التوربينات البخارية والغازية: الغرض، مبدأ التشغيل، التصاميم، الخصائص التقنية، ميزات التشغيل. أنواع توربينات الغاز كيف تعمل توربينات الغاز

تجمع التوربينات الغازية، كمحرك حراري، بين السمات المميزة للتوربينات البخارية ومحرك الاحتراق الداخلي، حيث يتم تحويل طاقة الوقود أثناء احتراقه مباشرة إلى عمل ميكانيكي. مائع العمل لتوربينات الغاز العاملة في دورة مفتوحة هو منتجات احتراق الوقود، ومائع العمل لتوربينات الغاز العاملة في دورة مغلقة هو الهواء النظيف أو الغاز الذي يدور باستمرار في النظام. على متن السفن، تُستخدم وحدات توربينات الغاز (GTUs)، التي تعمل في دورة مفتوحة، مع احتراق الوقود عند ضغط ثابت (p = const) ووحدات GTU، التي تعمل في دورة مغلقة.

حاليًا، تنقسم توربينات الغاز الخاصة بالسفن إلى نوعين: 1) ضاغط توربيني و2) مع مولدات غاز ذات مكبس حر (LPGG).

يظهر في الشكل رسم تخطيطي لأبسط تركيب لتوربينات الغاز ذات الضاغط التوربيني والتي تعمل عند ضغط ثابت لاحتراق الوقود. 101. يمتص الضاغط 9 الهواء الجوي النظيف ويضغطه إلى ضغط مرتفع ويمرره عبر مجرى الهواء3 في غرفة الاحتراق 2، حيث في وقت واحد من خلال الفوهة1 يتم توفير الوقود. يشكل الوقود عند مزجه بالهواء خليطًا عاملاً يحترق عندمار = ثابت. يتم تبريد منتجات الاحتراق الناتجة بالهواء وتوجيهها إلى مسار تدفق التوربين. في الشفرات الثابتة 4، تتوسع منتجات الاحتراق وتدخل بسرعة عالية إلى ريش العمل 5، حيث يتم تحويل الطاقة الحركية لتدفق الغاز إلى عمل ميكانيكي لدوران العمود. من خلال الأنبوب رقم 6، تخرج غازات العادم من التوربين. يقوم التوربين الغازي بتدوير الضاغط 9 ومن خلال علبة التروس7 المروحة 8. لبدء التثبيت، يتم استخدام محرك البدء 10، الذي يقوم بتدوير الضاغط إلى أدنى سرعة دوران.

ويوضح نفس الشكل الدورة النظرية لوحدة التوربينات الغازية المعنية بالإحداثيات p - ? وس - T: AB - عملية ضغط الهواء في الضاغط؛ قبل الميلاد-احتراق الوقود عند ضغط ثابت في غرفة الاحتراق؛ SD - تمدد الغاز في التوربين، نعم - إزالة الحرارة من غازات العادم.

لزيادة كفاءة تشغيل توربينات الغاز، يتم استخدام التسخين المتجدد للهواء الداخل إلى غرفة الاحتراق أو الاحتراق المرحلي للوقود في العديد من غرف الاحتراق المتعاقبة التي تخدم التوربينات الفردية. ونظرًا لتعقيد تصميمه، نادرًا ما يتم استخدام الاحتراق المرحلي. ومن أجل زيادة الكفاءة الفعالة للتركيب، إلى جانب التجديد، يتم استخدام ضغط الهواء على مرحلتين، في حين يتم تضمين مبرد الهواء بين الضواغط، مما يقلل من الطاقة المطلوبة للضاغط عالي الضغط.

في التين. يُظهر 102 رسمًا تخطيطيًا لأبسط تركيب لتوربينات الغاز مع احتراق الوقود عندر = ثابت واسترداد الحرارة. الهواء المضغوط في الضاغط1 ، يمر عبر المجدد 2 إلى غرفة الاحتراق3 حيث يتم تسخينه بواسطة حرارة الغازات العادمة مما يترك التوربين 4 عند درجة حرارة عالية نسبياً. تظهر الدورة الفعلية لهذا التثبيت في مخطط S-T (الشكل 103): عملية ضغط الهواء في الضاغط1 - 2 ; تسخين الهواء في المجدد، يرافقه انخفاض في الضغط منر 2 قبلر 4 2 - 3؛ إمدادات الحرارة أثناء احتراق الوقود 3 - 4؛ عملية تمدد الغاز الفعلية في التوربينات4-5 ; تبريد الغازات في المجدد مع فقدان الضغط ص 5 -ر 1 5-6؛ إطلاق الغازات - إزالة الحرارة6-1 . يتم تمثيل كمية الحرارة التي يستقبلها الهواء في المجدد بمساحة 2"-2-3-3"، ويتم تمثيل كمية الحرارة المنبعثة من غازات العادم في المجدد بمساحة 6"-6-5-5". هذه المناطق متساوية مع بعضها البعض.

في وحدة توربينات الغاز ذات الدورة المغلقة، لا يدخل سائل العمل المستهلك إلى الغلاف الجوي، ولكن بعد التبريد المسبق يتم إرساله مرة أخرى إلى الضاغط. وبالتالي، يتم تداول سائل العمل غير الملوث بمنتجات الاحتراق في الدورة. يؤدي ذلك إلى تحسين ظروف تشغيل أجزاء تدفق التوربينات، مما يؤدي إلى زيادة موثوقية التركيب وزيادة في عمر الخدمة. لا تختلط منتجات الاحتراق مع سائل العمل وبالتالي فإن أي نوع من الوقود مناسب للاحتراق.

في التين. يوضح الشكل 104 رسمًا تخطيطيًا لوحدة توربينات الغاز البحرية ذات الدورة المغلقة لجميع الأوضاع. يدخل الهواء بعد التبريد المسبق في مبرد الهواء 4 إلى الضاغط5 ، والتي يقودها توربين عالي الضغط7 . يتم توجيه الهواء من الضاغط إلى المجدد3 ، ثم إلى سخان الهواء 6، الذي يؤدي نفس الدور الذي تؤديه غرفة الاحتراق في التركيبات المفتوحة. من سخان الهواء، يدخل الهواء العامل عند درجة حرارة 700 درجة مئوية إلى توربينات الضغط العالي7 الذي يقوم بتدوير الضاغط ومن ثم إلى توربين الضغط المنخفض2 والتي من خلال علبة التروس1 يقود المروحة الملعب القابلة للتعديل. تم تصميم المحرك الكهربائي 8 لبدء التثبيت في التشغيل. تشمل عيوب توربينات الغاز ذات الدورة المغلقة ضخامة المبادلات الحرارية.

ومما له أهمية خاصة وحدات توربينات الغاز ذات الدورة المغلقة مع مفاعل نووي. في هذه المنشآت، يتم استخدام الهيليوم والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون كمائع تشغيل توربينات الغاز (المبرد). ولا يتم تنشيط هذه الغازات في المفاعل النووي. يتم إرسال الغاز الذي يتم تسخينه في المفاعل إلى درجة حرارة عالية مباشرة للعمل في توربينات الغاز.

المزايا الرئيسية لتوربينات الغاز مقارنة بالتوربينات البخارية هي: انخفاض الوزن والأبعاد، حيث لا توجد غرفة مرجل ووحدة تكثيف مع آليات وأجهزة مساعدة؛ بدء التشغيل السريع وتطوير الطاقة الكاملة خلال 10-15 دقيقة/ استهلاك منخفض جدًا لمياه التبريد؛ سهولة الصيانة.

المزايا الرئيسية لتوربينات الغاز مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي هي: عدم وجود آلية كرنك وقوى القصور الذاتي المرتبطة بها؛ وزن منخفض وأبعاد ذات طاقة عالية (توربينات الغاز أخف وزنًا بمقدار 2-2.5 مرة وأقصر طولًا بمقدار 1.5-2 مرة من محركات الديزل) ؛ إمكانية العمل على وقود منخفض الجودة؛ انخفاض تكاليف التشغيل. عيوب توربينات الغاز هي كما يلي: عمر الخدمة القصير عند درجات حرارة الغاز المرتفعة (على سبيل المثال، عند درجة حرارة الغاز 1173 درجة كلفن، عمر الخدمة هو 500-1000 ساعة)؛ كفاءة أقل من محركات الديزل. ضجيج كبير أثناء التشغيل.

حاليا، تستخدم توربينات الغاز كمحركات رئيسية لسفن النقل البحري. في بعض الحالات، تُستخدم توربينات الغاز منخفضة الطاقة لتشغيل المضخات، ومولدات الكهرباء في حالات الطوارئ، وضواغط الشحن المساعدة، وما إلى ذلك. وتحظى توربينات الغاز بأهمية خاصة كمحركات رئيسية للسفن المائية والحوامات.

"الشحن التوربيني"، "الشاحن التوربيني النفاث"، "المحرك التوربيني" - دخلت هذه المصطلحات بقوة في مفردات مهندسي القرن العشرين المشاركين في تصميم وصيانة المركبات والتركيبات الكهربائية الثابتة. يتم استخدامها حتى في المجالات والإعلانات ذات الصلة، عندما يريدون إعطاء اسم المنتج بعض التلميح للقوة والكفاءة الخاصة. غالبًا ما يتم استخدام توربينات الغاز في الطيران والصواريخ والسفن ومحطات الطاقة. كيف يتم هيكلتها؟ هل يعمل بالغاز الطبيعي (كما قد يتبادر إلى ذهنك من الاسم)، وما هي أنواع الغاز؟ كيف يختلف التوربين عن الأنواع الأخرى من محركات الاحتراق الداخلي؟ ما هي مزاياها وعيوبها؟ تتم محاولة الإجابة على هذه الأسئلة بشكل كامل قدر الإمكان في هذه المقالة.

