Шағын газ турбиналы қозғалтқыштар
Шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың көрсеткіштерін жақсарту жолдары
Шағын өлшемдердің әсері
Құрылымның қарапайымдылығы мен бағасы
Газ турбиналы қозғалтқыштың көрсеткіштерін жақсарту
Қозғалтқыш элементтерінің ПӘК.ін арттыру
Ауа компрессоры
Турбина
Жылу алмастырғыштарды қолдану
Жылу алмастырғыштарды қолданумен байланысты теориялық сұрақтар
Жылу алмастырғышы бар қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштың мысалы
Бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар қозғалтқыш
Бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар типтік газ турбиналы қозғалтқыштың есептік параметрлері
Жылу регенерациясы және қысымның арту дәрежесі
Жылу регенерациясы және турбинаға кірердегі газдар температурасы
Жылу регенерациясы және компрессордың ПӘК.і
Регенеративті жылу алмастырғыш
Шағын өлшемдердің әсері
Құрылымның қарапайымдылығы мен бағасы
Газ турбиналы қозғалтқыштың көрсеткіштерін жақсарту
Қозғалтқыш элементтерінің ПӘК.ін арттыру
Ауа компрессоры
Турбина
Жылу алмастырғыштарды қолдану
Жылу алмастырғыштарды қолданумен байланысты теориялық сұрақтар
Жылу алмастырғышы бар қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштың мысалы
Бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар қозғалтқыш
Бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар типтік газ турбиналы қозғалтқыштың есептік параметрлері
Жылу регенерациясы және қысымның арту дәрежесі
Жылу регенерациясы және турбинаға кірердегі газдар температурасы
Жылу регенерациясы және компрессордың ПӘК.і
Регенеративті жылу алмастырғыш
Жоғарыда көрсетілгендей, газ турбиналы қозғалтқыштардың термиялық ПӘК-і мен меншікті қуат мәндері бензинді және Дизельді қозғалтқыштардыкімен салыстырғанда әлдеқайда төмен болып табылады. Яғни, толық жүктелген ең қарапайым құрылымды газ турбиналы қозғалтқыштардың термиялық ПӘК-і әдеттезаманауи бензинді қозғалтқыштардың термиялық ПӘК мәнінің 45-тен 65%-ын құрайды. Осыдан газ турбиналы қозғалтқыштардың бұндай типін жетілдіру үшін әлі де көптеген зерттеу жұмыстарын жүргізу керектігін түсінуге болады. Өкінішке орай, шағынгаз турбиналы қозғалтқыштардың дамуына кедергі болып отырған басқа да шешілмеген мәселелер бар. Солардың ішіндегі ең маңыздылары: 1) шағын өлшемдерді қамтамасыз ету қиындығы; 2) төмен бағалы қарапайым құрылым жасаудың қиындығы.
Шағын өлшемдердің әсері
Бұған дейін орта және жоғары қуатты әуе және жер (стационарлы) газ турбиналы қондырғылардың ПӘК мәні аздаған жетілдірулер енгізгеннен соң Дизельді және бензинді қозғалтқыштардың ПӘК мәндеріне жақындай алатыны көрсетілген болатын. Алайда, бұл қозғалтқыштардың өлшемдерін осы кітапта сипатталатын қозғалтқыштар класының өлшемдеріне дейін кішірейте отырып, ПӘК-і мен меншікті қуат мәндерін өзгеріссіз қалдыру мүмкін емес. Бұл, негізінен, төмен қуатты газ турбиналы қозғалтқыштардың салыстырмалы түрде көп жанармай жұмсауымен расталады.
Газ турбиналы қозғалтқыштың өлшемінің кішіреюімен компрессордың ағынды бөлшектері мен турбинаның аэродинамикалық көрсеткіштері нашарлайтындығын көрсетуге болады. Қозғалтқыштың бұл элементтерінің ПӘК-і олардың өлшемдерін кішірейткен сайын төмендей береді. Сол сияқты, жану камерасы арқылы өтетін ауа шығынының азаюымен жанудың толықтық коэффициенті төмендейді. Осыдан шығатын қорытынды: газ турбиналы қозғалтқыштың өлшемдерін кішірейткен сайын оның элементтерінің ПӘК-і, соған сәйкес қозғалтқыштың толық ПӘК-і төмендейді.
Шағын өлшемдердің әсері
Бұған дейін орта және жоғары қуатты әуе және жер (стационарлы) газ турбиналы қондырғылардың ПӘК мәні аздаған жетілдірулер енгізгеннен соң Дизельді және бензинді қозғалтқыштардың ПӘК мәндеріне жақындай алатыны көрсетілген болатын. Алайда, бұл қозғалтқыштардың өлшемдерін осы кітапта сипатталатын қозғалтқыштар класының өлшемдеріне дейін кішірейте отырып, ПӘК-і мен меншікті қуат мәндерін өзгеріссіз қалдыру мүмкін емес. Бұл, негізінен, төмен қуатты газ турбиналы қозғалтқыштардың салыстырмалы түрде көп жанармай жұмсауымен расталады.
Газ турбиналы қозғалтқыштың өлшемінің кішіреюімен компрессордың ағынды бөлшектері мен турбинаның аэродинамикалық көрсеткіштері нашарлайтындығын көрсетуге болады. Қозғалтқыштың бұл элементтерінің ПӘК-і олардың өлшемдерін кішірейткен сайын төмендей береді. Сол сияқты, жану камерасы арқылы өтетін ауа шығынының азаюымен жанудың толықтық коэффициенті төмендейді. Осыдан шығатын қорытынды: газ турбиналы қозғалтқыштың өлшемдерін кішірейткен сайын оның элементтерінің ПӘК-і, соған сәйкес қозғалтқыштың толық ПӘК-і төмендейді.
Пән: Автоматтандыру, Техника
Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 44 бет
Таңдаулыға:
Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 44 бет
Таңдаулыға:
Шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың көрсеткіштерін жақсарту жолдары
Жоғарыда көрсетілгендей, газ турбиналы қозғалтқыштардың термиялық ПӘК-і мен меншікті қуат мәндері бензинді және Дизельді қозғалтқыштардыкімен салыстырғанда әлдеқайда төмен болып табылады. Яғни, толық жүктелген ең қарапайым құрылымды газ турбиналы қозғалтқыштардың термиялық ПӘК-і әдетте заманауи бензинді қозғалтқыштардың термиялық ПӘК мәнінің 45-тен 65%-ын құрайды. Осыдан газ турбиналы қозғалтқыштардың бұндай типін жетілдіру үшін әлі де көптеген зерттеу жұмыстарын жүргізу керектігін түсінуге болады. Өкінішке орай, шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың дамуына кедергі болып отырған басқа да шешілмеген мәселелер бар. Солардың ішіндегі ең маңыздылары: 1) шағын өлшемдерді қамтамасыз ету қиындығы; 2) төмен бағалы қарапайым құрылым жасаудың қиындығы.
Шағын өлшемдердің әсері
Бұған дейін орта және жоғары қуатты әуе және жер (стационарлы) газ турбиналы қондырғылардың ПӘК мәні аздаған жетілдірулер енгізгеннен соң Дизельді және бензинді қозғалтқыштардың ПӘК мәндеріне жақындай алатыны көрсетілген болатын. Алайда, бұл қозғалтқыштардың өлшемдерін осы кітапта сипатталатын қозғалтқыштар класының өлшемдеріне дейін кішірейте отырып, ПӘК-і мен меншікті қуат мәндерін өзгеріссіз қалдыру мүмкін емес. Бұл, негізінен, төмен қуатты газ турбиналы қозғалтқыштардың салыстырмалы түрде көп жанармай жұмсауымен расталады.
Газ турбиналы қозғалтқыштың өлшемінің кішіреюімен компрессордың ағынды бөлшектері мен турбинаның аэродинамикалық көрсеткіштері нашарлайтындығын көрсетуге болады. Қозғалтқыштың бұл элементтерінің ПӘК-і олардың өлшемдерін кішірейткен сайын төмендей береді. Сол сияқты, жану камерасы арқылы өтетін ауа шығынының азаюымен жанудың толықтық коэффициенті төмендейді. Осыдан шығатын қорытынды: газ турбиналы қозғалтқыштың өлшемдерін кішірейткен сайын оның элементтерінің ПӘК-і, соған сәйкес қозғалтқыштың толық ПӘК-і төмендейді.
Құрылымның қарапайымдылығы мен бағасы
Көптеген шағын газ турбиналы қозғалтқыштарды құрастырғанда оларды бірқатар салаларда бензинді және Дизельді қозғалтқыштармен оңай бәсекелесе алатындай болуы үшін мейлінше жеңіл, қарапайым және шағын өлшемді қылып жасауға тырысады.
Шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың шағын салмағы мен өлшемдері олардың басты артықшылықтары болып табылады. Бұл қозғалтқыштардың бензинді және Дизельді қозғалтқыштармен салыстырғандағы енді бір артықшылығы - салыстырмалы төмен бағасы.
Қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштардың көрсеткіштерін жақсартудың түрлі әдістері бар, олар әрі қарай қарастырылатын болады. Алайда, термиялық ПӘК-і мен меншікті қуатты арттырудың бұл әдістерінің барлығы қозғалтқыш құрылымының күрделенуімен және салмағының артуымен байланысты. Кейбір жағдайларда, мысалы, жылу алмастырғыш қолданылған кезде, қозғалтқыштың габариттері де айтарлықтай үлкейеді.
Газ турбиналы қозғалтқыш жасау кезіндегі конструктордың басты мақсаты компрессор мен турбинаның максималды мүмкін ПӘК-ін қамтамасыз ету болып табылады. Алайда, көп жағдайларда бұл құрастыру бағасы салыстырмалы түрде қымбат осьтік компрессорлар мен көп сатылы турбиналардың қолданылуына алып келеді. Сондықтан олардың қолданылуы әдетте орта (500-1000 л. с.) және жоғары қуатты газ турбиналы қозғалтқыштармен шектеледі.
Газ турбиналы қозғалтқыштың көрсеткіштерін жақсарту
Бұған дейін қарастырылған пікірлердің көпшілігі шағын өлшемдерде термиялық ПӘК-і 0,1-ден 0,14-ке дейінгі мәндерді құрайтын қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштарға қатысты болатын. Газ турбиналы қозғалтқыштың ПӘК-ін жоғарылатуға мүмкіндік беретін кейбір әдістер 4 бөлімнен белгілі. Сонымен қатар, қозғалтқыштардың меншікті қуаты мен ПӘК-ін арттырудың басқа да мүмкін жолдары бар. Олардың негізгілері келесідей:
1. Жеке элементтердің, яғни ауа компрессорының, газ турбинасының және жану камерасының ПӘК-ін арттыру.
2. Пайдаланылған газдармен шығатын жылудың бір бөлігін жану камерасына кіретін ауаны алдын-ала жылыту үшін қолдану.
3. Қысымды арттырудың одан да жоғары дәрежелерін қолдану.
4. Турбинаға кіре берісте газдың жоғарырақ жұмысшы температурасын немесе компрессорға кіре берісте ауаның төменірек температурасын қолдану.
5. Түрлі жұмысшы циклдер қолдану.
6. Ауа мен газ ағыны кезіндегі шығындарды азайту үшін қозғалтқыштың ағынды элементтерін дұрыс жобалау.
Бұл әдістердің көмегімен, үлкен жер және теңіз қондырғыларында жасалғандай, термиялық ПӘК-ін айтарлықтай арттыруға болады. Дегенмен, қарастырылып отырған төмен қуатты газ турбиналы қозғалтқыштар үшін тек 1, 2, 4 және 6-пунктерде қарастырылған әдістерді ғана қолдануға болатын көрінеді. Себебі, басқа әдістер құрылымның қосымша күрделенуімен (соған сәйкес бағасының артуымен), және де қозғалтқыштың салмағы мен өлшемдерінің артуымен байланысты.
Қозғалтқыш элементтерінің ПӘК-ін арттыру
Жоғарыда көрсетілгендей, газ турбиналы қозғалтқыштың толық ПӘК-ін компрессордың, турбинаның, жану камерасының пайдалы әсер коэффициенттері мен циклдің өзінің, яғни термиялық ПӘК-інің қосындысы түрінде белгілеуге болады. Осылайша осы ПӘК-терінің өсуімен қозғалтқыштың қуаты артады да, жанармай шығыны төмендейді.
Қозғалтқыштың толық ПӘК-ін арттыру үшін оның жеке элементтерінің ПӘК-ін арттырудың маңыздылығы соншалық, элементтердің ПӘК-ін 1%-ға болса да арттыру мүмкіндігін ескермеуге болмайды. Осылайша, егер компрессор ПӘК-і, айталық, 0,85-тен 0,86-ға және турбинаныкі 0,80-нен 0,81-ге артса, онда бүкіл қозғалтқыштың ПӘК-індегі ұтыс 0,86*0,81-0,85*0,80=0,697-0,680=0,0 17-ні құрайды. Яғни, бірдей жанармай шығынында қозғалтқыштың меншікті қуаты сондай дәрежеде артады деген сөз
Енді компрессор мен турбинаның ПӘК-тері 0,87-ден, қазіргі кезде қолданылып жүрген қозғалтқыштарға тән мөлшерінен, максималды мүмкін мән 0,93-ке жетеді деп алсақ, онда жалпы ПӘК-і (компрессор мен турбинаның) 0,87*0,87=0,757-ден 0,93*0,93=0,865-ке дейін артады.
Енді 29-суретке қарасақ, турбинаға кірердегі газдардың температурасын 650 0С-ге тең деп алсақ, жалпы ПӘК-і 0,757-ге және 0,865-ке тең болғанда, қозғалтқыштың термиялық ПӘК-і сәйкесінше 0,255 пен 0,330-ға тең болады. Бұл жағдайда, ПӘК-індегі ұтыс (0,0750,255)*100=29,5%-ды құрайды.
Дәл солай сәйкес меншікті қуат өсімі 33%-ды құрайтынын да көрсетуге болады.
