Auru- ja gaasiturbiinid: eesmärk, tööpõhimõte, konstruktsioonid, tehnilised omadused, tööomadused. Gaasiturbiinide tüübid Kuidas gaasiturbiin töötab

Gaasiturbiin kui soojusmasin ühendab endas auruturbiini ja sisepõlemismootori iseloomulikke omadusi, milles kütuse põlemisel tekkiv energia muundatakse otse mehaaniliseks tööks. Avatud tsüklis töötavate gaasiturbiinide töövedelik on kütuse põlemisproduktid ning suletud tsüklis töötavate gaasiturbiinide töövedelik on puhas õhk või süsteemis pidevalt ringlev gaas. Laevadel kasutatakse gaasiturbiine (GTU), mis töötavad avatud tsüklis, kütuse põlemisel konstantsel rõhul (p = const) ja GTU-sid, mis töötavad suletud tsüklis.

Praegu on laevade gaasiturbiine kahte tüüpi: 1) turbokompressor ja 2) vabakolbgaasigeneraatoriga (LPGG).

Joonisel fig. 101. Kompressor 9 imeb sisse puhast atmosfääriõhku, surub selle kokku kõrge rõhuni ja toimetab selle läbi õhukanali3 põlemiskambrisse 2, kus samaaegselt läbi düüsi1 kütus tarnitakse. Kütus moodustab õhuga segamisel töötava segu, mis põlebR = konst. Saadud põlemissaadused jahutatakse õhuga ja suunatakse turbiini vooluteele. Statsionaarsetes labades 4 põlemisproduktid paisuvad ja sisenevad suurel kiirusel töölabadesse 5, kus gaasivoolu kineetiline energia muundatakse võlli pöörlemise mehaaniliseks tööks. Toru 6 kaudu väljuvad heitgaasid turbiinist. Gaasiturbiin pöörab kompressorit 9 ja läbi käigukasti7 propeller 8. Paigalduse käivitamiseks kasutatakse käivitusmootorit 10, mis keerutab kompressori minimaalse pöörlemiskiiruseni.

Samal joonisel on kujutatud vaadeldava gaasiturbiini agregaadi teoreetiline tsükkel koordinaatides p - ? JaS - T: AB - õhu kokkusurumise protsess kompressoris; BC-kütuse põlemine põlemiskambris konstantsel rõhul; SD - gaasi paisumine turbiinis, JAH - soojuse eemaldamine heitgaasidest.

Gaasiturbiini töö efektiivsuse suurendamiseks kasutatakse põlemiskambrisse siseneva õhu regeneratiivset kuumutamist või kütuse astmelist põletamist mitmes järjestikuses põlemiskambris, mis teenindavad üksikuid turbiine. Disaini keerukuse tõttu kasutatakse etapiviisilist põlemist harva. Paigalduse efektiivse efektiivsuse tõstmiseks koos regenereerimisega kasutatakse kaheastmelist õhukompressiooni, kusjuures kompressorite vahele on lisatud õhuvahejahuti, mis vähendab kõrgsurvekompressori vajalikku võimsust.

Joonisel fig. 102 on kujutatud lihtsaima gaasiturbiini paigalduse skeemi kütuse põlemisega kellR = konst ja soojustagastus. Kompressoris surutud õhk1 , läheb läbi regeneraatori 2 põlemiskambrisse3 , kus seda kuumutatakse suhteliselt kõrgel temperatuuril turbiinist 4 väljuvate heitgaaside soojusest. Selle paigalduse tegelik tsükkel on näidatud S-T diagrammil (joonis 103): õhu kokkusurumise protsess kompressoris1 - 2 ; õhu soojendamine regeneraatoris, millega kaasneb rõhu langus alatesR 2 enneR 4 2-3; soojusvarustus kütuse põlemisel 3 - 4; gaasi tegelik paisumisprotsess turbiinides4-5 ; gaaside jahutamine regeneraatoris, millega kaasneb rõhukadu p 5 -R 1 5-6; gaaside vabastamine - soojuse eemaldamine6-1 . Regeneraatoris oleva õhu poolt vastuvõetud soojushulk on esindatud pindalaga 2"-2-3-3" ja heitgaaside poolt regeneraatoris eraldatud soojuse kogus on esindatud pindalaga . 6"-6-5-5". Need alad on üksteisega võrdsed.

Suletud tsükliga gaasiturbiinseadmes ei satu kasutatud töövedelik atmosfääri, vaid suunatakse see pärast eeljahutamist uuesti kompressorisse. Järelikult ringleb tsüklis töövedelik, mis ei ole põlemisproduktidega saastunud. See parandab turbiini vooluosade töötingimusi, mille tulemuseks on paigaldise töökindluse suurenemine ja selle tööea pikenemine. Põlemissaadused ei segune töövedelikuga ja seetõttu sobib põletamiseks igasugune kütus.

