Типы газовых турбин. Принцип действия газотурбинных установок (ГТУ) Компоненты газовой турбины

«Турбонаддув», «турбореактивные», «турбовинтовые», - эти термины прочно вошли в лексикон инженеров XX века, занимающихся проектированием и обслуживанием транспортных средств и стационарных электрических установок. Их применяют даже в смежных областях и рекламе, когда хотят придать названию продукта какой-то намек на особую мощность и эффективность. В авиации, ракетах, кораблях и на электростанциях чаще всего применяется газовая турбина. Как она устроена? Работает ли на природном газе (как можно подумать из названия), и какими вообще они бывают? Чем турбина отличается от других типов двигателя внутреннего сгорания? В чем ее преимущества и недостатки? Попытка как можно полнее ответить на эти вопросы предпринята в этой статье.

Российский машиностроительный лидер ОДК

России, в отличие от многих других независимых государств, образовавшихся после распада СССР, удалось в значительной мере сохранить машиностроительную промышленность. В частности, производством силовых установок особого назначения занимается фирма «Сатурн». Газовые турбины этой компании находят применение в судостроении, сырьевой отрасли и энергетики. Продукция высокотехнологична, она требует особого подхода при монтаже, отладке и эксплуатации, а также специальных знаний и дорогостоящей оснастки при плановом обслуживании. Все эти услуги доступны заказчикам фирмы «ОДК - Газовые турбины», так сегодня она называется. Таких предприятий в мире не так уж много, хотя принцип устройства главной продукции на первый взгляд несложен. Имеет огромное значение накопленный опыт, позволяющий учитывать многие технологические тонкости, без чего добиться долговечной и надежной работы агрегата невозможно. Вот лишь часть ассортимента продукции ОДК: газовые турбины, электростанции, агрегаты для перекачки газа. Среди заказчиков - "Росатом", "Газпром" и другие «киты» химической промышленности и энергетики.

Изготовление таких сложных машин требует в каждом случае индивидуального подхода. Расчет газовой турбины в настоящее время полностью автоматизирован, но имеют значение материалы и особенности монтажных схем в каждом отдельном случае.

А начиналось все так просто…

Поиски и пар

Первые опыты преобразования поступательной энергии потока во вращательную силу человечество провело еще в глубокой древности, применив обычное водяное колесо. Все предельно просто, сверху вниз течет жидкость, в ее поток помещаются лопатки. Колесо, снабженное ими по периметру, крутится. Так же работает и ветряная мельница. Затем настал век пара, и вращение колеса убыстрилось. Кстати, так называемый «эолипил», изобретённый древним греком Героном примерно за 130 лет до Рождества Христова, представлял собой паровой двигатель, работающий именно по такому принципу. В сущности, это была первая известная исторической науке газовая турбина (ведь пар - это газообразное агрегатное состояние воды). Сегодня все же принято разделять эти два понятия. К изобретению Герона тогда в Александрии отнеслись без особого восторга, хотя и с любопытством. Промышленное оборудование турбинного типа появилось только в конце XIX века, после создания шведом Густафом Лавалем первого в мире активного силового агрегата, оснащенного соплом. Примерно в том же направлении работал инженер Парсонс, снабдив свою машину несколькими функционально связанными ступенями.

Рождение газовых турбин

Столетием ранее некоему Джону Барберу пришла в голову гениальная мысль. Зачем нужно сначала нагревать пар, не проще ли использовать непосредственно выхлопной газ, образующийся при сгорании горючего, и тем самым устранить ненужное посредничество в процессе преобразования энергии? Так получилась первая настоящая газовая турбина. Патент 1791 года излагает основную идею использования в безлошадной повозке, но его элементы сегодня применяются в современных ракетных, авиационных танковых и автомобильных моторах. Начало процессу реактивного двигателестроения дал в 1930 году Фрэнк Уиттл. Ему пришла идея использовать турбину для приведения в движение самолета. В дальнейшем она нашла развитие в многочисленных турбовинтовых и турбореактивных проектах.

Газовая турбина Николы Тесла

Знаменитый ученый-изобретатель всегда подходил к изучаемым вопросам нестандартно. Для всех казался очевидным тот факт, что колеса с лопатками или лопастями «улавливают» движение среды лучше, чем плоские предметы. Тесла, в свойственной ему манере, доказал, что если собрать роторную систему из дисков, расположениях на оси последовательно, то за счет подхватывания пограничных слоев потоком газа, она будет вращаться не хуже, а в некоторых случаях даже лучше, чем многолопастный пропеллер. Правда, направленность подвижной среды должна быть тангенциальной, что в современных агрегатах не всегда возможно или желательно, но зато существенно упрощается конструкция, - в ней совершенно не нужны лопатки. Газовой турбины по схеме Тесла пока не строят, но возможно, идея лишь ждет своего времени.

Принципиальная схема

Теперь о принципиальном устройстве машины. Она представляет собой совокупность вращающейся системы, насаженной на ось (ротора) и неподвижной части (статора). На валу размещен диск с рабочими лопатками, образующими концентрическую решетку, на них воздействует газ, подаваемый под давлением через специальные сопла. Затем расширившийся газ поступает на крыльчатку, также оборудованную лопатками, называемыми рабочими. Для впуска воздушно-топливной смеси и выпуска (выхлопа) служат особые патрубки. Также в общей схеме участвует компрессор. Он может быть выполнен по различному принципу, в зависимости от требуемого рабочего давления. Для его работы от оси отбирается часть энергии, идущая на сжатие воздуха. Газовая турбина работает за счет процесса сгорания воздушно-топливной смеси, сопровождающегося значительным увеличением объема. Вал вращается, его энергию можно использовать полезно. Такая схема называется одноконтурной, если же она повторяется, то ее считают многоступенчатой.

