Котлы-утилизаторы

Рис. 4.3 Цилиндрическая камера сгорания

 

Для уменьшения закрутка газового потока на выходе из камеры и для лучшего перемешивания вторичного воздуха с продуктами сгорания к пламенной трубе приварены лопатки 5, закручивающие поток вторичного воздуха в направлении, обратном тому, которое придается первичному воздуху.

В цилиндрических камерах можно установить не одну, а несколько форсунок, что увеличивает надёжность работы и позволяет регулировать тепловую  мощность  камеры  сгорания  изменением  числа работающих

форсунок. Объемная теплонапряженность этих камер составляет (20-30) • 10³ кВт/м³ при давлении 0,4-0,45 МПа, а тепловая мощность камеры сгорания достигает 3000 кДж/ч, расход воздуха - 2,5 • 10⁵ м³/ч,

4. Секционные (многотрубчатые) камеры сгорания представляют собой конструкцию, в которой объединено несколько (6-16) параллельно работающих цилиндрических камер (секций), часто связанны между собой пламяпередающими патрубками.

Секция многотрубчатой камеры сгорания состоит из пламенной трубы и кожуха 8. Пламенная труба включает в себя головку, состоящую из лопаточного завихрителя 3, тарелки 2 и конуса 4, и корпус, состоящий из цилиндрической части 5 и двух конических участков, соединенных между собой конусным кольцом 6.

Рис. 4.4 Секционная (многотрубчатая) камера сгорания

 

Первичный воздух поступает через входной кожух 1 в головку пламенной трубы. Часть его направляется в зону горения через лопаточный завихритель 3, а оставшаяся часть идет туда через многочисленные отверстия в тарелке 2 и конусе 4. Кроме того, на цилиндрической части пламенной трубы 5 имеется еще два ряда отверстий, через которые дополнительно поступает воздух, необходимый для горения при полной нагрузке ГТУ. Вторичный воздух идет по кольцевому пространству между пламенной трубой и кожухом 8 и затем поступает в зону смешения через четыре ряда отверстий в конической части пламенной трубы 7. Наибольшая часть охлаждаемого воздуха входит внутрь пламенной трубы через большое число отверстий малого диаметра в конусном кольце 6.

Секционные камеры сгорания выполняют обычно в виде единого моноблока, в котором все секции заключены в общий корпус. Каждая секция имеет одну форсунку, впрыскивающую топливо по направлению потока. Секционные камеры сгорания отличаются компактностью, обеспечивают высокую полноту сгорания топлива и устойчиво работают в различных эксплуатационных условиях. Недостатком их является сравнительно большие потери давления (2,5-7,5%). Тепловая мощность отдельной секции

составляет в среднем (0,7-1,7) • 10³ кВт, а иногда достигает 3,5 • 10³ кВт.

Объемная теплонапряженность у камер этого типа высокая - (100-160) • 10³ кВт/м³.

5. Кольцевая камера сгорания

В кольцевых камерах сгорания зона горения I имеет форму кольцевой полости обычно шириной 150-200 м, которая образуется цилиндрами 1 в 2. Два других соосно расположенных цилиндра (9 и 8) составляют кожух камеры. Первичный воздух через воздухопроводящее устройство 4 поступает в зону горения I. Вторичный воздух направляется по кольцевым зазорам 6 и 7 к смесительным насадкам 5, через которые поступает в зону II, где смешивается с продуктами сгорания, понижая тем самым их температуру. В воздухоподводящем устройстве 4, на входе в зону горения I по всей окружности расположены форсунки 3. За счет этого обеспечивается хорошее перемешивание топлива с воздухом и горение по всему кольцевому пространству. Число форсунок может достигать 10-20, но иногда это бывает одна вращающаяся форсунка.

Объемная теплонапряженность у кольцевых камер примерно такая же, как и у секционных, а потери давления несколько больше (до 10 %). По сравнению с секционными камерами они имеют меньший рабочий объем и более равномерное поле температур газа на выходе. Зато кольцевые камеры сложнее в изготовлении и доводке, труднодоступны для осмотра в ходе эксплуатации.

Рис. 4.5 Кольцевая камера сгорания

 

6. Трубчато-кольцевая камера сгорания

Трубчато-кольцевая камера сгорания представляет собой конструктивное совмещение элементов секционной и кольцевой камер. Так же, как и у кольцевой камеры, кожух её образуется наружным и внутренним соосно расположенными цилиндрами. А в кольцевом пространстве между этими цилиндрами размещается ряд отдельных пламенных труб, снабженных форсунками. Трубы соединяются друг с другом пламяпередающими патрубками, которые предназначены для передачи пламени, зажигания и выравнивания давления между трубами, Трубчато-кольцевые камеры имеют теплонапряженность и потери давления приблизительно такие же, как секционные камеры. Они компактнее кольцевых камер и более просты в доводке. Небольшие размеры пламенных труб упрощают их изготовление и разборку.