Joonisel fig. Joonisel 104 on kujutatud kõigi režiimide suletud tsükliga laeva gaasiturbiiniseadme skemaatiline diagramm. Õhk pärast eeljahutust õhujahutis 4 siseneb kompressorisse5 , mida juhib kõrgsurveturbiin7 . Kompressori õhk suunatakse regeneraatorisse3 ja seejärel õhuküttekehasse 6, mis täidab avatud tüüpi paigaldiste puhul sama rolli kui põlemiskamber. Õhkküttekehast siseneb kõrgsurveturbiini tööõhk temperatuuril 700 ° C7 mis pöörab kompressori ja seejärel madalrõhuturbiini2 , mis läbi käigukasti1 juhib reguleeritava sammuga propellerit. Käivitav elektrimootor 8 on ette nähtud paigalduse käivitamiseks. Suletud tsükliga gaasiturbiinide puuduste hulka kuulub soojusvahetite mahukus.

Erilist huvi pakuvad tuumareaktoriga suletud tsükliga gaasiturbiinseadmed. Nendes seadmetes kasutatakse gaasiturbiinide töövedelikuna (jahutusvedelikuna) heeliumi, lämmastikku ja süsinikdioksiidi. Neid gaase tuumareaktoris ei aktiveerita. Reaktoris kõrge temperatuurini kuumutatud gaas suunatakse otse tööle gaasiturbiini.

Gaasiturbiinide peamised eelised võrreldes auruturbiinidega on: väike kaal ja mõõtmed, kuna puudub katlaruum ja kondensatsiooniseade koos abimehhanismide ja -seadmetega; kiire käivitamine ja täisvõimsuse arendamine 10-15 minutiga\ väga väike jahutusveekulu; hoolduse lihtsus.

Gaasiturbiinide peamised eelised võrreldes sisepõlemismootoritega on: vändamehhanismi ja sellega seotud inertsiaalsete jõudude puudumine; väike kaal ja mõõtmed suure võimsusega (gaasiturbiinid on 2-2,5 korda kergemad ja 1,5-2 korda lühemad kui diiselmootorid); madala kvaliteediga kütusega töötamise võimalus; madalamad tegevuskulud. Gaasiturbiinide puudused on järgmised: lühike kasutusiga kõrgel gaasitemperatuuril (näiteks gaasitemperatuuril 1173° K, kasutusiga 500-1000 tundi); madalam efektiivsus kui diiselmootoritel; märkimisväärne müra töö ajal.

Praegu kasutatakse meretranspordilaevade peamiste mootoritena gaasiturbiine. Mõnel juhul kasutatakse väikese võimsusega gaasiturbiine pumpade, avariielektrigeneraatorite, lisalaadimiskompressorite jne juhtimiseks. Gaasiturbiinid pakuvad erilist huvi tiiburlaevade ja hõljuki peamootoritena.

“Turboülelaadimine”, “turboreaktiivmootor”, “turbopropeller” – need terminid on kindlalt sisenenud 20. sajandi inseneride sõnavarasse, kes tegelevad sõidukite ja statsionaarsete elektripaigaldiste projekteerimise ja hooldamisega. Neid kasutatakse isegi seotud valdkondades ja reklaamides, kui soovitakse toote nimele anda aimu erilisest võimsusest ja tõhususest. Gaasiturbiini kasutatakse kõige sagedamini lennunduses, rakettides, laevades ja elektrijaamades. Kuidas see on üles ehitatud? Kas see töötab maagaasil (nagu nime järgi arvata võib) ja mis tüüpi gaas need on? Mille poolest erineb turbiin teist tüüpi sisepõlemismootoritest? Millised on selle eelised ja puudused? Selles artiklis püütakse neile küsimustele võimalikult täielikult vastata.