Осылайша, бұл мысалда теория бойынша компрессор мен турбинаның ПӘК-інің артқан әр пайызына термиялық ПӘК-і мен меншікті қуаттың шамамен 5%-ға артуы сәйкес келеді. Алайда, іс жүзінде қозғалтқыштағы шығындар есебінен ПӘК-індегі ұтыс бұдан әлдеқайда төмен болады, дегенмен, қозғалтқыштың бұндай жетілдірілуі елеулі болып табылыды және назар аударуға тұрарлық.
Ауа компрессоры
Белгілі компрессорлар типтерінің ішінен, атап айтқанда, ортадан тепкіш, радиалды, ортаға тартқыш және осьтік компрессорлардан, шағын газ турбиналы қозғалтқыштарда кең қолданыс тапқаны ортадан тепкіш типті компрессор болып табылады. Соған қарамастан, кейбір жағдайларда осьтік және радиалды ортаға тартқыш компрессорлар да қолданылады.
Шағын газ турбиналы қозғалтқыштыртарда қолдану үшін ортадан тепкіш типті компрессорлардың ең ұтымды деп танылуының негізгі себептері келесідей:
1. Ортадан тепкіш компрессордың габариттері шағын және салыстырмалы түрде оңай құрастырылуы мүмкін, себебі компрессордың бұл типіне арналған есептеу жұмыстары мен тәжірибелік мәліметтер өте көп.
2. Бұл компрессордың құрастыру құны төмен, себебі оның көп күрекшелі роторы болмайды.
3. Бұндай типті компрессорлар айналымдар саны мен шекті қысымның кең диапазонында жұмыс істегенде әлдеқайда тұрақты, ал олардың ПӘК-і кем дегенде ауа шығынын өзгерткенде өзгереді.
4. Ортадан тепкіш компрессордың кіре беріс құрылғысына шаңның түсуі, жұмысшы күрекшелері мен түзеткіш аппараттар күрекшелері эрозияға ұшырайтын осьтік компрессор жағдайымен салыстырғанда, айтарлықтай қиындықтар туғыза қоймайды. Жұмысының көп бөлігін жер үстінде атқаратын авиациялық газ турбиналық қозғалтқыштарда осьтік типті компрессорлар кең қолданыс тапқан. Бұл қозғалтқыштар жерде жұмыс істеу үшін компрессорға кіре берісте қорғаныш тор орнатылуы тиіс.
5. Ортадан тепкіш компрессор ұзақ уақыт аралықтарында жұмыс істегенде өзінің негізгі параметрлерін тұрақты етіп сақтайтындықтан, осьтік компрессорға қарағанда сенімдірек болып табылады.
Ортадан тепкіш компрессордың ПӘК-і осьтік компрессордыкімен салыстырғанда әлдеқайда төмен және әрі қарай айтарлықтай үлкейтілуі мүмкін емес. Яғни, аваиациялық газ турбиналы қозғалтқыштарда әлі де қолданыс тауып жүрген бір сатылы заманауи компрессорлардың ПӘК-інің максималды мәні 0,77 мен 0,79 аралығында жатыр. Олардағы қысымды арттыру дәрежесі шамамен 4,5-ті құрайды және ПӘК-інің берілген мәндері үшін максималды мүмкін мәнге жақын болып табылады. Алайда, екі сатылы ортадан тепкіш компрессорда қысымды жоғарылату дәрежесін ПӘК-і 0,75-0,77 аралығында болғанда, 6-дан 7-ге дейін жеткізуге болады.
Авиациялық типті осьтік компрессордың максималды ПӘК-і 0,85-тен 0,88-ге дейін болады, және де бұл көрсеткіштер 0,90-0,92-ге дейін арттырылуы мүмкін. ПӘК-інің бұл мәндерінде қысымды жоғарылату дәрежесі 4-6-ны құрайды. Қысымды арттыру дәрежесі 12-ге жақын компрессордың максималды ПӘК-і 0,85-0,86-ға жетуі мүмкін.
Осьтік компрессордың бір сатысында қол жеткізілетін ауа қысымын арттыру дәрежесі ортадан тепкіш компрессормен салыстырғанда әлдеқайда төмен болып табылады. Яғни, 8-ге тең қысымды арттыру дәрежесіне қол жеткізу үшін, сатылар саны 8-ден 12-ге тең осьтік компрессор қажет. Сол себептен, осьтік компрессордың бағасы салыстырмалы түрде жоғары болып келеді.
Ортадан тепкіш компрессордың диаметрлік өлшемдері осьтік компрессормен салыстырғанда үлкенірек болады, алайда, ол осьтік бағытта қысқалау болып келеді. Сонымен қатар, шағын өлшемді газ турбиналы қозғалтқыштарда қолданылған жағдайда, бұл компрессор сәйкес осьтік компрессормен салыстырғанда әлдеқайда жеңіл болып табылады. Ал ірірек авиациялық қозғалтқыштарда осьтік компрессор ортадан тепкіш компрессордан айтарлықтай жеңілрек.
Осьтік компрессорды құрастыру кезінде әдетте оның эффективтілігі мен сенімділігі сияқты параметрлерін заманауи деңгейге дейін жақсарту мақсатында айтарлықтай қиын тәжірибелік және құрылымдық жұмыстар жүргізілуі қажет. Осьтік компрессор ортадан тепкіш компрессормен салыстырғанда кейбір режимдердерде жұмыс істеуде тұрақсыз, және конструкциялық өзгерістерге сезімтал болып келеді. Оған қоса, осьтік компрессордың күрекшелері ауамен кіретін шаң-тозаң бөлшектерінің салдарынан эрозияға көп ұшырайды. Сол себептен, компрессорға кірер алдында ауа жақсылап тазартылуы тиіс.
Жоғарыда көрсетілгендей, осьтік компрессордың үлкен артықшылығы - оның жоғары ПӘК-інде. Бұл, өз кезегінде, газ турбиналы қозғалтқыштың жоғарырақ толық ПӘК-іне және оның салмақ бірлігіне келетін жоғары қуатқа қол жеткізуге мүмкіндік береді.
Турбина
Газдық турбина құрылысы бойынша қарапайым, және осьтік компрессорға қарағанда газ турбиналық қозғалтқыштың жақсы зерттелген элементі болып табылады. Турбинада компрессордағыдай емес, керісінше газдардың кеңеюі мен олардың қысымының төмендеуі орын алады. Қазіргі уақытта турбиналық күрекшелер арқылы газ ағынының өту мәселесі кеңінен қарастырылған. Бұл ағынның тұрақтылығын қамтамасыз етіп, оның тоқтап қалуының алдын алуға мүмкіндік береді. Бұған дейін турбиналар кеңінен зерттелмеген көрінеді, сондықтан турбиналар ағынның қолайсыз аэродинамикалық жағдайларында, яғни өте жоғары көтеру күшінің коэффициенті мен ағынның бұрылу бұрыштары кезінде шамадан тыс жүктеме жағдайларында, жұмыс істеген. Турбинаның ПӘК-інің төмен мәндері негізінен осы себептермен түсіндірілуі мүмкін.
Турбинаның ПӘК-і, жердегі және теңіздегі қондырмалардағыдай, бірнеше сатылар қолдану жолымен арттырылуы мүмкін. Алайда, авиациялық қозғалтқыштардағы сатылар саны бір, екі немесе үшпен шектеледі. Нәтижесінде турбинаның ПӘК-і 0,85-ті, кейде 0,9-ды құрайды.
Бұған дейін қарастырылған бөлімдерге сүйенсек, авиациялық компрессорлар мен турбиналарды құрастыруда қолданылатын әдістер, өндіріс бағасын ескере отырып, шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың көрсеткіштерін жақсарту үшін де пайдаланылады.
Жылу алмастырғыштарды қолдану
Шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың көрсеткіштерін жақсарту әдістерінің ішінен, пайдаланылған газдармен шығатын жылудың бір бөлігін жану камерасына кіретін сығылған ауаны алдын-ала жылыту үшін қолдану әдісі ең тартымды болып табылады. Ауа компрессор арқылы өткенде белгілі бір қысымға дейін сығылып қана қоймай, әдетте 150-250 0С-ге дейін қызады. Егер бұл қызған ауаға пайдаланылған газдардан қосымша жылу мөлшері берілсе, жану камерасына кіре берістегі ауаны қажетті температураға дейін қыздыру үшін азырақ жанармай мөлшері қажет болатын еді. Бұл кезде қозғалтқыштың термиялық ПӘК-і жоғарылап, жанармайдың меншікті шығыны азаяды.
35-суретте жылу алмастырғыштың жұмыс принципі түсіндірілген. Бұл суретте салынған газ турбиналы қозғалтқыштың схемасы 4-суреттегіден әлдеқайда күрделі болып табылады. Бұл схема бойынша, ауа кіру құрылғысы арқылы компрессорға өтеді де, сығылғаннан кейін жылу алмастырғышқа бағытталады. Жылу алмастырғышты ортақ корпуста орналасқан, ұштарымен пластиналарға бекітілген өте көп жұқа қабырғалы металдық трубкалардан тұратын ерекше радиатор түрінде қарастыруға болады. Сығылған ауа жану камерасына бара жатқан жолда осы трубкалардан өте отырып, трубкалардың бетімен ағып жатқан пайдаланылған газдардың жылуы есебінен қызады.
Жылу алмастырғыштарды қолданғанда қозғалтқыштан шығардағы газдардың температурасы төмендеп, ондағы температура түсімі арта түседі.
Жылу алмастырғышты қолдану мен пайдаланылған газдардың жылуын іске жарату компрессордағы ауа қысымын жоғарылатудың төмен дәрежелерінде, яғни 4-5 болғанда айтарлықтай эффективті болатынын атап өткен жөн. Ал қысымды арттырудың одан да жоғары мәндерінде компрессордан шығатын ауаның температурасы пайдаланылған газдардың температурасынан асып кетуі мүмкін. Бұл жағдайда пайдаланылған газдарды қолданғанмен ештеңе ұта алмаймыз.
Жылу алмастырғыштарды қолданумен байланысты теориялық сұрақтар
Үлкен стационарлы газ турбиналы қондырғы мысалында жылу алмастырғыштарды қолданудағы артықшылықтарды қарастырайық. Бұл қарастыру нәтижелерін ең шағын газ турбиналы қондырғылар үшін толықтай қолдану мүмкін болмағанымен, бұл қарастыру негізінде жасалған жалпы қорытындылар регенерацияның түрлі дәрежесінде қозғалтқыштың ПӘК-і мен меншікті қуаты қаншалықты артатынын жобалауға мүмкіндік береді. Турбинаға кіре берістегі және жылу алмастырғыштан шығардағы газ температурасының тұрақты мәндерінде қыздыру беті әр түрлі жылу алмастырғыштар қолданылатын, қуаттылығы 2700 л.с. қарапайым газ турбиналық қондырғыны қарастырайық. Жылу берілу беті 0-ден (жылу алмастырғышсыз) 2780 м2-ге дейін өзгереді деп алайық. Сонымен қатар, жылу берілудің шексіз үлкен беті бар гипотезалық жылу алмастырғышты да қарастырайық. Әрі қарай есептеулерде турбинаға кіре берістегі газдардың температурасын 538 0С, ал компрессордан шығардағы ауа температурасын 20 0С-ге тең деп аламыз.
36-суретте қозғалтқыштың толық ПӘК-інің компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі мен жылу алмастырғыштың қыздыру бетінен тәуелділік графигі келтірілген. Әр қисық жылу алмастырғыштың белгілі бір жылу берілу бетіне сәйкес келеді. Графиктен көрініп тұрғандай, жылу алмастырғышсыз жұмыс кезінде (қисық 1), қысымды арттыру дәрежесі 5-ке тең болғанда қозғалтқыштың максималды ПӘК-і шамамен 0,165-ті құрайды. Жылу берілу беті артқан сайын ПӘК-і де арта береді. 2, 3, және 4-қисықтар үшін ПӘК-інің мәндері сәйкесінше 0,21, 0,23, 0,255-ті құрайды, және де бұл мәндерге қысымды арттыру дәрежесі 3,8, 3,2, 2,9-ға тең болғанда қол жеткізіледі.
Осының негізінде келесідей жалпы қорытындылар жасауға болады:
1. Қозғалтқыштың толық ПӘК-і жылу алмастырғыш бетінің үлкеюімен артады, және де жылу алмастырғыштың жеткілікті үлкен бетінде оның ПӘК-і айтарлықтай өсуі мүмкін.
2. Жылу алмастырғыштың жылу берілу бетін арттыра отырып максималды ПӘК-ін алу үшін компрессордағы ауа қысымын арттыру дәрежесін сәйкесінше төмендету қажет. Әрі қарай, қысымның арту дәрежесі 10-нан жоғары болғанда қозғалтқыштың ПӘК-інің артпайтындығын көруге болады. Себебі, бұл жағдайда компрессордан шыға берістегі ауаның температурасы пайдаланылған газдардың температурасына дейін жетеді.
Қозғалтқышта қолданылатын жылу алмастырғыштың шын өлшемдерін анықтау үшін оның көлемі, салмағы мен бағасы сияқты практикалық шамаларын қарастырған дұрыс. Яғни, әр жеке жағдайда максималды ПӘК-і мен белгіленген практикалық шамаларды ескере отырып, ымыралы шешім тапқан жөн. Жер үсті және кейбір теңіз қондырғылары үшін турбинаға қатысты өлшемдері салыстырмалы түрде үлкен жылу алмастырғыштарды қолдануға болады. Әдетте газды турбинаның өзінің өлшемдері жылу алмастырғышпен салыстырғанда әлдеқайда кішкентай болады. Алайда, автомобильді және шағын газ турбиналы қозғалтқыштарда тек шектелген регенерация дәрежесін іске асыруға болады. Әдетте, 1 л.с. қуатқа шаққандағы жылу берілу беті 0,186-дан 0,278 м2-ге дейінгі жоғары эффективті жылу алмастырғыш қозғалтқыштың ПӘК-ін 30-45%-ға дейін арттыруға мүмкіндік береді. Осылайша жоғары эффективті жылу алмастырғыш көмегімен қарапайым шағын газ турбиналы қозғалтқыштың ПӘК-ін 0,12-ден 0,16-0,18-ге дейін арттыруға болады.