Достоинства авиационных турбин

Примерно с середины пятидесятых годов появилось новое поколение самолетов, в том числе и пассажирских (в СССР это Ил-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 и т. д.), в конструкции которых авиационные поршневые двигатели окончательно и бесповоротно были вытеснены турбинными. Это свидетельствует о большей эффективности такого типа силовой установки. Характеристики газовой турбины превосходят параметры карбюраторных моторов по многим пунктам, в частности, по отношению мощность/вес, которое для авиации имеет первостепенное значение, а также по не менее важным показателям надежности. Ниже расход топлива, меньше подвижных деталей, лучше экологические параметры, снижен шум и вибрации. Турбины менее критичны к качеству горючего (чего нельзя сказать о топливных системах), их легче обслуживать, они требуют не так много смазочного масла. В общем, на первый взгляд кажется, что состоят они не из металла, а из сплошных достоинств. Увы, это не так.

Есть у газотурбинных двигателей и недостатки

Газовая турбина во время работы нагревается, и передает тепло окружающим ее элементам конструкции. Особенно это критично опять же в авиации, при использовании реданной схемы компоновки, предполагающей омывание реактивной струей нижней части хвостового оперения. Да и сам корпус двигателя требует особой теплоизоляции и применения особых тугоплавких материалов, выдерживающих высокие температуры.

Охлаждение газовых турбин - сложная техническая задача. Шутка ли, они работают в режиме фактически перманентного взрыва, происходящего в корпусе. КПД в некоторых режимах ниже, чем у карбюраторных моторов, впрочем, при использовании двухконтурной схемы этот недостаток устраняется, хотя усложняется конструкция, как и в случае включения в схему компрессоров «дожима». Разгон турбин и выход на рабочий режим требует некоторого времени. Чем чаще происходит запуск и остановка агрегата, тем быстрей он изнашивается.

Правильное применение

Что же, без недостатков ни одна система не обходится. Важно найти такое применение каждой из них, при котором ярче проявятся ее достоинства. Например, танки, такие как американский «Абрамс», в основе силовой установки которого - газовая турбина. Его можно заправлять всем, что горит, от высокооктанового бензина до виски, и он выдает большую мощность. Пример, возможно, не очень удачный, так как опыт применения в Ираке и Афганистане показал уязвимость лопаток компрессора к воздействию песка. Ремонт газовых турбин приходится производить в США, на заводе-изготовителе. Отвести танк туда, потом обратно, да и стоимость самого обслуживания плюс комплектующие…

Вертолеты, российские, американские и других стран, а также мощные быстроходные катера в меньшей степени страдают от засорений. В жидкостных ракетах без них не обойтись.

Современные боевые корабли и гражданские суда также имеют газотурбинные двигатели. А еще энергетика.

Тригенераторные электростанции

Проблемы, с которыми сталкивались авиастроители, не так волнуют тех, кто производит промышленное оборудование для производства электроэнергии. Вес в этом случае уже не так важен, и можно сосредоточиться на таких параметрах, как КПД и общая эффективность. Генераторные газотурбинные агрегаты имеют массивный каркас, надежную станину и более толстые лопасти. Выделяемое тепло вполне возможно утилизировать, используя для самых различных нужд, - от вторичного рециклинга в самой системе, до отопления бытовых помещений и термального питания холодильных установок абсорбционного типа. Такой подход называется тригенераторным, и КПД в этом режиме приближается к 90 %.

Ядерные энергоустановки

Для газовой турбины не имеет принципиальной разницы, каков источник разогретой среды, отдающей свою энергию ее лопаткам. Это может быть и сгоревшая воздушно-топливная смесь, и просто перегретый пар (не обязательно водяной), главное, чтобы он обеспечивал ее бесперебойное питание. По своей сути энергетические установки всех атомных электростанций, подводных лодок, авианосцев, ледоколов и некоторых военных надводных кораблей (ракетный крейсер «Петр Великий», например) имеют в своей основе газовую турбину (ГТУ), вращаемую паром. Вопросы безопасности и экологии диктуют закрытый цикл первого контура. Это означает, что первичный тепловой агент (в первых образцах эту роль выполнял свинец, сейчас его заменили парафином), не покидает приреакторной зоны, обтекая тепловыделяющие элементы по кругу. Нагрев рабочего вещества осуществляется в последующих контурах, и испаренный углекислый газ, гелий или азот вращает колесо турбины.

Широкое применение

Сложные и большие установки практически всегда уникальны, их производство ведется малыми сериями или вообще изготовляются единичные экземпляры. Чаще всего агрегаты, выпускаемые в больших количествах, находят применение в мирных отраслях хозяйства, например, для перекачки углеводородного сырья по трубопроводам. Именно такие и производятся компанией ОДК под маркой «Сатурн». Газовые турбины насосных станций полностью соответствуют по назначению своему названию. Они действительно качают природный газ, используя для своей работы его же энергию.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ ГТУ

Общее устройство и принцип действия ГТУ

Газотурбинным двигателем называется такой двигатель, в ко­тором в качестве рабочего тела используется неконденсирующийся газ (воздух и продукты сгорания топлива или нейтральные газы), а в качестве тягового двигателя применяется газовая турбина.