Venemaa insenerijuht UEC

Venemaal, erinevalt paljudest teistest pärast NSV Liidu lagunemist tekkinud iseseisvatest riikidest, õnnestus masinaehitustööstus suures osas säilitada. Eelkõige tegeleb Saturni ettevõte eriotstarbeliste elektrijaamade tootmisega. Ettevõtte gaasiturbiine kasutatakse laevaehituses, toorainetööstuses ja energeetikas. Tooted on kõrgtehnoloogilised, nõuavad erilist lähenemist paigaldamisel, silumisel ja kasutamisel, samuti eriteadmisi ja kulukaid seadmeid tavapäraseks hoolduseks. Kõik need teenused on saadaval ettevõtte "UEC - Gas Turbines", nagu seda tänapäeval nimetatakse, klientidele. Selliseid ettevõtteid pole maailmas nii palju, kuigi põhitoote põhimõte on esmapilgul lihtne. Kogunenud kogemused on suure tähtsusega, võimaldades meil arvestada paljude tehnoloogiliste peensustega, ilma milleta pole seadme vastupidavat ja usaldusväärset tööd võimatu saavutada. Siin on vaid osa UEC tootevalikust: gaasiturbiinid, elektrijaamad, gaasipumpamisseadmed. Klientide hulgas on Rosatom, Gazprom ja teised keemiatööstuse ja energeetika “vaalad”.

Selliste keerukate masinate tootmine nõuab igal konkreetsel juhul individuaalset lähenemist. Gaasiturbiini arvutamine on praegu täielikult automatiseeritud, kuid igal üksikjuhul loevad paigaldusskeemide materjalid ja omadused.

Ja kõik algas nii lihtsalt...

Otsingud ja paarid

Inimkond tegi iidsetel aegadel esimesed katsed voolu translatsioonienergia muutmiseks pöörlemisjõuks, kasutades selleks tavalist vesiratast. Kõik on äärmiselt lihtne, vedelik voolab ülalt alla ja selle voolu asetatakse terad. Nendega perimeetri ümber varustatud ratas pöörleb. Tuuleveski töötab samamoodi. Siis saabus auruajastu ja ratta pöörlemine kiirenes. Muide, nn aeolipil, mille leiutas Vana-Kreeka Heron umbes 130 aastat enne Kristuse sündi, oli täpselt sellel põhimõttel töötav aurumasin. Sisuliselt oli see esimene ajalooteadusele teadaolev gaasiturbiin (aur on ju gaasiline vee agregatsiooni olek). Tänapäeval on ikka kombeks need kaks mõistet eraldada. Sel ajal reageerisid nad Aleksandrias Heroni leiutisele ilma suurema entusiasmita, kuigi uudishimuga. Turbiini tüüpi tööstusseadmed ilmusid alles 19. sajandi lõpus, pärast seda, kui rootslane Gustaf Laval oli loonud maailma esimese düüsiga varustatud aktiivjõuseadme. Insener Parsons töötas ligikaudu samas suunas, varustades oma masina mitme funktsionaalselt seotud etapiga.

Gaasiturbiinide sünd

Sajand varem tuli teatud John Barberil geniaalne idee. Miks on vaja kõigepealt auru soojendada? Kas pole lihtsam otse ära kasutada kütuse põlemisel tekkivaid heitgaase ja seeläbi välistada tarbetu vahendus energia muundamise protsessis? Selline sai esimene päris gaasiturbiin. 1791. aasta patent kirjeldab hobusteta vankris kasutamise põhiideed, kuid selle elemente kasutatakse tänapäeval kaasaegsetes rakettide, lennukitankide ja autode mootorites. Reaktiivmootori ehitamise protsessi alustas 1930. aastal Frank Whittle. Ta tuli välja ideega kasutada lennuki liikumapanemiseks turbiini. Seejärel töötati see välja paljudes turbopropeller- ja turboreaktiivmootorite projektides.

Nikola Tesla gaasiturbiin

Kuulus teadlane-leiutaja lähenes uuritud küsimustele alati ebastandardselt. Kõigile tundus enesestmõistetav, et labade või labadega rattad “püüavad” kandja liikumist paremini kinni kui lamedad esemed. Tesla tõestas talle omasel viisil, et kui koostada rootorisüsteem teljele järjestikku paigutatud ketastest, siis piirkihte haarava gaasivoolu tõttu ei pöörle see halvemini ja mõnel juhul isegi paremini kui mitme labaga propeller. Tõsi, liikuva kandja suund peab olema tangentsiaalne, mis tänapäevaste seadmete puhul ei ole alati võimalik või soovitav, kuid disain on oluliselt lihtsustatud - see ei nõua üldse labasid. Tesla skeemi järgi gaasiturbiini veel ei ehitata, kuid võib-olla ootab idee lihtsalt oma aega.