Жылу алмастырғышты қолданудың енді бір ұтымды жағы оның қозғалтқыш жұмысының есепсіз режимінде де ПӘК-ін арттыруға мүмкіндік беретіндігінде. Осылайша жылу алмастырғышты қолдану қарапайым шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың негізгі кемшіліктерінің бірін жоюға, атап айтқанда, жартылай жүктемелер кезінде шамадан тыс жанармай жұмсауын болдырмауға мүмкіндік береді. Шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың, мысалы автомобильдерде қолданылатын, кейбір типтері, жұмысының көп бөлігін толық емес жүктеме режимдерінде істейтіндіктен, жылу алмастырғыштарды қолдану көмегімен осы жағдайларда қозғалтқыштың жақсырақ көрсеткіштеріне қол жеткізуге болады. Алайда бұл кезде қозғалтқыштың толық жүктеме кезіндегі ПӘК-і де төмендейді.
Жылу алмастырғышы бар қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштың мысалы
37-суретте С. А. Парсонс [28] фирмасының қуаттылығы 60 л.с. газ турбиналық қозғалтқышының құрылысы көрсетілген, қажет болған жағдайда қозғалтқыштың қуаттылығы 300 л.с.-на дейін жеткізілуі мүмкін. Қозғалтқыш бір сатылы ортадан тепкіш компрессордан 1 тұрады, оның кіре берісінде ауа фильтрлары 2 мен 3 бар. Күрекшелік диффузордан 4 өткен соң сығылғын ауа диффузор 5 арқылы өтіп, жылу алмастырғышқа 9 түседі де, одан жану камерасы 7 арқылы қайтадан радиалды ортаға тартқыш турбинаға 6 бағытталады. Турбинадан газдар шығу диффузоры 8, әрі қарай жылу алмастырғыш секциялары арқылы өтіп, газ шығаратын келте құбыр 10 арқылы атмосфераға шығарылады. Турбокомпрессордың ортақ валы 11 планетарлы тісшелі редуктормен қосылған. Қозғалтқыштан қуат сыртқы тұтынушыға шығу валы 12 арқылы беріледі. Қосалқы механизмдерді айналдыруға арналған енді бір вал 11-валмен тісшелі өткізу 13 арқылы жалғанады.
Қозғалтқыш арқылы өтетін ауа шығыны 0,91-ден 3,63 кгсек-қа дейін құрайды. Қозғалтқыштың жылу алмастырғышының регенирация дәрежесі 0,80-нен 0,85-ке дейінгі мәнге ие. Жылу алмастырғышқы кіре брістегі ауа қысымы 0,175-0,246 атм.-ға тең.
Бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар қозғалтқыш
Жылу алмастырғышты бос турбинасы бар газ турбиналық қозғалтқыштарда да қолдануға болады. Бұндай қозғалтқыштың схемасы 38-суретте келтірілген. Схемада ортадан тепкіш компрессоры бар шағын газ турбиналы қозғалтқыш бейнеленген. Бұл жерде компрессордан шыққан сығылған ауа жылу алмастырғыш секциялары арқылы өтіп, жану камерасына түсер алдында жоғарырақ температураға дейін қыздырылады. Пайдаланылған газдар компрессорды айналымға алып келетін турбинадан кейін күштік (бос) турбинаға түседі де, жылу алмастырғыш арқылы өткеннен кейін атмосфераға шығарылады. 38-суретте бейнеленген схемада тәжірибелік жолмен алынған қозғалтқыш жолындағы ауа мен газдардың физикалық параметрлері де көрсетілген.
Автомобильді көлік пен басқа да шағын газ турбиналы қозғалтқыш қолданылуы мүмкін салаларға арналған бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар газ турбиналық қозғалтқыш құрылысы 39-суретте көрсетілген [27]. Қозғалтқыш жылу алмастырғышқа G сығылған және қыздырылған ауа жеткізіп отыратын осьтік компрессордан А тұрады. Жылу алмастырғышта ауа одан әрі қыздырылып, жану камерасына В түседі де, ол жерден артық қалған ауамен сұйылтылған жану өнімдері компрессордың турбинасына С, одан кейін күштік турбинаға D түседі. D турбинасынан кейін пайдаланылған газдар жылу алмастырғыш арқылы өтіп, атмосфераға шығарылады.
40-суретте жылу алмастырғыш немесе Крайслер фирмасының ертеректегі автомобильді газ турбиналы қозғалтқыштарда қолданылған регенератор схемасы көрсетілген. Жоғары және төмен қысымды газдар ағынының бағыты схемада тілшелермен белгіленген. Бұндай қозғалтқыш бос турбинасы бар қозғалтқыштар класына жатады, және де бұл жағдайда турбинаның екінші сатысы өз қуатын сыртқы тұтынушыға беретін күштік болып табылады.
Жылу алмастырғыштың ПӘК-і 1)
Жылу алмастырғыштың ПӘК-і, немесе, регенерация дәрежесі жылу алмастырғыштағы ауа температурасының артуының пайдаланылған газдар мен жылу алмастырғышқа кіре берістегі ауа температырасының айырмысына қатынасы болып табылады.
Бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар типтік газ турбиналы қозғалтқыштың есептік параметрлері
С. Д. Хирон [29] жылу алмастырғышпен жабтықталған және автомобильдерде қолдануға арналған, бос турбинасы бар қозғалтқыш көрсеткіштерін зерттеу кезінде қызықты нәтижелерге қол жеткізген. Қозғалтқыштың қуаты 212 л.с. Есептеу кезіндегі бастапқы берілгендер: компрессорға кіре берістегі ауа температурасы 15,6 0С; турбинаға кірердегі газдардың температурасы 816 0С; компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі 4; компрессор мен турбинаның ПӘК-і барлық қысымның арту дәрежесі мен турбинаға кірердегі газдардың температурасында 0,80. Есептік қуатта жылу алмастырғыштың регенерация дәрежесі 0,75-ке және қысымның арту дәрежесі 1,2-ге тең болғанда (турбинаға кірердегі газдардың температурасы сәйкесінше 316 0С)0,90-ға тең. Жану камерасының ПӘК-і 1,0. Қозғалтқыштағы қысымның жоғалуы 0-ге тең деп қабылданған. Жанармайдың жылу беру қабілеті 10 260 ккалкг.
41-суретте жылу алмастырғыштың түрлі регенерация дәрежесінде, жоғарыда көрсетілген бастапқы берілгендер негізінде есептік жолмен алынған қозғалтқыш қуатының компрессордың салыстырмалы айналым санынан тәуелділігі көрсетілген. Графиктен көрініп тұрғандай, қозғалтқыштың максималды қуаты 212 л.с. және компрессордың максималды айналым саны кезінде жылу алмастырғыштың регенерация дәрежесі 0,75-ті құрайды. Ал компрессордың айналымдар саны аз болса, 0,90-ға жетуі мүмкін. 2-кестеде қозғалтқыштың сәйкес қуат, турбинаға кірердегі газдар температурасы мәндері мен компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі келтірілген.
Кесте 2
Қуат,
л.с.
Ткрбинаға
кіре берістегі
температура,
0С
Қысымның
арту дәрежесі
25
50
100
150
212
438
510
627
716
816
1,9-дан 1-ге дейін
2,3
3,9
3,5
4,0
Бұл берілгендер неліктен төмен қуаттарда қозғалтқыштың термиялық және толық ПӘК-і төмендейтіндігін көрсетеді, және қуаттың төмен мәндерінде компрессордан шығардағы ауа температурасы мен пайдаланылған газдар температурасының айырмасы айтарлықтай үлкен болатындығын түсіндіруге мүмкіндік береді. Соның нәтижесінде қуаттың төмен мәндерінде регенерация дәрежесі жоғарырақ болуы мүмкін. Ауа шығынының өзгеруі, жанармай мөлшерінің ауа мөлшеріне қатынасы мен жанармай шығынының қозғалтқыш қуатының мәнінен тәуелділік графигі 42-суретте көрсетілген. Толық жүктеме кезінде қозғалтқыш арқылы өтетін ауа шығыны шамамен 5000 кгсағ немесе 5,0 тсағ тең салыстырмалы үлкен шаманы құрайды. Бос жол айналымдары кезінде қозғалтқыш арқылы өтетін ауа шығыны толық қуаттағы ауа шығынының шамамен (14) бөлігін құрайды. Толық және 50 л.с. қуат кезіндегі жанармай мөлшерінің ауа мөлшеріне қатынасы сәйкесінше 0,0088 және 0,0046, яғни ауа мөлшерінің жанармай мөлшеріне қатынасы 114 пен 218-ге тең. Жанармайдың толық жануына қажетті ауа мөлшерінің жанармай мөлшеріне қатынасы 15-ті құрайды деп есептеп, компрессор толық қуатта жанармайдың жануына қажетті ауа мөлшерінен шамамен 7 (12) есе көп ауа мөлшерін сығуы қажет.
Бұл қозғалтқыштың термиялық ПӘК-інің қуатқа байланысты өзгеру қисығы 43-суретте (тұтас сызық) көрсетілген. Ол қуаттың ең төмен мәнінде жылудың регенерация дәрежесі 0,90-ды құрап, ал толық жүктеме кезінде 0,75-ке түседі деген болжаммен тұрғызылған (41-суретке қараңыз). Сонымен қатар, 43-суретте қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштың ПӘК-інің жылудың регенерациясысыз және регенерация дәрежесі 1,0-ге тең болғандағы қуат мәнінен тәуелді өзгеру қисықтары келтірілген.
Бұл қисықтардан көрініп тұрғандай, жылу регенерациясын енгізу барлық жүктеме бойынша режимдерде оң әсерін береді. Яғни, қозғалтқыш қуаты 50 мен 212 л.с. (толық қуат) болғанда жылу алмастырғышпен ПӘК-і шамамен 0,195 пен 0,30-ды, ал жылу алмастырғышсыз сәйкесінше 0,09 бен 0,156-ны құрайды.
Алайда, ПӘК-інің жылу алмастырғыш қолданғанда алынатын мұндай жоғары мәндері практикада орын алмайтынын атап өткен жөн, себебі бұл мәндер идеалдандырылған жағдайларда алынған. Соған қарамастан, жоғалтулар мен т.б. жағдайларды ескере отырып, термиялық ПӘК-і қозғалтқышта жылу алмастырғыштың қолданылу жолымен айтарлықтай жақсартылуы мүмкін.
43-суреттегі жоғарғы қисық регенерацияның жоғарырақ дәрежелерінде қозғалтқыштың ПӘК-і барлық жүктемелерде айтарлықтай жоғары бола алатындығын көрсетеді. Қозғалтқыштың толық қуатында, яғги турбинаға кірердегі газдар температурасы 816 0С болғанда регенерация дәрежесі 0,75-ке тең (43-суретке қараңыз) жылу алмастырғышты қолдану пайдаланылған газдар көлемін шамамен 13-ке төмендетіп, олардың температурасын260 0С-ға дейін азайтатынын атап өткен жөн.
Дамытылатын қуаттың түрлі мәндері үшін қуаттылығы 212 л.с., жылу алмастырғышы бар газ турбиналы қозғалтқыш үшін жанармайдың меншікті шығынының мәндері келесі кестеде берілген.
Кесте 3
Қуат, л.с.
25
50
100
150
212
Жанармайдың
меншікті шығыны,
кгл.с.час. .
0,399
0,326
0,262
0,236
0,213
Бұл берілгендер қозғалтқыш қуатының төмен мәндерінде жанармайдың меншікті шығыны салыстырмалы түрдежоғары болатынын көрсетеді. Алайда, толық қуатта 0,213 кгл.с.сағ-қа тең жанармай шығыны ең жақсы бензинді қозғалтқыштардың шығынымен салыстырмалы болып келеді.
Жылу регенерациясы және қысымның арту дәрежесі
Бұған дейін компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі төмен болғанда жылу регенерациясының әсері жоғары болатындығы көрсетілді. 44-суретте графикалық түрде Дж. Хюбнер жүргізген Крайслер корпорейшн оф Америка фирмасының шағын газ турбиналы қозғалтқыштарын заманауи зерттеулердің нәтижелері келтірілген [30]. Аталмыш қозғалтқыш келсідей көрсеткіштерге ие болды: компрессордың ПӘК-і 0,80, турбинаның ПӘК-і 0,85, жану камерасының ПӘК-і 0,95, турбинаға кіре берістегі газдар температурасы 817 0С, регенерациясы бар қозғалтқыштағы қысым жоғалтуы 3%, регенерациясы бар қозғалтқыштағы қысым жоғалтуы 6%, жылу алмастырғыштағы ағып кетулер салдарынан жоғалту 3%. 44-суреттен қысымның арту дәрежесі 12-ге тең болғанда регенерацияны енгізу қозғалтқыштың термиялық ПӘК-іне әсер етпейтіндігін көруге болады. Алайда, қысымның арту дәрежесінің төмен мәндерінде қозғалтқыштың термиялық ПӘК-і айтарлықтай жоғару болуы мүмкін. Ал қысымның арту дәрежесі 4-ке тең болғанда, регенерация дәрежесін 0-ден 1,0-ге дейін өсіре отырып, термиялық ПӘК-ін 110%-ға арттыруға болады. Яғни, қысымның арту дәрежесінің бірдей мәндерінде регенерациясы бар қозғалтқыштың меншікті жанармай шығыны регенерациясыз қозғалтқыштағымен салыстырғанда екі есе төмендетілуі мүмкін.
Жылу регенерациясы және турбинаға кірердегі газдар температурасы
Турбинаға кіре берістегі газдар температурасын арттырудың жылу регенерациясының түрлі дәрежелерінде қозғалтқыштың термиялық ПӘК-іне әсерін қарастырайық. 45-суретте қысымның арту дәрежесі 4-ке тең болғандағы турбинаға кіре берістегі газдардың үш түрлі температурасында, атап айтқанда 816, 871, және 1094 0С кезінде, қозғалтқыштың термиялық ПӘК-інің жылу регенерациясы дәрежесінен тәуелді өзгеру графигі көрсетілген. Бұл графикті тұрғызғында бастапқы берілгендер ретінде 44-суреттегі графикті тұрғызу кезінде алынған параметрлер алынған болатын.