 

Конструкции ГТУ

ГТУ W501 фирмы «Вестингауз» (Westinghouse).

ГТУ типа W501 разработана для энергосистем с частотой 60 Гц. Выпущено и эксплуатируется около 200 ГТУ этого типа.

Все модификации ГТУ W501 выполнены с двухопорным ротором (длина между осями подшипников 7,24ч м, масса около 33 т). Пламенные трубы размещены внутри корпуса вокруг вала ГТУ. Привод электрического генератора осуществляется со стороны компрессора. Компрессорная часть ротора ГТУ первых модификаций была образована дисками (по числу ступеней), насаженными в горячем состоянии на полый кованый вал.

Проточная часть компрессора спроектирована с постоянным наружным диаметром двух первых и постоянным внутренним всех остальных ступеней. Входной направляющий аппарат выполнен поворотным. После VI, XI и XIV ступеней в обоймах компрессора имеются симметричные щели для отбора воздуха на охлаждение IV, III и II ступеней турбины соответственно. Первые два отбора используются для сброса воздуха через антипомпажные клапаны при пуске. Рабочие лопатки компрессора крепятся в дисках заштифтованными полушаровыми хвостовиками и допускают замену в условиях эксплуатации.

Пламенные трубы камеры сгорания (в первых модификациях их 16, в последней—14) состоят из сваренных между собой кольцевых обечаек/диаметры которых увеличиваются по ходу газов, и фронтового устройства с форсункой и каналами для прохода воздуха. Проточную часть турбины образуют четыре ступени с умеренной аэродинамической нагрузкой и реактивностью.

Рис. 5.1 Высокотемпературная часть ГТУ типа W501

 

Для облегчения ремонтов корпус турбогруппы ГТУ W501 разделен на независимо снимаемые секции и обеспечена возможность осмотра и замены через корпус камеры сгорания пламенных труб, газоподводящих патрубков и лопаток I ступени турбины. После вскрытия верхней половины корпуса необходимые лопатки компрессора и турбины, а также опорные и упорный подшипники можно заменить без выемки ротора турбогруппы и нарушения установки лопаток других ступеней.

 

ГТ-150 ЛМЗ.

 Турбогруппа ГТ-150 представляет собой осесимметричный транспортабельный блок. Дисковые роторы компрессора и.турбины опираются на три подшипника. Противоточные пламенные трубы камеры сгорания размещаются каждая в своем корпусе вокруг вала ГТУ. Забор воздуха осуществляется через угловой входной патрубок, не воспринимающий нагрузок от турбогруппы; выход газов — через осевой диффузор, в котором восстанавливается энергия выходной скорости, достигающей за последней ступенью турбины 300 м/с. В выхлопной части размещена опора заднего подшипника турбины. Ребра, связывающие ее с корпусом турбогруппы, защищены от воздействия потока газов тонкостенными кожухами и охлаждаются воздухом так, чтобы температура внутренней силовой обечайки, на которую опирается корпус подшипника, не превышала 470 К, а радиальные градиенты температуры 50 К. Это обеспечивает стабильность формы и геометрического положения опоры и надежную работу подшипника.

Имеющиеся на корпусе турбогруппы горизонтальный и несколько вертикальных разъемов обеспечивают удобный доступ для контроля и ремонта- деталей. Корпус опирается на раму в шести точках: две стойки выполнены неподвижными и образуют фикспункт агрегата; четыре, закрепленные на осях, — качающимися: две между компрессором я турбиной и две в районе III—IV ступеней турбины.

 

 

Многовальные ГТУ простого цикла

 

ГТУ на базе авиационных двигателей. Энергетические ГТУ, созданные, на базе авиационных турбореактивных или турбовентиляторных двигателей, состоят из одного или двух компрессоров, приводимых во вращение связанными с ними турбинами; которые вместе с камерой сгорания, расположенной между компрессором и турбиной высокого давления, являются генератором горячих газов. Газы расширяются в турбине полезной мощности (силовой турбине). Специфическими качествами ГТУ, созданных на базе авиационных двигателей, являются очень, малые масса и габариты, быстрота запуска (до 1,5 мин до полной нагрузки в установках мощностью 20—25 МВт) при небольшой пусковой мощности и полной автономности, возможность быстрого восстановления при неполадках путем простой замены ГТД-генератора газа или даже всего агрегата. Недостатки таких ГТУ — более жесткие требования к топливу и эксплуатационному обслуживанию, сложная технология капитальных ремонтов, возможных только в заводских условиях. Используемые в энергетических ГТУ двигатели выпускаются специально для промышленного применения. Для обеспечения эффективной работы в наземных условиях часть их деталей либо переконструирована по сравнению с авиационными прототипами, либо изготовляется по измененной технологии или из других материалов.. Параллельно осуществлялись мероприятия по повышению мощности и КПД путем совершенствования турбо-машин, увеличения расхода воздуха, степени сжатия и начальной температуры газов и улучшению эксплуатационных качеств: увеличению ресурса деталей, длительности непрерывной работы, ремонтопригодности.