Skemaatiline diagramm

Nüüd masina põhistruktuurist. See on kombinatsioon pöörlevast süsteemist, mis on paigaldatud teljele (rootor) ja statsionaarsest osast (staator). Võllile asetatakse töötavate labadega ketas, mis moodustab kontsentrilise võre; need puutuvad kokku spetsiaalsete düüside kaudu rõhu all tarnitava gaasiga. Seejärel siseneb paisutatud gaas tiiviku, mis on samuti varustatud labadega, mida nimetatakse töötajateks. Õhu-kütuse segu sisselaske ja väljalaskeava (väljalaske) jaoks kasutatakse spetsiaalseid torusid. Üldskeemis on kaasatud ka kompressor. Seda saab valmistada erinevatel põhimõtetel, olenevalt nõutavast töörõhust. Selle käitamiseks võetakse osa energiast teljelt ja kasutatakse õhu kokkusurumiseks. Gaasiturbiin töötab läbi õhu-kütuse segu põlemisprotsessi, millega kaasneb märkimisväärne mahu suurenemine. Võll pöörleb, selle energiat saab kasulikult kasutada. Sellist vooluringi nimetatakse üheahelaliseks, kuid kui seda korratakse, loetakse seda mitmeastmeliseks.

Lennuki turbiinide eelised

Viiekümnendate keskpaiga paiku ilmusid uue põlvkonna lennukid, sealhulgas reisilennukid (NSV Liidus olid need Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 jne), konstruktsioonides, kus lennukite kolbmootorid asendati lõplikult ja pöördumatult turbiinmootoritega. See näitab seda tüüpi elektrijaama suuremat efektiivsust. Gaasiturbiini omadused on karburaatormootoritega võrreldes mitmes mõttes paremad, eelkõige lennunduse jaoks üliolulise võimsuse/kaalu suhte, aga ka sama oluliste töökindlusnäitajate poolest. Väiksem kütusekulu, vähem liikuvaid osi, paremad keskkonnaparameetrid, väiksem müra ja vibratsioon. Turbiinid on kütusekvaliteedi suhtes vähem kriitilised (mida ei saa öelda kütusesüsteemide kohta), neid on lihtsam hooldada ja nad ei vaja nii palju määrdeõli. Üldiselt tundub esmapilgul, et need pole metallist, vaid kindlate eelistega. Kahjuks pole see tõsi.

Gaasiturbiinmootoritel on ka puudusi.

Gaasiturbiin soojeneb töötamise ajal ja kannab soojust ümbritsevatele konstruktsioonielementidele. See on eriti kriitiline jällegi lennunduses, kui kasutatakse muudetud paigutusskeemi, mis hõlmab sabaosa alumise osa pesemist joavooluga. Ja mootori korpus ise nõuab spetsiaalset soojusisolatsiooni ja spetsiaalsete tulekindlate materjalide kasutamist, mis taluvad kõrgeid temperatuure.

Gaasiturbiinide jahutamine on keeruline tehniline väljakutse. Pole nali, need töötavad kehas peaaegu püsiva plahvatuse režiimis. Mõne režiimi kasutegur on madalam kui karburaatormootoritel, kuid kaheahelalise vooluahela kasutamisel see puudus kõrvaldatakse, kuigi disain muutub keerulisemaks, nagu ka siis, kui ahelasse on lisatud "võimendus" kompressorid. Turbiinide kiirendamine ja töörežiimi jõudmine võtab aega. Mida sagedamini seade käivitub ja seiskub, seda kiiremini see kulub.

Õige rakendus

Noh, ükski süsteem ei saa hakkama ilma oma puudusteta. Oluline on leida igale neist kasutusala, kus selle eelised oleksid selgemalt demonstreeritud. Näiteks sellised tankid nagu Ameerika Abrams, mille elektrijaam põhineb gaasiturbiinil. Seda saab täita kõigega, mis põleb, alates kõrge oktaanarvuga bensiinist kuni viskini, ja see annab suure võimsuse. Näide ei pruugi olla väga edukas, kuna Iraagi ja Afganistani kogemus on näidanud kompressori labade haavatavust liiva suhtes. Gaasiturbiine tuleb remontida USA-s, tootmistehases. Et viia paak sinna, siis tagasi ja hoolduse enda kulu pluss komponendid...

Vähem kannatavad ummistuste all helikopterid, Venemaa, Ameerika ja teised riigid, aga ka võimsad kiirkaatrid. Vedelraketid ei saa ilma nendeta hakkama.

Kaasaegsetel sõja- ja tsiviillaevadel on ka gaasiturbiinmootorid. Ja ka energiat.

Trigeneraatoriga elektrijaamad

Lennukitootjate probleemid ei ole nii murettekitavad neile, kes toodavad elektrienergia tootmiseks tööstuslikke seadmeid. Sel juhul ei ole kaal enam nii oluline ning keskenduda saab sellistele parameetritele nagu efektiivsus ja üldine efektiivsus. Gaasiturbiini generaatoritel on massiivne raam, töökindel raam ja paksemad labad. Tekkivat soojust on täiesti võimalik ära kasutada, kasutades seda mitmesugusteks vajadusteks - alates teisest ringlussevõtust süsteemis endas kuni kodumajapidamiste kütmiseni ja absorptsioon-tüüpi külmutusseadmete soojusvarustuseni. Seda lähenemisviisi nimetatakse trigeneraatoriks ja selle režiimi efektiivsus läheneb 90%.