45-суреттегі қисықтар жылу регенерациясының термиялық ПӘК-інің көтерілуіне әсері циклдың жұмысшы температурасының жоғарылауымен артатынын көрсетеді. Сондықтан, жоғары температурадағы ткрбина күрекшелері мен дисктерінің беріктігі бойынша практикалық шектеулерді ескере отырып, қозғалтқышта жылу алмастырғыш қолданылған жағдайда турбина алдында газдар температурасын мүмкіндігінше арттырған жөн.
Жылу регенерациясы және компрессордың ПӘК-і
Компрессордың (турбинаның) ПӘК-інің өсуімен регенерацияның барлық дәрежелерінде қозғалтқыштың ПӘК-і артатынын көруге болады. 46-суретте 0,80, 0,90 және 0,95-ке тең жылудың үш түрлі регенерация дәрежесінде қозғалтқыштың термиялық ПӘК-інің 0,60-тан 0,92-ге дейін өзгеретін компрессордың ПӘК-інен тәуелділік графигі көрсетілген. Қисықтар 44-суретте пайдаланылған бастапқы берілгендер негізінде тұрғызылған. Компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі 4-ке тең деп алынған. Сонымен қатар, салыстыру үшін графикте жылу регенерациясы жоқ, яғни қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштың термиялық ПӘК-інің өзгеру қисығы берілген.
Компрессордың ПӘК-інің 0,60-тан 0,90-ға өсуімен, 0; 0,80; 0,90 және 0,95-ке тең регенерация дәрежесінің мәндері үшін, қозғалтқыштың термиялық ПӘК-і сәйкесінше 60, 100, 102 және 104%-ға дейін артады. 46-суреттен көрініп тұрғандай, термиялық ПӘК-інің ең жоғарғы мәні компрессордың ПӘК-і мен регенерация дәрежесінің максималды мәндеріне сәйкес келеді.
Жылу алмастырғыштардың типтері
Газ тәрізді және сұйық күйдегі ыстық және салқын орталардың арасында жылу берілу қазіргі кезде жақсы зерттелген және тәжірибе жүзінде кеңінен қолданылуда. Бұл газ турбиналық қозғалтқыштарға арналған жылу алмастырғыштарды жасауда конструктордың жұмысын жеңілдетеді. Сыртқы өлшемдері мен салмағы салыстырмалы түрде айтарлықтай әсер бермейтін үлкен стационарлы газ турбиналы қондырғылар жағдайында жылу алмастырғыштардың өте эффективті конструкциялары қолданылуы мүмкін. Ал шағын және авиациялық газ турбиналық қозғалтқыштардың габариттері мен салмағы шектеулі және негізгі көрсеткіштердің бірі болып табылады. Сондықтан, қозғалтқыштардың бұл типі үшін қажетті регенерация дәрежесі бар жылу алмастырғыштар жасау мәселесі, әсіресе қысымды жоғалту (және соған байланысты шарасыз қуаттың төмендеуі) минималды болу керектігін ескерсек, біршама күрделі болып табылады. Шағын газ турбиналы қозғалтқыштарда жылу алмастырғыштардың екі типі қолданылады: рекуперативті және регенеративті.
Рекуперативті жылу алмастырғыш
Рекуперативті жылу алмастырғыштардың жұмыс істеу принципі келесідей: максималды мүмкін ауданды жылу алмкастырғыштың эффективті беті бір жағынан ыстық пайдаланылған газдармен, ал екінші жағынан жану камера түсер алдындағы сығылған ауамен шайылып жатады. Бұл кезде жылу металдық бет арқылы ыстық жақтан салыстырмалы түрде салқын сығылған ауаға беріледі.
Рекуперативті жылу алмастырғыш, автомобильдер қозғалтқыштарында қолданылатын радиаторлар, сулы түтікті қыздырғыштар, конденсаторлар, т.б. сияқты, ұштарымен металдық қабырғаларға бекітілген өте көп түтікшелер немесе ұялы элементтерден тұрады. Салқынрақ газдар немесе сұйықтықтар жылу алмастырғыш арқылы өте отырып, түтікшелердің немесе ұялы элементтердің бетінің бір жағын шаяды, ал ыстық газдар немесе сұйықтықтар бұл түтікшелерді немесе ұялы элементтерді екінші жағынан шаяды. Газ турбиналық қозғалтқыштардың көп түтікшелерден құралған түтікшелі жылу алмастырғышында, сығылған ауа әдетте түтікшелердің ішімен өтеді, ал пайдаланылған газдар бұл түтікшелердің беттерін сыртынан шаяды.
Берілетін жылудың максималды мәніне қол жеткізуде ауа ауа ағыны мен пайдаланылған газдар ағынының бір-біріне қатысты бағытын дұрыс таңдау өте маңызды. 47-суретте ауа мен пайдаланылған газдардың бір-біріне қатысты ағынының екі мүмкін схемасы бейнеленген. 47-суретте тура ағынды схема көрсетілген.
Жылу алмастырғыштан шыға берісте екі ағын да жылулық тепе-теңдікте болады деп есептеп, шыға берістегі ауа температурасын келесі қатынас түрінде белгілеуге болады:
Т=Та+Тг-Та2=Тг+Та2,
Мұндағы, Та мен Тг - сәйкесінше жылу алмастырғышқа кіре берістегі ауа мен пайдаланылған газдардың температуралары.
Бұл жағдайда жылу алмастырғышқа кіре берістегі пайдаланылған газдар температурасы мен ауа температурасының айырымы Тг-Та-ға тең. Осыдан, идеалды жағдайлардағы регенерация дәрежесі 0,50-ді құрайды, ал бұл өз кезегінде берілген схема үшін максималды мүмкін мән болып табылады.
Алайда, ауа ағыны мен пайдаланылған газдар ағынын 47, Б-суретте көрсетілгендей қарама-қарсы бағытта жіберілсе, онда теория жүзінде жылу алмастырғыштан шығардағы ауа температурасы пайдаланылған газдар температурасындай болады да, регенерация дәрежесі 1,0-ге тең болады. Сол себептен, газ турбиналық қозғалтқыштардың рекуперативті типті жылу алмастырғыштары үшін тұра ағынды схемалардың орнына кері ағынды схемалар қолданылады.
Жылу алмастырғыштың практикада қолданылып жүрген конструкцияларының бірінде комбинирленген тұра және кері ағынды схема қолданылады. Бұндай конструкция түтікшелердегі шамадан тыс термиялық кернеудің алдын алу үшін мүмкіндігінше олардың бірқалыпты қызуын қамтамасыз ету мақсатымен жасалған. 48-суретте Пауэр Джетс фирмасының осындай жылу алмастырғыш құрылысы [47] бейнеленген. Жылу алмастырғыш ішінен ыстық пайдаланылған газдар өтетін корпустан 21 тұрады. Газдар жылу алмастырғышқа А тілшелерімен көрсетіліп тұрғандай, сол жағынан кіріп, оң жағынан шығады. Корпустың ішінде түтікшелердің екі секциясы 22 мен 23 бар. Олар орта бөліктері пайдаланылған газдар ағынының бағытына сәйкес келетіндей, ал ұштарындағы бөліктері бұл бағытқа тік бұрышпен тұратындай етіп орналастырылған. Компрессордан шыққан ауа жылу алмастырғыштың 22 және 23 секцияларына сәйкесінше келте құбырлар 24 пен 25 арқылы кіреді де, шығу келте құбыры 26 арқылы шығады. В және С тілшелерімен әр секциядағы ауа ағынының бағыты көрсетілген. Осылайша секция 22 - тура ағынды жылу алмастырғыш, ал 23 - кері ағынды жылу алмастырғыш болып табылады.
Рекуперативті жылу алмастырғыштар бойынша кейбір ескертулер
Түтікті немесе гофрирленген жылу алмастырғыштың негізгі кемшілігі регенерацияның, мысалы 0,75-тенг 0,80-ге тең, жоғары дәрежелерінде оның үлкен габариттері мен салмағы болып табылады. Регенерация дәрежесін 0,50-ден артық үлкейткенде пайдаланылған газдар мен ауа температураларының айырмасы төмендейді. Осыдан тек жылу берілу бетін үлкейте отырып қана эффективті жылу берілуге қол жеткізе аламыз. Яғни, регенерация дәрежесінің жоғары мәндері жылу алмастырғыштар бетінің үлкен болуын талап етеді.
Түтікшелі жылу алмастырғыштар жағдайында регенерацияның жоғары дәрежесімен жылу алмастырғыштың салмағы мен көлемін азайтып, ұзын ауыр қондырғы жасауды болдырмау үшін, түтікшелердің ұзындығын қысқырту қажет екенін көрсетуге болады. Ал жылу алмастырғыштың регенерация дәрежесі түтікшелердің ұзындығының олардың диаметріне қатынасынан тәуелді болғандықтан, түтікшелердің ұзындығын қысқартумен қатар, олардың диаметрлерін де кішірейткен жөн. Регенерация дәрежесінің мәнін 0,75-0,80-ге жеткізу үшін жылу алмастырғыштарда диаметрі өте кіші өте көп түтікшелер болу керек. Бұндай түтікшелерді қабырғаларға бекітумен, түтікшелердің кішкентай тесіктерін тазалау және айтарлықтай қысым жоғалтуларысыз ағынның жоғары жылдамдығына қол жеткізумен байланысты қиындықтар оларды шаған газ турбиналы қозғалтқыштардың жылу алмастырғыштарында қолдануға кедергі жасайды. Алайда, зигзаг тәрізді формалы жұқа металдық беттерді қолдану арқылы жақсы нәтижелерге қол жеткізуге болады. Бұл беттерді бір-бірімен қоса отырып, ыстық газдар мен ауа өте алатын екі тәуелсіз каналдар тобын алуға болады. Егер жеткілікті дәрежеде жұқа металдық беттерді қолданса, жылу берілу процесі өте эффективті бола алады, және сондықтан бұндай жылу алмастырғыштың габариттері мен салмағы да төмен болады. Аталмыш жылу алмастырғыштардың конструкциясын одан әрі жетілдіру үшін бұл жұқа элементтерді бекітумен және турбина жұмысының режимдерінің өзгеруі кезінде одан шығатын газдар температурасының тұрақсыздығы салдарынан болатын жоғары термиялық кернеулерді төмендетумен байланысты мәселелерді шешу қажет. Пластинкалы жылу алмастырғыш конструкциясының ұсынылған әр нұсқасы патенттеледі [31].
Юзин Шоссон [48] француз фирмасының жылу алмастырғыш конструкциясының бір қызық мысалы 49-суретте көрсетілген. Бұл конструкцияның ерекшелігі - ода қатты металдық беттер жоқ, ал олардың орнына штамптау әдісімен дайындалған қабырғаландаралған элементтер қолданылады. 49-суретте бұндай элемент А және жиналған түрдегі элементтер жұбы Б көрсетілген. Бүкіл жылу алмастырғыш бұл жұптардан бір элемент қабырғасы В басқасының қабырғаларының арасында орналасатындай етіп жинақталады. Конструкцияның бұндай әдісі жылу алмастырғышта кері ағынды схеманы іске асыруға, жылу алмастырғышты қатты қылуға және регенерация дәрежесінің жоғары мәндеріне қол жеткізуге мүмкіндік береді.
Негізінен шағын газ турбиналы қозғалтқыштар жағдайында салмағы өте үлкен бола алмайтын түтікшелі жылу алмастырғыштардың регенерация дәрежеі қысымды жоғалтудың ұйғарынды өлшемдерінде 0,50-ден 0,65-ке дейінгі мәндермен шектеледі. Жұқа металдық беттерден жиналған пластиналы типті жылу алмастырғыш 0,70-0,80-ге тең регенерация дәрежесінің мәніне және шамамен 0,91 кгл.с.-қа тең салмаққа ие бола алады. Алайда бұндай типті жылу алмастырғыштың бағасы салыстырмалы түрде жоғары, әсіресе қиын балқитын дәнекерлермен дәнекерлеу арқылы біріктірулер минималды немесе мүлдем шектетілген болған жағдайда.
Егер конструкция жеткілікті дәрежеде дұрыс жобаланбаған болса, онда сығылған ауаның бір бөлігі пайдаланылған газдарға қосылып кетуі мүмкін, ал бұны анықтау өте қиын болып табылады. Бұндай ағып кетулер қозғалтқыштыі термиялық ПӘК-інің айтарлықтай төмендеуіне алып келеді.
Регенеративті жылу алмастырғыш
Бұл жылу алмастырығыш жылусыйымдылықты типті жылу алмастырғыш ретінде белгілі. Ол негізінен кезектесіп ыстық пайдаланылған газдар ағыны мен одан салқынырақ сығылған ауа ағынының әсеріне ұшырайтын жылусыйымдылықты элементтен тұрады. Бұл элемент пайдаланылған газдар жылуын алып, оны ауаға береді. Әдетте жылусыйымдылықты элемент ыстық пайдаланылған газдар мен сығылған ауа өтетін құбырлар алдында баяу айналып тұратын металдық тордан немесе жылуды аккумуляциялайтын толтырмадан құралады. Толтырмасы бар элементтің формасы цилиндрлік, диск тәрізді немесе секторлы болуы мүмкін, және ол газдар жылуын тез алып, оны ауаға тез беруі қажет. Сығылған ауа қысымы пайдаланылған газдар қысымынан әлдеқайда жоғары болатындықтан, ауаның пайдаланылған газдар жаққа ағып кету қаупі әрқашан болады. Оның нәтижесінде жылу алмастырғыштың регенерация дәрежесі төмендейді, ал бұл өз кезегінде жылу алмаытырғышты пайдалану кезінде қол жеткізілетін ПӘК-інің ұтымының айтарлықтай төмендеуіне алып келеді. Сондықтан, аталмыш типті жылу алмастырғышты жобалау кезіндегі негізгі мәселелердің бірі бұндай жоғалтуларды болдырмау немесе минимумға дейін түсіру болып табылады. Соған байланысты бұндай жылу алмастырғыштардағы нығыздау әдістеріне арналған өте көп патенттер пайда болды.