زعيم الهندسة الروسية UEC

تمكنت روسيا، على عكس العديد من الدول المستقلة الأخرى التي تشكلت بعد انهيار الاتحاد السوفييتي، من الحفاظ على صناعة بناء الآلات إلى حد كبير. على وجه الخصوص، تعمل شركة Saturn في إنتاج محطات توليد الطاقة ذات الأغراض الخاصة. وتستخدم توربينات الغاز الخاصة بالشركة في بناء السفن وصناعة المواد الخام وقطاع الطاقة. تتميز المنتجات بأنها عالية التقنية، وتتطلب نهجًا خاصًا أثناء التثبيت والتصحيح والتشغيل، بالإضافة إلى معرفة خاصة ومعدات باهظة الثمن للصيانة الروتينية. كل هذه الخدمات متاحة لعملاء شركة "UEC - Gas Turbines" كما تسمى اليوم. لا يوجد الكثير من هذه المؤسسات في العالم، على الرغم من أن مبدأ المنتج الرئيسي بسيط للوهلة الأولى. إن الخبرة المتراكمة لها أهمية كبيرة، مما يسمح لنا بمراعاة العديد من التفاصيل التكنولوجية الدقيقة، والتي بدونها يستحيل تحقيق التشغيل الدائم والموثوق للوحدة. هذا مجرد جزء من مجموعة منتجات شركة UEC: توربينات الغاز ومحطات الطاقة ووحدات ضخ الغاز. ومن بين العملاء روساتوم وغازبروم وغيرهما من "الحيتان" في الصناعة الكيميائية والطاقة.

يتطلب إنتاج مثل هذه الآلات المعقدة اتباع نهج فردي في كل حالة. يتم حاليًا حساب توربينات الغاز بشكل آلي بالكامل، ولكن المواد والميزات الخاصة بمخططات التثبيت مهمة في كل حالة على حدة.

وبدأ الأمر بكل بساطة..

عمليات البحث والأزواج

أجرت البشرية التجارب الأولى في تحويل الطاقة الانتقالية للتدفق إلى قوة دورانية في العصور القديمة باستخدام عجلة مائية عادية. كل شيء بسيط للغاية، يتدفق السائل من الأعلى إلى الأسفل، ويتم وضع الشفرات في تدفقه. تدور العجلة المجهزة بها حول المحيط. تعمل طاحونة الهواء بنفس الطريقة. ثم جاء عصر البخار، وتسارع دوران العجلة. بالمناسبة، فإن ما يسمى بـ "إيوليبيل"، الذي اخترعه مالك الحزين اليوناني القديم قبل حوالي 130 عامًا من ميلاد المسيح، كان عبارة عن محرك بخاري يعمل وفقًا لهذا المبدأ بالضبط. في جوهرها، كانت أول توربينات غازية معروفة للعلم التاريخي (بعد كل شيء، البخار هو حالة غازية من تجميع الماء). اليوم لا يزال من المعتاد الفصل بين هذين المفهومين. في ذلك الوقت في الإسكندرية كان رد فعلهم على اختراع هيرون دون الكثير من الحماس، ولكن مع الفضول. ظهرت المعدات الصناعية من النوع التوربيني فقط في نهاية القرن التاسع عشر، بعد إنشاء السويدي غوستاف لافال لأول وحدة طاقة نشطة في العالم مزودة بفوهة. عمل المهندس بارسونز في نفس الاتجاه تقريبًا، حيث قام بتجهيز آلته بعدة مراحل وظيفية مترابطة.

ولادة توربينات الغاز

قبل قرن من الزمان، جاء جون باربر بفكرة رائعة. لماذا تحتاج إلى تسخين البخار أولا؟ أليس من الأسهل استخدام غاز العادم المتولد أثناء احتراق الوقود مباشرة، وبالتالي التخلص من الوساطة غير الضرورية في عملية تحويل الطاقة؟ هكذا ظهرت أول توربينة غازية حقيقية. وتحدد براءة الاختراع لعام 1791 الفكرة الأساسية للاستخدام في عربة بلا أحصنة، ولكن عناصرها تستخدم اليوم في الصواريخ الحديثة ودبابات الطائرات ومحركات السيارات. بدأت عملية بناء المحرك النفاث في عام 1930 على يد فرانك ويتل. لقد جاء بفكرة استخدام التوربين لدفع الطائرة. وفي وقت لاحق، تم تطويره في العديد من مشاريع المحركات التوربينية والنفاثات.

توربينات الغاز نيكولا تيسلا

لقد تعامل العالم المخترع الشهير دائمًا مع القضايا التي درسها بطريقة غير قياسية. لقد بدا واضحًا للجميع أن العجلات ذات المجاديف أو المجاديف «تلتقط» حركة الوسط بشكل أفضل من الأجسام المسطحة. أثبت تسلا، بطريقته المميزة، أنه إذا قمت بتجميع نظام دوار من أقراص مرتبة بشكل تسلسلي على المحور، فإنه بسبب التقاط تدفق الغاز للطبقات الحدودية، فإنه لن يدور بشكل أسوأ، وفي بعض الحالات أفضل، من المروحة متعددة الشفرات. صحيح أن اتجاه الوسط المتحرك يجب أن يكون عرضيًا، وهو أمر غير ممكن أو مرغوب فيه دائمًا في الوحدات الحديثة، ولكن التصميم مبسط بشكل كبير - فهو لا يتطلب شفرات على الإطلاق. لم يتم بعد بناء توربينة غازية وفقًا لمخطط تسلا، ولكن ربما كانت الفكرة تنتظر وقتها فقط.

رسم تخطيطى

الآن عن الهيكل الأساسي للآلة. إنه مزيج من نظام دوار مثبت على محور (الدوار) وجزء ثابت (الجزء الثابت). يتم وضع قرص ذو شفرات عمل على العمود، مما يشكل شبكة متحدة المركز، ويتعرض للغاز الذي يتم توفيره تحت الضغط من خلال فوهات خاصة. ثم يدخل الغاز المتمدد إلى المكره، المجهز أيضًا بشفرات تسمى العمال. يتم استخدام أنابيب خاصة لسحب خليط الهواء والوقود ومخرج (العادم). ويشارك الضاغط أيضًا في المخطط العام. ويمكن تصنيعه وفقًا لمبادئ مختلفة، اعتمادًا على ضغط التشغيل المطلوب. ولتشغيله، يتم أخذ جزء من الطاقة من المحور واستخدامه لضغط الهواء. تعمل التوربينات الغازية من خلال عملية احتراق خليط الهواء والوقود، مصحوبة بزيادة كبيرة في الحجم. يدور العمود، ويمكن استخدام طاقته بشكل مفيد. وتسمى هذه الدائرة بدائرة واحدة، ولكن إذا تكررت تعتبر متعددة المراحل.

مزايا توربينات الطائرات

في منتصف الخمسينيات تقريبًا، ظهر جيل جديد من الطائرات، بما في ذلك طائرات الركاب (في الاتحاد السوفييتي كانت هذه طائرات Il-18، An-24، An-10، Tu-104، Tu-114، Tu-124، وما إلى ذلك)، في التصاميم التي تم فيها استبدال المحركات المكبسية للطائرات أخيرًا وبشكل لا رجعة فيه بمحركات توربينية. وهذا يشير إلى زيادة كفاءة هذا النوع من محطات الطاقة. تتفوق خصائص توربينات الغاز على تلك الخاصة بالمحركات المكربنة في كثير من النواحي، لا سيما في نسبة القوة إلى الوزن، والتي لها أهمية قصوى للطيران، وكذلك في مؤشرات الموثوقية التي لا تقل أهمية. استهلاك أقل للوقود، وأجزاء متحركة أقل، ومعايير بيئية أفضل، وتقليل الضوضاء والاهتزاز. تعتبر التوربينات أقل أهمية بالنسبة لجودة الوقود (وهو ما لا يمكن قوله عن أنظمة الوقود)، كما أنها أسهل في الصيانة، ولا تتطلب الكثير من زيت التشحيم. بشكل عام، للوهلة الأولى يبدو أنها ليست مصنوعة من المعدن، ولكن من المزايا الصلبة. للأسف، هذا ليس صحيحا.

محركات التوربينات الغازية لها أيضًا عيوب.

تسخن التوربينات الغازية أثناء التشغيل وتنقل الحرارة إلى العناصر الهيكلية المحيطة. وهذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص، مرة أخرى، في مجال الطيران، عند استخدام تصميم معدل يتضمن غسل الجزء السفلي من وحدة الذيل بتيار نفاث. ويتطلب غلاف المحرك نفسه عزلًا حراريًا خاصًا واستخدام مواد حرارية خاصة يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة.