Tuumaelektrijaamad

Gaasiturbiini puhul pole põhimõttelist vahet, milline on kuumutatava keskkonna allikas, mis annab oma labadele energiat. See võib olla põletatud õhu-kütuse segu või lihtsalt ülekuumendatud aur (mitte tingimata vesi), peaasi, et see tagab katkematu toite. Kõigi tuumaelektrijaamade, allveelaevade, lennukikandjate, jäämurdjate ja mõnede sõjaliste pealveelaevade (näiteks Peeter Suure raketiristleja) elektrijaamad põhinevad auruga pöörleval gaasiturbiinil (GTU). Ohutus- ja keskkonnaprobleemid nõuavad suletud primaarahelat. See tähendab, et esmane termiline aine (esimestes proovides mängis seda rolli plii, nüüd on see asendatud parafiiniga) ei välju reaktori tsoonist, voolates ringikujuliselt ümber kütuseelementide. Tööainet kuumutatakse järgnevates ahelates ja aurustunud süsinikdioksiid, heelium või lämmastik paneb turbiini ratta pöörlema.

Lai rakendus

Keerulised ja suured installatsioonid on peaaegu alati ainulaadsed, neid toodetakse väikeste partiidena või tehakse isegi üksikuid koopiaid. Kõige sagedamini kasutatakse suurtes kogustes toodetud üksusi rahumeelsetes majandussektorites, näiteks süsivesinike tooraine pumpamiseks läbi torustike. Just selliseid toodab ODK firma Saturni kaubamärgi all. Pumbajaamade gaasiturbiinid vastavad täielikult nende nimele. Tegelikult pumpavad nad maagaasi, kasutades selle energiat oma tööks.

Gaasiturbiini agregaatide tööpõhimõte

Joonis 1. Lihtsa tsükliga ühevõllilise gaasiturbiinmootoriga gaasiturbiini agregaadi skeem

Gaasiturbiini jõuallika kompressorisse (1) suunatakse puhas õhk. Kõrgsurve all juhitakse kompressorist õhk põlemiskambrisse (2), kuhu antakse põhikütus, gaas. Segu süttib. Gaasi-õhu segu põlemisel tekib energia kuumade gaaside vooluna. See vool sööstab suurel kiirusel turbiini tiivikule (3) ja pöörab seda. Pöörlemiskineetiline energia läbi turbiini võlli juhib kompressorit ja elektrigeneraatorit (4). Elektrigeneraatori klemmidest suunatakse tekkiv elekter, tavaliselt trafo kaudu, elektrivõrku, energiatarbijatele.

Gaasiturbiine kirjeldab Braytoni termodünaamiline tsükkel Braytoni/Joule'i tsükkel on termodünaamiline tsükkel, mis kirjeldab gaasiturbiini, turboreaktiiv- ja reaktiivmootoriga sisepõlemismootorite, aga ka gaasiturbiini suletud ahelaga välispõlemismootorite tööprotsesse. (ühefaasiline) töövedelik.

Tsikkel on oma nime saanud Ameerika inseneri George Braytoni järgi, kes leiutas sellel tsiklil töötava kolb-sisepõlemismootori.

Mõnikord nimetatakse seda tsüklit ka Joule'i tsükliks - inglise füüsiku James Joule'i auks, kes kehtestas soojuse mehaanilise ekvivalendi.

Joonis 2. Braytoni tsükli P,V diagramm

Ideaalne Braytoni tsükkel koosneb järgmistest protsessidest:

1-2 Isoentroopne kokkusurumine.
2-3 Isobaarne soojusvarustus.
3-4 Isoentroopne paisumine.
4-1 Isobaarne soojuse eemaldamine.

Võttes arvesse erinevusi tegelike adiabaatiliste paisumis- ja kokkusurumisprotsesside vahel isentroopsetest, konstrueeritakse tõeline Braytoni tsükkel (T-S diagrammil 1-2p-3-4p-1) (joonis 3)

Joonis 3. Braytoni tsükli T-S diagramm
Täiuslik (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Ideaalse Braytoni tsükli soojustõhusust väljendatakse tavaliselt valemiga:

kus P = p2 / p1 on rõhu suurenemise aste isentroopse kokkusurumise protsessis (1-2);
k - adiabaatiline indeks (õhu puhul 1,4)

Eriti tuleb märkida, et see üldtunnustatud meetod tsükli efektiivsuse arvutamiseks varjab toimuva protsessi olemust. Termodünaamilise tsükli piirav efektiivsus arvutatakse temperatuuri suhte kaudu, kasutades Carnot' valemit:

kus T1 on külmiku temperatuur;
T2 - küttekeha temperatuur.