Регенеративті жылу алмастырғыштың жұмыс істеу принципін 50-суретте салынған схемадан түсінуге болады. Схемадан сығылған ауа мен ыстық пайдаланылған газдар ағып өтетін қозғалмайтын екі құбыр көрінеді. Құбырлардың алдында көлденең бағытта диск немесе цилиндр формалы элемент айналып тұрады. Бұл элементтің толтырмасы ауа мен газдардың олардың бағыттарын өзгертпей өтуіне арналған өте көп өткел түзетін жіңішке сымнан, сымдық тордан, түтікшелерден немесе жұқа металдық беттерден тұруы мүмкін. Бұндай элемент ауа мен газдар ағынының бағытына параллельді оське қатысты айналады. Ыстық пайдаланылған газдар өтетін құбыр тесігімен сәйкес келгенде бұл элемент өте тез газдар жылуын жинап алады. Әрі қарай айнала отырып, элемент сығылған ауа өтетін құбыр тесігімен сәйкес келгенде, жылу ауаға беріледі де, элемент салқындайды. Осылайша жылу берілу процесі толтырмалары арқылы ыстық пайдаланылған газдар мен сығылған ауа өткенде элемнеттің кезектесіп келетін сәйкесінше қызуы мен салқындауынан құралады.
Жылу берілудің бұл әдісі жаңа емес, ол кірпіш зауыттарында ауаны алдын-ала қыздыру үшін және бу қазандықтары үшін (Люнгстрем) қолданылған. Газ турбиналы қозғалтқыштарда алғаш рет жылу берілудің бұл әдісін қолданған Германиялық профессор Ритц болған көрінеді. Кейіннен ол өз жұмыстарын Англияда жалғастырған.
Регенеративті жылу алмастырғыштың негізгі артықшылығы - оның кіші салмағы, шағын көлемі және рекуперативті жылу алмастырғышпен салыстырғанда айтарлықтай үлкен регенерация дәрежесінде.
Бірнеше дискі бар регенеративті жылу алмастырғыштың ең алғаш конструкцияларының бірі 51, а-суретте көрсетілген [32]. Жылу алмастырғыштың қозғалатын жылусыйымдылықты элементі айналатын бөлек екі ротордан тұрады. Роторлардың дисктері әр айналымы кезінде не пайдаланылған газдардың, не сығылған ауаның әсеріне ұшырайды. Салыстыру үшін 51, б-суретте кері ағын принципі бойынша жұмыс істейтін стационарлы типті рекуперативті түтікшелі жылу алмастырғыш келтірілген. Өнімділігі алғашқысымен (а) бірдей болатындай етіпжобаланған бұл жылу алмастырғыш сәйкес масштабта бейнеленген. Бұл екі жылу алмастырғыштардың параметрлері келесідей.
Айналмалы регенератор. Ауа шығыны 45,4 кгсек; регенерация дәрежесі 0,80; газ қысымдарының түсімі 0,049 атм; жылусыйымдылықты элемент салмағы 2500 кг, дисктер саны 10; дисктер диаметрі 1220 мм, габариттері 3600*2440*1830 мм.
Түтікшелі кері ағынды рекуператор. Ауа мен газдар шығыны 45,4 кгсек; регенерация дәрежесі 0,75; газ қысымдарының ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Жоғарыда көрсетілгендей, газ турбиналы қозғалтқыштардың термиялық ПӘК-і мен меншікті қуат мәндері бензинді және Дизельді қозғалтқыштардыкімен салыстырғанда әлдеқайда төмен болып табылады. Яғни, толық жүктелген ең қарапайым құрылымды газ турбиналы қозғалтқыштардың термиялық ПӘК-і әдетте заманауи бензинді қозғалтқыштардың термиялық ПӘК мәнінің 45-тен 65%-ын құрайды. Осыдан газ турбиналы қозғалтқыштардың бұндай типін жетілдіру үшін әлі де көптеген зерттеу жұмыстарын жүргізу керектігін түсінуге болады. Өкінішке орай, шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың дамуына кедергі болып отырған басқа да шешілмеген мәселелер бар. Солардың ішіндегі ең маңыздылары: 1) шағын өлшемдерді қамтамасыз ету қиындығы; 2) төмен бағалы қарапайым құрылым жасаудың қиындығы.
Шағын өлшемдердің әсері
Бұған дейін орта және жоғары қуатты әуе және жер (стационарлы) газ турбиналы қондырғылардың ПӘК мәні аздаған жетілдірулер енгізгеннен соң Дизельді және бензинді қозғалтқыштардың ПӘК мәндеріне жақындай алатыны көрсетілген болатын. Алайда, бұл қозғалтқыштардың өлшемдерін осы кітапта сипатталатын қозғалтқыштар класының өлшемдеріне дейін кішірейте отырып, ПӘК-і мен меншікті қуат мәндерін өзгеріссіз қалдыру мүмкін емес. Бұл, негізінен, төмен қуатты газ турбиналы қозғалтқыштардың салыстырмалы түрде көп жанармай жұмсауымен расталады.
Газ турбиналы қозғалтқыштың өлшемінің кішіреюімен компрессордың ағынды бөлшектері мен турбинаның аэродинамикалық көрсеткіштері нашарлайтындығын көрсетуге болады. Қозғалтқыштың бұл элементтерінің ПӘК-і олардың өлшемдерін кішірейткен сайын төмендей береді. Сол сияқты, жану камерасы арқылы өтетін ауа шығынының азаюымен жанудың толықтық коэффициенті төмендейді. Осыдан шығатын қорытынды: газ турбиналы қозғалтқыштың өлшемдерін кішірейткен сайын оның элементтерінің ПӘК-і, соған сәйкес қозғалтқыштың толық ПӘК-і төмендейді.
Құрылымның қарапайымдылығы мен бағасы
Көптеген шағын газ турбиналы қозғалтқыштарды құрастырғанда оларды бірқатар салаларда бензинді және Дизельді қозғалтқыштармен оңай бәсекелесе алатындай болуы үшін мейлінше жеңіл, қарапайым және шағын өлшемді қылып жасауға тырысады.
Шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың шағын салмағы мен өлшемдері олардың басты артықшылықтары болып табылады. Бұл қозғалтқыштардың бензинді және Дизельді қозғалтқыштармен салыстырғандағы енді бір артықшылығы - салыстырмалы төмен бағасы.
Қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштардың көрсеткіштерін жақсартудың түрлі әдістері бар, олар әрі қарай қарастырылатын болады. Алайда, термиялық ПӘК-і мен меншікті қуатты арттырудың бұл әдістерінің барлығы қозғалтқыш құрылымының күрделенуімен және салмағының артуымен байланысты. Кейбір жағдайларда, мысалы, жылу алмастырғыш қолданылған кезде, қозғалтқыштың габариттері де айтарлықтай үлкейеді.
Газ турбиналы қозғалтқыш жасау кезіндегі конструктордың басты мақсаты компрессор мен турбинаның максималды мүмкін ПӘК-ін қамтамасыз ету болып табылады. Алайда, көп жағдайларда бұл құрастыру бағасы салыстырмалы түрде қымбат осьтік компрессорлар мен көп сатылы турбиналардың қолданылуына алып келеді. Сондықтан олардың қолданылуы әдетте орта (500-1000 л. с.) және жоғары қуатты газ турбиналы қозғалтқыштармен шектеледі.
Газ турбиналы қозғалтқыштың көрсеткіштерін жақсарту
Бұған дейін қарастырылған пікірлердің көпшілігі шағын өлшемдерде термиялық ПӘК-і 0,1-ден 0,14-ке дейінгі мәндерді құрайтын қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштарға қатысты болатын. Газ турбиналы қозғалтқыштың ПӘК-ін жоғарылатуға мүмкіндік беретін кейбір әдістер 4 бөлімнен белгілі. Сонымен қатар, қозғалтқыштардың меншікті қуаты мен ПӘК-ін арттырудың басқа да мүмкін жолдары бар. Олардың негізгілері келесідей:
1. Жеке элементтердің, яғни ауа компрессорының, газ турбинасының және жану камерасының ПӘК-ін арттыру.
2. Пайдаланылған газдармен шығатын жылудың бір бөлігін жану камерасына кіретін ауаны алдын-ала жылыту үшін қолдану.
3. Қысымды арттырудың одан да жоғары дәрежелерін қолдану.
4. Турбинаға кіре берісте газдың жоғарырақ жұмысшы температурасын немесе компрессорға кіре берісте ауаның төменірек температурасын қолдану.
5. Түрлі жұмысшы циклдер қолдану.
6. Ауа мен газ ағыны кезіндегі шығындарды азайту үшін қозғалтқыштың ағынды элементтерін дұрыс жобалау.
Бұл әдістердің көмегімен, үлкен жер және теңіз қондырғыларында жасалғандай, термиялық ПӘК-ін айтарлықтай арттыруға болады. Дегенмен, қарастырылып отырған төмен қуатты газ турбиналы қозғалтқыштар үшін тек 1, 2, 4 және 6-пунктерде қарастырылған әдістерді ғана қолдануға болатын көрінеді. Себебі, басқа әдістер құрылымның қосымша күрделенуімен (соған сәйкес бағасының артуымен), және де қозғалтқыштың салмағы мен өлшемдерінің артуымен байланысты.
Қозғалтқыш элементтерінің ПӘК-ін арттыру
Жоғарыда көрсетілгендей, газ турбиналы қозғалтқыштың толық ПӘК-ін компрессордың, турбинаның, жану камерасының пайдалы әсер коэффициенттері мен циклдің өзінің, яғни термиялық ПӘК-інің қосындысы түрінде белгілеуге болады. Осылайша осы ПӘК-терінің өсуімен қозғалтқыштың қуаты артады да, жанармай шығыны төмендейді.
Қозғалтқыштың толық ПӘК-ін арттыру үшін оның жеке элементтерінің ПӘК-ін арттырудың маңыздылығы соншалық, элементтердің ПӘК-ін 1%-ға болса да арттыру мүмкіндігін ескермеуге болмайды. Осылайша, егер компрессор ПӘК-і, айталық, 0,85-тен 0,86-ға және турбинаныкі 0,80-нен 0,81-ге артса, онда бүкіл қозғалтқыштың ПӘК-індегі ұтыс 0,86*0,81-0,85*0,80=0,697-0,680=0,0 17-ні құрайды. Яғни, бірдей жанармай шығынында қозғалтқыштың меншікті қуаты сондай дәрежеде артады деген сөз
Енді компрессор мен турбинаның ПӘК-тері 0,87-ден, қазіргі кезде қолданылып жүрген қозғалтқыштарға тән мөлшерінен, максималды мүмкін мән 0,93-ке жетеді деп алсақ, онда жалпы ПӘК-і (компрессор мен турбинаның) 0,87*0,87=0,757-ден 0,93*0,93=0,865-ке дейін артады.
Енді 29-суретке қарасақ, турбинаға кірердегі газдардың температурасын 650 0С-ге тең деп алсақ, жалпы ПӘК-і 0,757-ге және 0,865-ке тең болғанда, қозғалтқыштың термиялық ПӘК-і сәйкесінше 0,255 пен 0,330-ға тең болады. Бұл жағдайда, ПӘК-індегі ұтыс (0,0750,255)*100=29,5%-ды құрайды.
Дәл солай сәйкес меншікті қуат өсімі 33%-ды құрайтынын да көрсетуге болады.
Осылайша, бұл мысалда теория бойынша компрессор мен турбинаның ПӘК-інің артқан әр пайызына термиялық ПӘК-і мен меншікті қуаттың шамамен 5%-ға артуы сәйкес келеді. Алайда, іс жүзінде қозғалтқыштағы шығындар есебінен ПӘК-індегі ұтыс бұдан әлдеқайда төмен болады, дегенмен, қозғалтқыштың бұндай жетілдірілуі елеулі болып табылыды және назар аударуға тұрарлық.
Ауа компрессоры
Белгілі компрессорлар типтерінің ішінен, атап айтқанда, ортадан тепкіш, радиалды, ортаға тартқыш және осьтік компрессорлардан, шағын газ турбиналы қозғалтқыштарда кең қолданыс тапқаны ортадан тепкіш типті компрессор болып табылады. Соған қарамастан, кейбір жағдайларда осьтік және радиалды ортаға тартқыш компрессорлар да қолданылады.
Шағын газ турбиналы қозғалтқыштыртарда қолдану үшін ортадан тепкіш типті компрессорлардың ең ұтымды деп танылуының негізгі себептері келесідей:
1. Ортадан тепкіш компрессордың габариттері шағын және салыстырмалы түрде оңай құрастырылуы мүмкін, себебі компрессордың бұл типіне арналған есептеу жұмыстары мен тәжірибелік мәліметтер өте көп.
2. Бұл компрессордың құрастыру құны төмен, себебі оның көп күрекшелі роторы болмайды.
3. Бұндай типті компрессорлар айналымдар саны мен шекті қысымның кең диапазонында жұмыс істегенде әлдеқайда тұрақты, ал олардың ПӘК-і кем дегенде ауа шығынын өзгерткенде өзгереді.
4. Ортадан тепкіш компрессордың кіре беріс құрылғысына шаңның түсуі, жұмысшы күрекшелері мен түзеткіш аппараттар күрекшелері эрозияға ұшырайтын осьтік компрессор жағдайымен салыстырғанда, айтарлықтай қиындықтар туғыза қоймайды. Жұмысының көп бөлігін жер үстінде атқаратын авиациялық газ турбиналық қозғалтқыштарда осьтік типті компрессорлар кең қолданыс тапқан. Бұл қозғалтқыштар жерде жұмыс істеу үшін компрессорға кіре берісте қорғаныш тор орнатылуы тиіс.
5. Ортадан тепкіш компрессор ұзақ уақыт аралықтарында жұмыс істегенде өзінің негізгі параметрлерін тұрақты етіп сақтайтындықтан, осьтік компрессорға қарағанда сенімдірек болып табылады.
Ортадан тепкіш компрессордың ПӘК-і осьтік компрессордыкімен салыстырғанда әлдеқайда төмен және әрі қарай айтарлықтай үлкейтілуі мүмкін емес. Яғни, аваиациялық газ турбиналы қозғалтқыштарда әлі де қолданыс тауып жүрген бір сатылы заманауи компрессорлардың ПӘК-інің максималды мәні 0,77 мен 0,79 аралығында жатыр. Олардағы қысымды арттыру дәрежесі шамамен 4,5-ті құрайды және ПӘК-інің берілген мәндері үшін максималды мүмкін мәнге жақын болып табылады. Алайда, екі сатылы ортадан тепкіш компрессорда қысымды жоғарылату дәрежесін ПӘК-і 0,75-0,77 аралығында болғанда, 6-дан 7-ге дейін жеткізуге болады.
