Основные элементы нагнетателя

Рабочее колесо – наиболее важный элемент конструкции. Его изготавливают фрезерованием из тела основного диска либо рабочие лопатки привариваются к основному и покрывающему дискам.

Назначение рабочего колеса – преобразование механической энергии силовой турбины ГТУ в энергию потока газа.

Диффузор – важнейший элемент выходного устройства.

Назначение диффузора – преобразование кинетической энергии газового потока после рабочего колеса в потенциальную - энергию давления. Обеспечение равномерность потока и снижение закрутки потока газа.

Диффузор вместе с нагнетательной (сборной) камерой называют входным устройством.

Назначение входного устройства – обеспечить подвод газа к рабочему колесу с минимальными потерями, максимально равномерно по величине и направлению скорости движения газа. (В противном случае снижается КПД, работа осуществляется в зоне неустойчивых режимов.

На газопроводах нашей страны используются нагнетатели следующих производителей:

Невский машиностроительный завод им. В.И. Ленина – НЗЛ;

Свердловский турбомоторный завод – ТМЗ;

Сумское машиностроительное производственное объединение – МПО им. М.В. Фрунзе.

Рассмотрим центробежные нагнетатели (ЦН) осевым и тангенциальным подводом газа.

На Рис.1. 5 приведен ЦН 280 –11-1 с осевым подводом газа, производства НЗЛ, для привода электродвигателя и ГТУ мощностью 4000 кВт и частотой вращения 7950 об/мин.

Рис. 1.5 Центробежный нагнетатель 280 – 11 – 1 (2)

I – корпус, II – корпус подшипника, III – ротор

1 – рабочее колесо, 2 – вал, 3 – термометры сопротивления, 4 – упорный диск, 5 – реле осевого сдвига ротора, 6 – опорно–упорный подшипник скольжения, 7 – перегородка, 8 – опорный подшипник скольжения, 9 – гайка обтекатель.

Конструкция нагнетателя отличается простотой и надежностью. Нагнетатель состоит из:

корпуса I, представляющего собой стальную улитку, сваренных из двух половин с одним вертикальным разъемом;

ротора III – состоит из вала 2 и рабочего колеса 1;

корпуса подшипника II, который разделяется перегородкой 7 на две полости – загазованного и чистого масла. Каждая полость имеет патрубки для слива масла; упорный диск 4 служит для уплотнения перегородки 7; реле осевого сдвига ротора 5 установлено внутри корпуса подшипника и предназначено для подачи импульса на остановку агрегата при аварийном осевом сдвиге ротора; термометры сопротивления 3 служат для подачи сигнала на остановку агрегата в случае повышении температуры вкладышей или упорных колодок подшипника 6.

На Рис.1. 6 приведен ЦН 300–1,23 с тангенциальным подводом газа, производства ТМЗ, для ГТУ ГТ-6-750 мощностью 6000 кВт и частотой вращения 6200 об/мин.

Рисунок 1.6 Центробежный нагнетатель Н 300 – 1,23: 1 – ротор, 2 - уплотнение, 3 - корпус, 4 –всасывающий патрубок, 5 – напорный патрубок, 6 – торцевая крышка, 7 – рабочее колесо. 8 – упорный подшипник, 9 – диск разгрузочного устройства, 10 – маслоблок.

Нагнетатель состоит из литого неразъемного корпуса 3, консольного ротора 1 с насадным цельнофрезерным рабочим колесом 7 и уплотнением 2; всасывающие 4 и напорные патрубки расположены по бокам корпуса соосно друг другу. Торец корпуса нагнетателя закрыт торцевой крышкой 6. Для разгрузки упорного подшипника 8 при пуске нагнетателя предусмотрено специальное разгрузочное устройство, состоящее из диска 9 на роторе и лабиринтовых уплотнений по его окружности.

Масло в разгрузочное устройство подается пусковым масляным насосом под давлением 10-12 МПа, что приводит к снижению осевого усилия в 2-3 раза.

Система лабиринтового уплотнения состоит из двух ступеней. В первой лабиринтового типа давление газа понижается с 5,6 МПа до 1 МПа, а второй, гидравлического типа, давление газа понижается ниже давления масла на 0,1-0,3 МПа. Таким образом, газ вытесняется давлением масла и используется далее в топливной системе ГТУ.

Масляная система нагнетателя отделена от масляной системы привода. Нагнетатель имеет свой маслоблок 10 объемом 3,5м³, в котором установлен инжектор пусковой и аварийный насос, газоотделитель и подогреватель масла. При аварийном отключении электроэнергии или срыве пускового масляного насоса масло к подшипникам и в систему уплотнения подается из маслоблока.

В качестве примера на Рис.1. 7 приведен двухступенчатый центробежный нагнетатель НЗЛ типа 650-21.

Рисунок 1.7 Центробежный нагнетатель НЗЛ типа 650 – 21:

1 – полумуфта; 2 – рабочее колесо; 3 – лопаточный диффузор; 4 – корпус; 5 – сборная камера; 6 – крышка; 7 – думмис; 8 – пакет ротора; 9 – гребень упорного подшипника.

Нагнетатель 620 – 21 имеет литой корпус, изготовленный из низколегированной, стали с тангенциальными соосно – расположенными входными и выходными патрубками. Корпус имеет один вертикальный разъём. Проточная часть нагнетателя вместе с ротором образует как бы единый сборный узел, допускающий возможность его замены в целом в условиях эксплуатации. Рабочие колёса 2 первой и второй ступеней сжатия несколько различаются между собой по ширине, в остальном их геометрия одинакова. Лопаточные диффузоры 3 и обратные направляющие аппараты – сварной конструкции. За диффузором второй ступени расположена сборная камера 5. Мощность от силовой турбины предаётся к ротору нагнетателя с зубчатых муфт 1 с бочкообразным зубом. Компенсация осевого усилия осуществляется думмисом 7. В сварной опорной раме располагаются поплавковая камера, пусковой насос уплотнения, маслопроводы и т.п.

Под центробежной характеристикой нагнетателей принято понимать зависимость соотношения давления сжатия , политропного КПД , удельной мощности от объемного расхода газа Q.

Приведенные характеристик строятся для заданного значения R_пр, фактора сжимаемости Z_пр, показателя адиабаты и принятой температуры газа на входе в нагнетатель T_вх в пинятом диапазоне изменения приведенной относительной частоты вращения .

На Рис1.8 показана типовая характеристика нагнетателя Н-300-1,23.

Рисунок 1.8 Приведённая характеристика первого типа для нагнетателя

Н – 300 – 1,23 ( =288К, = 490,5(Дж/кг К), =0,91, =0,7 1,1, =6150об/мин.)

Характеристику для каждого типа нагнетателей строят в результате натуральных испытаний, что позволяет определить загрузку и выбрать наилучший режим работы нагнетателя в зависимости от условия эксплуатации.

Пользоваться характеристика необходимо следующим образом.

Зная фактические значения величин R, Z, T_в, определяют приведенную частоту вращения нагнетателя и приведений объемный расход газа по нагнетателю (см. уравнения 1.6 – 1.8).

(1.6)

(1.7)

(1.8)

Индексом «0» отмечен номинальный режим работы. Расчетный рабочий расход Q_пр, для нагнетателей должен быть примерно на 10-12% больше крайне левых значений расхода, вне зоны помпажа, соответствующих условиям начала срыва потока газа по нагнетателю (на Рис.1.8 эта зона соответствует подачи газа ~175 м³/мин).

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение центробежных нагнетателей и перечислите их основные характеристики.

2. Зарисуйте схему ступени центробежного нагнетателя и объясните принцип её работы.

3. Перечислите основные элементы центробежного нагнетателя и объясните их назначение.

1.5 Природный газ как топливо для газотурбинных установок.

Топливом ГТУ является породный газ, который состоит в основном из метана CH₄, и не большего количества других газообразных углеводов – этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀, пентан C₅H₁₂ и др. Некоторые виды природного газа содержат 5-12% азота N₂ и углекислого газа СО₂. Преимуществом газообразного топлива является их термическая стабильность, отсутствие сажи и золы в продуктах сгорания.

Основные характеристики газообразного топлива приведены на Рис.1. 9

Теплота сгорания

Теплота сгорания (теплотворная способность) топлива, Q – показывает какое количество теплоты выделяется при полном сгорании единицы топлива (кг, м³), в стандартных условиях.

Различают высшую Q_в.р и низшую Q_н.р теплоту сгорания.

Высшая теплота сгорания топлива Q_в.р – количество теплоты ( ), выделяющейся при полном сгорании 1 кг топлива в условиях полной конденсации водяных паров, образующихся при сгорании.

Низшая теплота сгорания топлива Q_н.р – количество теплоты ( ), выделяющейся в условиях отсутствия конденсации водяных паров.

Следовательно Q_н.р < Q_в.р на величину теплоты испарения влаги W, если таковая имеется в топливе и воды образующейся при сгорании водорода топлива. Так из 1 кг водорода при сгорании получается 8,94 кг воды.

Для топлив ГТУ в расчетах используется величина низшей теплотворной способности, поскольку сгорание происходит с высокой скоростью и температурой, порядка 400-450˚С, образовавшиеся пары воды не успевают конденсироваться.

Для расчета низшей теплотворной способности топлива используют следующие зависимости:

(1.9)

Здесь 2453,6 – теплота парообразования 1 кг влаги при температуре калометрирования , кДж; H, W – массовое содержание водорода и влаги в 1 кг топлива, %.

В случае влияния химического состава на теплотворную способность топлива применяется формула Д.И. Менделеева:

(1.10)

Здесь Q_н.р, МДж/кг; C, H, O, S, W, - содержание в топливе соответственно углерода ,водорода, кислорода, серы, воды в % по массе.

Содержание (в %) элементарного состава топлива можно определить по следующим зависимостям (формула1.11):

(1.12)

(1.11)

Рис.11

(1.14)

(1.13)

Жаропроизводительность, t_max

Определяет максимальную температур, которая получается при полном сгорании топлива в условиях, когда выделяемая теплота полностью расходуется на нагрев продуктов сгорания.

Теоретически необходимый расход воздуха для полного сгорания газа L₀

Данная величина характеризует расход воздуха для полного сгорания газа, определяется по зависимости вида:

(1.15)

Здесь E – характеристика элементарного состава горючей массы топлива – отношение расхода кислорода на окисление свободного водорода (H-0.126O) к расходу кислорода на окисление углерода и серы (С+0,375S).

(1.16)

Зная теоретически необходимый расход воздуха для полного сгорания газа L₀, можно определить коэффициент избытка воздуха по камере сгорания и удельный расход топлива по камере сгорания :

(1.17)

(1.18)

Здесь - соответственно КПД КСг, теплоемкость газа, температура газов перед турбиной, температура на входе в КС.