Täpselt sama temperatuuri suhet saab väljendada tsüklis kasutatavate rõhusuhete suuruse ja adiabaatilise indeksi kaudu:

Seega sõltub Braytoni tsükli efektiivsus tsükli alg- ja lõpptemperatuurist täpselt samamoodi nagu Carnot tsükli efektiivsus. Töövedeliku lõpmatult väikese kuumutamise korral piki joont (2-3) võib protsessi pidada isotermiliseks ja täiesti samaväärseks Carnot' tsükliga. Töövedeliku T3 kuumutamise hulk isobaarilise protsessi käigus määrab tsüklis kasutatava töövedeliku kogusega seotud töömahu, kuid ei mõjuta mingil moel tsükli termilist efektiivsust. Tsükli praktilisel rakendamisel viiakse aga kuumutamine tavaliselt läbi võimalikult kõrgete väärtusteni, mida piirab kasutatud materjalide kuumakindlus, et minimeerida töövedelikku kokkupressivate ja laiendavate mehhanismide suurust.

Praktikas põhjustavad hõõrdumine ja turbulents:

Mitteadiabaatiline kokkusurumine: antud üldise rõhusuhte korral on kompressori tühjendustemperatuur ideaalsest kõrgem.
Mitteadiabaatiline paisumine: kuigi turbiini temperatuur langeb tööks vajaliku tasemeni, ei mõjuta see kompressorit, rõhusuhe on kõrgem, mille tulemuseks on ebapiisav paisumine kasuliku töö tagamiseks.
Rõhukaod õhu sisselaskeavas, põlemiskambris ja väljalaskeavas: selle tulemusena ei ole paisumine kasuliku töö tagamiseks piisav.

Nagu kõigi tsükliliste soojusmootorite puhul, mida kõrgem on põlemistemperatuur, seda suurem on kasutegur. Piiravaks teguriks on terase, nikli, keraamika või muude mootorit moodustavate materjalide võime taluda kuumust ja survet. Turbiini osadest soojuse eemaldamiseks läheb palju inseneritööd. Enamik turbiine üritab soojust tagasi võtta ka heitgaasidest, mis muidu raisku läheksid.

Rekuperaatorid on soojusvahetid, mis kannavad soojuse heitgaasidest enne põlemist suruõhku. Kombineeritud tsüklis kantakse soojus üle auruturbiinisüsteemidele. Ja soojuse ja elektri koostootmises (koostootmine) kasutatakse heitsoojust sooja vee tootmiseks.

Mehaaniliselt võivad gaasiturbiinid olla oluliselt lihtsamad kui kolb-sisepõlemismootorid. Lihtturbiinidel võib olla üks liikuv osa: võlli/kompressori/turbiini/alternatiivse rootori koost (vt allolevat pilti), välja arvatud kütusesüsteem.

Joonis 4. Sellel masinal on üheastmeline radiaalkompressor,
turbiin, rekuperaator ja õhklaagrid.

Keerulisematel turbiinidel (need, mida kasutatakse tänapäevastes reaktiivmootorites) võib olla mitu võlli (poolid), sadu turbiinilabasid, liikuvad staatorilabad ja ulatuslik keerukate torustike, põlemiskambrite ja soojusvahetite süsteem.

Üldiselt, mida väiksem on mootor, seda suurem on võlli (võllide) kiirus, mis on vajalik labade maksimaalse lineaarkiiruse säilitamiseks.

Turbiinilabade maksimaalne kiirus määrab maksimaalse rõhu, mida on võimalik saavutada, mille tulemuseks on maksimaalne võimsus, olenemata mootori suurusest. Reaktiivmootor pöörleb umbes 10 000 pööret minutis ja mikroturbiin umbes 100 000 pööret minutis.

Auruturbiin. Katsed konstrueerida auruturbiini, mis oleks võimeline konkureerima aurumasinaga kuni 19. sajandi keskpaigani. ei õnnestunud, kuna ainult väike osa aurujoa kineetilisest energiast suudeti muuta turbiini pöörlemise mehaaniliseks energiaks. Asi on selles, et leiutajad

ei võtnud arvesse turbiini kasuteguri sõltuvust auru kiiruse ja turbiini labade joonkiiruse suhtest.