Термин турбина происходит от латинских слов turbineus – вихреобразный, или turbo – волчок. Турбина и есть двигатель, в котором механическая работа на валу машины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, которая, в свою очередь, получается в результате преобразования потенциаль­ной энергии – энергии сгоревшего топлива в потоке воздуха. В ос­нове современных представлений о превращении теплоты в работу лежат два важнейших положения термодинамики: невозможность создания вечного двигателя первого рода (следствие первого на­чала термодинамики) и невозможность создания вечного двига­теля второго рода, в котором бы теплота полностью превращалась в работу (следствие второго начала термодинамики).

Непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды – рабочего тела и, по мень­шей мере, двух тепловых источников – источника высокой темпе­ратуры (нагреватель), от которого получаем теплоту для преобра­зования части ее в работу, и источника низкой температуры, кото­рому отдаем часть неиспользованной в двигателе теплоты.

Следовательно, всякий тепловой двигатель должен состоять из «нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрес­сорной машины. Причем, если мы хотим непрерывно превращать теплоту в работу, то должны непрерывно наряду с расширением, непрерывно и сжимать рабочее тело, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была меньше работы расширения, т. е. ра­бочее тело должно совершать круговой процесс. Получаемая в теп­ловом двигателе работа определяется как разность работ расшире­ния и сжатия рабочего тела, а с другой стороны (по закону сохра­нения энергии), как разность абсолютных количеств подведенной и отведенной теплоты.

Основным термодинамическим признаком различия поршневых и турбинных двигателей внутреннего сгорания являются особен­ности осуществления круговых процессов: в поршневых двигате­лях основные процессы цикла (сжатие, подвод теплоты, расшире­ние) последовательно сменяют друг друга в одном и том же зам­кнутом пространстве (система цилиндр – поршень), а в турбин­ных двигателях те же процессы непрерывно осуществляются в не­зависимых элементах двигателя, последовательно расположен­ных в общем потоке рабочего тела (например, компрессор – ка­мера сгорания – турбина в простейшем газотурбинном двигате­ле).

Принципиальная схема простейшей ГТУ приведена на рис. 1.1.

Рис 1.1 Принципиальная схема простейшей ГТУ.

1 – осевой компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина;

Принцип действия установки сводится к следующему.

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в атмосферу.

Рассмотрим цикл такой ГТУ в T-S диаграмме (рис. 1.2).

Атмосферный воздух (P=P a , T=T a ) через входное устройство поступает к компрессор (изотерма 0-1); его давление и температуры становятся равными P 1 и T 1 .

Далее в компрессоре воздух сжимается до давления P 2 его температура при этом повышается до T 2 (адиабата 1-2). Отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению на его входе называется степенью сжатия в компрессоре (1.1).

, (1.1)

где π к – степень повышения давления в компрессоре; Р 2 – давление воздуха за компрессором; Р 1 – давление перед компрессором.

В камере сгорания (изобара 2-3) температура рабочего тела повышается до T 3 при постоянном давлении (P 2 = P 3 ).

Затем в турбине смесь воздуха и газа расширяется (адиабата 3-4), ее давление снижается до P 4 , а температура до T 4 . Отношение давления газа на входе в турбину к давлению газа на ее выходе называется степенью расширения в турбине (1.2).

где π т – степень расширения в турбине; Р 3 – давление воздуха перед турбиной; Р 4 – давление за турбиной.

После расширения в турбине отработавшие газы выбрасываются в атмосферу (изотерма 4-5).

Рассмотренный выше цикл является обратимым, так как в нем не учитываются какие-либо потери в процессах сжатия, расширения, подвода теплоты и т.д. В реальных условиях процессы во всех узлах установки отличаются от обратимых, поэтому определение показателей ГТУ на основе обратимых эталонных циклов не представляет практического интереса и может быть оправдано только при сравнительном анализе циклов различных установок. Поэтому на практике оперируют полными параметрами (параметрами заторможенного потока).

Полная температура:

, (1.3)

где Т* – полная температура; Т – статическая температура; с - абсолютная скорость потока; с р – удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Полное давление

, (1.4)

где Р* – полное давление; Р – статическое давление; Т* – полная температура; Т – статическая температура; k – показатель адиабаты.

При параметрах торможения потока получим диаграмму реального цикла ГТУ (рис. 1.3).

Аналогично (1.1) и (1.2) для реального цикла:

Давления в других узлах рассчитываются как:

, (1.6)

где Р* вых – давление на выходе узла; Р* вх – давление на входе в узел, σ –коэффициент потерь для данного узла.

Значения коэффициентов потерь для различных узлов ГТУ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Значения коэффициентов потерь для различных узлов ГТУ

Классификация ГТУ

Существуют следующие классификации ГТУ:

· По области применения:

Ö Авиационные ГТД.

­ турбореактивные;

­ турбовинтовые;

­ 2-х контурные ГТД;

­ турбовентиляторные;

­ вертолетные ГТД;

­ вспомогательные установки.

Ö Стационарные ГТУ для выработки электроэнергии.

Ö Приводные ГТУ (для привода нагнетателей природного газа).

Ö Транспортные ГТУ .

­ судовые;

­ локомотивные;

­ автомобильные;

­ танковые.

