: [3
J
, стр. 257-262; [5], стр. 163-170.

Методические указания

Шум, производимый газоперекачивающим оборудованием, загрязняет окружающую сре­ду и неблагоприятно воздействует на человека.

Шум характеризуется звуковым давлением, интенсивностью и мощностью.

Источниками шума в газотурбинных ГПА - всас компрессора, выхлоп турбины, корпус ГТУ и камеры сгорания, нагнетатель с присоединенными трубопроводами, опорная рама -маслобак, вентиляторы и насосы, периодические сбросы сред.

Утечки воздуха или газа через неплотности фланцевых соединений создают высокочас­тотный шум. Вибрация элементов корпусных деталей вызывает низкочастотный шум.

В качестве звукопоглащающих материалов в шумоглушащих устройствах используют пористые и волокнистые материалы, защищенные тканями, сетками или тонкими перфори­рованными листами. Лучшими звукопоглащающими свойствами обладают плотные мате­риалы. Хороший звукоизолятор - свинец.

Для снижения шума выхлопа турбины пригодны пластинчатые глушители, но выполнен­ные из жаростойких материалов.

Борьбу со структурным шумом осуществляют с помощью вибродемпфирования. Обыч­ная листовая резина - малосжижаемый материал, поэтому для снижения вибрации эффек­тивно применение пористой и перфорированной резины.

Для снижения шума элементов ГПА необходимы как проходные глушители, которые, не препятствуя движению воздуха или газа, существенно снижает уровень звука, так и звуколо-кализирующие и шумоподовляющие устройства в виде защитных кожухов, покрытий из звуко- и вибропоглошающих материалов.

Вопросы для самоконтроля

1. Чем характеризуется шум и единицы его измерения?

2. Что является источниками шума?

3. Какие материалы применяются для снижения шума?

4. Как снизить шум всоса осевого компрессора?

5. С помощью чего можно снизить шум выхлопа турбины?

6. За счет чего снижается шум нагнетателя с лопаточным диффузором?

Тема 4.10. Система автоматического регулирования и управления газотурбинными газоперекачивающими

агрегатами

Студент должен:

знать
: основные системы автоматического регулирования и управления газотурбинных газоперека­чивающих агрегатов.

Функции агрегатных систем автоматического регулирования и защиты. Защитные уст­ройства ГТУ. Схема защиты ГТУ от недопустимого повышения температуры газа перед тур­биной. Функции, выполняемые системой автоматического управления. Вспомогательные системы газотурбинных газоперекачивающих агрегатов и их функции.

Литература: [5], стр. 156-160.

Методические указания

Основными функциями агрегатных систем автоматического регулирования и защиты яв­ляются:

- поддержание заданного режима эксплуатации ГПА при индивидуальной и совместной работе с другими агрегатами;

- предохранение ГПА от резких изменений рабочих параметров при переходных процес­сах;

-- обеспечение изменения частоты вращения роторов в рабочем диапазоне;

- поддержание заданного перепада давлений «масло-газ» в уплотнении нагнетателя;

- поддержание заданной температуры масла в маслосистеме;

- управление регулирующими органами ГПА и пусковым устройством во время пуска и
остановки;

- регулирование противообледенительной системы компрессора;

- обеспечение защиты от возможных аварий.

Система автоматического регулирования (САР) взаимосвязана с агрегатными системами: масляной, автоматического управления (САУ) и ее подсистемами (контроля, защиты).

К САР ГГПА предъявляют следующие требования: стабильность характеристик б тече­ние всего периода эксплуатации: быстродействие; технологичность при изготовлении, экс­плуатации и ремонте; легкость настройки и контроля; автономность; безопасность; возмож­ность дистанционного управления.

Режим работы ГГПА может быть задан давлением на выходе из нагнетателя, частотой вращения силового вала, температурой продуктов сгорания и т.д.

Приводные ГТУ снабжают регулятором скорости, который поддерживает заданную час­тоту вращения силовой турбины; регулятором давления , с помощью которого поддержива­ют заданное давление на выходе из нагнетателя; регуляторами температуры, которые либо ограничивают максимально допустимую температуру, либо поддерживают заданную темпе­ратуру за турбиной. Для запуска ГТУ служит специальный пусковой или дежурный клапан.

