Диссертация (1143937), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Это приводит к значительномурасполагаемому перепаду на турбину, что при наличии одной ступени делает турбинутрансзвуковой.1.4.4. Тип турбины ДГАОбщие требования к расширительной машине ДГА были обоснованы во введении ктекущей главе:1.конструктивная простота и низкая стоимость;2.эрозионная стойкость;3.устойчивая работа на режимах частичной нагрузки;4.максимально возможная при вышеперечисленных условиях эффективность.Для ДГА на настоящий момент применяются лопаточные турбины (осевые, а такжеосерадиальные и радиальные центростремительные турбины), а также безлопаточные струйнореактивные турбины.
Турбины с лопаточным аппаратом позволяют достичь более высокойэффективности в сравнении с безлопаточными, но их применение осложняется рядом проблем,связанных с объективной сложностью изготовления и предъявляемыми требованиями ккачеству рабочего тела.Целесообразность использования традиционных лопаточных турбомашин ограниченаввиду следующих факторов:311.Сложность проектирования и высокая стоимость и изготовления проточных частей.Производство турбин с традиционным лопаточным аппаратом требует сложныхметодик профилирования и технологически подготовленного производства иувеличивает стоимость установки, что вместе с малой мощностью ДГА делает срококупаемости установок экономически нецелесообразным.2.Высокие требования к качеству рабочего тела.
Природный газ неизбежно содержитследы газового конденсата, который приводит к загрязнению проточной частивплоть до полного прекращения функционирования установки. Эрозионнаяактивность газа также высока, несмотря даже на установку фильтрующих систем.3.Существенное снижение эффективности и стабильности работы турбины нарежимах частичной мощности.4.Недопустимость обледенения проточной части ввиду малых осевых и радиальныхзазоров.5.Сложность обслуживания машин. Наличие уплотнений с малыми зазорами делаетсложной сборку лопаточных турбин, что вносит дополнительные трудности приэксплуатации, требует высокой квалификации персонала, проводящего сервисныеработы.Безлопаточныемашины,напротив,обладаютнеобходимойпростотойитехнологичностью, эрозионной стойкостью, менее требовательны к качеству рабочего тела.В то же время следует рассмотреть применение центростремительной турбины состепеньюреактивности,близкойкединице.Кинематикатакоймашиныпозволяетпрофилирование выполнять простым, используя лопаточный аппарат в виде пластин, а ихутолщение обеспечит эрозионную устойчивость машины.
Использование положительнойразницы квадратов окружных скоростей, как следует из выражения (2.4), определяетпреимущества центростремительной машины в части эффективности.Таким образом, рассмотрению в части целесообразности применения в ДГА будутподвергнуты безлопаточные турбины и центростремительная реактивная турбина.Безлопаточные турбомашины для детандер-генераторных агрегатовБезлопаточные турбомашины в целом представлены следующими типами: канальныетурбины, вихревые турбины, турбины трения (так называемые турбины Теслы), струйнореактивные и центробежно-реактивные.Канальные турбины предназначены для работы с малыми расходами рабочего тела,при которых лопаточные машины требуют организации парциального подвода с целью32увеличения высот проточной части [85].
В соответствии с названием, в турбинах этого типарабочее тело двигается по каналам, выполненным в диске большой толщины, рисунок 1.12.Направление движения потока – от периферии к центру, т.е. канальные турбины по сутиявляются предельным случаем радиально-осевых центростремительных турбин, работающих смалыми расходами рабочего тела.Рисунок 1.12 – Продольное сечение и общий вид рабочего колеса канальной турбомашины [38]Результатычисленногомоделированиятакойтурбины,описанныевработеА.А.
Себелева и М.В. Смирнова [38], показывают существенное негативное влияниедискретного входа рабочего тела в рабочее колесо. В результате него колебания расходарабочего тела составляют до 100% от среднего значения, а мощность установки имеетпостоянное колебание с амплитудой около 7% от номинала. Эти факторы, несомненно,приведут к нестабильности работы установки, ее ухудшенному вибрационному состоянию,невозможности выдавать качественный ток. Также следует отметить нетехнологичностьвыполнения конических отверстий под углом. Внутренний КПД ηt-s был оценен авторами науровне 35%.ВихревыетурбиныбылиширокоисследованыспециалистамиСумскогогосударственного университета [4, 17]. В них рабочее тело попадает в проточную часть черезсопло, рисунок 1.13, и движется дальше по кольцевому каналу к выходу.
Выступы,выполненные на рабочем колесе, имеют двойное назначение. Во-первых, они служатповерхностями, воспринимающими импульс потока, что необходимо для получения полезноймощности турбины. Во-вторых, они же выступают в роли завихрителей, формируя продольновихревое движения потока по окружности проточной части.
При этом, поток многократновзаимодействует с выступами вращающегося рабочего колеса, передавая свою энергию, чтоповышает эффективность установки.33Рисунок 1.13 – Продольное сечение вихревой турбомашины [4]Результаты, приведенные в работах С.М. Ванеева [4], показывают возможностьдостижения вихревыми турбинами эффективности вплоть до 31%.
Очевидно, что такиезначения эффективности не в полной мере приемлемы. Учитывая характер течения рабочеготела в вихревой турбине, следует также предположить наличие мощных пульсаций потока, чтонегативно скажется на стабильности работы машины и ее влиянии на оборудование ГРС.Турбины Теслы давно вызывают интерес исследователей ввиду исключительнойпростоты конструкции.