Ö Космические ГТУ (источником топлива для них являются атомные реакторы).

Ö Технологические ГТУ (стационарные ГТУ, включенные в технологический цикл произ­водства, например для привода воздуходу­вок в доменном производстве и на нефте­перегонных заводах).

Ö ГТУ в составе комбинированных установок (паро-газовые, газо-паровые, газо-дизельные установки).

· По типу цикла:

Ö Открытый цикл (рис. 1.1).

Ö Замкнутый цикл (рис. 1.4).

Отработавший в турбине 3 газ после регенератора 6 не удаляется в атмосферу, как в ГТУ откры­того типа, а направляется в охладитель 5. Там он охлаж­дается до температуры Т 3 , при этом давление его снижа­ется до P 2 . Охладитель представляет собой теплообмен­ник поверхностного типа, в котором охлаждающей средой служит обычная вода. С точки зрения термодинамики, охлади­тель 5 выполняет роль теплоприёмника (холодного источни­ка). Охлажденный газ поступа­ет в компрессор 4, где сжимается от P 2 до P 1 , за счет че­го температура его повышается от Т 3 до Т 4 . После компрессора газ направляется в регенератор 6, в котором подогревается за счёт газов, выходящих из турбины 3. В замкнутых ГТУ вместо камеры сгорания устанавливается нагреватель 1, в котором рабочее тело (газ или воздух) пропускается внутри трубок. Снаружи эти трубки нагреваются за счет тепла, выделяющего при сгорании топлива в топке, которая по принципу работы схожа с топкой паровых котлов. Поэтому нагреватель ГТУ иногда называют "воздушным котлом". В нагревателе 1, температура рабочего газа резко возрастает до Т 1 , далее газ поступает в тур­бину 3, где расширяется, совершая работу. Температура при этом падает до T 2 . Турбина вращает компрессор 4, а избыточную часть своей мощности отдает потребителю 2. Далее отработавший газ, имея достаточно высокую температуру, направляется в регенератор, где отдает часть своего тепла на подогрев газа, движущегося из компрессора 4 в нагреватель 1.

Затем цикл снова повторяется.

В замкнутой ГТУ циркулирует одно и то же массовое количество рабочего тела, за исключением незна­чительной по величине утечки газа из контура через различные неплотности, которая автоматически восполняется из специального устройства (на рисунке не показано). Мощность установки регулируется изменением давления газа в её контуре за счет изменения массового расхода рабочего газа при сохранении практически неизменными степени повышения давления p , а также Т 1 и Т 3 (максимальной и минимальной температур цикла) с помощью специ­ального центробежного регулятора (на рисунке не показан).

Замкнутые ГТУ по сравнению с открытыми обладают следующими преимуществами:

­ благодаря отсутствию в циркулирующем газе веществ, вы­зывающих коррозию и эрозию лопаточного аппарата, значительно повышается надёжность и долговечность турбины;

­ замкнутые ГТУ могут работать на любых видах топлива, в том числе на твердом и тяжелых сортах жидкого топлива (мазутах);

­ замкнутые ГТУ могут работать на атомной энергии;

­ путем повышения начального давления газа перед компрессором можно в широких пределах увеличивать его весовой расход в ГТУ, а это дает возможность либо в соответствующее число раз увеличить единичную мощность установки, либо при неизменной мощности значительно снизить её вес за счёт уменьшения поверхности теплообменников, размеров ГТУ и диаметров трубопроводов;

­ в замкнутых ГТУ мощность регулируется изменением давления газа в контуре, поэтому к.п.д. установки при раз­личных режимах нагрузки и в широком диапазоне рабочих параметров остаётся не­изменным;

­ в качестве рабочего тела можно использовать любые газообразные вещества, либо обладающие лучшими теплофизическими свойствами, либо позволяющие сделать цикл установки более совершенным и выгодным с термодинамической точки зре­ния, либо имеющие какие-то другие преимущества.

Ö Полузамкнутый цикл.

При таком цикле часть продуктов сгорания отбирается за турбиной и направляется в промежуточную ступень компрессора.

· По количеству валов:

Ö Одновальные ГТУ (рис 1.1).

Преимущества одновальных установок - конструктивная простота, минимальное число турбомашин и подшипников. Так же важным достоинством данных ГТУ является то, что при регенеративном цикле они сохраняют по­стоянный КПД ГТУ при уменьшении нагрузки до 70% и ниже.

Такие ГТУ имеют и не менее существенные недостатки. Жесткая связь осевого компрессора и приводимого нагнетателя существенно ограничивает возможности регулирования агрегата. Мощ­ность в установке данного типа регулируется только изменением расхода топлива. Если нагрузка уменьшается, уменьшают расход топлива, а при этом расход воздуха остается постоянным, поскольку компрессор, газовая турбина и нагрузка жестко связаны одним валом. Уменьшение расхода топлива, таким образом, ведет к уменьшению температуры за камерой сгорания, что уменьшает к.п.д. ГТУ.

Ö Двухвальные ГТУ .

В таких установках выделяют газогенераторную часть (компрессор и приводящая его турбина) иблок свободной силовой турбины.

Рис. 1.8. Принципиальная схема двухвальной ГТУ.

1-компрессор; 2-турбина высокого давления; 3-турбина низкого давления (силовая); 4-нагрузка (нагнетатель); 5-камера сгорания.

В такой установке турбина разделена на 2 ча­сти (рис 1.8).