يمثل تبريد توربينات الغاز تحديًا تقنيًا معقدًا. إنها ليست مزحة، فهي تعمل في وضع انفجار دائم تقريبًا يحدث في الجسم. الكفاءة في بعض الأوضاع أقل من كفاءة محركات المكربن، ولكن عند استخدام دائرة مزدوجة، يتم التخلص من هذا العيب، على الرغم من أن التصميم يصبح أكثر تعقيدًا، كما هو الحال عندما يتم تضمين ضواغط "تعزيز" في الدائرة. يستغرق تسريع التوربينات والوصول إلى وضع التشغيل بعض الوقت. كلما زاد تشغيل الوحدة وتوقفها، كلما كانت أسرع في التآكل.

التطبيق الصحيح

حسنًا، لا يمكن لأي نظام الاستغناء عن عيوبه. من المهم العثور على استخدام لكل منها يتم من خلاله إظهار مزاياه بشكل أكثر وضوحًا. على سبيل المثال، الدبابات مثل أبرامز الأمريكية، التي تعتمد محطة توليد الكهرباء الخاصة بها على توربينات الغاز. يمكن ملؤه بأي شيء يحترق، من البنزين عالي الأوكتان إلى الويسكي، وينتج قوة كبيرة. قد لا يكون هذا المثال ناجحًا جدًا، نظرًا لأن التجربة في العراق وأفغانستان أظهرت مدى تعرض شفرات الضاغط للرمال. يجب إصلاح توربينات الغاز في الولايات المتحدة الأمريكية، في مصنع التصنيع. لأخذ الخزان إلى هناك، ثم العودة، وتكلفة الصيانة نفسها بالإضافة إلى المكونات...

تعاني طائرات الهليكوبتر والروسية والأمريكية ودول أخرى، وكذلك الزوارق السريعة القوية، بشكل أقل من الانسداد. الصواريخ السائلة لا تستطيع الاستغناء عنها.

السفن الحربية الحديثة والسفن المدنية لديها أيضًا محركات توربينية تعمل بالغاز. وأيضا الطاقة.

محطات توليد الطاقة ثلاثية المولدات

المشاكل التي يواجهها مصنعو الطائرات لا تثير قلق أولئك الذين يصنعون المعدات الصناعية لتوليد الكهرباء. في هذه الحالة، لم يعد الوزن مهمًا جدًا، ويمكنك التركيز على معايير مثل الكفاءة والكفاءة الشاملة. تحتوي وحدات مولدات توربينات الغاز على إطار ضخم وإطار موثوق وشفرات أكثر سمكًا. من الممكن تمامًا الاستفادة من الحرارة المتولدة، واستخدامها لمجموعة متنوعة من الاحتياجات - بدءًا من إعادة التدوير الثانوية في النظام نفسه، وحتى تدفئة المباني المنزلية والإمداد الحراري لوحدات التبريد من النوع الممتص. يُطلق على هذا الأسلوب اسم المولد الثلاثي، وتقترب الكفاءة في هذا الوضع من 90%.

محطات الطاقة النووية

بالنسبة للتوربينات الغازية، لا يوجد فرق جوهري بين مصدر الوسط الساخن الذي يعطي الطاقة لشفراته. قد يكون هذا خليطًا من الوقود والهواء المحترق، أو ببساطة بخارًا شديد السخونة (وليس بالضرورة الماء)، والشيء الرئيسي هو أنه يضمن إمداد الطاقة دون انقطاع. في جوهرها، تعتمد محطات توليد الطاقة لجميع محطات الطاقة النووية والغواصات وحاملات الطائرات وكاسحات الجليد وبعض السفن السطحية العسكرية (طراد الصواريخ بطرس الأكبر، على سبيل المثال) على توربينات غازية (GTU) تدور بالبخار. تملي قضايا السلامة والبيئة دائرة أولية مغلقة. وهذا يعني أن العامل الحراري الأساسي (في العينات الأولى لعب الرصاص هذا الدور، والآن تم استبداله بالبارافين) لا يترك منطقة المفاعل، ويتدفق حول عناصر الوقود في دائرة. يتم تسخين المادة العاملة في دوائر لاحقة، ويقوم ثاني أكسيد الكربون المتبخر أو الهيليوم أو النيتروجين بتدوير عجلة التوربين.

تطبيق واسع

دائمًا ما تكون التركيبات المعقدة والكبيرة فريدة من نوعها، حيث يتم إنتاجها على دفعات صغيرة أو حتى يتم عمل نسخ واحدة منها. في أغلب الأحيان، يتم استخدام الوحدات المنتجة بكميات كبيرة في القطاعات السلمية للاقتصاد، على سبيل المثال، لضخ المواد الخام الهيدروكربونية عبر خطوط الأنابيب. هذه هي بالضبط تلك التي تنتجها شركة ODK تحت العلامة التجارية Saturn. تتوافق توربينات الغاز في محطات الضخ بالكامل مع اسمها. إنهم في الواقع يضخون الغاز الطبيعي، ويستخدمون طاقته في عملهم.

مبدأ تشغيل وحدات التوربينات الغازية

رسم بياني 1. مخطط لوحدة توربينات غازية بمحرك توربيني غازي ذو عمود واحد لدورة بسيطة

يتم توفير الهواء النظيف للضاغط (1) لوحدة الطاقة التوربينية الغازية. تحت ضغط مرتفع، يتم توجيه الهواء من الضاغط إلى غرفة الاحتراق (2)، حيث يتم توفير الوقود الرئيسي، الغاز. يشتعل الخليط. عندما يحترق خليط الهواء والغاز، يتم توليد الطاقة على شكل تيار من الغازات الساخنة. يندفع هذا التدفق بسرعة عالية إلى دافعة التوربين (3) ويقوم بتدويرها. تعمل الطاقة الحركية الدورانية عبر عمود التوربين على تشغيل الضاغط والمولد الكهربائي (4). من أطراف المولد الكهربائي، يتم إرسال الكهرباء المولدة، عادة من خلال محول، إلى الشبكة الكهربائية، إلى مستهلكي الطاقة.

يتم وصف توربينات الغاز بواسطة دورة برايتون الديناميكية الحرارية، ودورة برايتون/جول هي دورة ديناميكية حرارية تصف عمليات تشغيل توربينات الغاز ومحركات الاحتراق الداخلي التوربينية والنفاثات التضاغطية، بالإضافة إلى محركات الاحتراق الخارجي لتوربينات الغاز ذات الحلقة المغلقة من الغاز. (أحادي الطور) سائل العمل.

سميت الدورة بهذا الاسم نسبة إلى المهندس الأمريكي جورج برايتون الذي اخترع محرك احتراق داخلي مكبس يعمل بهذه الدورة.

في بعض الأحيان تسمى هذه الدورة أيضًا دورة جول - تكريمًا للفيزيائي الإنجليزي جيمس جول، الذي أنشأ المعادل الميكانيكي للحرارة.

الصورة 2. مخطط P,V لدورة برايتون

تتكون دورة بريتون المثالية من العمليات التالية:

• 1-2 ضغط متساوي الضغط.
• 2-3 إمداد الحرارة متساوي الضغط.
• 3-4 التوسع متساوي الانتروب.
• 4-1 إزالة الحرارة الأيزوبارية.

مع الأخذ في الاعتبار الاختلافات بين العمليات الأدياباتيكية الحقيقية للتمدد والضغط من العمليات المتساوية الانتروبيا، يتم إنشاء دورة برايتون الحقيقية (1-2p-3-4p-1 على مخطط TS) (الشكل 3)

تين. 3. مخطط T-S لدورة برايتون
مثالي (1-2-3-4-1)
حقيقي (1-2ف-3-4ف-1)

عادة ما يتم التعبير عن الكفاءة الحرارية لدورة برايتون المثالية بالصيغة التالية:

• حيث P = p2 / p1 هي درجة زيادة الضغط في عملية الضغط المتساوي الانتروبيا (1-2)؛
• ك - مؤشر ثابت الحرارة (للهواء يساوي 1.4)

وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى أن هذه الطريقة المقبولة عمومًا لحساب كفاءة الدورة تحجب جوهر العملية الجارية. يتم حساب الكفاءة المحددة للدورة الديناميكية الحرارية من خلال نسبة درجة الحرارة باستخدام صيغة كارنو:

• حيث T1 هي درجة حرارة الثلاجة؛
• T2 - درجة حرارة السخان.

بالضبط نفس نسبة درجة الحرارة يمكن التعبير عنها من خلال حجم نسب الضغط المستخدمة في الدورة والمؤشر الأديباتي:

وبالتالي فإن كفاءة دورة برايتون تعتمد على درجات الحرارة الأولية والنهائية للدورة بنفس الطريقة التي تعتمد بها كفاءة دورة كارنو. مع التسخين المتناهي الصغر لمائع العمل على طول الخط (2-3)، يمكن اعتبار العملية متساوية الحرارة ومكافئة تمامًا لدورة كارنو. تحدد كمية تسخين مائع العمل T3 أثناء عملية متساوية الضغط مقدار الشغل المرتبط بكمية مائع العمل المستخدم في الدورة، ولكنها لا تؤثر بأي شكل من الأشكال على الكفاءة الحرارية للدورة. ومع ذلك، في التنفيذ العملي للدورة، يتم إجراء التسخين عادةً بأعلى القيم الممكنة، وتكون محدودة بمقاومة الحرارة للمواد المستخدمة، وذلك من أجل تقليل حجم الآليات التي تضغط وتمدد مائع العمل.