Противообледенительную систему компрессора регулируют путем изменения качества подмешиваемого горячего воздуха или продуктов сгорания к засасываемому атмосферном) воздуху. Система контроля тесно связана с системами защиты и сигнализации.

К вспомогательным системам ГГПА относят систему электроснабжения КЦ, охлаждения и вентиляции кожухов и пожаротушения.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите основные функции агрегатных систем автоматического регулирования ч
защиты.

2. С какими агрегатными системами взаимосвязана система автоматического регулирования (САР)?

3. Какие применяют системы регулирования?

2. Какие требования предъявляют к САР?

3. Чем может быть задан режим работы ГГПА?

4. Зачем ГТУ оснащают регуляторами температуры газа перед КС?

5. Чем снабжают все приводные ГТУ?

6. Как регулируют противообледенительную систему компрессора?

7. Какие подсистемы контроля включает в себя агрегатная САУ кроме непосредственного управления?

8. Какие функции выполняет агрегатная САУ?

9. Какие системы относят к вспомогательным системам ГГПА?

Тема 4.11. Надежность газотурбинных

газоперекачивающих агрегатов

Студент должен:

знать
: факторы, повышающие ремонтопригодность ГТУ и ремонтопригодность узлов.

Понятие надежности ГГПА. Количественные показатели надежности. Внезапные и посто­янные отказы. Характер и причины отказов различных элементов ГТУ. Мероприятия по обеспечению надежности ГГПА. Методы повышения надежности.

Литература: [5], стр. 183-186

Методические указания

Под надежностью ГГПА понимают их способность безотказно работать в заданных усло­виях эксплуатации в течение оговоренного периода времени. Эта одна из важнейших экс-плутационных характеристик ГГПА, зависящая как от качества оборудования, так и от тех­нического уровня обслуживания и ремонта.

Отказом называется нарушение работоспособности ГПА. Распространенные количест­венные показатели надежности для отдельного агрегата - коэффициент готовности Кг
и на­работка на отказ Тотк

где Тр
- время работы агрегата за отчетный период; ТЕП
- длительность внепланового простоя.

Наиболее распространенные отказы и дефекты ГГПА со стационарными ГТУ следую­щие: вибрационные поломки лопаток компрессора и турбины; усталостные трещины на гребнях дисков турбины; коробление обойм статора турбины; высокотемпературная корро­зия лопаток турбины; неравномерность температурного поля после КС; эрозия и загрязнения проточной части компрессора; повреждение опорных подшипников; нарушение работы уп­лотнения «масло-газ» и многие другие.

Газотурбинная установка, как сложный и напряженный высокотемпературный двигатель, требует значительно больших усилий от разработчиков, чем нагнетатель. Отметим некото­рые направления работ по обеспечению надежности ГГПА при проектировании: рассчиты­вают необходимую статическую прочность и жесткость определяющих узлов и и деталей; определяют температурные поля охлаждаемых деталей сложной конфигурации; рассчиты­вают динамические напряжения в элементах ГТУ вследствие вибрации лопаток и роторов;

разрабатывают технологические процессы повышения конструкционного предела выносливости и многое другое.

Надежность в широком плане включает в себя также вопросы ремонтопригодности, контролепригодности и технической диагностики.

Вопросы для самоконтроля

1. Что понимают под надежностью ГГПА?

2. Что называется отказом?

3. Что предшествует отказу?

4. Перечислите наиболее распространенные отказы и дефекты: ГГПА

5. Перечислите некоторые направления работ по обеспечению надежности ГГПА

Тема 4.12. Обеспечение виброустойчивой работы

газотурбинных газоперекачивающих агрегатов

Студент должен:

знать
: причины и виды вибрации, методы улучшения вибросостояния газоперекачивающих агрегатов (ГПА).

Причины и виды вибрации. Методы улучшения вибросостояния газоперекачивающих агрегатов.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Номер темы	Номер и наименование работы	Количество аудиторных часов
1	2	3
1.3	1. Изучение и вычерчивание схем ГТУ	2
3.3	2. Расчет основных размеров первой ступени осевого компрессора	2
3.3	3. Расчет ориентировочного количества ступеней	2
3.5	4. Расчет основных размеров первой ступени осевой турбины	2
4.6	5. Тепловой расчет камеры сгорания ГТУ	2

ПРИМЕРНЫЕ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ

1.Роль газовой промышленности в народном хозяйстве РФ?