Авиациялық типті осьтік компрессордың максималды ПӘК-і 0,85-тен 0,88-ге дейін болады, және де бұл көрсеткіштер 0,90-0,92-ге дейін арттырылуы мүмкін. ПӘК-інің бұл мәндерінде қысымды жоғарылату дәрежесі 4-6-ны құрайды. Қысымды арттыру дәрежесі 12-ге жақын компрессордың максималды ПӘК-і 0,85-0,86-ға жетуі мүмкін.
Осьтік компрессордың бір сатысында қол жеткізілетін ауа қысымын арттыру дәрежесі ортадан тепкіш компрессормен салыстырғанда әлдеқайда төмен болып табылады. Яғни, 8-ге тең қысымды арттыру дәрежесіне қол жеткізу үшін, сатылар саны 8-ден 12-ге тең осьтік компрессор қажет. Сол себептен, осьтік компрессордың бағасы салыстырмалы түрде жоғары болып келеді.
Ортадан тепкіш компрессордың диаметрлік өлшемдері осьтік компрессормен салыстырғанда үлкенірек болады, алайда, ол осьтік бағытта қысқалау болып келеді. Сонымен қатар, шағын өлшемді газ турбиналы қозғалтқыштарда қолданылған жағдайда, бұл компрессор сәйкес осьтік компрессормен салыстырғанда әлдеқайда жеңіл болып табылады. Ал ірірек авиациялық қозғалтқыштарда осьтік компрессор ортадан тепкіш компрессордан айтарлықтай жеңілрек.
Осьтік компрессорды құрастыру кезінде әдетте оның эффективтілігі мен сенімділігі сияқты параметрлерін заманауи деңгейге дейін жақсарту мақсатында айтарлықтай қиын тәжірибелік және құрылымдық жұмыстар жүргізілуі қажет. Осьтік компрессор ортадан тепкіш компрессормен салыстырғанда кейбір режимдердерде жұмыс істеуде тұрақсыз, және конструкциялық өзгерістерге сезімтал болып келеді. Оған қоса, осьтік компрессордың күрекшелері ауамен кіретін шаң-тозаң бөлшектерінің салдарынан эрозияға көп ұшырайды. Сол себептен, компрессорға кірер алдында ауа жақсылап тазартылуы тиіс.
Жоғарыда көрсетілгендей, осьтік компрессордың үлкен артықшылығы - оның жоғары ПӘК-інде. Бұл, өз кезегінде, газ турбиналы қозғалтқыштың жоғарырақ толық ПӘК-іне және оның салмақ бірлігіне келетін жоғары қуатқа қол жеткізуге мүмкіндік береді.
Турбина
Газдық турбина құрылысы бойынша қарапайым, және осьтік компрессорға қарағанда газ турбиналық қозғалтқыштың жақсы зерттелген элементі болып табылады. Турбинада компрессордағыдай емес, керісінше газдардың кеңеюі мен олардың қысымының төмендеуі орын алады. Қазіргі уақытта турбиналық күрекшелер арқылы газ ағынының өту мәселесі кеңінен қарастырылған. Бұл ағынның тұрақтылығын қамтамасыз етіп, оның тоқтап қалуының алдын алуға мүмкіндік береді. Бұған дейін турбиналар кеңінен зерттелмеген көрінеді, сондықтан турбиналар ағынның қолайсыз аэродинамикалық жағдайларында, яғни өте жоғары көтеру күшінің коэффициенті мен ағынның бұрылу бұрыштары кезінде шамадан тыс жүктеме жағдайларында, жұмыс істеген. Турбинаның ПӘК-інің төмен мәндері негізінен осы себептермен түсіндірілуі мүмкін.
Турбинаның ПӘК-і, жердегі және теңіздегі қондырмалардағыдай, бірнеше сатылар қолдану жолымен арттырылуы мүмкін. Алайда, авиациялық қозғалтқыштардағы сатылар саны бір, екі немесе үшпен шектеледі. Нәтижесінде турбинаның ПӘК-і 0,85-ті, кейде 0,9-ды құрайды.
Бұған дейін қарастырылған бөлімдерге сүйенсек, авиациялық компрессорлар мен турбиналарды құрастыруда қолданылатын әдістер, өндіріс бағасын ескере отырып, шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың көрсеткіштерін жақсарту үшін де пайдаланылады.
Жылу алмастырғыштарды қолдану
Шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың көрсеткіштерін жақсарту әдістерінің ішінен, пайдаланылған газдармен шығатын жылудың бір бөлігін жану камерасына кіретін сығылған ауаны алдын-ала жылыту үшін қолдану әдісі ең тартымды болып табылады. Ауа компрессор арқылы өткенде белгілі бір қысымға дейін сығылып қана қоймай, әдетте 150-250 0С-ге дейін қызады. Егер бұл қызған ауаға пайдаланылған газдардан қосымша жылу мөлшері берілсе, жану камерасына кіре берістегі ауаны қажетті температураға дейін қыздыру үшін азырақ жанармай мөлшері қажет болатын еді. Бұл кезде қозғалтқыштың термиялық ПӘК-і жоғарылап, жанармайдың меншікті шығыны азаяды.
35-суретте жылу алмастырғыштың жұмыс принципі түсіндірілген. Бұл суретте салынған газ турбиналы қозғалтқыштың схемасы 4-суреттегіден әлдеқайда күрделі болып табылады. Бұл схема бойынша, ауа кіру құрылғысы арқылы компрессорға өтеді де, сығылғаннан кейін жылу алмастырғышқа бағытталады. Жылу алмастырғышты ортақ корпуста орналасқан, ұштарымен пластиналарға бекітілген өте көп жұқа қабырғалы металдық трубкалардан тұратын ерекше радиатор түрінде қарастыруға болады. Сығылған ауа жану камерасына бара жатқан жолда осы трубкалардан өте отырып, трубкалардың бетімен ағып жатқан пайдаланылған газдардың жылуы есебінен қызады.
Жылу алмастырғыштарды қолданғанда қозғалтқыштан шығардағы газдардың температурасы төмендеп, ондағы температура түсімі арта түседі.
Жылу алмастырғышты қолдану мен пайдаланылған газдардың жылуын іске жарату компрессордағы ауа қысымын жоғарылатудың төмен дәрежелерінде, яғни 4-5 болғанда айтарлықтай эффективті болатынын атап өткен жөн. Ал қысымды арттырудың одан да жоғары мәндерінде компрессордан шығатын ауаның температурасы пайдаланылған газдардың температурасынан асып кетуі мүмкін. Бұл жағдайда пайдаланылған газдарды қолданғанмен ештеңе ұта алмаймыз.
Жылу алмастырғыштарды қолданумен байланысты теориялық сұрақтар
Үлкен стационарлы газ турбиналы қондырғы мысалында жылу алмастырғыштарды қолданудағы артықшылықтарды қарастырайық. Бұл қарастыру нәтижелерін ең шағын газ турбиналы қондырғылар үшін толықтай қолдану мүмкін болмағанымен, бұл қарастыру негізінде жасалған жалпы қорытындылар регенерацияның түрлі дәрежесінде қозғалтқыштың ПӘК-і мен меншікті қуаты қаншалықты артатынын жобалауға мүмкіндік береді. Турбинаға кіре берістегі және жылу алмастырғыштан шығардағы газ температурасының тұрақты мәндерінде қыздыру беті әр түрлі жылу алмастырғыштар қолданылатын, қуаттылығы 2700 л.с. қарапайым газ турбиналық қондырғыны қарастырайық. Жылу берілу беті 0-ден (жылу алмастырғышсыз) 2780 м2-ге дейін өзгереді деп алайық. Сонымен қатар, жылу берілудің шексіз үлкен беті бар гипотезалық жылу алмастырғышты да қарастырайық. Әрі қарай есептеулерде турбинаға кіре берістегі газдардың температурасын 538 0С, ал компрессордан шығардағы ауа температурасын 20 0С-ге тең деп аламыз.
36-суретте қозғалтқыштың толық ПӘК-інің компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі мен жылу алмастырғыштың қыздыру бетінен тәуелділік графигі келтірілген. Әр қисық жылу алмастырғыштың белгілі бір жылу берілу бетіне сәйкес келеді. Графиктен көрініп тұрғандай, жылу алмастырғышсыз жұмыс кезінде (қисық 1), қысымды арттыру дәрежесі 5-ке тең болғанда қозғалтқыштың максималды ПӘК-і шамамен 0,165-ті құрайды. Жылу берілу беті артқан сайын ПӘК-і де арта береді. 2, 3, және 4-қисықтар үшін ПӘК-інің мәндері сәйкесінше 0,21, 0,23, 0,255-ті құрайды, және де бұл мәндерге қысымды арттыру дәрежесі 3,8, 3,2, 2,9-ға тең болғанда қол жеткізіледі.
Осының негізінде келесідей жалпы қорытындылар жасауға болады:
1. Қозғалтқыштың толық ПӘК-і жылу алмастырғыш бетінің үлкеюімен артады, және де жылу алмастырғыштың жеткілікті үлкен бетінде оның ПӘК-і айтарлықтай өсуі мүмкін.
2. Жылу алмастырғыштың жылу берілу бетін арттыра отырып максималды ПӘК-ін алу үшін компрессордағы ауа қысымын арттыру дәрежесін сәйкесінше төмендету қажет. Әрі қарай, қысымның арту дәрежесі 10-нан жоғары болғанда қозғалтқыштың ПӘК-інің артпайтындығын көруге болады. Себебі, бұл жағдайда компрессордан шыға берістегі ауаның температурасы пайдаланылған газдардың температурасына дейін жетеді.
Қозғалтқышта қолданылатын жылу алмастырғыштың шын өлшемдерін анықтау үшін оның көлемі, салмағы мен бағасы сияқты практикалық шамаларын қарастырған дұрыс. Яғни, әр жеке жағдайда максималды ПӘК-і мен белгіленген практикалық шамаларды ескере отырып, ымыралы шешім тапқан жөн. Жер үсті және кейбір теңіз қондырғылары үшін турбинаға қатысты өлшемдері салыстырмалы түрде үлкен жылу алмастырғыштарды қолдануға болады. Әдетте газды турбинаның өзінің өлшемдері жылу алмастырғышпен салыстырғанда әлдеқайда кішкентай болады. Алайда, автомобильді және шағын газ турбиналы қозғалтқыштарда тек шектелген регенерация дәрежесін іске асыруға болады. Әдетте, 1 л.с. қуатқа шаққандағы жылу берілу беті 0,186-дан 0,278 м2-ге дейінгі жоғары эффективті жылу алмастырғыш қозғалтқыштың ПӘК-ін 30-45%-ға дейін арттыруға мүмкіндік береді. Осылайша жоғары эффективті жылу алмастырғыш көмегімен қарапайым шағын газ турбиналы қозғалтқыштың ПӘК-ін 0,12-ден 0,16-0,18-ге дейін арттыруға болады.
Жылу алмастырғышты қолданудың енді бір ұтымды жағы оның қозғалтқыш жұмысының есепсіз режимінде де ПӘК-ін арттыруға мүмкіндік беретіндігінде. Осылайша жылу алмастырғышты қолдану қарапайым шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың негізгі кемшіліктерінің бірін жоюға, атап айтқанда, жартылай жүктемелер кезінде шамадан тыс жанармай жұмсауын болдырмауға мүмкіндік береді. Шағын газ турбиналы қозғалтқыштардың, мысалы автомобильдерде қолданылатын, кейбір типтері, жұмысының көп бөлігін толық емес жүктеме режимдерінде істейтіндіктен, жылу алмастырғыштарды қолдану көмегімен осы жағдайларда қозғалтқыштың жақсырақ көрсеткіштеріне қол жеткізуге болады. Алайда бұл кезде қозғалтқыштың толық жүктеме кезіндегі ПӘК-і де төмендейді.
Жылу алмастырғышы бар қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштың мысалы
37-суретте С. А. Парсонс [28] фирмасының қуаттылығы 60 л.с. газ турбиналық қозғалтқышының құрылысы көрсетілген, қажет болған жағдайда қозғалтқыштың қуаттылығы 300 л.с.-на дейін жеткізілуі мүмкін. Қозғалтқыш бір сатылы ортадан тепкіш компрессордан 1 тұрады, оның кіре берісінде ауа фильтрлары 2 мен 3 бар. Күрекшелік диффузордан 4 өткен соң сығылғын ауа диффузор 5 арқылы өтіп, жылу алмастырғышқа 9 түседі де, одан жану камерасы 7 арқылы қайтадан радиалды ортаға тартқыш турбинаға 6 бағытталады. Турбинадан газдар шығу диффузоры 8, әрі қарай жылу алмастырғыш секциялары арқылы өтіп, газ шығаратын келте құбыр 10 арқылы атмосфераға шығарылады. Турбокомпрессордың ортақ валы 11 планетарлы тісшелі редуктормен қосылған. Қозғалтқыштан қуат сыртқы тұтынушыға шығу валы 12 арқылы беріледі. Қосалқы механизмдерді айналдыруға арналған енді бір вал 11-валмен тісшелі өткізу 13 арқылы жалғанады.
Қозғалтқыш арқылы өтетін ауа шығыны 0,91-ден 3,63 кгсек-қа дейін құрайды. Қозғалтқыштың жылу алмастырғышының регенирация дәрежесі 0,80-нен 0,85-ке дейінгі мәнге ие. Жылу алмастырғышқы кіре брістегі ауа қысымы 0,175-0,246 атм.-ға тең.
Бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар қозғалтқыш
Жылу алмастырғышты бос турбинасы бар газ турбиналық қозғалтқыштарда да қолдануға болады. Бұндай қозғалтқыштың схемасы 38-суретте келтірілген. Схемада ортадан тепкіш компрессоры бар шағын газ турбиналы қозғалтқыш бейнеленген. Бұл жерде компрессордан шыққан сығылған ауа жылу алмастырғыш секциялары арқылы өтіп, жану камерасына түсер алдында жоғарырақ температураға дейін қыздырылады. Пайдаланылған газдар компрессорды айналымға алып келетін турбинадан кейін күштік (бос) турбинаға түседі де, жылу алмастырғыш арқылы өткеннен кейін атмосфераға шығарылады. 38-суретте бейнеленген схемада тәжірибелік жолмен алынған қозғалтқыш жолындағы ауа мен газдардың физикалық параметрлері де көрсетілген.