ومن الناحية العملية، يؤدي الاحتكاك والاضطراب إلى:

• الضغط غير الأديابي: بالنسبة لنسبة ضغط إجمالية معينة، تكون درجة حرارة تفريغ الضاغط أعلى من المثالية.
• التمدد غير الأديابي: على الرغم من انخفاض درجة حرارة التوربين إلى المستوى المطلوب للتشغيل، إلا أن الضاغط لا يتأثر، وتكون نسبة الضغط أعلى، مما يؤدي إلى عدم التمدد الكافي لتوفير التشغيل المفيد.
• فقدان الضغط في مدخل الهواء وغرفة الاحتراق والمخرج: ونتيجة لذلك، فإن التمدد ليس كافيًا لتوفير عملية مفيدة.

كما هو الحال مع جميع المحركات الحرارية الدورية، كلما ارتفعت درجة حرارة الاحتراق، زادت الكفاءة. العامل المحدد هو قدرة الفولاذ أو النيكل أو السيراميك أو المواد الأخرى التي يتكون منها المحرك على تحمل الحرارة والضغط. يتم استخدام الكثير من الهندسة في إزالة الحرارة من أجزاء التوربين. تحاول معظم التوربينات أيضًا استعادة الحرارة من غازات العادم التي قد يتم إهدارها.

أجهزة الاسترداد عبارة عن مبادلات حرارية تنقل الحرارة من غازات العادم إلى الهواء المضغوط قبل الاحتراق. في الدورة المركبة، يتم نقل الحرارة إلى أنظمة التوربينات البخارية. وفي الإنتاج المشترك للحرارة والطاقة (التوليد المشترك)، تُستخدم الحرارة المهدرة لإنتاج الماء الساخن.

من الناحية الميكانيكية، يمكن أن تكون توربينات الغاز أبسط بكثير من محركات الاحتراق الداخلي المكبسية. قد تحتوي التوربينات البسيطة على جزء متحرك واحد: العمود/الضاغط/التوربين/مجموعة الدوار البديل (انظر الصورة أدناه)، ولا يشمل ذلك نظام الوقود.

الشكل 4. تحتوي هذه الآلة على ضاغط شعاعي أحادي المرحلة،
التوربينات، وجهاز التعافي، ومحامل الهواء.

قد تحتوي التوربينات الأكثر تعقيدًا (تلك المستخدمة في المحركات النفاثة الحديثة) على عدة أعمدة (ملفات)، ومئات من شفرات التوربينات، وشفرات الجزء الثابت المتحركة، ونظام واسع من الأنابيب المعقدة، وغرف الاحتراق، والمبادلات الحرارية.

بشكل عام، كلما كان المحرك أصغر، زادت سرعة العمود (الأعمدة) المطلوبة للحفاظ على السرعة الخطية القصوى للشفرات.

تحدد السرعة القصوى لشفرات التوربين أقصى ضغط يمكن تحقيقه، مما ينتج عنه أقصى قدر من الطاقة، بغض النظر عن حجم المحرك. يدور المحرك النفاث بسرعة حوالي 10000 دورة في الدقيقة والتوربين الصغير بسرعة حوالي 100000 دورة في الدقيقة.



توربينات البخار.محاولات تصميم توربين بخاري قادر على منافسة المحرك البخاري حتى منتصف القرن التاسع عشر. لم تكن ناجحة، لأنه يمكن تحويل جزء صغير فقط من الطاقة الحركية لنفاثة البخار إلى طاقة ميكانيكية لدوران التوربينات. النقطة المهمة هي أن المخترعين

لم يأخذ في الاعتبار اعتماد كفاءة التوربين على نسبة سرعة البخار والسرعة الخطية لشفرات التوربين.

دعونا نتعرف على نسبة سرعة تيار الغاز والسرعة الخطية لشفرة التوربين، سيحدث النقل الأكثر اكتمالًا للطاقة الحركية لتيار الغاز إلى شفرة التوربينات (الشكل 36). عندما يتم نقل الطاقة الحركية للبخار بالكامل إلى شفرة التوربين، يجب أن تكون سرعة الطائرة بالنسبة للأرض مساوية للصفر، أي.

في إطار مرجعي يتحرك بسرعة، تكون سرعة النفث تساوي: .

نظرًا لأن الشفرة في هذا الإطار المرجعي تكون بلا حراك في لحظة التفاعل مع التدفق، فإن سرعة التدفق بعد الانعكاس المرن تظل دون تغيير في الحجم، ولكنها تغير الاتجاه إلى الاتجاه المعاكس:

وبالعودة مرة أخرى إلى الإطار المرجعي المرتبط بالأرض، نحصل على سرعة التدفق بعد الانعكاس:

منذ ذلك الحين

لقد وجدنا أن النقل الكامل للطاقة الحركية للنفاثة إلى التوربينة سيتم بشرط أن تكون السرعة الخطية لحركة ريش التوربينة نصف سرعة النفاثة، وقد تم تصنيع أول توربين بخاري وجد تطبيقاً عملياً بواسطة المهندس السويدي غوستاف لافال عام 1889. وكانت قوتها أقل عند سرعة الدوران دورة في الدقيقة

أرز. 36. نقل الطاقة الحركية للطائرة البخارية إلى شفرة التوربين

إن معدل تدفق الغاز المرتفع حتى عند متوسط ​​انخفاض الضغط، والذي يصل إلى حوالي 1200 م/ث، يتطلب أن تكون لشفرات التوربين سرعة خطية تبلغ حوالي 600 م/ث من أجل التشغيل الفعال. وبالتالي، لتحقيق قيم كفاءة عالية، يجب أن تكون التوربينات عالية السرعة. من السهل حساب قوة القصور الذاتي المؤثرة على شفرة توربينية تزن 1 كجم، وتقع على حافة الدوار بنصف قطر 1 متر، وبسرعة شفرة 600 م/ث:

ينشأ تناقض أساسي: لكي يعمل التوربين اقتصاديًا، يلزم وجود سرعات دوارة تفوق سرعة الصوت، ولكن في مثل هذه السرعات سيتم تدمير التوربين بواسطة قوى القصور الذاتي. لحل هذا التناقض، من الضروري تصميم توربينات تدور بسرعة أقل من السرعة المثالية، ولكن للاستفادة الكاملة من الطاقة الحركية للنفاث البخاري، جعلها متعددة المراحل، مع وضع عدة دوارات ذات قطر متزايد على عمود مشترك. نظرًا لعدم كفاية سرعة دوران التوربين، ينقل البخار جزءًا فقط من طاقته الحركية إلى الدوار ذو القطر الأصغر. ثم يتم توجيه البخار المنبعث في المرحلة الأولى إلى الدوار الثاني ذو القطر الأكبر، مما يعطي شفراته جزءا من الطاقة الحركية المتبقية، وما إلى ذلك. ويتم تكثيف بخار العادم في المكثف المبرد، وإرسال الماء الدافئ إلى المرجل .

تظهر دورة تركيب التوربينات البخارية في الإحداثيات في الشكل 37. في المرجل، يتلقى سائل العمل كمية من الحرارة، ويسخن ويتوسع عند ضغط ثابت (isobar AB). في التوربين، يتمدد البخار بشكل ثابت الحرارة (adiabat BC)، مما يؤدي إلى دوران الدوار. في المبرد المكثف، الذي يتم غسله، على سبيل المثال، بمياه النهر، ينقل البخار الحرارة إلى الماء ويتكثف عند ضغط ثابت. هذه العملية تتوافق مع الأيزوبار. يتم ضخ الماء الدافئ من المكثف إلى المرجل. تتوافق هذه العملية مع تساوي الضغط، وكما نرى فإن دورة محطة التوربينات البخارية مغلقة. الشغل المبذول بالبخار في دورة واحدة يساوي عدديا مساحة الشكل ABCD.

تتمتع التوربينات البخارية الحديثة بكفاءة تحويل حركية عالية

أرز. 37. رسم تخطيطي للدورة التشغيلية لمحطة التوربينات البخارية

طاقة نفاث البخار إلى طاقة ميكانيكية تزيد قليلاً عن 90٪. لذلك، فإن المولدات الكهربائية لجميع محطات الطاقة الحرارية والنووية في العالم تقريبًا، والتي توفر أكثر من 80٪ من إجمالي الكهرباء المولدة، تعمل بالتوربينات البخارية.

بما أن درجة حرارة البخار المستخدم في محطات التوربينات البخارية الحديثة لا تتجاوز 580 درجة مئوية (درجة حرارة المدفأة)، ودرجة حرارة البخار عند مخرج التوربينات عادة لا تقل عن 30 درجة مئوية (درجة حرارة الثلاجة)، فإن قيمة الكفاءة القصوى لـ محطة التوربينات البخارية كمحرك حراري هي:

وتصل قيم الكفاءة الفعلية لمحطات توليد الطاقة بالتكثيف بالتوربينات البخارية إلى حوالي 40% فقط.

تصل قوة وحدات الطاقة الحديثة لمولدات الغلايات التوربينية إلى كيلوواط. التالي في الخطة الخمسية العاشرة هو بناء وحدات طاقة بقدرة تصل إلى كيلوواط.