В промышленных ГТУ на базе ГТД третьего поколения «Спей», RB211, TF39 и CF6, выполненных с более высокими степенями сжатия и экономичными системами охлаждения, достигнута существенно более высокая экономичность. Наиболее мощной из этих ГТУ является установка с генератором газа типа LM5000, созданным фирмой «Дженерал Электрик», с использованием до 70% деталей турбовентиляторного ГТД CF6.

Вентиляторная ступень ГТД снята и заменена двумя первыми ступенями пятиступенчатого КНД со степенью сжатия 2,5. После КНД предусмотрен антипомпажный сброс воздуха, открывающийся при пуске и на малых нагрузках. Входная часть корпуса КНД выполнена с горизонтальным разъемом, используя который, можно в эксплуатационных условиях осматривать изаменять лопатки первых трех ступеней. Одновальный КВД (14 ступеней) сжимает воздух до 3 МПа. Положение поворотных входного направляющего аппарата и статорных лопаток первых шести ступеней КВД регулируется при пусках и малых нагрузках. Ротор КВД состоит из переднего концевика с диском I ступени, дисков II, X и XIV ступеней, барабанов III—IX и XI—ХЩ ступеней и заднего концевика с уплотнениями. Лопатки первых ступеней изготовлены из титановых, последних — из никелевых сплавов. Первые три направляющие аппарата выполнены с внутренними бандажами, рабочие лопатки I ступени также имеют бандажную связь посередине высоты. В корпусе КВД имеются горизонтальный разъем и отверстия для осмотра всех ступеней с помощью бороскопа.

Камера сгорания — кольцевая с 30 устанавливаемыми извне регистровыми горелками. Зона горения спроектирована с повышенными избытками воздуха, для того чтобы снизить дымление, сократить длину, факела и уменьшить количество воздуха, необходимого для охлаждения пламенной трубы. Начальная температура газов составляет 1423—1453 К.

КВД приводится во вращение двухступенчатой ТВД, все лопатки которой охлаждаются воздухом, отбираемым за VIII и XIV ступенями КВД. Ротор

КВД —ТВД выполнен трехопорным; как обычно, в ГТД используются

подшипники качения.

Энергетические ГТУ с агрегатом LM.5000 спроектированы и выпускаются несколькими фирмами. Они оснащаются трехступенчатой силовой турбиной, ротор и статор которой, выполняются охлаждаемыми (температура газов на входе в силовую турбину 938—973 К, давление — до 420 кПа). На корпусе силовой турбины имеется горизонтальный разъем. Для запуска ГТУ используется воздушная турбина, развивающая мощность 100 кВт, которая вращает вал КВД — ТВД. Продолжительность нормального пуска до включения электрического генератора в сеть составляет 7, ускоренного — 3 мин; нагружение в обоих случаях производится за 1 мин.

 

 

ГТУ типа GT200.

 Результатом объединения опыта фирм «Сталь-Лаваль» (Stal-Laval) в области энергетического машиностроения и «Юнайтид Текнолоджиз» (United Tecnologies) в области авиационных двигателей явилось создание трехвальной ГТУ. КНД с поворотным: входным направляющим аппаратом приводился во вращение ТНД. КВД приводится во вращение ТВД. Расчетные степени сжатия в каждом компрессоре равны 4. ТВД и ТНД одноступенчатые. Ротор КНД — ТНД опирается на три подшипника скольжения, а также на небольшой подшипник промежуточного вала, необходимый для обеспечения достаточных запасов по критическим частотам вращения; соединяющий КНД и ТНД вал проходит внутри вала КВД — ТВД. Ротор КВД — ТВД опирается на два, а двухступенчатый силовой турбины — на три подшипника. На каждом роторе имеется упорный подшипник, скомбинированный с одним из опорных. Расчетная частота вращения вала ТНД 3600 об/мин, ТВД — 4150 об/мин; силовая турбина может выполняться на 3600 или 3000 об/мин. Длина всего турбоагрегата составляет 141м, наибольший диаметр — 3,2 м.

Лопатки ТВД выполнены с комбинированным пленочным и конвективным охлаждением, сопловые— из кобальтового, рабочие — из никелевого сплавов.

Камера сгорания состоит из восьми противоточных пламенных труб, расположенных вокруг корпуса турбоагрегата. Она рассчитана на сжигание различных жидких и газообразных (с теплотой сгорания до 3,8 МДж/м") топ лив.

Разворот ГТУ при пуске осуществляется сжатым воздухом, который продувается через компрессоры и турбины в течение 120 с. Включение электрического генератора в сеть производится через 4,5 мин после начала пуска,прием нагрузки —через 12 мин. Останов ГТУ занимает 7 мин. После останова роторы в течение 24ч проворачиваются валоповоротными устройствами до полного остывания: силовой вал — с частотой вращения 32 об/мин, валы ТВД и ТНД, которые после останова соединяются, — 54 об/мин.