Uurime välja, millise gaasivoo kiiruse ja turbiinilaba lineaarkiiruse suhte korral toimub gaasivoo kineetilise energia kõige täielikum ülekanne turbiini labale (joonis 36). Kui auru kineetiline energia on täielikult üle kantud turbiini labale, peaks joa kiirus Maa suhtes olema võrdne nulliga, s.o.

Kiirusega liikuvas võrdluskaadris on joa kiirus võrdne: .

Kuna selles võrdlusraamis on tera joaga interaktsiooni hetkel liikumatu, jääb joa kiirus pärast elastset peegeldust suurusjärgus muutumatuks, kuid muudab suunda vastupidiseks:

Minnes uuesti Maaga seotud võrdlusraami juurde, saame joa kiiruse pärast peegeldust:

Sellest ajast

Leidsime, et joa kineetilise energia täielik ülekandmine turbiinile toimub tingimusel, et turbiini labade lineaarne liikumiskiirus on poole väiksem joa kiirusest Esimese auruturbiini, mis leidis praktilist rakendust, valmistas Rootsi insener Gustav Laval aastal 1889. Selle võimsus oli väiksem pöörlemiskiirusel p/min

Riis. 36. Aurujoa kineetilise energia ülekandmine turbiini labale

Gaasi suur voolukiirus isegi keskmiste rõhulanguste korral, ulatudes ligikaudu 1200 m/s, nõuab tõhusaks tööks turbiini labade lineaarkiirust ligikaudu 600 m/s. Järelikult peab turbiin kõrgete kasutegurite saavutamiseks olema suure kiirusega. Rootori veljel 1 m raadiusega 1 kg kaaluvale turbiini labale mõjuvat inertsiaaljõudu on lihtne arvutada laba kiirusel 600 m/s:

Tekib põhimõtteline vastuolu: turbiini säästlikuks tööks on vaja ülehelikiirusega rootori kiirusi, kuid sellistel kiirustel turbiini inertsiaaljõud hävitavad. Selle vastuolu lahendamiseks on vaja konstrueerida turbiinid, mis pöörlevad optimaalsest väiksema kiirusega, kuid aurujoa kineetilise energia täielikuks ärakasutamiseks muuta need mitmeastmeliseks, asetades ühisele võllile mitu suureneva läbimõõduga rootorit. Turbiini ebapiisavalt suure pöörlemiskiiruse tõttu kannab aur väiksema läbimõõduga rootorile üle vaid osa oma kineetilisest energiast. Seejärel juhitakse esimeses etapis välja lastud aur teise suurema läbimõõduga rootorisse, andes selle labadele osa ülejäänud kineetilisest energiast jne. Väljalaskeaur kondenseeritakse jahuti-kondensaatoris ning soe vesi suunatakse boilerisse. .

Auruturbiini paigalduse tsükkel on koordinaatidena näidatud joonisel 37. Katlas saab töövedelik teatud koguse soojust, soojeneb ja paisub konstantsel rõhul (isobar AB). Turbiinis paisub aur adiabaatiliselt (adiabat BC), teostades tööd rootori pööramiseks. Kondensaator-jahutis, mida pestakse näiteks jõeveega, kannab aur soojust veele ja kondenseerub konstantsel rõhul. See protsess vastab isobaarile. Soe vesi kondensaatorist pumbatakse boilerisse. See protsess vastab isohoorile.Nagu näha, on auruturbiinitehase tsükkel suletud. Ühe tsükli jooksul auruga tehtud töö on arvuliselt võrdne joonise ABCD pindalaga.

Kaasaegsetel auruturbiinidel on kõrge kineetilise muundamise efektiivsus

Riis. 37. Auruturbiinijaama töötsükli skeem

aurujoa energia mehaaniliseks energiaks, veidi üle 90%. Seetõttu töötavad peaaegu kõigi maailma soojus- ja tuumaelektrijaamade elektrigeneraatorid, mis annavad enam kui 80% kogu toodetud elektrist, auruturbiinidega.

Kuna tänapäevastes auruturbiinitehastes kasutatava auru temperatuur ei ületa 580 C (küttekeha temperatuur) ja auru temperatuur turbiini väljalaskeava juures ei ole tavaliselt madalam kui 30 ° C (külmkapi temperatuur), on maksimaalne efektiivsusväärtus auruturbiini tehas soojusmasinana on:

ja auruturbiini kondensatsioonielektrijaamade tegelikud kasutegurid ulatuvad vaid umbes 40% -ni.

Kaasaegsete katel-turbiin-generaatori jõuallikate võimsus ulatub kW-ni. Järgmisena on 10. viisaastaku kavas kuni kW võimsusega jõuplokkide ehitamine.