تستخدم محركات التوربينات البخارية على نطاق واسع في النقل المائي. ومع ذلك، فإن استخدامها في النقل البري وخاصة في الطيران يعوقه الحاجة إلى وجود صندوق نار وغلاية لتوليد البخار، بالإضافة إلى كمية كبيرة من الماء لاستخدامها كسوائل عمل.

توربينات الغاز.إن فكرة إزالة الفرن والغلاية في محرك حراري بتوربين عن طريق نقل مكان احتراق الوقود إلى سائل العمل نفسه قد شغلت المصممين لفترة طويلة. لكن تطوير توربينات الاحتراق الداخلي، التي لا يكون فيها سائل العمل بخارًا، ولكن الهواء المتوسع من التسخين، قد أعاقه نقص المواد القادرة على العمل لفترة طويلة في درجات حرارة عالية وأحمال ميكانيكية عالية.

يتكون تركيب توربين الغاز من ضاغط هواء 1 وغرف احتراق 2 وتوربين غاز 3 (الشكل 38). يتكون الضاغط من دوار مثبت على نفس المحور مع التوربين وريشة توجيه ثابتة.

عندما يعمل التوربين، يدور الضاغط الدوار. تتشكل شفرات الدوار بحيث أنه عندما تدور، ينخفض ​​الضغط أمام الضاغط ويزداد خلفه. يتم امتصاص الهواء داخل الضاغط، فيزداد ضغطه خلف الصف الأول من ريش الدوار. يوجد خلف الصف الأول من شفرات الدوار صف من شفرات ريشة التوجيه الثابتة للضاغط، والتي يتم من خلالها تغيير اتجاه حركة الهواء وضمان إمكانية ضغطه الإضافي باستخدام شفرات المرحلة الثانية الدوار، وما إلى ذلك. توفر المراحل المتعددة لشفرات الضاغط زيادة في ضغط الهواء بمقدار 5-7 مرات.

تتم عملية الضغط بطريقة ثابتة الحرارة، فترتفع درجة حرارة الهواء بشكل ملحوظ، وتصل إلى 200 درجة مئوية أو أكثر.

أرز. 38. تركيب توربينات الغاز

يدخل الهواء المضغوط إلى غرفة الاحتراق (الشكل 39). في الوقت نفسه، يتم حقن الوقود السائل - الكيروسين وزيت الوقود - من خلال فوهة تحت ضغط مرتفع.

عندما يحترق الوقود، يتلقى الهواء، الذي يعمل بمثابة سائل العمل، كمية معينة من الحرارة ويسخن حتى درجة حرارة 1500-2200 درجة مئوية. ويحدث تسخين الهواء عند ضغط ثابت، فيتمدد الهواء وتزداد سرعته.

يتم توجيه منتجات الهواء والاحتراق التي تتحرك بسرعة عالية إلى التوربين. وبانتقالها من مرحلة إلى أخرى، فإنها تتخلى عن طاقتها الحركية لشفرات التوربينات. يتم إنفاق جزء من الطاقة التي يتلقاها التوربين على تدوير الضاغط، ويتم استخدام الباقي، على سبيل المثال، لتدوير مروحة الطائرة أو الدوار للمولد الكهربائي.

لحماية شفرات التوربينات من التأثير المدمر لنفث الغاز الساخن وعالي السرعة في غرفة الاحتراق

أرز. 39. غرفة الاحتراق

يضخ الضاغط كمية من الهواء أكبر بكثير مما هو ضروري للاحتراق الكامل للوقود. الهواء الذي يدخل غرفة الاحتراق خلف منطقة احتراق الوقود (الشكل 38) يقلل من درجة حرارة نفاثة الغاز الموجهة إلى شفرات التوربينات. يؤدي انخفاض درجة حرارة الغاز في التوربينات إلى انخفاض الكفاءة، لذلك يبحث العلماء والمصممون عن طرق لزيادة الحد الأعلى لدرجة حرارة التشغيل في التوربينات الغازية. وفي بعض المحركات التوربينية الغازية الحديثة في الطيران تصل درجة حرارة الغاز أمام التوربين إلى 1330 درجة مئوية.

عادة ما يتم تفريغ هواء العادم مع منتجات الاحتراق عند ضغط قريب من الغلاف الجوي ودرجة حرارة تزيد عن 500 درجة مئوية وبسرعة تزيد عن 500 م/ث في الغلاف الجوي أو، لزيادة الكفاءة، يتم إرسالها إلى مبادل حراري حيث يقوم بنقل جزء من الحرارة لتسخين الهواء الداخل إلى غرفة الاحتراق.

يوضح الشكل 40 دورة تشغيل وحدة توربينات الغاز. تتوافق عملية ضغط الهواء في الضاغط مع adiabat AB، وعملية التسخين والتمدد في غرفة الاحتراق - isobar BC. يتم تمثيل عملية تمدد الغاز الساخن في التوربين بواسطة قسم CD، ويتم تمثيل عملية التبريد وتقليل حجم مائع العمل بواسطة isobar DA.

تصل كفاءة الوحدات التوربينية الغازية إلى 25-30%. لا تحتوي المحركات التوربينية الغازية على غلايات بخارية ضخمة، مثل المحركات البخارية والتوربينات البخارية، ولا تحتوي على مكابس وآليات تحول الحركة الترددية إلى حركة دورانية، مثل المحركات البخارية ومحركات الاحتراق الداخلي. لذلك، يشغل محرك توربين الغاز مساحة أقل بثلاث مرات من محرك الديزل الذي له نفس القوة، وكتلته النوعية (نسبة الكتلة إلى الطاقة) أقل بـ 6 إلى 9 مرات من كتلة محرك الاحتراق الداخلي للطائرة. تم تحديد الاكتناز والسرعة، جنبًا إلى جنب مع الطاقة العالية لكل وحدة وزن، أول مجال مهم عمليًا لتطبيق محركات التوربينات الغازية - الطيران.

ظهرت الطائرات ذات المروحة المثبتة على عمود محرك توربيني غازي في عام 1944. الطائرات الشهيرة مثل AN-24، TU-114، IL-18، AN-22 - "Antey" لديها محركات توربينية.

ويبلغ الحد الأقصى لوزن "أنتي" عند الإقلاع 250 طناً، وقدرتها على الحمل 80 طناً، أي 720 راكباً.

أرز. 40. رسم تخطيطي للدورة التشغيلية لمحطة توربينات الغاز

السرعة 740 كم/ساعة، قوة كل من المحركات الأربعة كيلوواط.

بدأت المحركات التوربينية الغازية تحل محل المحركات التوربينية البخارية في النقل المائي، وخاصة على السفن البحرية. إن التحول من محركات الديزل إلى المحركات التوربينية الغازية جعل من الممكن زيادة القدرة الاستيعابية للسفن المحلق أربعة أضعاف، من 50 إلى 200 طن.

يتم تركيب محركات توربينية غازية بقدرة 220-440 كيلووات على المركبات الثقيلة. يتم اختبار BelAZ-549V بوزن 120 طنًا والمزود بمحرك توربيني غاز في صناعة التعدين.

معلومات عامة حول تشغيل GTU

الهيكل العام ومبدأ تشغيل وحدة التوربينات الغازية

محرك التوربينات الغازية هو محرك يستخدم فيه غاز غير قابل للتكثيف (الهواء ومنتجات الاحتراق أو الغازات المحايدة) كمائع عمل، ويستخدم توربين الغاز كمحرك جر.

مصطلح التوربين يأتي من الكلمات اللاتينية توربينات - على شكل دوامة، أو توربيني - قمة. التوربين هو محرك يتم فيه الحصول على العمل الميكانيكي على عمود الماكينة عن طريق تحويل الطاقة الحركية لنفاثة الغاز، والتي بدورها يتم الحصول عليها نتيجة لتحويل الطاقة الكامنة - طاقة الوقود المحروق في تدفق الهواء. تعتمد الأفكار الحديثة حول تحويل الحرارة إلى شغل على مبدأين مهمين في الديناميكا الحرارية: استحالة إنشاء آلة ذات حركة أبدية من النوع الأول (نتيجة للقانون الأول للديناميكا الحرارية) واستحالة إنشاء آلة ذات حركة أبدية النوع الثاني، حيث تتحول الحرارة بالكامل إلى عمل (نتيجة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية).

الشرط الذي لا غنى عنه لإنشاء أي محرك حراري هو وجود بيئة مادية - سائل عمل ومصدرين للحرارة على الأقل - مصدر درجة حرارة عالية (سخان)، نتلقى منه الحرارة لتحويل جزء منه إلى عمل، و مصدر ذو درجة حرارة منخفضة، نعطي له جزءا من غير المستخدم في حرارة المحرك.

وبالتالي فإن أي محرك حراري يجب أن يتكون من سخان وآلة توسيع وثلاجة وآلة ضاغط. علاوة على ذلك، إذا أردنا تحويل الحرارة إلى شغل بشكل مستمر، فيجب علينا بشكل مستمر، إلى جانب التمدد، ضغط مائع التشغيل بشكل مستمر، وفي ظل ظروف يكون فيها عمل الانضغاط أقل من عمل التمدد، أي يجب أن يكون مائع التشغيل تنفيذ عملية دائرية. يعرف الشغل الذي يتم الحصول عليه في المحرك الحراري بأنه الفرق بين عمل التمدد والضغط لمائع التشغيل، ومن ناحية أخرى (وفقًا لقانون الحفاظ على الطاقة)، ​​فإنه يعرف بالفرق في الكميات المطلقة للحرارة الموردة وإزالتها.