Автомобильді көлік пен басқа да шағын газ турбиналы қозғалтқыш қолданылуы мүмкін салаларға арналған бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар газ турбиналық қозғалтқыш құрылысы 39-суретте көрсетілген [27]. Қозғалтқыш жылу алмастырғышқа G сығылған және қыздырылған ауа жеткізіп отыратын осьтік компрессордан А тұрады. Жылу алмастырғышта ауа одан әрі қыздырылып, жану камерасына В түседі де, ол жерден артық қалған ауамен сұйылтылған жану өнімдері компрессордың турбинасына С, одан кейін күштік турбинаға D түседі. D турбинасынан кейін пайдаланылған газдар жылу алмастырғыш арқылы өтіп, атмосфераға шығарылады.
40-суретте жылу алмастырғыш немесе Крайслер фирмасының ертеректегі автомобильді газ турбиналы қозғалтқыштарда қолданылған регенератор схемасы көрсетілген. Жоғары және төмен қысымды газдар ағынының бағыты схемада тілшелермен белгіленген. Бұндай қозғалтқыш бос турбинасы бар қозғалтқыштар класына жатады, және де бұл жағдайда турбинаның екінші сатысы өз қуатын сыртқы тұтынушыға беретін күштік болып табылады.
Жылу алмастырғыштың ПӘК-і 1)
Жылу алмастырғыштың ПӘК-і, немесе, регенерация дәрежесі жылу алмастырғыштағы ауа температурасының артуының пайдаланылған газдар мен жылу алмастырғышқа кіре берістегі ауа температырасының айырмысына қатынасы болып табылады.
Бос турбинасы мен жылу алмастырғышы бар типтік газ турбиналы қозғалтқыштың есептік параметрлері
С. Д. Хирон [29] жылу алмастырғышпен жабтықталған және автомобильдерде қолдануға арналған, бос турбинасы бар қозғалтқыш көрсеткіштерін зерттеу кезінде қызықты нәтижелерге қол жеткізген. Қозғалтқыштың қуаты 212 л.с. Есептеу кезіндегі бастапқы берілгендер: компрессорға кіре берістегі ауа температурасы 15,6 0С; турбинаға кірердегі газдардың температурасы 816 0С; компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі 4; компрессор мен турбинаның ПӘК-і барлық қысымның арту дәрежесі мен турбинаға кірердегі газдардың температурасында 0,80. Есептік қуатта жылу алмастырғыштың регенерация дәрежесі 0,75-ке және қысымның арту дәрежесі 1,2-ге тең болғанда (турбинаға кірердегі газдардың температурасы сәйкесінше 316 0С)0,90-ға тең. Жану камерасының ПӘК-і 1,0. Қозғалтқыштағы қысымның жоғалуы 0-ге тең деп қабылданған. Жанармайдың жылу беру қабілеті 10 260 ккалкг.
41-суретте жылу алмастырғыштың түрлі регенерация дәрежесінде, жоғарыда көрсетілген бастапқы берілгендер негізінде есептік жолмен алынған қозғалтқыш қуатының компрессордың салыстырмалы айналым санынан тәуелділігі көрсетілген. Графиктен көрініп тұрғандай, қозғалтқыштың максималды қуаты 212 л.с. және компрессордың максималды айналым саны кезінде жылу алмастырғыштың регенерация дәрежесі 0,75-ті құрайды. Ал компрессордың айналымдар саны аз болса, 0,90-ға жетуі мүмкін. 2-кестеде қозғалтқыштың сәйкес қуат, турбинаға кірердегі газдар температурасы мәндері мен компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі келтірілген.
Кесте 2
Қуат,
л.с.
Ткрбинаға
кіре берістегі
температура,
0С
Қысымның
арту дәрежесі
25
50
100
150
212
438
510
627
716
816
1,9-дан 1-ге дейін
2,3
3,9
3,5
4,0
Бұл берілгендер неліктен төмен қуаттарда қозғалтқыштың термиялық және толық ПӘК-і төмендейтіндігін көрсетеді, және қуаттың төмен мәндерінде компрессордан шығардағы ауа температурасы мен пайдаланылған газдар температурасының айырмасы айтарлықтай үлкен болатындығын түсіндіруге мүмкіндік береді. Соның нәтижесінде қуаттың төмен мәндерінде регенерация дәрежесі жоғарырақ болуы мүмкін. Ауа шығынының өзгеруі, жанармай мөлшерінің ауа мөлшеріне қатынасы мен жанармай шығынының қозғалтқыш қуатының мәнінен тәуелділік графигі 42-суретте көрсетілген. Толық жүктеме кезінде қозғалтқыш арқылы өтетін ауа шығыны шамамен 5000 кгсағ немесе 5,0 тсағ тең салыстырмалы үлкен шаманы құрайды. Бос жол айналымдары кезінде қозғалтқыш арқылы өтетін ауа шығыны толық қуаттағы ауа шығынының шамамен (14) бөлігін құрайды. Толық және 50 л.с. қуат кезіндегі жанармай мөлшерінің ауа мөлшеріне қатынасы сәйкесінше 0,0088 және 0,0046, яғни ауа мөлшерінің жанармай мөлшеріне қатынасы 114 пен 218-ге тең. Жанармайдың толық жануына қажетті ауа мөлшерінің жанармай мөлшеріне қатынасы 15-ті құрайды деп есептеп, компрессор толық қуатта жанармайдың жануына қажетті ауа мөлшерінен шамамен 7 (12) есе көп ауа мөлшерін сығуы қажет.
Бұл қозғалтқыштың термиялық ПӘК-інің қуатқа байланысты өзгеру қисығы 43-суретте (тұтас сызық) көрсетілген. Ол қуаттың ең төмен мәнінде жылудың регенерация дәрежесі 0,90-ды құрап, ал толық жүктеме кезінде 0,75-ке түседі деген болжаммен тұрғызылған (41-суретке қараңыз). Сонымен қатар, 43-суретте қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштың ПӘК-інің жылудың регенерациясысыз және регенерация дәрежесі 1,0-ге тең болғандағы қуат мәнінен тәуелді өзгеру қисықтары келтірілген.
Бұл қисықтардан көрініп тұрғандай, жылу регенерациясын енгізу барлық жүктеме бойынша режимдерде оң әсерін береді. Яғни, қозғалтқыш қуаты 50 мен 212 л.с. (толық қуат) болғанда жылу алмастырғышпен ПӘК-і шамамен 0,195 пен 0,30-ды, ал жылу алмастырғышсыз сәйкесінше 0,09 бен 0,156-ны құрайды.
Алайда, ПӘК-інің жылу алмастырғыш қолданғанда алынатын мұндай жоғары мәндері практикада орын алмайтынын атап өткен жөн, себебі бұл мәндер идеалдандырылған жағдайларда алынған. Соған қарамастан, жоғалтулар мен т.б. жағдайларды ескере отырып, термиялық ПӘК-і қозғалтқышта жылу алмастырғыштың қолданылу жолымен айтарлықтай жақсартылуы мүмкін.
43-суреттегі жоғарғы қисық регенерацияның жоғарырақ дәрежелерінде қозғалтқыштың ПӘК-і барлық жүктемелерде айтарлықтай жоғары бола алатындығын көрсетеді. Қозғалтқыштың толық қуатында, яғги турбинаға кірердегі газдар температурасы 816 0С болғанда регенерация дәрежесі 0,75-ке тең (43-суретке қараңыз) жылу алмастырғышты қолдану пайдаланылған газдар көлемін шамамен 13-ке төмендетіп, олардың температурасын260 0С-ға дейін азайтатынын атап өткен жөн.
Дамытылатын қуаттың түрлі мәндері үшін қуаттылығы 212 л.с., жылу алмастырғышы бар газ турбиналы қозғалтқыш үшін жанармайдың меншікті шығынының мәндері келесі кестеде берілген.
Кесте 3
Қуат, л.с.
25
50
100
150
212
Жанармайдың
меншікті шығыны,
кгл.с.час. .
0,399
0,326
0,262
0,236
0,213
Бұл берілгендер қозғалтқыш қуатының төмен мәндерінде жанармайдың меншікті шығыны салыстырмалы түрдежоғары болатынын көрсетеді. Алайда, толық қуатта 0,213 кгл.с.сағ-қа тең жанармай шығыны ең жақсы бензинді қозғалтқыштардың шығынымен салыстырмалы болып келеді.
Жылу регенерациясы және қысымның арту дәрежесі
Бұған дейін компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі төмен болғанда жылу регенерациясының әсері жоғары болатындығы көрсетілді. 44-суретте графикалық түрде Дж. Хюбнер жүргізген Крайслер корпорейшн оф Америка фирмасының шағын газ турбиналы қозғалтқыштарын заманауи зерттеулердің нәтижелері келтірілген [30]. Аталмыш қозғалтқыш келсідей көрсеткіштерге ие болды: компрессордың ПӘК-і 0,80, турбинаның ПӘК-і 0,85, жану камерасының ПӘК-і 0,95, турбинаға кіре берістегі газдар температурасы 817 0С, регенерациясы бар қозғалтқыштағы қысым жоғалтуы 3%, регенерациясы бар қозғалтқыштағы қысым жоғалтуы 6%, жылу алмастырғыштағы ағып кетулер салдарынан жоғалту 3%. 44-суреттен қысымның арту дәрежесі 12-ге тең болғанда регенерацияны енгізу қозғалтқыштың термиялық ПӘК-іне әсер етпейтіндігін көруге болады. Алайда, қысымның арту дәрежесінің төмен мәндерінде қозғалтқыштың термиялық ПӘК-і айтарлықтай жоғару болуы мүмкін. Ал қысымның арту дәрежесі 4-ке тең болғанда, регенерация дәрежесін 0-ден 1,0-ге дейін өсіре отырып, термиялық ПӘК-ін 110%-ға арттыруға болады. Яғни, қысымның арту дәрежесінің бірдей мәндерінде регенерациясы бар қозғалтқыштың меншікті жанармай шығыны регенерациясыз қозғалтқыштағымен салыстырғанда екі есе төмендетілуі мүмкін.
Жылу регенерациясы және турбинаға кірердегі газдар температурасы
Турбинаға кіре берістегі газдар температурасын арттырудың жылу регенерациясының түрлі дәрежелерінде қозғалтқыштың термиялық ПӘК-іне әсерін қарастырайық. 45-суретте қысымның арту дәрежесі 4-ке тең болғандағы турбинаға кіре берістегі газдардың үш түрлі температурасында, атап айтқанда 816, 871, және 1094 0С кезінде, қозғалтқыштың термиялық ПӘК-інің жылу регенерациясы дәрежесінен тәуелді өзгеру графигі көрсетілген. Бұл графикті тұрғызғында бастапқы берілгендер ретінде 44-суреттегі графикті тұрғызу кезінде алынған параметрлер алынған болатын.
45-суреттегі қисықтар жылу регенерациясының термиялық ПӘК-інің көтерілуіне әсері циклдың жұмысшы температурасының жоғарылауымен артатынын көрсетеді. Сондықтан, жоғары температурадағы ткрбина күрекшелері мен дисктерінің беріктігі бойынша практикалық шектеулерді ескере отырып, қозғалтқышта жылу алмастырғыш қолданылған жағдайда турбина алдында газдар температурасын мүмкіндігінше арттырған жөн.
Жылу регенерациясы және компрессордың ПӘК-і
Компрессордың (турбинаның) ПӘК-інің өсуімен регенерацияның барлық дәрежелерінде қозғалтқыштың ПӘК-і артатынын көруге болады. 46-суретте 0,80, 0,90 және 0,95-ке тең жылудың үш түрлі регенерация дәрежесінде қозғалтқыштың термиялық ПӘК-інің 0,60-тан 0,92-ге дейін өзгеретін компрессордың ПӘК-інен тәуелділік графигі көрсетілген. Қисықтар 44-суретте пайдаланылған бастапқы берілгендер негізінде тұрғызылған. Компрессордағы ауа қысымының арту дәрежесі 4-ке тең деп алынған. Сонымен қатар, салыстыру үшін графикте жылу регенерациясы жоқ, яғни қарапайым газ турбиналы қозғалтқыштың термиялық ПӘК-інің өзгеру қисығы берілген.
Компрессордың ПӘК-інің 0,60-тан 0,90-ға өсуімен, 0; 0,80; 0,90 және 0,95-ке тең регенерация дәрежесінің мәндері үшін, қозғалтқыштың термиялық ПӘК-і сәйкесінше 60, 100, 102 және 104%-ға дейін артады. 46-суреттен көрініп тұрғандай, термиялық ПӘК-інің ең жоғарғы мәні компрессордың ПӘК-і мен регенерация дәрежесінің максималды мәндеріне сәйкес келеді.
Жылу алмастырғыштардың типтері
Газ тәрізді және сұйық күйдегі ыстық және салқын орталардың арасында жылу берілу қазіргі кезде жақсы зерттелген және тәжірибе жүзінде кеңінен қолданылуда. Бұл газ турбиналық қозғалтқыштарға арналған жылу алмастырғыштарды жасауда конструктордың жұмысын жеңілдетеді. Сыртқы өлшемдері мен салмағы салыстырмалы түрде айтарлықтай әсер бермейтін үлкен стационарлы газ турбиналы қондырғылар жағдайында жылу алмастырғыштардың өте эффективті конструкциялары қолданылуы мүмкін. Ал шағын және авиациялық газ турбиналық қозғалтқыштардың габариттері мен салмағы шектеулі және негізгі көрсеткіштердің бірі болып табылады. Сондықтан, қозғалтқыштардың бұл типі үшін қажетті регенерация дәрежесі бар жылу алмастырғыштар жасау мәселесі, әсіресе қысымды жоғалту (және соған байланысты шарасыз қуаттың төмендеуі) минималды болу керектігін ескерсек, біршама күрделі болып табылады. Шағын газ турбиналы қозғалтқыштарда жылу алмастырғыштардың екі типі қолданылады: рекуперативті және регенеративті.