Одна часть, обычно высокого давления 2, служит приводом компрессора 1 и может работать с переменным числом оборотов. Вторая часть, силовая турбина 3, работает со строго постоянным числом оборотов, если она предназначена для привода электрогенератора, и может иметь практически любую скорость вращения, ес­ли она предназначена для привода нагнетателя. Регулирование в ГТУ этого типа осуществляется не только путем изменения расхо­да топлива, но и за счет изменения расхода воздуха, подаваемого компрессором 1.

Такой метод позволяет значительно меньше снижать или вооб­ще не снижать температуру рабочего тела за камерой сгорания при работе на частичных нагрузках и тем самым поддерживать к.п.д. цикла на более высоком уровне.

Ö Трехвальные ГТУ .

Рис. 1.9. Принципиальная схема трехвальной ГТУ.

1-компрессор низкого давления; 2-компрессор высокого давления; 3-камера сгорания; 4- турбина высокого давления; 5-турбина низкого давления;

6-свободная турбина; 7-нагнетатель.

При больших степенях сжатия наблюдается различие расходов воздуха в начале и в конце проточной части компрессора, что может привести к помпажу. Для устранения этого явления компрессор делят на 2 и более частей, называемых каскадами. Каждый каскад имеет свою частоту вращения, за счет чего расход воздуха через них выравнивается. Каждый каскад приводится отдельной турбиной.

В любом случае на каждом валу должно быть не менее двух подшипниковых узлов: один – опорный, второй – опорно-упорный. При меняются подшипники качения и скольжения.

· По сложности термодинамического цикла :

Ö Простейший термодинамический цикл.

Рис. 1.10. T-S диаграмма простейшего термодинамического цикла.

Такой цикл используется в 90% всех используемых в мире ГТУ.

Ö Цикл с охлаждением в процессе сжатия.

Рис 1.11. Схема двухступенчатого компрессора

с промежуточным охладителем.

1 – компрессор низкого давления; 2 – компрессор высокого давления;

3 – охладитель.

Работа, затрачиваемая на сжатие, при прочих равных условиях будет наименьшей, если процесс осуществляется изотермически, но для этого необходимо постоянно отводить теплоту от рабочего тела, что конструктивно практически невозможно осуществить.

Чтобы приблизить процесс к изотермическому и уменьшить затрачиваемую работу, променяют ступенчатое сжатие с охлаждением воздуха после каждой ступени в промежуточных холодильниках.

На практике данный принцип осуществляется при помощи ступенчатого компрессора и холодильника (Рис 1.11). Очевидно, что, чем больше таких ступеней с холо­дильниками, тем ближе к изотермическому станет и процесс сжатия. T-S диаграмма такого цикла представлена на рис. 1.12.

Ö Цикл с подогревом в процессе расширения.

Повышение экономичности, снижение удельного расхода возду­ха и газа, а, следовательно, увеличение единичной мощности могут быть достигнуть также при помощи ступенчатого расширения с промежуточным подводом теплоты в камерах сгорания, расположенных последовательно по ходу газа между турбинами. В этом случае процесс расширения приближается к изотермическому, а это приво­дит к увеличению располагаемой работы турбины. Схема ГТУ с двухступен­чатым расширением и про­межуточным подогревом ра­бочего газа представлена на рис. 1.13.

Рис 1.13. Принципиальная схема ГТУ с промежуточным подогревом газа.

1 – камера сгорания; 2 – турбина высокого давления; 3 – камера сгорания промежуточного подогрева газа; 4 – силовая турбина.

Воздух из компрессо­ра, пройдя регенератор, поступает в КС 1, после которой рабочий газ с температурой Т * 3 направ­ляется в ТВД 2. Здесь происходит частичное рас­ширение газа. После ТВД рабочий газ отводится в КСППГ 3, в которой за счет дополни­тельного сжигания топлива его температура повышается до Т * 31 . В виду большого коэффициента избытка воздуха после КСВД сжигание топлива в КСНД происходит интенсивно без дополни­тельной подачи воздуха. Из КСППГ рабочий газ поступает в СТ 4, после которой отводится в атмосферу.

Цикл ГТУ с промежуточ­ным подогревом изображен на рис. 1.14.

Здесь показаны следующие процессы: 3-41 – расширение рабоче­го газа в ТВД; 41-31 – под­вод теплоты в КСППГ; 31-4 – расширение рабочего газа в СТ.

Ö Парогазовые установки (ПГУ).

Стремление повысить технико-экономические показатели энер­гетических установок путем рационального сочетания особенностей парового и газотурбинного циклов привело к созданию парогазовых установок (ПГУ). Упрощенная принципиальная схема ПГУ приведена на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Принципиальная схема ПТУ:

1 – компрессор; 2 – парогенератор; 3 – газовая турбина; 4 – паровая турбина;

5 – нагрузка; 6 – конденсатор; 7 – насос; 8 – система теплообменников

Установка, работает следующим образом.

Атмосферный воздух снимается в компрессоре 1 и направляется в парогенератор (паровой котел) 2. Тут же подается топливо. На выходе из парогенератора температура продуктов сгорания снижается за счет передачи теплоты на нагрев воды и производство пара.

Полученный перегретый пар с давлением поступает в паровую турбину 4, где расширяясь до глубокого вакуума, совершает работу, и далее конденсируется в конденсаторе 6, Конденсат (питательная вода) подается насосом 7 в систему теплообменников 6, где нагревается до температуры кипения, и далее в парогенератор 2, таким образом, паровой цикл замыкается.