السمة الديناميكية الحرارية الرئيسية للفرق بين محركات الاحتراق الداخلي المكبسية والتوربينية هي خصوصيات تنفيذ العمليات الدائرية: في المحركات المكبسية، تحل العمليات الرئيسية للدورة (الضغط، وإمداد الحرارة، والتمدد) محل بعضها البعض على التوالي في نفس المساحة المغلقة (نظام اسطوانة المكبس)، وفي المحركات التوربينية، يتم تنفيذ نفس العمليات بشكل مستمر في عناصر المحرك المستقلة، والتي تقع بالتتابع في التدفق العام لسائل العمل (على سبيل المثال، الضاغط - غرفة الاحتراق - التوربينات في أبسط الغاز المحركات التوربينية).

يظهر الشكل التخطيطي لأبسط وحدة توربينية غازية. 1.1.

الشكل 1.1 رسم تخطيطي لأبسط وحدة توربينية غازية.

1 – الضاغط المحوري. 2 – غرفة الاحتراق. 3 - التوربينات.

مبدأ تشغيل التثبيت هو على النحو التالي.

يمتص الضاغط 1 الهواء من الغلاف الجوي، ويضغطه إلى ضغط معين ويزوده بغرفة الاحتراق 2. كما يتم توفير الوقود السائل أو الغازي هنا بشكل مستمر. تدخل الغازات الساخنة المتكونة في غرفة الاحتراق نتيجة احتراق الوقود إلى التوربين 3. وفي التوربين يتمدد الغاز وتتحول طاقته الداخلية إلى عمل ميكانيكي. تخرج غازات العادم من التوربين إلى الغلاف الجوي.

دعونا نفكر في دورة توربينات الغاز هذه في مخطط TS (الشكل 1.2).

الهواء الجوي ( P=P أ , T=T أ) يتدفق عبر جهاز الإدخال إلى الضاغط (الأيسوثرم 0-1)؛ ويصبح ضغطها ودرجة حرارتها متساويين ص 1و تي 1 .

بعد ذلك، يقوم الضاغط بضغط الهواء إلى مستوى الضغط ص2ترتفع درجة حرارته إلى تي 2(الثبات 1-2). تسمى نسبة ضغط الهواء عند مخرج الضاغط إلى الضغط عند مدخله نسبة ضغط الضاغط(1.1).

, (1.1)

أين π ل- درجة زيادة الضغط في الضاغط؛ ص 2- ضغط الهواء خلف الضاغط؛ ص 1- الضغط أمام الضاغط.

في غرفة الاحتراق (isobar 2-3)، ترتفع درجة حرارة سائل العمل إلى تي 3عند ضغط ثابت ( ص2 = ص 3).

ثم في التوربين يتمدد خليط الهواء والغاز (الأديابات 3-4) فيقل ضغطه إلى ص 4، ودرجة الحرارة تصل إلى تي 4. تسمى نسبة ضغط الغاز عند مدخل التوربين إلى ضغط الغاز عند مخرجه نسبة التوسع التوربيني (1.2).

أين π ر- درجة التمدد في التوربين؛ ص 3- ضغط الهواء أمام التوربين؛ ص 4– الضغط خلف التوربين .

بعد تمدد التوربين، تنطلق غازات العادم إلى الغلاف الجوي (الأيسوثرم 4-5).

الدورة التي تمت مناقشتها أعلاه قابلة للعكس، لأنها لا تأخذ في الاعتبار أي خسائر في عمليات الضغط والتوسع وإمدادات الحرارة وما إلى ذلك. في الظروف الحقيقية، تختلف العمليات في جميع وحدات التركيب عن تلك القابلة للانعكاس، وبالتالي فإن تحديد أداء محطات توربينات الغاز بناءً على دورات مرجعية قابلة للانعكاس ليس له أهمية عملية ولا يمكن تبريره إلا من خلال تحليل مقارن لدورات مختلفة المنشآت. ولذلك، في الممارسة العملية، فإنها تعمل مع المعلمات الكاملة (معلمات التدفق المتخلف).

درجة الحرارة الكاملة:

, (1.3)

أين تي*– درجة الحرارة الإجمالية. ت- درجة حرارة ثابتة؛ مع- سرعة التدفق المطلقة؛ مع ص- السعة الحرارية النوعية عند ضغط ثابت .

الضغط الكلي

, (1.4)

أين ص*- الضغط الكلي. ر- الضغط الساكن؛ تي*– درجة الحرارة الإجمالية. T – درجة حرارة ثابتة. ك– مؤشر ثابت الحرارة.

باستخدام معلمات كبح التدفق، نحصل على رسم تخطيطي لدورة توربينات الغاز الحقيقية (الشكل 1.3).

مشابه لـ (1.1) و (1.2) للدورة الحقيقية:

يتم حساب الضغوط في العقد الأخرى على النحو التالي:

, (1.6)

أين ف * خارج- الضغط عند مخرج الوحدة؛ دبوسهو الضغط عند مدخل العقدة، σ هو معامل الخسارة لهذه العقدة.

ترد قيم معاملات الخسارة لمختلف وحدات التوربينات الغازية في الجدول 1.1.

الجدول 1.1

قيم معاملات الخسارة لمختلف وحدات التوربينات الغازية

تصنيف جي تي يو

هناك التصنيفات التالية لوحدات التوربينات الغازية:

· حسب مجال التطبيق:

Ö محركات توربينات الغاز للطيران.

نفاث.

محرك توربيني.

محركات توربينية غازية ذات دائرتين؛

المروحية.

محركات توربينات الغاز لطائرات الهليكوبتر؛

المنشآت المساعدة.

Ö وحدات توربينات الغاز الثابتة لتوليد الكهرباء.

Ö قيادة وحدات توربينات الغاز (لقيادة شواحن الغاز الطبيعي).

Ö نقل وحدات توربينات الغاز .

سفينة؛

قاطرة؛

السيارات؛

خزان.

Ö توربينات الغاز الفضائية (مصدر الوقود لهم هو المفاعلات النووية).

Ö وحدات توربينات الغاز التكنولوجية (وحدات توربينات الغاز الثابتة المدرجة في دورة عملية الإنتاج، على سبيل المثال، لتشغيل المنافيخ في الأفران العالية ومصافي النفط).

Ö توربينات الغاز كجزء من المنشآت المشتركة (وحدات البخار والغاز والبخار والغاز والغاز والديزل).

· حسب نوع الدورة:

Ö حلقة مفتوحة (الشكل 1.1).

Ö حلقة مغلقة (الشكل 1.4).

لا تتم إزالة الغاز المنضب في التوربين 3 بعد إعادة التوليد 6 إلى الغلاف الجوي، كما هو الحال في توربينات الغاز المفتوحة، ولكن يتم إرساله إلى المبرد 5. وهناك يتم تبريده إلى درجة حرارة تي 3، في حين ينخفض ​​ضغطه إلى ص2. المبرد عبارة عن مبادل حراري من النوع السطحي حيث يعمل الماء العادي كوسيط تبريد. من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، يعمل المبرد 5 كمشتت للحرارة (مصدر بارد). يدخل الغاز المبرد إلى الضاغط 4، حيث يتم ضغطه منه ص2قبل ص 1، والذي بسببه ترتفع درجة حرارته تي 3قبل تي 4. بعد الضاغط، يتم إرسال الغاز إلى جهاز التجديد 6، حيث يتم تسخينه بواسطة الغازات الخارجة من التوربين 3. في توربينات الغاز المغلقة، بدلاً من غرفة الاحتراق، يتم تركيب سخان 1، حيث يكون سائل العمل (الغاز أو الهواء) يتم تمريرها داخل الأنابيب. ومن الخارج، يتم تسخين هذه الأنابيب بواسطة الحرارة المنبعثة أثناء احتراق الوقود في الفرن، والذي يشبه في مبدأ تشغيله فرن الغلايات البخارية. ولذلك، يُطلق على سخان التوربينات الغازية أحيانًا اسم "غلاية الهواء". في السخان 1، ترتفع درجة حرارة الغاز العامل بشكل حاد إلى تي 1، ثم يدخل الغاز إلى التوربين 3، حيث يتمدد، مبذلًا شغلًا. تنخفض درجة الحرارة إلى تي 2. يقوم التوربين بتدوير الضاغط 4، ويعطي الجزء الزائد من طاقته للمستهلك 2. بعد ذلك، يتم إرسال غاز العادم، الذي يتمتع بدرجة حرارة عالية بدرجة كافية، إلى المجدد، حيث يتخلى عن جزء من حرارته لتسخين الغاز المتحرك منه ضاغط 4 إلى سخان 1.

ثم تتكرر الدورة مرة أخرى.

في وحدة توربينات غازية مغلقة، تدور نفس الكمية الكتلية من سائل العمل، باستثناء تسرب غاز ضئيل من الدائرة من خلال تسريبات مختلفة، والذي يتم تجديده تلقائيًا من جهاز خاص (غير موضح في الشكل). يتم تنظيم قوة التركيب عن طريق تغيير ضغط الغاز في دائرته عن طريق تغيير التدفق الكتلي للغاز العامل مع الحفاظ على درجة زيادة الضغط دون تغيير عمليًا ص، و تي 1و تي 3(درجات الحرارة القصوى والدنيا للدورة) باستخدام منظم طرد مركزي خاص (غير موضح في الشكل).