Турбина, по сути, представляет собой цилиндрический корпус сустановленными внутри дисками, вращающимися под действием сил трения потока,совершающего движение по окружности. Подвод рабочего тела производится через разгонноесопло, рисунок 1.14. В литературе эффективность турбин Теслы описана широким диапазономот 5 до 85%, однако, не все результаты представляются достоверными. Наиболее полный обзорпубликаций касательно турбин Теслы был выполнен американским ученым Warren Rice [91].Рисунок 1.14 – Продольное сечение и общий вид рабочего колеса [91]34Помимо обзора работ других авторов, Rice приводит также результаты собственныхэкспериментальных исследований, показывающих, что внутренний КПД турбины достигает35%. Уровень эффективности, следовательно, несколько превышает результаты, полученныедля вихревых турбин, но не в полной мере приемлем.
Также следует отметить, что указанноезначение внутреннего КПД было получено для многодисковой турбины. Наличие малыхзазоров при существенной загрязненности рабочего тела в ДГА приведет к их зарастанию, врезультате чего турбина будет работать как однодисковая, показывая существенно более низкиезначения эффективности. Также существуют ограничения применения турбин Теслы в ДГА,связанные с их конструктивными особенностями. Принцип работы турбины предполагает еенахождение в полом корпусе. Такая конструкция вызовет накопление влаги и газовогоконденсата, неизбежно присутствующих в газотраспортной системе, в корпусе ДГА, чтонеприемлемо. Автоматическая система удаления влаги не представляется реализуемой в светенеобходимости обеспечения герметичности и взрывозащищенности корпуса.Струйно-реактивные турбиныУкраинские производители создали методику расчета и освоили производство ДГА соструйно-реактивными турбинами [8].
Агрегаты такого типа обладают высокой надежностью,имеют уплотнения с большими зазорами, простую систему регулирования (регулируемоесопло), просты в производстве и обслуживании. Однако КПД струйно-реактивных турбинневысок и составляет не более 20…30%.
В работе [8] описываются испытания установки ТДАСРТ-100/130-5,5/0,6ВРД мощностью 100 кВт на ГРС-1 г. Сумы. Трехмерная модель турбины ифотография установки приводятся на рисунке 1.15. Установка построена по схемевысокооборотная турбина – редуктор – генератор 3 000 об/мин, Компоновка2, передаточноесоотношение редуктора составляет 7,85. На рисунке 1.16 приводятся графики ηu=f(u/C0).Экспериментально полученный внутренний КПД струйно-реактивной турбины составил 29%.Рисунок 1.15 – Струйно-реактивная турбина и установка ТДА-СРТ-100/130-5,5/0,6ВРД [8]35Рисунок 1.16 – Характеристики струйно-реактивной турбины ТДА-СРТ-100/130-5,5/0,6ВРД[8]Центробежно-реактивные турбины (ЦбРТ)Исследования кафедры «Турбины, Гидромашины и Авиационные Двигатели» СанктПетербургского Политехнического университета [26] показывают возможность созданияцентробежно-реактивных турбин с эффективностью более 40%, обладающих при этом простойгеометрией и высокой технологичностью.
Как следует из названия, сопловой аппарат в такихтурбинах отсутствует, а полное срабатывание перепада происходит в рабочем колесе. Общийвид ЦбРТ в патрубке представлен на рисунке 1.17. Общий вид рабочего колеса приведен нарисунке 1.18.Конструктивно турбина представляет собой рабочее колесо, установленное на валуконсольно. Рабочее тело подводится к центру колеса со стороны, противоположной валу, идалее поворачивает от осевого к радиальному направлению, разделяясь по каналам. Двигаясьпо криволинейным каналам, рабочее тело достигает периферии колеса, где расположенокритическое сечение.
За ним поток разгоняется до сверхзвуковых скоростей в организованномрасширяющемся сопле либо в косом срезе. Выход рабочего тела может быть организован врадиальном или осевом направлении. За рабочим колесом может следовать выходной патрубокили диффузор.Рисунок 1.17. Общий вид ЦбРТ в патрубке37Рисунок 1.18 – Общий вид рабочего колеса ЦбРТИсследования [26] показали, что наибольшей эффективностью обладают турбины ссоплами прямоугольного сечения и выходом потока в тангенциальном направлении или восевом направлении с малымиуглами выхода 2* .
Результаты экспериментальныхисследований ЦбРТ в виде зависимостей ηв=f(u/C0) приводятся на рисунке 1.19. Максимальныйвнутренний КПД, полученный в экспериментальных исследованиях составил 0.42 приu2/C0=0.35 и высоком перепаде давления πт=4.56.Рисунок 1.19 – Эффективность ЦбРТ[26]38Обоснование целесообразности применения ЦбРТ для ДГАПо результатам обзора безлопаточных турбин построена гистограмма их эффективности,приведенная на рисунке 1.20. Как видно, эффективность ЦбРТ, описанная в работах ученыхСанкт-Петербургского Политехнического университета, может достигать 42%. Это превышаетэффективность других известных типов безлопаточных турбин при сохранении качественныхэксплуатационных характеристик.60ηt-s,%50403020100Рисунок 1.20 – Характерные внутренние КПД безлопаточных турбин39Мероприятия по повышению эффективности ЦбРТ, разработанные и описанные вданной работе, позволяют добиться увеличения внутреннего КПД вплоть до 55%, что являетсясущественным показателем и сопоставимо с эффективностью лопаточных высоконагруженныхмалоразмерных турбин [39, 96].Как было сказано выше, альтернативой безлопаточным турбинам может являтьсяцентростремительная турбина большой степени реактивности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