Газотурбинная часть установки работает по принципу открытой ГТУ. Продукты сгорания поступают в газовую турбину 3 и расширяются там. Отработав в турбине, они пропускаются через систему теплообменников 8, где охлаждаются питательной водой, и затем удаляются в атмосферу.

Цикл комбинированной парогазовой установки (рис. 1.16) строится для 1 кг водяного пара и соответствующего количества газа, приходящегося на 1 кг вода.

В цикле газотурбинной установки подводится теплота, равная площади а-5-1-г, и получается полезная работа L ЦГ , равная площади 1-2-3-4-5. В цикле паровой установки при его раздельном осуществлении количество подведённой теплоты равно площади в-8-9-10-11-6-е, а полезная работа L ЦП - площади 6-7-8-9-10-11. Теплота отра­ботавших в турбине газов, равная площади а-4-2-г, при раздельном осуществлении обоих циклов выбрасы­вается в атмосферу. В парогазовом цикле теплота, вы­деляющаяся при охлаждении газов по линии 2-3 и равная площади б-З-2-г, не выбрасывается в атмосфе­ру, а используется на по­догрев питательной воды по линии 8-9 в системе те­плообменников 8.

Теплота, затрачиваемая на образование пара в котле, умень­шается на количество, равное заштрихованной площадке в-8-9-д, а эффективность комбинированного цикла увеличивается, поскольку суммарная полезная работа обоих циклов L ЦГ + L ЦП одинакова при совместном и раздельном их осуществлении.

ПТУ имеют довольно высокий К.П.Д. примерно 42 %. Это объ­ясняется следующим образом. Рассмотренный парогазовый цикл, с точки зрения термодинамики, представляет бинарный цикл, состоящий из газовой и паровой ступеней. В газовой ступени используется более высокая температура рабочего тела, чем, в современных парогазовых установках, т.е. средняя температура подвода тепла в парогазовом цикле выше, чем в паровом. В то же время паровая ступень позволяет воспользоваться преимуществом парового цикла, в котором температурный уровень отвода тепла в теплоприемник близок к температуре окружающей среды, а в газотурбинном цикле он значительно выше даже после регенератора. Поэтому К.П.Д. парогазовой установки будет выше, чем К.П.Д. ГТУ и ПТУ в отдельности.

Ö ГТУ с поршневыми камерами сгорания.

Все большее распространение получают энергетические уста­новка, в которых газовая турбина работает совместно со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ). В этих установках удачно со­четаются положительные качества турбины (меньший вес и габариты, способность работав с большим числом оборотов и т.д.) с отно­сительно высокой экономичностью ДВС.

Принципиальная схема ГТУ с СПГГ приведена на рис. 1.17.

Роль компрессора и одновременно камеры сгорания выполняет СПГГ, который по принципу действия напоминает двухтактный дизель высокого наддува с противоположно движущимися поршнями. Поршни 10 компрессоров при движении навстречу друг друга сжимают воздух и вытесняют его из полостей 2 через клапаны 4 в продувочный ресивер 11, оттуда через продувочные окно 6 воздух поступает в "дизельный" цилиндр 9 сначала для продувки его, а затем для наполнения свежим зарядом. Когда поршни 5 сблизятся и займут почти крайнее относительно друг друга положение, в цилиндр 9 через фор­сунку 7 впрыскивается топливо. Так же, как в дизеле,

Рис. 1.17. ГТУ с поршневой камерой сгорания:

1-буферная полость; 2-компессорные полости; 3-впускныв клапана; 4перепускные клапаны; 5-поршень; 6-продувочные окна; 7-форсунка; 8-выпускные окна; 9-цилиндр («дизельный»); 10-поршни компрессоров; 11-продувочный ресивер; 12-уравнительный ресивер; 13-турбина; 14-нагрзка.

оно самовоспламеняется от сжатия. Вследствие расширения газов в цилиндре 9 при сгорании топлива поршни 5 начинают расходиться в противопо­ложные стороны. При этом поршни 10, жестко связанные с поршнями 5, сжимают воздух в буферных полостях 1. Одновременно через кла­паны 3 всасывается атмосферный воздух в компрессорные полости 2. Далее, как только поршень 5 откроет выпускные окна 8, газы из дизельного цилиндра выпускаются в уравнительной ресивер 12, а из него смесь газов с продувочным воздухом направляется в турбину 13. Развиваемая турбиной мощность почти целиком отдается потребителю 14. Для перемещения поршней снова навстречу друг другу используется энергия сжатого воздуха, находящегося в буферных полостях 1. Затем цикл повторяется.

К.П.Д. ГТУ с СПГГ составляет 30...35 %, а иногда больше 40 %. Высокая их экономичность объясняется большим перепадом температур, с которым осуществляется рабочий процесс. Высшей тем­пературой является температура сгорания топлива в "дизельном" цилиндре (порядка 1800°С), а низшей - температура газов, выпус­каемых из турбины (200...300°С).

ГТУ с СПГГ применяются на некоторых судах, локомотивах, и на стационарных объектах различного назначения.

Основной недостаток ГТУ с СПГГ - определенная сложность и недоработанность самого СПГГ. Это существенно снижает надежность и долговечность их работы, а в итоге ограничивает темпы и масштабы их внедрения.

Похожая информация.