تتمتع توربينات الغاز المغلقة بالمزايا التالية مقارنة بالتوربينات المفتوحة:

بسبب عدم وجود مواد في الغاز المتداول تسبب تآكل وتآكل جهاز الشفرة، تزداد موثوقية ومتانة التوربين بشكل كبير؛

يمكن لتوربينات الغاز المغلقة أن تعمل على أي نوع من الوقود، بما في ذلك الوقود الصلب والسائل الثقيل (زيت الوقود)؛

يمكن لتوربينات الغاز المغلقة أن تعمل بالطاقة النووية؛

من خلال زيادة ضغط الغاز الأولي أمام الضاغط، من الممكن زيادة تدفق وزنه على نطاق واسع في وحدة توربينات الغاز، وهذا يجعل من الممكن إما زيادة قوة الوحدة للتركيب بعدد مماثل من المرات، أو، مع قوة ثابتة، تقليل وزنه بشكل كبير عن طريق تقليل سطح المبادلات الحرارية وأبعاد وحدة توربينات الغاز وأقطار خطوط الأنابيب؛

في محطات توربينات الغاز المغلقة، يتم تنظيم الطاقة عن طريق تغيير ضغط الغاز في الدائرة، وبالتالي تكون الكفاءة تظل التركيبات في ظل ظروف تحميل مختلفة وعلى نطاق واسع من معلمات التشغيل دون تغيير؛

يمكن استخدام أي مواد غازية كسائل عمل، إما أن تتمتع بخصائص فيزيائية حرارية أفضل، أو تجعل دورة التثبيت أكثر مثالية وملاءمة من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، أو تتمتع ببعض المزايا الأخرى.

Ö دورة شبه مغلقة.

مع هذه الدورة، يتم أخذ جزء من منتجات الاحتراق خلف التوربين وإرساله إلى المرحلة المتوسطة للضاغط.

· حسب عدد الأعمدة:

Ö توربينات غازية أحادية المحور (الشكل 1.1).

تتمثل مزايا الوحدات ذات العمود الواحد في البساطة الهيكلية، والحد الأدنى من عدد الآلات التوربينية والمحامل. ميزة أخرى مهمة لمحطات توربينات الغاز هذه هي أنها تحافظ خلال دورة التجديد على كفاءة ثابتة لتوربينات الغاز عندما يتم تقليل الحمل إلى 70٪ أو أقل.

مثل هذه التوربينات الغازية ليس لها أيضًا عيوب أقل أهمية. إن الاتصال الصارم بين الضاغط المحوري والشاحن الفائق المدفوع يحد بشكل كبير من قدرات التحكم في الوحدة. يتم تنظيم الطاقة في هذا النوع من التثبيت فقط من خلال التغيرات في استهلاك الوقود. إذا انخفض الحمل، ينخفض ​​استهلاك الوقود، لكن استهلاك الهواء يظل ثابتًا، نظرًا لأن الضاغط وتوربينات الغاز والحمل متصلان بشكل صارم بواسطة عمود واحد. وبالتالي فإن تقليل استهلاك الوقود يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة خلف غرفة الاحتراق، مما يقلل من الكفاءة. جي تي يو.

Ö توربينات غازية ثنائية المحور .

في مثل هذه التركيبات، يتم فصل جزء مولد الغاز (الضاغط والتوربين الذي يقوده) ووحدة توربينات الطاقة المجانية.

أرز. 1.8. رسم تخطيطي لوحدة توربينات غازية ذات عمودين.

1- الضاغط؛ 2-توربينات الضغط العالي؛ 3-توربينات الضغط المنخفض (الطاقة)؛ 4-الحمل (شاحن)؛ 5-غرفة الاحتراق.

في مثل هذا التثبيت، يتم تقسيم التوربين إلى جزأين (الشكل 1.8).

يقوم جزء واحد، عادة ما يكون عالي الضغط 2، بتشغيل الضاغط 1 ويمكن أن يعمل بسرعة متغيرة. الجزء الثاني، توربين الطاقة 3، يعمل بسرعة ثابتة تمامًا إذا كان مخصصًا لتشغيل مولد كهربائي، ويمكن أن يكون له أي سرعة دوران تقريبًا إذا كان مخصصًا لقيادة شاحن فائق. يتم التنظيم في وحدة توربينات الغاز من هذا النوع ليس فقط عن طريق تغيير تدفق الوقود، ولكن أيضًا عن طريق تغيير تدفق الهواء الذي يوفره الضاغط 1.

تتيح هذه الطريقة تقليل درجة حرارة سائل العمل خلف غرفة الاحتراق بدرجة أقل أو عدم تقليلها على الإطلاق عند التشغيل بأحمال جزئية وبالتالي الحفاظ على الكفاءة. دورة على مستوى أعلى.

Ö توربينات غازية ثلاثية الأعمدة .

أرز. 1.9. رسم تخطيطي لوحدة توربينات غازية ثلاثية المحاور.

1- ضاغط الضغط المنخفض؛ 2- ضاغط الضغط العالي؛ 3-غرفة الاحتراق. 4- توربينات الضغط العالي. 5-توربينات الضغط المنخفض.

6 توربينات حرة. 7-شاحن فائق.

عند نسب الضغط العالية، يكون هناك اختلاف في معدلات تدفق الهواء في بداية مسار تدفق الضاغط وفي نهايته، مما قد يؤدي إلى زيادة التيار. للقضاء على هذه الظاهرة، يتم تقسيم الضاغط إلى جزأين أو أكثر تسمى الشلالات. كل شلال له سرعة الدوران الخاصة به، والتي يتم من خلالها تعادل تدفق الهواء من خلالها. يتم تشغيل كل سلسلة بواسطة توربين منفصل.

على أية حال، يجب أن يحتوي كل عمود على وحدتي تحمل على الأقل: إحداهما - الدعم، والثانية - محمل الدفع. يتم استبدال المحامل المتداول والانزلاق.

· وفقا لتعقيد الدورة الديناميكية الحرارية:

Ö أبسط دورة ديناميكية حرارية.

أرز. 1.10. مخطط T-S لأبسط دورة ديناميكية حرارية.

وتستخدم هذه الدورة في 90% من جميع توربينات الغاز المستخدمة في العالم.

Ö دورة مع التبريد أثناء الضغط.

الشكل 1.11. مخطط الضاغط على مرحلتين

مع المبرد.

1 – ضاغط الضغط المنخفض. 2 – ضاغط الضغط العالي.

3 – مبرد .

سيكون العمل الذي يتم إنفاقه على الضغط، مع تساوي الأمور الأخرى، هو الأقل إذا تم تنفيذ العملية بشكل متساوي الحرارة، ولكن لهذا من الضروري إزالة الحرارة باستمرار من سائل العمل، وهو أمر يكاد يكون من المستحيل تحقيقه من الناحية الهيكلية.

ولتقريب العملية من درجة الحرارة المتساوية وتقليل العمل المطلوب، يتم استبدال الضغط التدريجي بتبريد الهواء بعد كل مرحلة في الثلاجات المتوسطة.

في الممارسة العملية، يتم تنفيذ هذا المبدأ باستخدام ضاغط المرحلة والثلاجة (الشكل 1.11). من الواضح أنه كلما زاد عدد هذه المراحل مع الثلاجات، كلما أصبحت عملية الضغط أقرب إلى درجة الحرارة المتساوية. يظهر مخطط TS لهذه الدورة في الشكل. 1.12.

Ö دورة ساخنة أثناء عملية التوسع.

يمكن أيضًا تحقيق زيادة الكفاءة، وتقليل استهلاك الهواء والغاز المحدد، وبالتالي زيادة طاقة الوحدة باستخدام التمدد التدريجي مع إمداد الحرارة الوسيط في غرف الاحتراق الموجودة بالتتابع على طول تدفق الغاز بين التوربينات. في هذه الحالة، تقترب عملية التوسع من درجة الحرارة المتساوية، وهذا يؤدي إلى زيادة في العمل المتاح للتوربين. يظهر الشكل التخطيطي لوحدة توربينات الغاز مع التوسع على مرحلتين والتسخين المتوسط ​​للغاز العامل في الشكل. 1.13.

الشكل 1.13. رسم تخطيطي لوحدة توربينية غازية مع تسخين الغاز الوسيط.

1 - غرفة الاحتراق. 2 – توربينات الضغط العالي. 3 – غرفة الاحتراق لتسخين الغاز الوسيط. 4 – توربينات الطاقة .

يدخل الهواء من الضاغط، بعد أن مر عبر المجدد، إلى CS 1، وبعد ذلك يدخل الغاز العامل عند درجة حرارة تي*3يتم إرساله إلى المسرح 2. يحدث هنا توسع جزئي للغاز. بعد HPT، يتم تفريغ الغاز العامل إلى KSPPG 3، حيث ترتفع درجة حرارته إلى تي*31. بسبب المعامل الكبير للهواء الزائد بعد محرك الاحتراق ذو الضغط العالي، يحدث احتراق الوقود في محرك الاحتراق ذو الضغط العالي بشكل مكثف دون إمداد هواء إضافي. من CSPPG، يدخل الغاز العامل إلى ST 4، وبعد ذلك يتم تفريغه في الغلاف الجوي.

