Газовые турбины проблемы и перспективы. Манушин Э.А. (1014151), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Испытания двигате'ля в условиях сильно залепленного воздуха показали эффективность системы воздухоочистки. Применение в условиях повьпценной запыленности воздуха более простых одноступенчатых инерционных воздухоочистителей с и = 97 —; 99% обеспечивает защиту воздушных трактов ГТУ от абразивного износа, но для борьбы с отложениями в теплообменнике и высокотемпературной части двигателя, особенно в турбине, в конструкцию ГТД вводят специальные системы и устройства, периодически устраняющие пылевые отложения с элементов проточной части ГТД.
Применение одноступенчатых воздухоочистнтелей существенно упрощает эксплуатацию машины и практически исключает необходимость проведения обслуживания возцухоочистителя. При высоких температурах атмосферного воздуха (до о з 45--50 С) и запьшенности воздуха 1,5 — 2 г/м очистительные устройства включаются уже через 2 ч работы, продолжительность включения составляет примерно 1 мин. Проблема борьбы с пылевыми отложениями имеется и в газовых утилизационных турбинах (ГУБТ) (см. й 2.3, 3.3), в которых рабочим телом является доменный газ.
Несмотря на высокую степень очистки, в турбину попадает много мелкоднсцерсной колошниковой пыли, осаждающейся на поверхностях проточных частей турбин. Для ее уцаления применяется периодическая промывка моющей жидкостью без остановки турбины. Для снижения отложений и повышения коррозионной стойкости цеталей проточных частей судовых ГТУ устанавливают специальные сепараторы влаги во входных воздушных каналах, покрьюают детали специальными лаками и красками. Комплекс мероприятий, выполненных при проек- 158 тировании ГТУ для судна "Капитан Смирнов", позволил обеспечить малое количество отложений солей в проточной части. При некоторых условиях экс~шуатации наблюдается образование льда во входном тракте и компрессоре. Для борьбы с льдообразованием применяют электрообогрев входных устройств транспортных ГТУ, вводят тепловые противообледенительные устройства для нагрева рабочего воздуха перед компрессором приводных стационарных ГТУ и т.д.
Для нагрева используют теплоту отработавших газон, которая передается засасываемому воздуху в смесительных или рекуперативных теплообменниках. Исследуются возможности конструирования проточных частей, позволяющего уменьшить отложения и износ. К сожалению, таких решений очень мало, они носят поисковый, экспериментальный характер, слабо обоснованы теоретически. Процессы переноса, эрозии и отложений частиц в проточных частях находятся в начальной стадии изучения.. К мерам по повышению надежности и удлинению срока службы относятся очистка топлива и смазочного масла от примесей.
5.5. Уменьшение токсичности отработавших газов и шумности ГТУ В отработавших газах (ОГ) содержатся токсичные соединения, основными из которых являются оксид углерода СО, углеводороды СхНу, оксиды азота НО,. Из них основным токсичным компонентом, содержание которого в ОГ уменьшается с трудом, являются окислы азота. У современных ГТУ с регенерацией теплоты окислы азота создают до 95 % общего уровня токсичности. Поэтому основное внимание уделяется уменьшению содержания ХО„в ОГ. Токсичность ОГ, выбрасываемых ГТУ,'ниже токсичности ОГ, вьшеляемых тепловыми двигателями других типов. Несмотря на это, проблеме уменыпения токсичности ГТУ уцеляется серьезное внимание.
Это объясняется следующими причинами: 1 Нормы токсичности постоянно ужесточаются. В СССР с января 1978 г. в соответствии с отраслевым стандартом ОСТ 37.001.54-74 установлены объем испытаний, допустимые нормы и методы определения со- , держания СО, СхНг и ХО„в выделяемых в атмосферу ОГ лвигателей автомобилей массой 400 — 3500 кг. В качестве первоначально допустимых норм на выбросы СО, С„Н, и ХО„дизелей отечественных автомобилей рекоменцованы с 1 января 1980 г. 13,б; 4,1; 20,4 г/(кВт .
ч); с 1 января 1985 г. — 8,2; 2,7; 13,6 г/(кВт ч) . Для автомобильных ГТД в первом приближении можно пользоваться этими нормами, поскольку для отечественных автомобилей с ГТД исследования токсичности для установления норм практически не проводились, В США автомобильные двигатели по стандартам 1977 г. могли выделять цо ! 5 г СО, до 1,5 г С„Н„и до 2 г ХОх на одну милю пути, а по стандартам 1985 г, эти значения должны быть соответственно снижены до 3,4; 0,41 и 1 г на одну милю. Аналогичные ужесточения характерны и лля ГТУ других типов.
2. Повышение Гг усложняет проблему уменьшения токсичности ОГ, прежде всего уменьшения содержания ХО .. Применение регенерации теп. лоты ОГ в ГТУ некоторых типов (колесных и гусеничных машин и в при. водных) также приводит к росту уровня выбросов )чОх. 3. Из-за больших удельных расходов воздуха через ГТУ абсолютные выбросы токсичных веществ в единицу времени могут оказаться достаточно большими и привести к местным недопустимо большим загрязнениям воздуха, например в карьерах, зонах аэропортов и т.д.