2.Цель и задачи дисциплины «Газотурбинные установки».

3.Основные преимущества ГТУ по сравнению с другими энергоприводами КС.

4.Основные недостатки современных ГТУ.

5.Что следует понимать под технической эксплуатацией ГТУ?

6.Как зависит кпд простой ГТУ от степени сжатия?

7.Каково влияние регенерации на кпд ГТУ?

8.Что представляет из себя регенератор?

9. Для чего применяют промежуточные подогрев рабочего тела и охлаждение воздуха в ГТУ?

10. От чего зависит кпд многовальной ГТУ?

11. Перечислите основные показатели стационарных газотурбинных установок

12. Каковы недостатки сложных схем ГТУ?

13. Какими соотношениями можно связать удельную работу турбины и компрессора соот­ветственно со степенью сжатия и степенью расширения?

14. От чего зависит количество подведенной теплоты в камеру сгорания?

15. Какова зависимость кпд ГТУ от степени сжатия?

16. Как влияет уменьшение количества подведенной теплоты на максимальный кпд?

17. Перечислите основные характеристики ГТУ

18. Для чего служит компрессор?

19. Из каких элементов состоит простейший одноступенчатый компрессор?

20. Какие компрессоры называют многоступенчатыми?

21. Перечислите основные типы проточной части компрессора

22. За счет чего можно увеличить нагрузку компрессора?

23. Перечислить важнейшие геометрические характеристики ступени

24. При каком условии лопатка рабочего колеса считается правой, левой?

25. Что относят к термодинамическим параметрам ступени?

26. Что относят к газодинамическим параметрам осевой турбинной ступени?

27. Что определяет характеристический коэффициент?

28. Как влияют на потери положительные и отрицательные углы атаки?

29. Из чего складываются потери во вращающемся венце?

30.Чем вызваны потери от нестационарности потока?

31.С чем связаны потери от веерности?

32.От чего зависят потери в межвенцовом зазоре?

33. Что называют характеристикой турбины?

34. Какими величинами пользуются для характеристики турбины?

35. Что называют универсальной характеристикой турбины?

36. Как изменяется кпд турбины при увеличении или уменьшении расхода газа?

37. Какие параметры газовых турбин можно определить по их характеристикам?

38. В каких ГТУ можно осуществлять только смешанное регулирование?

39. От чего зависит характер изменения расхода кпд ГТУ?

40. Чем отличаются количественный и качественный способы регулирования ГТУ?

41. Почему нельзя уменьшить расход воздуха через компрессор до нуля?

42. Как изменяются расходы рабочего тела при режимах частичных нагрузок ГТУ, предназначенных для привода нагнетателей природного газа?

43. Как уменьшить трение при пуске и остановке ГТУ?

44. Какие применяют формы расточек опорных подшипников?

45. С помощью чего добиваются равномерного распределения усилий в упорных подшипниках?

46. Каково назначение упорных и опорных подшипников?

47. Каково назначение системы маслоснабжения ГТУ?

48. Из каких элементов состоит система маслоснабжения ГТУ?

49. Какие требования предъявляются к маслу маслосистемы?

50. От чего зависит расход масла в маслосистеме?

51.Что для борьбы со старением масла?

52. Каково назначение камеры сгорания?

53. Требования, предъявляемые к камере сгорания

54. Каковы основные элементы камеры сгорания?

55. Что понимают под кпд камеры сгорания?

56. По каким признакам классифицируют камеры сгорания?

57. Каково назначение теплообменных аппаратов?

58. На какие классы делятся теплообменные аппараты?

59. Перечислите основные характеристики ТА?

60. Каково назначение регенераторов ГТУ?

61. Назовите типы регенераторов

62. Каково устройство теплообменных аппаратов?

63. Перечислите основные ступени очистки воздуха.

64. От чего зависит обледенение?

65. Перечислите основные направления защиты от обледенения.

66. Чем характеризуется шум и единицы его измерения?

67. Что является источниками шума?

68. Какие материалы применяются для снижения шума?