Рекуперативті жылу алмастырғыш
Рекуперативті жылу алмастырғыштардың жұмыс істеу принципі келесідей: максималды мүмкін ауданды жылу алмкастырғыштың эффективті беті бір жағынан ыстық пайдаланылған газдармен, ал екінші жағынан жану камера түсер алдындағы сығылған ауамен шайылып жатады. Бұл кезде жылу металдық бет арқылы ыстық жақтан салыстырмалы түрде салқын сығылған ауаға беріледі.
Рекуперативті жылу алмастырғыш, автомобильдер қозғалтқыштарында қолданылатын радиаторлар, сулы түтікті қыздырғыштар, конденсаторлар, т.б. сияқты, ұштарымен металдық қабырғаларға бекітілген өте көп түтікшелер немесе ұялы элементтерден тұрады. Салқынрақ газдар немесе сұйықтықтар жылу алмастырғыш арқылы өте отырып, түтікшелердің немесе ұялы элементтердің бетінің бір жағын шаяды, ал ыстық газдар немесе сұйықтықтар бұл түтікшелерді немесе ұялы элементтерді екінші жағынан шаяды. Газ турбиналық қозғалтқыштардың көп түтікшелерден құралған түтікшелі жылу алмастырғышында, сығылған ауа әдетте түтікшелердің ішімен өтеді, ал пайдаланылған газдар бұл түтікшелердің беттерін сыртынан шаяды.
Берілетін жылудың максималды мәніне қол жеткізуде ауа ауа ағыны мен пайдаланылған газдар ағынының бір-біріне қатысты бағытын дұрыс таңдау өте маңызды. 47-суретте ауа мен пайдаланылған газдардың бір-біріне қатысты ағынының екі мүмкін схемасы бейнеленген. 47-суретте тура ағынды схема көрсетілген.
Жылу алмастырғыштан шыға берісте екі ағын да жылулық тепе-теңдікте болады деп есептеп, шыға берістегі ауа температурасын келесі қатынас түрінде белгілеуге болады:
Т=Та+Тг-Та2=Тг+Та2,
Мұндағы, Та мен Тг - сәйкесінше жылу алмастырғышқа кіре берістегі ауа мен пайдаланылған газдардың температуралары.
Бұл жағдайда жылу алмастырғышқа кіре берістегі пайдаланылған газдар температурасы мен ауа температурасының айырымы Тг-Та-ға тең. Осыдан, идеалды жағдайлардағы регенерация дәрежесі 0,50-ді құрайды, ал бұл өз кезегінде берілген схема үшін максималды мүмкін мән болып табылады.
Алайда, ауа ағыны мен пайдаланылған газдар ағынын 47, Б-суретте көрсетілгендей қарама-қарсы бағытта жіберілсе, онда теория жүзінде жылу алмастырғыштан шығардағы ауа температурасы пайдаланылған газдар температурасындай болады да, регенерация дәрежесі 1,0-ге тең болады. Сол себептен, газ турбиналық қозғалтқыштардың рекуперативті типті жылу алмастырғыштары үшін тұра ағынды схемалардың орнына кері ағынды схемалар қолданылады.
Жылу алмастырғыштың практикада қолданылып жүрген конструкцияларының бірінде комбинирленген тұра және кері ағынды схема қолданылады. Бұндай конструкция түтікшелердегі шамадан тыс термиялық кернеудің алдын алу үшін мүмкіндігінше олардың бірқалыпты қызуын қамтамасыз ету мақсатымен жасалған. 48-суретте Пауэр Джетс фирмасының осындай жылу алмастырғыш құрылысы [47] бейнеленген. Жылу алмастырғыш ішінен ыстық пайдаланылған газдар өтетін корпустан 21 тұрады. Газдар жылу алмастырғышқа А тілшелерімен көрсетіліп тұрғандай, сол жағынан кіріп, оң жағынан шығады. Корпустың ішінде түтікшелердің екі секциясы 22 мен 23 бар. Олар орта бөліктері пайдаланылған газдар ағынының бағытына сәйкес келетіндей, ал ұштарындағы бөліктері бұл бағытқа тік бұрышпен тұратындай етіп орналастырылған. Компрессордан шыққан ауа жылу алмастырғыштың 22 және 23 секцияларына сәйкесінше келте құбырлар 24 пен 25 арқылы кіреді де, шығу келте құбыры 26 арқылы шығады. В және С тілшелерімен әр секциядағы ауа ағынының бағыты көрсетілген. Осылайша секция 22 - тура ағынды жылу алмастырғыш, ал 23 - кері ағынды жылу алмастырғыш болып табылады.
Рекуперативті жылу алмастырғыштар бойынша кейбір ескертулер
Түтікті немесе гофрирленген жылу алмастырғыштың негізгі кемшілігі регенерацияның, мысалы 0,75-тенг 0,80-ге тең, жоғары дәрежелерінде оның үлкен габариттері мен салмағы болып табылады. Регенерация дәрежесін 0,50-ден артық үлкейткенде пайдаланылған газдар мен ауа температураларының айырмасы төмендейді. Осыдан тек жылу берілу бетін үлкейте отырып қана эффективті жылу берілуге қол жеткізе аламыз. Яғни, регенерация дәрежесінің жоғары мәндері жылу алмастырғыштар бетінің үлкен болуын талап етеді.
Түтікшелі жылу алмастырғыштар жағдайында регенерацияның жоғары дәрежесімен жылу алмастырғыштың салмағы мен көлемін азайтып, ұзын ауыр қондырғы жасауды болдырмау үшін, түтікшелердің ұзындығын қысқырту қажет екенін көрсетуге болады. Ал жылу алмастырғыштың регенерация дәрежесі түтікшелердің ұзындығының олардың диаметріне қатынасынан тәуелді болғандықтан, түтікшелердің ұзындығын қысқартумен қатар, олардың диаметрлерін де кішірейткен жөн. Регенерация дәрежесінің мәнін 0,75-0,80-ге жеткізу үшін жылу алмастырғыштарда диаметрі өте кіші өте көп түтікшелер болу керек. Бұндай түтікшелерді қабырғаларға бекітумен, түтікшелердің кішкентай тесіктерін тазалау және айтарлықтай қысым жоғалтуларысыз ағынның жоғары жылдамдығына қол жеткізумен байланысты қиындықтар оларды шаған газ турбиналы қозғалтқыштардың жылу алмастырғыштарында қолдануға кедергі жасайды. Алайда, зигзаг тәрізді формалы жұқа металдық беттерді қолдану арқылы жақсы нәтижелерге қол жеткізуге болады. Бұл беттерді бір-бірімен қоса отырып, ыстық газдар мен ауа өте алатын екі тәуелсіз каналдар тобын алуға болады. Егер жеткілікті дәрежеде жұқа металдық беттерді қолданса, жылу берілу процесі өте эффективті бола алады, және сондықтан бұндай жылу алмастырғыштың габариттері мен салмағы да төмен болады. Аталмыш жылу алмастырғыштардың конструкциясын одан әрі жетілдіру үшін бұл жұқа элементтерді бекітумен және турбина жұмысының режимдерінің өзгеруі кезінде одан шығатын газдар температурасының тұрақсыздығы салдарынан болатын жоғары термиялық кернеулерді төмендетумен байланысты мәселелерді шешу қажет. Пластинкалы жылу алмастырғыш конструкциясының ұсынылған әр нұсқасы патенттеледі [31].
Юзин Шоссон [48] француз фирмасының жылу алмастырғыш конструкциясының бір қызық мысалы 49-суретте көрсетілген. Бұл конструкцияның ерекшелігі - ода қатты металдық беттер жоқ, ал олардың орнына штамптау әдісімен дайындалған қабырғаландаралған элементтер қолданылады. 49-суретте бұндай элемент А және жиналған түрдегі элементтер жұбы Б көрсетілген. Бүкіл жылу алмастырғыш бұл жұптардан бір элемент қабырғасы В басқасының қабырғаларының арасында орналасатындай етіп жинақталады. Конструкцияның бұндай әдісі жылу алмастырғышта кері ағынды схеманы іске асыруға, жылу алмастырғышты қатты қылуға және регенерация дәрежесінің жоғары мәндеріне қол жеткізуге мүмкіндік береді.
Негізінен шағын газ турбиналы қозғалтқыштар жағдайында салмағы өте үлкен бола алмайтын түтікшелі жылу алмастырғыштардың регенерация дәрежеі қысымды жоғалтудың ұйғарынды өлшемдерінде 0,50-ден 0,65-ке дейінгі мәндермен шектеледі. Жұқа металдық беттерден жиналған пластиналы типті жылу алмастырғыш 0,70-0,80-ге тең регенерация дәрежесінің мәніне және шамамен 0,91 кгл.с.-қа тең салмаққа ие бола алады. Алайда бұндай типті жылу алмастырғыштың бағасы салыстырмалы түрде жоғары, әсіресе қиын балқитын дәнекерлермен дәнекерлеу арқылы біріктірулер минималды немесе мүлдем шектетілген болған жағдайда.
Егер конструкция жеткілікті дәрежеде дұрыс жобаланбаған болса, онда сығылған ауаның бір бөлігі пайдаланылған газдарға қосылып кетуі мүмкін, ал бұны анықтау өте қиын болып табылады. Бұндай ағып кетулер қозғалтқыштыі термиялық ПӘК-інің айтарлықтай төмендеуіне алып келеді.
Регенеративті жылу алмастырғыш
Бұл жылу алмастырығыш жылусыйымдылықты типті жылу алмастырғыш ретінде белгілі. Ол негізінен кезектесіп ыстық пайдаланылған газдар ағыны мен одан салқынырақ сығылған ауа ағынының әсеріне ұшырайтын жылусыйымдылықты элементтен тұрады. Бұл элемент пайдаланылған газдар жылуын алып, оны ауаға береді. Әдетте жылусыйымдылықты элемент ыстық пайдаланылған газдар мен сығылған ауа өтетін құбырлар алдында баяу айналып тұратын металдық тордан немесе жылуды аккумуляциялайтын толтырмадан құралады. Толтырмасы бар элементтің формасы цилиндрлік, диск тәрізді немесе секторлы болуы мүмкін, және ол газдар жылуын тез алып, оны ауаға тез беруі қажет. Сығылған ауа қысымы пайдаланылған газдар қысымынан әлдеқайда жоғары болатындықтан, ауаның пайдаланылған газдар жаққа ағып кету қаупі әрқашан болады. Оның нәтижесінде жылу алмастырғыштың регенерация дәрежесі төмендейді, ал бұл өз кезегінде жылу алмаытырғышты пайдалану кезінде қол жеткізілетін ПӘК-інің ұтымының айтарлықтай төмендеуіне алып келеді. Сондықтан, аталмыш типті жылу алмастырғышты жобалау кезіндегі негізгі мәселелердің бірі бұндай жоғалтуларды болдырмау немесе минимумға дейін түсіру болып табылады. Соған байланысты бұндай жылу алмастырғыштардағы нығыздау әдістеріне арналған өте көп патенттер пайда болды.
Регенеративті жылу алмастырғыштың жұмыс істеу принципін 50-суретте салынған схемадан түсінуге болады. Схемадан сығылған ауа мен ыстық пайдаланылған газдар ағып өтетін қозғалмайтын екі құбыр көрінеді. Құбырлардың алдында көлденең бағытта диск немесе цилиндр формалы элемент айналып тұрады. Бұл элементтің толтырмасы ауа мен газдардың олардың бағыттарын өзгертпей өтуіне арналған өте көп өткел түзетін жіңішке сымнан, сымдық тордан, түтікшелерден немесе жұқа металдық беттерден тұруы мүмкін. Бұндай элемент ауа мен газдар ағынының бағытына параллельді оське қатысты айналады. Ыстық пайдаланылған газдар өтетін құбыр тесігімен сәйкес келгенде бұл элемент өте тез газдар жылуын жинап алады. Әрі қарай айнала отырып, элемент сығылған ауа өтетін құбыр тесігімен сәйкес келгенде, жылу ауаға беріледі де, элемент салқындайды. Осылайша жылу берілу процесі толтырмалары арқылы ыстық пайдаланылған газдар мен сығылған ауа өткенде элемнеттің кезектесіп келетін сәйкесінше қызуы мен салқындауынан құралады.
Жылу берілудің бұл әдісі жаңа емес, ол кірпіш зауыттарында ауаны алдын-ала қыздыру үшін және бу қазандықтары үшін (Люнгстрем) қолданылған. Газ турбиналы қозғалтқыштарда алғаш рет жылу берілудің бұл әдісін қолданған Германиялық профессор Ритц болған көрінеді. Кейіннен ол өз жұмыстарын Англияда жалғастырған.
Регенеративті жылу алмастырғыштың негізгі артықшылығы - оның кіші салмағы, шағын көлемі және рекуперативті жылу алмастырғышпен салыстырғанда айтарлықтай үлкен регенерация дәрежесінде.
Бірнеше дискі бар регенеративті жылу алмастырғыштың ең алғаш конструкцияларының бірі 51, а-суретте көрсетілген [32]. Жылу алмастырғыштың қозғалатын жылусыйымдылықты элементі айналатын бөлек екі ротордан тұрады. Роторлардың дисктері әр айналымы кезінде не пайдаланылған газдардың, не сығылған ауаның әсеріне ұшырайды. Салыстыру үшін 51, б-суретте кері ағын принципі бойынша жұмыс істейтін стационарлы типті рекуперативті түтікшелі жылу алмастырғыш келтірілген. Өнімділігі алғашқысымен (а) бірдей болатындай етіпжобаланған бұл жылу алмастырғыш сәйкес масштабта бейнеленген. Бұл екі жылу алмастырғыштардың параметрлері келесідей.
Айналмалы регенератор. Ауа шығыны 45,4 кгсек; регенерация дәрежесі 0,80; газ қысымдарының түсімі 0,049 атм; жылусыйымдылықты элемент салмағы 2500 кг, дисктер саны 10; дисктер диаметрі 1220 мм, габариттері 3600*2440*1830 мм.
Түтікшелі кері ағынды рекуператор. Ауа мен газдар шығыны 45,4 кгсек; регенерация дәрежесі 0,75; газ қысымдарының ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz