2.3. Помпаж осевых компрессоров

Помпажем осевых компрессоров принято называть периодические колебания малой частоты всей массы рабочего тела (воздуха) в системе компрессор – сеть (колебание давления Р). По своей форме колебания могут быть близкими к гармоническим. Помпажные явления как правило сопровождаются наличием обратных токов всасыва­ния, хотя могут быть самые разнообразные явления. Начало помпажа, как пра­вило, сопровождается резким хлопком и выбросом воздуха во всасывающую линию. Частота пульсаций достаточно жестко связана с емкостью сети и дли­ной трубопроводов. Амплитуда колебаний также зависит от емкости сети и ее демпфирующих и инерционных свойств. Причем зависимость от сети на­столько велика, что один и тот же компрессор при одинаковых режимах по расходу и частоте вращения может работать как с помпажем, так и без него. Изменение емкости сети вызывает отклонение линии помпажа (так линия рабочих режи­мов компрессора и турбины с регенерацией теплоты проходит ближе к линии помпажа, чем без регенеративных схемах). Помпаж возникает при срыве потока под влияни­ем больших положительных углов атаки. При неизменной частоте вращения и увеличения давления на выходе (увеличение π_к) коэффициент расхода снижа­ется больше всего в последней ступени, при этом возрастают углы атаки и в некоторый момент произойдет срыв потока. В связи с тем, что срыв в этом случае возникает вследствие недопустимого повышения давления, то недос­тающий после срыва напор должен восполняться остальными ступенями, причем основная часть напора придется на предпоследнюю ступень, но она работа­ет на грани помпажа и не может принять на себя весь напор последней ступе­ни. Поэтому срыв потока неизбежно распространяется в глубь проточной части, поток рабочего тела устремится в камеру всасывания (в противополож­ном направлении).

После того как во всасывающей камере восстановится давление, компрессор опять будет создавать требуемый напор и опять произойдет срыв потока, следова­тельно, будут происходить быстрые колебания давления. Для прекращения помпажа необходимо изменить режим работы компрессора. При работе с повышенной частотой вращения последние ступени компрессора находятся в особо небла­гоприятных условиях, даже если первые ступени работают нормально. В этом случае зона устойчивых режимов сокращается и при сравнительно неболь­шом повышении давления может произойти срыв потока - помпаж. При рабо­те на помпажной частоте вращения лопатки последних ступеней обтекаются при отрицательных углах атаки. При повышении давления в этом случае вслед­ствие уменьшения расхода осевая скорость уменьшается, а углы атаки возрас­тают, и первая ступень может оказаться в критической зоне. Помпаж возникает в первых ступенях, правда, в этом случае, не наблюдаются резкие колебания, так как величина напора меньше.

При сильно развитом помпаже происходят колебания не только давления и расхода, но и частоты вращения. Это нерасчетный, неустойчивый режим ра­боты, так как в этом случае может произойти механическое разрушение про­точной части.

При рассмотрении характеристики осевого компрессора (его части) устой­чивый режим работы нарушается в области максимума расхода с небольшими отклонениями.

Для борьбы с помпажем применяют следующие мероприятия:

1. Конструктивные: малые окружные скорости, увеличение густоты решетки направляющего аппарата, изготовление лопаток с большими радиусами скругления и большей относительной толщиной.

2. Эксплуатационные: регулирование работы ОК (изменение расхода) поворо­том лопаток направляющего аппарата (коберра 182), вдувание воздуха в поток рабочего тела через щели в профиле лопаток, перепуск воздуха.

Наименее экономичным, по широко применяемым на КС способом является перепуск - сброс воздуха, для чего предусмотрен противопомпажый клапан (рис. 2.5).

Для со­хранения устойчивой работы компрессора при приближении его к линии помпажа часть воздуха ΔG сбрасывается из компрессора в атмосферу, и тем самым обеспечи­вается производительность компрессора, достаточная для сохранения устойчивого режи­ма работы (рис 2.6).

В компрессорах с высокими значениями π_к противопомпажный сброс может осуществляться и из промежуточных ступеней при превышении допустимого давления. На КС МГ подобные явления возникают,

Рис. 2.5. Установка противопомпажного клапана.

к

π_к

ΔG

ак правило, в осенне-ве­сенние периоды эксплуатации во время оттепелей, снегопадов, туманов, когда происходит обмерзание входной части ОК (повышенная влажность). Обычно помпаж возникает в том случае, когда происходит отрыв льда, инея, снега и попадание их в проточную часть, что приводит к разрыву потока и изменению давления.

Д

G_В

Рис.2.6. Область работы

противопомпажного

клапана.

Gπ

ля предотвращения помпажа в этом случае целесообразно подогревать воздух на входе в ОК или обогревать лопатки компрессора. Это можно осуще­ствить или предварительным подогревом воздуха продуктами сгорания или отбором части воздуха из последних ступеней компрессора. Однако это приводит, в конечном итоге к снижению мощности и экономичности ГТУ.

Разработка эффективных методов борьбы с помпажем является важной и актуальной задачей и требует своего решения, особенно для северных районов страны.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите методы получения характеристик осевых компрессоров.

2. Какими соотношениями определяется согласование параметров турбомашин ГТУ?

3. С какой целью строят совмещенные характеристики турбины и компрессора?

4. Что такое помпаж? Объясните, как происходит это явление в осевых компрессорах.

5. Перечислите известные вам методы борьбы с помпажем осевых компрессоров.

3. КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

3.1. Топлива для газотурбинных установок

и их характеристики

Топливом называют вещества, способные в процессе химиче­ских превращений (горения) выделять определенное количество тепловой энергии.

Основными горючими элементами топлива являются углерод и водород. Эти элементы в топливе не в свободном состоянии, а в виде различных соединений углерода с водородом, кислородом, азотом, серой и другими элементами.

Сжигание газообразного топлива в камерах сгорания ГТУ осу­ществляется более просто и качественно, чем жидкого и твердо­го. Природные горючие газы представляют собой в основном сме­си различных углеводородов. Содержание метана доходит до 90%, что определяет высокое значение выделяемого при сжигании теп­ла.

Наряду с природным газообразным топливом широко применя­ется искусственное газообразное топливо, получаемое в газогенераторах, исходным топливом которых служит, как правило, уголь, а в качества окислителя используется воздушное, паро­вое или паровоздушное дутье. Получаемый в процессе газифика­ции газ по своим свойствам уступает природному.

Важнейшими характеристиками топлив с точки зрения исполь­зования их в ГТУ являются: состав топлива, теплота сгорания и характер изменения состава топлива в процессе сгорания.

Элементным составом характеризуется содержание в процентах по весу основных компонентов топлива: углерода С, водорода Н, кислорода O, азота N, серы S, минеральных включений А (зольность) и влаги W. Все виды топлива имеют один и тот же элементарный состав:

C + H + O + N + S + A + W =100%.

Элементный состав позволяет провести расчет необходи­мых данных для использования топлива в камерах сгорания (КС), таких как количество участвующих в горении веществ, со­став продуктов сгорания.

Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгора­ния. Теплотой сгорания называется количество тепла, выделяюще­гося при полном сгорании единицы массы топлива. Теплота сгора­ния определяет удельный расход топлива установкой. Различают высшую Q_В и низшую Q_H теплоту сгорания. Низшая теплота сгорания не учитывает тепло, затрачиваемое на конденсацию паров во­ды. Разница между высшей и низшей теплотой сгорания может до­стигать 5 – 10 %.

Теплота сгорания зависит от элементного состава топлива. Высокая теплота сгорания жидких и газообразных топлив объясняется высоким содержанием в них водорода, углерода и малой золь­ностью. Входящие в состав топлива кислород, азот, вода и зола снижают теплоту сгорания.

В качестве характеристики топлива используется низшая тепло­та сгорания , которая характеризуется рабочей массой топли­ва:

C^P + H^P + O^P + N^P+ S ^P+ A^P + W^P =100%.

Зная элементный состав топлива, по Формуле Менделеева можно определить теплоту сгорания:

,кДж/кг (3.1)

Доя сжигания 1 кг топлива заданного состава потребуется кислорода в количестве

L_O2 = 0,0266C^P + 0,8H^P + 0,01S ^P – 0,01O^P , кг/кг (3.2)

Так как в воздухе содержится азот, то количество возду­ха, необходимое для окисления 1 кг топлива, так называемое стехиометрическое количество, определится по формуле

L_O = 0,1149C^P + 0,3448H^P + 0,0431(S ^P – O^P ), кг/кг (3.3)

В объемных единицах это количество воздуха выразится, как

, м³ /кг (3.4)

Обычно для сгорания топлива подают большее количество воздуха, чем теоретически необходимое. Отношение L/ L_O = α называется коэффициентом избытка воздуха.

Теоретическое количество образующихся продуктов сгора­ния на I кг топлива определится по формуле:

для трехатомных газов

G_RO2 = 0,0371(C^P + 0,375 S ^P ), кг/кг (3.5)

водяных паров

G_H2O = 0,09H^P + 0,01W^P + 0,0161L_O , кг/кг (3.6)

азота

G_N2 = N^P + 0,768L_O , кг/кг (3.7)

Суммарное количество газов равно

G_Г = G_RO2 + G_H2O + G_N2 , кг/кг (3.8)