4. Многие ГТД, например транспортные, эксплуатируются на различных режимах, при которых состав рабочей смеси в камерах сгорания изменяется в широких пределах. При этом камера сгорания, обеспечивающая высокую чистоту ОГ на режиме номинальной мощности, может оказаться неприемлемой из-за недопустимо больших выбросов на других режимах. Основные направления 'работ по снижению токсичности ОГ ГТД сводятся к следуюшим: 1) совершенствование процессов смесеобразования и горения путем применения камер сгорания с предварительным смесеобразованием, изменяемой геометрией и каталитическим процессом сгорания; 2) впрыск воды или пара в камеру сгорания ГТУ с целью форсирования мощности и уменыпения содержания (ч)Ох; 3) разработка новых средств изучения процессов в камерах сгорания с целью определения содержания токсичных компонентов в различных зонах камеры; 4) использование водорода в качестве дополнительного и основного топлива.
Предварительное смесеобразование (гомогенизация) — один из наиболее эффективных процессов, обеспечиваюших выбросы )ЧОх в 10 — 15 раз более низкие, чем у дизелей, и значительно более низкие, чем предельно допустимые по нормам и стандартам. Схема и характеристика одного из вариантов таких камер показана на рис. 5.24 [48). В ней удается значительно снизить нижний предел температуры горения гомогенной смеси без существенного увеличения выбросов СО и С„Н, сжиганием смеси (с расходом топлива 2 — 7 % общего расхода) на пламени дежурной горелки и таким образом обеспечить низкую токсичность ОГ во всем диапазоне рабочих режимов.
В перспективных АГТД типа АОТ-100 и АОТ-101 применены варианты камер сгорания с предварительным смесеобразованнем и испарением, имеюшие изменяемые проходные сече. ння для воздуха (изменяемую геометрию). Регулируемые проходные сечения позволяю~ поддерживать температуру в зоне горения в необходимых диапазонах на всех режимах работы ГТД. Однако камеры сгорания с изменяемой геометрией имеют конструкционные недостатки: трудность регулирования и недостаточную долговечность из-за наличия скользящих одна относительно другой деталей. Процесс каталитического сгорания топлива в ГТД обеспечивает большую полноту сгорания и меньший выход токсичных компонентов, чем процесс горения в обычной камере сгорания.
Первоначальный разогрев тогшивовоздушной смеси в системах с каталитическими камерами осу- 160 Лз Г/хг 25 75 70 5 5 5 а) ч) 0 0,75 0,50 0,75 Р Рис. 5.24. Схема (а) в нагрузочлые характеристики токсичности (б) гомогенной камеры сгорания АГТД: 1 — камера предварительного смешения; 2 — подвод воздуха яз теплеобменника (Тв 770 К]; 3 — основная топливная форсунка; 4 — дежурная форсунка; 5 — зона горения (Г е„с = !570 К); 6 — вторичный воздух; — — АГТД; — — — — дизели (выбросы отнесены к 1 кг расхода топлива, который принят одинаковым для дизелей л АГТД 148] ) ц(йствляется при обычном горении до температуры каталитического горения. Оно может происходи~ь при весьма бедных смесях, в которых соотношение расходов топлива и воздуха не выше 0,2.
Невысокие температуры в процессе горения обеспечивают низкий выход )чОх. Существенным недостатком каталитических камер является их большой объем, необходимый для осуществления активной поверхностной реакции. Поэтому основное применение они смогут, по-видимому, найти в стационарных и крупных транспортных ГТУ. Кроме того, возможности каталитических камер ограничены температурой, которую может выдержать катализатор. Каталитическая камера сгорания может выполняться в виде основы из жаростойкого металлического блока со множеством ячеек (например, с плотностью 60 ячеек на 1 см' плошади), имеющих сынки толщиной 0,05 — 0,1 мм.
На основу наносится соединение одного или нескольких металлов (например, родня, рубидия, палладия, иридия и платины). Каталитические камеры сгорания пока не вышли из стадии опьпных образцов. Одйако размах этих работ за рубежом достаточно велик. При впрыске волы или пара в камеру сгорания содержание )чО» в ОГ существенна снижается. Например, впрыск воды в количестве 2,5 % расхода воздуха через компрессор уменьшает содержание )ь)Ох в 3 — 5 раз.
Впрыск воды с этой целью применяет фирма "Вестингауз". В испытываемой в настояшее время японской энергетической ГТУ (см. рис. 3.13) уменьшение токсичности достигается впрыском воды в воздухоохладитель между компрессорами. Водород рассматривается как перспективное топливо для ГТУ, так как продукты его сгорания не загрязняют окружающую среду, а источником для его получения может являться вода.
Вместе с тем считается, что широкое распространение водорода как топлива возможно только при получении его на АЭС, на которых большая доля производимой энергии может направляться, особенно в периоды пониженного ее потребления, на производство водорода. Рнс. 5.25. Газавыпускиой тракт ГТУ судна "Евро- лайнер"; ! — подвод первичного (рабочего) воздуха*, 2 — подвод вторичного воздуха системы охлаждения; 8 — глушители шума; 4 — вентилятор 1 Водород в ГТУ может применяться либо в чистом виде, либо в смеси с другими видами топлива.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