Газовой турбиной принято называть непрерывно действующий двигатель. Далее пойдёт речь о том, как устроена газовая турбина, в чем заключается принцип работы агрегата. Особенностью такого двигателя является то, что внутри него энергия продуцируется сжатым или нагретым газом, результатом преобразования которого является механическая работа на валу.

История создания газовой турбины

Интересно, что механизмы турбин начали разрабатываться инженерами уже очень давно. Первая примитивная паровая турбина была создана ещё в I веке до н. э.! Конечно же, своего существенног
о расцвета данный механизм достиг только сейчас. Активно разрабатываться турбины начали в конце XIX века одновременно с развитием и совершенствованием термодинамики, машиностроения и металлургии.

Менялись принципы механизмов, материалы, сплавы, всё совершенствовалось и вот, на сегодняшний день человечеству известна наиболее совершенная из всех ранее существующих форм газовой турбины, которая разграничивается на различные типы. Есть авиационная газовая турбина, а есть промышленная.

Газовой турбиной принято называть своеобразный тепловой двигатель, его рабочим частям предопределено только одно задание – вращаться вследствие воздействия струи газа.

Устроена она таким образом, что главная часть турбины представлена колесом, на которое прикреплены наборы лопаток. , воздействуя на лопатки газовой турбины, заставляет их двигаться и вращать колесо. Колесо в свою очередь жёстко скреплено с валом. Этот тандем имеет специальное название – ротор турбины. Вследствие этого движения, происходящего внутри двигателя газовой турбины, достигается получение механической энергии, которая передаётся на электрогенератор, на гребной винт корабля, на воздушный винт самолёта и другие рабочие механизмы аналогичного принципа действия.

Активные и реактивные турбины

Воздействие газовой струи на лопатки турбины может быть двояким. Поэтому турбины разделяются на классы: класс активных и реактивных турбин. Отличаются реактивная и активная газовая турбина принципом устройства.

Активная турбина

Активная турбина характеризуется тем, что здесь отмечается большая скорость поступления газа на рабочие лопатки. При помощи изогнутой лопатки, струя газа отклоняется от своей траектории движения. В результате отклонения развивается большая центробежная сила. С помощью этой силы лопатки приводятся в движение. Во время всего описанного пути газа происходит потеря части его энергии. Такая энергия и направлена на движение рабочего колеса и вала.

Реактивная турбина

В реактивной турбине всё несколько иначе. Здесь поступление газа к рабочим лопаткам осуществляется на незначительной скорости и под воздействием большого уровня давления. Форма лопаток так же отлична, благодаря чему скорость газа значительно увеличивается. Таким образом, струя газа создаёт своего рода реактивную силу.

Из описываемого выше механизма следует, что устройство газовой турбины достаточно непростое. Дабы такой агрегат работал бесперебойно и приносил своему владельцу прибыль и выгоду, следует доверить его обслуживание профессионалам. Сервисные профильные компании обеспечивают сервисное обслуживание установок, использующих газовые турбины, поставки комплектующих, всевозможных частей и деталей. DMEnergy — одна из таких компаний (), которые обеспечивают своему клиенту спокойствие и уверенность в том, что он не останется один на один с проблемами, возникающими в ходе эксплуатации газовой турбины.

Принцип действия газотурбинных установок

Рис.1. Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла

В компрессор (1) газотурбинного силового агрегата подается чистый воздух. Под высоким давлением воздух из компрессора направляется в камеру сгорания (2), куда подается и основное топливо - газ. Смесь воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси образуется энергия в виде потока раскаленных газов. Этот поток с высокой скоростью устремляется на рабочее колесо турбины (3) и вращает его. Вращательная кинетическая энергия через вал турбины приводит в действие компрессор и электрический генератор (4). С клемм электрогенератора произведенное электричество, обычно через трансформатор, направляется в электросеть, к потребителям энергии.

Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона Цикл Брайтона/Джоуля - термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

Цикл назван в честь американского инженера Джорджа Брайтона, который изобрёл поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Иногда этот цикл называют также циклом Джоуля - в честь английского физика Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент тепла.

Рис.2. P,V диаграмма цикла Брайтона

Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов:

• 1-2 Изоэнтропическое сжатие.
• 2-3 Изобарический подвод теплоты.
• 3-4 Изоэнтропическое расширение.
• 4-1 Изобарический отвод теплоты.

С учётом отличий реальных адиабатических процессов расширения и сжатия от изоэнтропических, строится реальный цикл Брайтона (1-2p-3-4p-1 на T-S диаграмме)(рис.3)

Рис.3. T-S диаграмма цикла Брайтона
Идеального (1-2-3-4-1)
Реального (1-2p-3-4p-1)

Термический КПД идеального цикла Брайтона принято выражать формулой:

• где П = p2 / p1 - степень повышения давления в процессе изоэнтропийного сжатия (1-2);
• k - показатель адиабаты (для воздуха равный 1,4)

Следует особо отметить, что этот общепринятый способ вычисления КПД цикла затемняет суть происходящего процесса. Предельный КПД термодинамического цикла вычисляется через отношение температур по формуле Карно:

• где T1 - температура холодильника;
• T2 - температура нагревателя.