تظهر دورة وحدة التوربينات الغازية ذات التسخين المتوسط ​​في الشكل. 1.14.

وتظهر هنا العمليات التالية: 3-41 – توسيع الغاز العامل في المسرح؛ 41-31 - إمداد الحرارة إلى CVSG؛ 31-4 – توسعة الغاز العامل في شارع .

Ö محطات الدورة المركبة (CCGTs).

أدت الرغبة في تحسين الأداء الفني والاقتصادي لمحطات الطاقة من خلال الجمع العقلاني بين ميزات دورات توربينات البخار والغاز إلى إنشاء محطات غاز الدورة المركبة (CCGTs). يظهر في الشكل مخطط دائرة مبسط لوحدة CCGT. 1.15.

أرز. 1.15. رسم تخطيطي لوحدة PTU:

1 - ضاغط. 2 – مولد البخار . 3 – توربينات الغاز. 4 – التوربينات البخارية.

5 - تحميل. 6 - مكثف. 7 - مضخة. 8 – نظام المبادل الحراري

التثبيت يعمل على النحو التالي.

تتم إزالة الهواء الجوي في الضاغط 1 وإرساله إلى مولد البخار (غلاية البخار) 2. ويتم توفير الوقود على الفور. عند الخروج من مولد البخار، تنخفض درجة حرارة منتجات الاحتراق بسبب نقل الحرارة لتسخين الماء وإنتاج البخار.

يدخل البخار المسخن الناتج مع الضغط إلى التوربين البخاري 4، حيث يتمدد إلى فراغ عميق، ويعمل، ثم يتكثف في المكثف 6. يتم توفير المكثفات (ماء التغذية) بواسطة المضخة 7 إلى نظام المبادل الحراري 6، حيث يتم تسخينه إلى درجة حرارة الغليان، ومن ثم إلى مولد البخار 2، وبذلك يتم إغلاق دورة البخار.

يعمل جزء التوربينات الغازية في التركيب على مبدأ وحدة توربينات الغاز المفتوحة. تدخل منتجات الاحتراق إلى توربين الغاز 3 وتتوسع هناك. بعد أن عملت في التوربينات، يتم تمريرها من خلال نظام المبادلات الحرارية 8، حيث يتم تبريدها بواسطة مياه التغذية، ثم يتم إزالتها إلى الغلاف الجوي.

تم إنشاء دورة محطة البخار والغاز المدمجة (الشكل 1.16) لـ 1 كجم من بخار الماء والكمية المقابلة من الغاز لكل 1 كجم من الماء.

في دورة تركيب توربينات الغاز، يتم توفير حرارة تساوي المساحة a-5-1-g، ويتم الحصول على عمل مفيد إل سي جي، تساوي المساحة 1-2-3-4-5. في دورة محطة البخار، عند تنفيذها بشكل منفصل، تكون كمية الحرارة الموردة مساوية للمساحة في -8-9-10-11-6، والعمل المفيد L لوحدة المعالجة المركزية يساوي المساحة 6-7- 8-9-10-11. يتم إطلاق حرارة الغازات المنبعثة في التوربين، والتي تساوي المساحة a-4-2-g، إلى الغلاف الجوي عندما يتم تنفيذ الدورتين بشكل منفصل. في دورة الغاز البخاري، لا يتم إطلاق الحرارة المنطلقة أثناء تبريد الغازات على طول الخط 2-3 وتساوي مساحة b-Z-2-g إلى الغلاف الجوي، ولكنها تستخدم لتسخين مياه التغذية على طول الخط 8-9 في نظام المبادل الحراري 8.

تنخفض الحرارة المنصرفة لتكوين البخار في الغلاية بمقدار يساوي المساحة المظللة ب-8-9-د، وتزداد كفاءة الدورة المركبة، حيث أن إجمالي العمل المفيد للدورتين إل سي جي + وحدة المعالجة المركزية Lهو نفسه عندما يتم تنفيذها بشكل مشترك ومنفصل.

تتمتع وحدات PTU بكفاءة عالية إلى حد ما. حوالي 42%. هذا يفسر كالتالي. إن دورة البخار والغاز المعتبرة، من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، هي دورة ثنائية تتكون من مراحل الغاز والبخار. تستخدم مرحلة الغاز درجة حرارة أعلى لسائل العمل مقارنة بمحطات الغاز الحديثة ذات الدورة المركبة، أي. متوسط ​​درجة حرارة إمدادات الحرارة في دورة البخار والغاز أعلى مما كانت عليه في دورة البخار. وفي الوقت نفسه، تتيح لك مرحلة البخار الاستفادة من الدورة البخارية، حيث يكون مستوى درجة حرارة إزالة الحرارة إلى المشتت الحراري قريبًا من درجة الحرارة المحيطة، وفي دورة التوربينات الغازية يكون أعلى بكثير حتى بعد انتهاء عملية البخار. المجدد. لذلك، إي.بي.دي. ستكون محطة الدورة المركبة أعلى من الكفاءة. GTU وPTU بشكل منفصل.

Ö GTU مع غرف احتراق المكبس.

أصبحت محطات توليد الطاقة التي تعمل فيها توربينات الغاز جنبًا إلى جنب مع مولد الغاز ذو المكبس الحر (LPGG) منتشرة بشكل متزايد. تجمع هذه التركيبات بنجاح بين الصفات الإيجابية للتوربين (وزن وأبعاد أقل، والقدرة على العمل بسرعات عالية، وما إلى ذلك) مع الكفاءة العالية نسبيًا لمحرك الاحتراق الداخلي.

يظهر الرسم التخطيطي لوحدة توربينات الغاز مع SLNG في الشكل. 1.17.

يتم تنفيذ دور الضاغط وفي نفس الوقت غرفة الاحتراق بواسطة غاز البترول المسال، والذي، وفقًا لمبدأ تشغيله، يشبه محرك ديزل عالي الضغط ثنائي الأشواط مع مكابس متحركة بشكل معاكس. تقوم المكابس 10 من الضواغط، عند تحركها تجاه بعضها البعض، بضغط الهواء وإزاحته من التجاويف 2 عبر الصمامات 4 إلى مستقبل التطهير 11، ومن هناك، عبر نافذة التطهير 6، يدخل الهواء إلى أسطوانة "الديزل" 9، قم أولاً بتطهيره ثم ملئه بشحنة جديدة. عندما تقترب المكابس 5 وتأخذ الموضع المتطرف تقريبًا بالنسبة لبعضها البعض، يتم حقن الوقود في الأسطوانة 9 من خلال الحاقن 7. كما هو الحال في الديزل

أرز. 1.17. GTU مع غرفة احتراق المكبس:

1-التجويف العازل؛ 2- تجاويف الضاغط؛ 3 صمامات مدخل؛ 4 صمامات جانبية 5 مكبس 6-نوافذ نفخ؛ 7 فوهة؛ نوافذ ذات 8 مخارج؛ 9 أسطوانات ("ديزل")؛ ضواغط ذات 10 مكبس 11- تطهير المتلقي؛ 12-مستقبل التعادل؛ 13-التوربينات. 14-تحميل.

يشتعل ذاتيًا تحت الضغط. بسبب تمدد الغازات في الاسطوانة 9 أثناء احتراق الوقود، تبدأ المكابس 5 بالتباعد في اتجاهين متعاكسين. في هذه الحالة، تقوم المكابس 10، المتصلة بشكل صارم بالمكابس 5، بضغط الهواء في التجاويف العازلة 1. وفي الوقت نفسه، من خلال الصمامات 3، يتم امتصاص الهواء الجوي في تجاويف الضاغط 2. بعد ذلك، بمجرد يفتح المكبس 5 نوافذ المخرج 8، ويتم إطلاق الغازات من أسطوانة الديزل إلى جهاز استقبال المعادلة 12، ومنه يتم إرسال خليط الغازات مع هواء التطهير إلى التوربين 13. وتعطى الطاقة التي طورها التوربين بالكامل تقريبًا إلى المستهلك 14. لتحريك المكابس مرة أخرى تجاه بعضها البعض، يتم استخدام طاقة الهواء المضغوط الموجود في التجاويف العازلة 1. ثم تتكرر الدورة.

كفاءة تبلغ نسبة GTU مع LNG 30...35%، وأحيانًا أكثر من 40%. ترجع كفاءتها العالية إلى الاختلاف الكبير في درجات الحرارة الذي تتم به عملية العمل. أعلى درجة حرارة هي درجة حرارة احتراق الوقود في أسطوانة «الديزل» (حوالي 1800 درجة مئوية)، وأدنى درجة حرارة هي درجة حرارة الغازات المنبعثة من التوربين (200...300 درجة مئوية).

تُستخدم توربينات الغاز المزودة بـ SGNG في بعض السفن والقاطرات والمرافق الثابتة لأغراض مختلفة.

العيب الرئيسي لوحدات توربينات الغاز المزودة بـ SLNG هو التعقيد والنقص المعين في SLNG نفسها. وهذا يقلل بشكل كبير من موثوقية ومتانة عملها، ويحد في النهاية من وتيرة وحجم تنفيذها.

معلومات ذات صله.