69. Что понимают под надежностью ГГПА?

70. Перечислите наиболее распространенные отказы и дефекты: ГГПА

ДОМАШНЯЯ КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Домашняя контрольная работа является одним из источников проверки знаний студентов-заочников, которые самостоятельно изучают материал.

К выполнению контрольной работы приступают после изучения теоретического материа­ла. По дисциплине «газотурбинные установки» предусматривается выполнение одной домашней контрольной работы. Контрольная работа выполняется в отдельной тетради или на листах формата А4 напечатанным текстом.

На обложке контрольной работы указывается: название дисциплины, фамилия, имя, от­чество, шифр и адрес студента и номер группы. Контрольная работа представляется в техни­кум в установленный срок.

При выполнении контрольной работы в ученической тетради в клеточку должны быть выполнены следующие требования:

1. Работа выполняется шариковой ручкой синего цвета. Писать нужно четким почерком, без грамматических ошибок. Зарисовки и схемы выполнять карандашом с соответствующими надписями.

2. Перед ответом на вопрос или решением задачи необходимо переписать в тетрадь вопрос или условие задачи полностью. Между ответом на один вопрос и тек­стом второго должен быть интервал не менее трех строк. На страницах оставляются поля шириной 30 мм

3. Ответ должен быть полным и конкретным, по возможности кратким, и изложен своими словами; не рекомендуется переписывать текст учебника, за исключением точных форму­лировок основных законов и положений.

4. Ответы надлежит иллюстрировать схемами, зарисовками, графиками, эскизами, диа­граммами, выполненными в масштабе, необходимо соблюдать единую терминологию и обозначение в соответствии с действующими ГОСТами.

5. Для каждой расчетной формулы или уравнения необходимо сделать ссылку на литерату­ру (автор, название, год издания, страницы),

6. Если в данных для решения задач размерность дана не в единицах СИ, то в условии не­обходимо сделать соответствующий пересчет.

7. В конце контрольной работы указывается перечень используемой литературы и оставляется 2-3 чистых страницы для рецензии преподавателя.

8. Получив проверенную контрольную работу, студент должен исправить все ошибки. Если работа выполнена неудовлетворительно, то студент выполняет ее вторично.

9.Если студент выполнил не свой вариант, то работа возвращается без проверки.

10. Контрольная работа и отчеты по практическим занятиям предъявляются при сдаче экза­мена

11. Вариант контрольной работы определяется
по двум последним цифрам шифра. Напри­мер, ваш шифр 49, следовательно, номер варианта 49. По таблице вариантов на пересе­чении горизонтальной строки 4 и вертикальной графы 9 находятся номера контрольных вопросов

12. Для задач предусмотрена тридцати вариантная система
. Данные берутся в графе, номер которой Вы получите, если вычесть из номера варианта число кратное 30, Например ва­риант 49, то графа 19 (49-30=19), вариант 64, то графа 4 (64-60=4) и так далее.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ КОНТРОЛЬНОЙ

РАБОТЫ

Задание1. Ответьте на вопрос в соответствии с таблицей 4.4 приложения с учетом шифра. Перечень вопросов дан ниже.

1. Предмет, цели и задачи курса ГТУ. Общие сведения о газотурбинных установках.

2. Прочитать схему простой ГТУ. Достоинства и недостатки.

3. Рассмотреть цикл простой ГТУ в T-S диаграмме.

4. Важные характеристики цикла простой ГТУ.

5. Прочитать схему ГТУ с регенератором. Достоинства и недостатки.

6. Рассмотреть цикл ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов в T-S диаграмме.

7. Прочитать схему одновальной ГТУ с промежуточным подводом тепла и промежуточным охлаждением воздуха. Достоинства и недостатки.

8. Прочитать схему ГТУ с регенерацией тепла с одним промежуточным подводом тепла и двух кратным промежуточным охлаждением воздуха. Достоинства и недостатки.

9. Прочитать схему ГТУ парогазовой установки с низконапорным котлом. Достоинства и недостатки.

10. Прочитать схему парогазовой установки с высоконапорным котлом. Достоинства и не­достатки.

11. Связь кпд простой ГТУ с величинами характеризующими ее цикл

12. Зависимость удельной работы и кпд простой ГТУ от степени сжатия при разных относительных температурах.

13. Зависимость кпд ГТУ с регенерацией теплоты от степени сжатия и степени регенерации.

14. Влияние регенерации на оптимальную степень сжатия.

15. Зависимость полезной удельной работы и кпд от степени сжатия простой и сложной ГТУ без регенерации.

16. Влияние потерь на эндентивную работу газотурбинных установок.

17. Общие сведения об осевых компрессорах.

18. Рабочий процесс в ступени компрессора.

19. Геометрические параметры компрессорных профилей.

20. Потери в лопаточном венце осевого компрессора.

21. Влияние радиальных и осевых зазоров на работу степени компрессора.

22. Направляющие и сопловые аппараты компрессоров

23. Связь между параметрами ступени и всего компрессора

24. Применяемые формы проточной части многоступенчатого осевого компрессора

25. Выбор напора ступени многоступенчатого компрессора при заданном общем напоре

26. Универсальная характеристика компрессора

27. Схема обтекания лопаток рабочего колеса осевого компрессора при различных расходах воздуха

28. Треугольники скоростей ступени компрессора на среднем диаметре

29. Степень реактивности ступени осевого компрессора

30. Неустойчивые режимы работы компрессора

31. Рабочие процессы в ступенях компрессора и турбины, их отличие

32. Определение степени сжатия в компрессоре по заданному расходу воздуха и частоте вращения ротора.

33. Принцип работы активной ступени газовой турбины. Треугольники скоростей.

34. Принцип работы реактивной ступени газовой турбины. Треугольники скоростей.

35. Геометрические характеристики осевой турбинной ступени.

36. Термодинамические параметры ступени газовой турбины.

37. Газодинамические параметры осевой турбинной ступени.

38. Принцип работы газотурбинной установки. Что такое активная и реактивная турбины?

39. Что такое треугольники скоростей осевого компрессора и газовой турбины?

40. Профильные и кромочные потери в осевой турбинной ступени

41. Потери от угла атаки и концевые потери в осевой турбинной ступени.

42, Тепловой процесс расширения газа многоступенчатой турбине в I-S диаграмме.

43. Характеристики газовых турбин.

44. Какие параметры газовых турбин можно определить по их характеристика?

45. Требования, предъявляемые к системе охлаждения газовых турбин.

46. Схема системы охлаждения газовой турбины.

47. Охлаждение корпуса газовой турбины.

48. Охлаждение ротора газовой турбины.

49. Охлаждение сопловых и рабочих лопаток газовой турбины.

50. Жидкостное охлаждение лопаток газовых турбин.

51. Виды газотурбинных установок на газопроводах, поставщиками которых является НЗЛ, их краткая характеристика.

52. Виды газотурбинных установок на газопроводах, поставщиками которых является ТМЗ их краткая характеристика.

53. Назначение трубчатых регенераторов, их устройство и основные характеристики.

54. Назначение пластинчатых регенераторов, их устройство и основные характеристики.

55. Требования, предъявляемые к регенераторам.

56. Режимы работы ГТУ при частичных нагрузках. Зона допустимых режимов работ ГТУ.

57. Основные способы регулирования мощности и экономичности ГТУ на частичных нагрузках.

58. Назначение системы маслоснабжения ГТУ. Схема системы и ее основные элементы.

59. Назначение, устройство и принцип работы камеры сгорания ГТУ.

60. Конструкции камер сгорания.

61. Характеристики камер сгорания и их влияние на газотурбинную установку

62. Виды теплообменных аппаратов ГТУ и требования предъявляемые к ним.

63. Защита ГТУ от атмосферной запыленности.

64. Защита ГТУ от обледенения. Охлаждение воздуха в летнее время.

65. Защита от шума газотурбинных газоперекачивающих агрегатов.

66. Основные функции агрегатных систем автоматического регулирования и защиты.

67. Основные функции агрегатных систем автоматического управления.

68. Распространенные отказы и дефекты ГГПА со стационарными ГТУ и возможные причины, вызвавшие их Основные направления работ по обеспечению надежности ГГПА при проектировании.

69. Основные эксплутационные мероприятия, снижающие потребность в ремонтах.

70. Ремонтопригодность газотурбинных, газоперекачивающих агрегатов.

71. Методы контроля технической диагностики.

72. Задачи и методы технической диагностики.

73. Технология процесса запуска ГГПА.

75. Причины и вызываемые ими виды вибрации. Способы устранения.

Задание 2. Решите задачи 1,2,3. Исходные данные для решения задач выберите в соответствии с таблицами 4.5, 4.6, 4.7 приложения

Условия задач:

Задача 1

Рассчитать основные размеры первой ступени осевого компрессора и определить ориентиро­вочно количество ступеней по следующим исходным данным: начальная температура газа ; начальное давление газа; степень повышения давления (); массовая подача М (кг/с).

Задача 2

Определить число ступеней осевой турбины при следующих исходных данных: начальная температура газов перед турбиной Тс
, конечное давление в турбине ; отношение давлений в турбине δ; средние значения характеристик газа Rr, Срг
; скорость во входном патрубке We; скорость перед первой ступенью турбины Со
; скорость в выходном патрубке W; скорость за последней ступенью Cz
; кпд входного патрубка вых; кпд турбины

Задача 3

Определить мощность и выбрать тип ГПА по приведенной характеристике нагнетателя при следующих исходных данных: тип нагнетателя; давление наружного воздуха; температура наружного воздуха; температура газа на входе в нагнетатель; давление газа на выходе из на­гнетателя; частота вращения вала нагнетателя

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Рассмотрим метод приближенного расчета ступени, основывающийся на использовании опытных данных продувки плоских решеток лопастей. В этом методе используем следующие безразмерные коэффициенты ступени:

1.Коэффициент расхода

где Са
- осевая скорость, осредненная по сечению проточной полости, нормальному оси компрессора; u - окружная скорость

2. Коэффициент напора

3. Степень реактивности

где LCT
- статическая удельная работа ступени L - полная удельная работа ступени

4. Коэффициент закрутки

где ДСи
= Сги- Сц,- абсолютное значение закрутки потока рабочим колесом ступени

Давление, создаваемое ступенью, приблизительно равно давлению элементарной ступени, лежащей на среднем диаметре ступени. Поэтому в нескольких приближенных расчетах скорость и, пределяющая коэффициенты φ ψ и μ являются средней скоростью лопатки:

где dcp
- средний диаметр

где dBT
и dK
диаметры втулки и концов лопастей

Окружную скорость ик
концов рабочих лопастей дозвуковых компрессоров принимают до 250 м/с.

Коэффициент расхода и втулочное отношение задают в пределах

Среднее значение осевой скорости рассчитывают по коэффициенту расхода

Применяя уравнение неразрывности, рассчитывают
диаметр окружности концов рабочих лопастей:

По полученному значению dK
и принятому значению ик
определяют необходимую частоту вращения вала компрессора об/мин.

Диаметр втулки определяют по формуле

Коэффициент расхода ср ступени рассчитывают по средней окружной скорости

Принимают степень реактивности ρ
=0,
5-4 и частоту = 1-г2.

Пользуясь опытными графиками, полученными продувкой решеток, по — (имея в виду принятое значение частоты решетки) определяют — и из него коэффициент закрутки Используя зависимость между коэффициентами напора и закрутки и изоэнтропным к.п.д., определим коэффициент напора

где

Определяют изоэнтропную работу ступени

Определяют изоэнтропную работу компрессора по заданным параметрам в проточной части

где k-показатель

Определяют количество ступеней

Методические указания по решению задачи 1.

1.Из уравнения состояния определяется плотность газа

где R - газовая постоянная воздуха;

- начальная температура газа, К

2.Определяется объемная подача

где М - массовая подача, кг/с

3. Принимаем окружную скорость концов рабочих плоскостей UK, втулочное отношение коэффициент расхода

4.Определяется осевая скорость, осредненная по сечению

5.Определяется наружный диаметр первой ступени

6. Определяется необходимая частота вращения

7. Определяется диаметр втулки

8. Определяется длина лопатки первой ступени

9. Определяется средний диаметр ступени

10. Определяется окружная скорость лопатки

11.Определяется коэффициент расхода по средней скорости

12.Определяют изоэнтропную работу компрессора по заданным параметрам в проточной части

где k-показатель

13.Определяют количество ступеней

Методические указания по решению задачи 2.

1.Определяется теплоперепад турбины

где - начальная температура газов перед турбиной; δ - отношение давлений в турбине

2.Определяется давление перед турбиной

где - конечное давление в турбине

3.Определяется плотность газа перед турбиной

4.Определяется потеря давления во входном патрубке

где - кпд входного патрубка;

- скорость газа перед первой ступенью турбины;

- скорость газа во входном патрубке

5. Определяется давление газа перед первой ступенью турбины

6. Определяется температура газов за турбиной

7.Определяется температура газов за последней ступенью

где Сг - скорость газа за последней ступенью

8.Так как давление газа за последней ступенью мало отличается от давления за турбиной, то при определении плотности газа можно принять

9.Определяется потеря полного давления в выходном патрубке

где - скорость газа в выходном патрубке

10.Определяется давление за последней ступенью

11.Для определения числа ступеней турбины вычислим располагаемый теплоперепад с параметрам перед первой и за последней ступенями

где - степень расширения газа в проточной части турбины

12.Определяется располагаемый теплоперепад одной ступени по выбранному диаметру корневых сечений d0K и отношению скоростей

где - окружная скорость в корневом сечении лопаток

где n - частота вращения,

13.Определяется число ступеней турбины

Полученное значение округляется до целого числа

Методические указания по решению задачи 3.

1.Определяется относительная плотность газа по воздуху

-плотность газа при стандартных условиях,

- плотность воздуха при стандартных условиях

2.Определяются абсолютные значения давлений газа на входе и выходе

где - давление газа на входе в нагнетатель, МПа;

- давление наружного воздуха, МПа

Р
- давление газа при стандартных условиях, МПа

3.Определяется степень сжатия нагнетателя

4.По начальным параметрам газа на входе в нагнетатель Рн, Тк и величине Δ определим коэффициент сжимаемости газа Z, характеризующий отклонение характеристик реального газа от идеального (см. стр. 186, [8])

5.По известной удельной газовой постоянной для воздуха и величине Δ определим удельную газовую постоянную природного газа

6. Определяется относительная частота вращения нагнетателя по формуле

где n
- рабочая (фактическая) частота вращения ротора нагнетателя, ;

- номинальная (по паспорту) частота вращения ротора нагнетателя,

, - фактическая и приведенная температура газа на входе в нагаетатель соответственно, К;

- фактическая и приведенная удельная газовые постоянные соответственно,

- фактический и приведенный коэффициенты сжимаемости газа

7.По приведенной характеристике и точке пересечения степени сжатия и линии относительных приведенных оборотов определяется приведенная объемная подача Qnp
, политропический кпд нагнетателя и приведенная относительная внутренняя мощность

нагнетателя (см. стр. 187-193, [8])

8.Определяется фактическая объемная подача газа по нагнетателю

9.По уравнению состояния газа определяется плотность газа на входе в нагнетатель

10.Определяется приведенная внутренняя мощность, потребляемая нагнетателем

11.Определяется внутренняя мощность ГТУ

12.Определяется эффективная мощность ГТУ по формуле

где - механические потери мощности на приводе нагнетателя, кВт

По приведенной характеристике нагнетателя определяется удаленность рабочей зоны от зоны полпажа (см. стр. 194-199, [8])

По расчетной эффективной мощности и заданному типу нагнетателя выбирается тип ГПА (см. стр. 15-19, [8]; стр. 230-235, [4])

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки. М., «Высшая школа», 1986

2. Соколов В.С. Газотурбинные установки. М. «Высшая школа», 1986

3. Ревзин Б.С., Ларионов И.Д. Газотурбинные установки с нагнетателями для транспорта газа. Справочное пособие. М., «Недра», 1991

4. Поршаков Б.П. Газотурбинные установки. – М.: недра, 1992.

5. Ревзин Б.С. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты. М., «Недра», 1986

6. Поршаков Б.П. Газотурбинные установки для транспорта газа и бурения скважин М., «Недра», 1982

7. Поршаков Б.П., Романов Б.А. Основы термодинамики и теплотехники. М., «Недра», 1979

8. Седых З.С. Эксплуатация газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. Справочное пособие. М., «Недра», 1990

9. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М., «Энергоатомиздат», 1984