Ровно это же отношение температур можно выразить через величину применяемых в цикле отношений давлений и показатель адиабаты:

Таким образом КПД цикла Брайтона, зависит от начальной и конечной температур цикла ровно так же, как и КПД цикла Карно. При бесконечно малой величине нагрева рабочего тела по линии (2-3) процесс можно считать изотермическим и полностью эквивалентным циклу Карно. Величина нагрева рабочего тела T3 при изобарическом процессе определяет величину работы отнесённую к количеству использованного в цикле рабочего тела, но ни каким образом не влияет на термический КПД цикла. Однако при практической реализации цикла нагрев обычно производится до возможно больших величин ограниченных жаростойкостью применяемых материалов с целью минимизировать размеры механизмов осуществляющих сжатие и расширение рабочего тела.

На практике, трение и турбулентность вызывают:

• Неадиабатическое сжатие: для данного общего коэффициента давления температура нагнетания компрессора выше идеальной.
• Неадиабатическое расширение: хотя температура турбины падает до уровня, необходимого для работы, на компрессор это не влияет, коэффициент давления выше, в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
• Потери давления в воздухозаборнике, камере сгорания и на выходе: в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которые, в противном случае, теряется впустую.

Рекуператоры - это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал/компрессор/турбина/альтернативный ротор в сборе (см. изображение ниже), не учитывая топливную систему.

Рис.4. Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор,
турбину, рекуператор, и воздушные подшипники.

Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток, движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.

Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина - с частотой около 100000 об/мин.



Газовые турбины присутствуют во многих моделях жидкотопливных ракет, а также в турбонасосах, что позволяет использовать последние в легких резервуарах низкого давления, содержащих немалую сухую массу.

Виды газовых турбин

Рассмотрим, какие бывают газовые турбины

Промышленные — для выработки электричества

Их отличие от авиационных — в значительно больших габаритах. Каркас, подшипники и система лопастей в промышленных газовых турбинах гораздо массивнее. Размеры промышленных турбин варьируют в довольно больших пределах — от компактных мобильных установок, монтируемых на грузовики, до огромных газотурбинных комплексов.

• Парогазовые турбины имеют КПД до 60% — если выхлоп используется в рекуперативном паровом генераторе. Увеличивает КПД работа в когенераторных конфигурациях, когда выхлоп используется для отопления или — в холодильных машинах — для выработки холода. Возможно и одновременная выработка тепла и холода — этот процесс называется тригенерация.
• Газовые турбины простого цикла имеют различную мощность. На вхождение в рабочий режим уходит всего несколько минут, что позволяет использовать из при пиковых нагрузках. Ввиду меньшей, сравнительно с комбинированными электростанциями, эффективности, используется данный тип турбин нечасто — от нескольких часов до нескольких десятков часов в год, чаще при пиковых нагрузках. В местностях с малой базовой нагрузкой, а также там, где электрические мощности зависят от нагрузки, подобная газотурбинная установка работает большую часть дня.

Микротурбины

Их успех отчасти обусловлен бурным распространением электроники, взявшим на себя часть функций человека. Используются микротурбины в наиболее сложных системах автономного электроснабжения. Рассмотрим их подробнее.

Микротурбины предпочтительнее поршневых автономных электростанций по ряду параметров. Так, у них увеличенная площадь мощности, крайне низкая эмиссия, всего одна или несколько движущихся частей. В некоторых моделях присутствуют воздушные подшипники и система воздушного охлаждения, не требующая моторного масла и охлаждающе-смазочных жидкостей.

Еще одним преимуществом микротурбин является сосредоточение большей части выделяемого тепла в выхлопной системе с достаточно высокой температурой, в то время как тепло, выделяемое возвратно-поступательными двигателями, рассредоточивается между охлаждающей системой и выхлопом.

Работают микротурбины на различных видах промышленного топлива: природном газе, пропане, керосине, дизтопливе попутном нефтяном газе. Возможно использование возобновляемых видов топлива: биогаза, биодизеля, Е85.

Микротурбина состоит из компрессора, одноступенчатой радиальной трубы, инвертора и рекуператора. Теплом выходящих дымовых газов подогревается вода, воздух; также оно используется для осушения или выработки холода для кондиционирования воздуха в холодильных машинах. Таким образом, бесплатная тепловая энергия используется вместо электрической.

КПД стандартных микротурбин достигает 35%; в режиме когенерации коэффициент использования топлива достигает 85%.

Подытожим основные преимущества микротурбин:

• Способность воспринимать электрические нагрузки в диапазоне 1-100%;
• Возможность долговременной работы на сверхнизкой мощности — 1%;
• Низкая эмиссия;
• Нет дымовых труб;
• Не нуждаются в смазочных и охлаждающих жидкостях;
• Возможность быстрого подключения к электрическим и тепловым сетям, топливным магистралям;
• Сервисное обслуживание занимает 1 день в году;
• Пониженный уровень шума и вибраций;
• Возможность дистанционного контроля;
• Компактность — микротурбинную электростанцию можно размещать на крышах зданий;
• Благодаря инвертору вырабатывается высококачественная электроэнергия;
• Когенерация — совместная выработка электричества и тепла;
• Возможность эксплуатации в экстремальных климатических условиях (в Арктике, на Крайнем Севере).

Особенности и преимущества микротурбин определяют сферу их применения. Это:

• Энергоснабжение торговых комплексов, дата-центров, стройплощадок, фармацевтических складов, объектов аграрного сектора;
• Энергоснабжение местностей со сложными климатическими условиями (Крайний Север);
• В нефтегазовой сфере — утилизация ПНГ;
• Децентрализованное энергоснабжение.

Таковы основные виды газовых турбин