Veetranspordis kasutatakse laialdaselt auruturbiinmootoreid. Nende kasutamist maismaatranspordis ja eriti lennunduses aga raskendab vajadus auru genereerimiseks kamina ja boileri järele ning töövedelikuna kasutamiseks suures koguses vett.

Gaasiturbiinid. Idee likvideerida turbiiniga soojusmootoris ahi ja boiler, viies kütuse põlemiskoha töövedelikku endasse, on disainereid pikka aega hõivanud. Kuid selliste sisepõlemisturbiinide väljatöötamist, milles töövedelikuks ei ole aur, vaid kuumutamisel paisuv õhk, takistas materjalide puudumine, mis oleksid võimelised pikka aega töötama kõrgel temperatuuril ja suurel mehaanilisel koormusel.

Gaasiturbiini paigaldus koosneb õhukompressorist 1, põlemiskambritest 2 ja gaasiturbiinist 3 (joonis 38). Kompressor koosneb turbiiniga samale teljele paigaldatud rootorist ja fikseeritud juhtlabast.

Kui turbiin töötab, pöörleb kompressori rootor. Rootori labad on kujundatud selliselt, et nende pöörlemisel rõhk kompressori ees väheneb ja selle taga suureneb. Õhk imetakse kompressorisse ja selle rõhk esimese rootori labade rea taga suureneb. Esimese rootori labade rea taga on rida kompressori fikseeritud juhtlaba labasid, mille abil muudetakse õhu liikumise suunda ja tagatakse teise astme labade abil selle edasise kokkusurumise võimalus. rootorist jne. Kompressori labade mitu etappi suurendavad õhurõhku 5-7 korda.

Kokkusurumisprotsess toimub adiabaatiliselt, mistõttu õhutemperatuur tõuseb oluliselt, ulatudes 200 °C või rohkem.

Riis. 38. Gaasiturbiini paigaldus

Suruõhk siseneb põlemiskambrisse (joonis 39). Samal ajal süstitakse sellesse kõrge rõhu all läbi düüsi vedelkütus - petrooleum, kütteõli.

Kütuse põlemisel saab töövedelikuna kasutatav õhk teatud koguse soojust ja soojeneb temperatuurini 1500–2200 °C. Õhu soojendamine toimub konstantsel rõhul, mistõttu õhk paisub ja selle kiirus suureneb.

Turbiini suunatakse suurel kiirusel liikuv õhk ja põlemisproduktid. Lavalt lavale liikudes loovutavad nad oma kineetilise energia turbiini labadele. Osa turbiinile saadavast energiast kulub kompressori pöörlemisele ja ülejäänu kasutatakse näiteks lennuki propelleri või elektrigeneraatori rootori pöörlemiseks.

Turbiini labade kaitsmiseks põlemiskambrisse siseneva kuuma ja suure kiirusega gaasijoa hävitava mõju eest

Riis. 39. Põlemiskamber

Kompressor pumpab sisse oluliselt rohkem õhku, kui on vaja kütuse täielikuks põlemiseks. Kütuse põlemistsooni taga asuvasse põlemiskambrisse sisenev õhk (joon. 38) vähendab turbiini labadele suunatud gaasijoa temperatuuri. Gaasi temperatuuri langus turbiinis toob kaasa efektiivsuse languse, mistõttu teadlased ja disainerid otsivad võimalusi gaasiturbiini töötemperatuuri ülempiiri tõstmiseks. Mõnes kaasaegses lennunduse gaasiturbiinmootoris ulatub gaasi temperatuur turbiini ees 1330 °C-ni.

Atmosfäärilähedase rõhu ja üle 500 °C temperatuuril üle 500 m/s väljuv heitõhk koos põlemisproduktidega juhitakse tavaliselt atmosfääri või suunatakse efektiivsuse suurendamiseks soojusvahetisse. , kus see kannab osa soojusest üle põlemiskambrisse siseneva õhu soojendamiseks.

Gaasiturbiini agregaadi töötsükkel on diagrammeeritud joonisel 40. Kompressori õhu kokkusurumise protsess vastab adiabaadile AB, kuumenemis- ja paisumisprotsess põlemiskambris - isobar BC. Kuuma gaasi paisumise adiabaatilist protsessi turbiinis tähistab CD sektsioon, jahutamise ja töövedeliku mahu vähendamise protsessi tähistab DA isobar.

Gaasiturbiinide kasutegur ulatub 25-30%. Gaasiturbiinmootoritel ei ole mahukaid aurukatelde, nagu aurumootorid ja auruturbiinid, ning kolvid ja mehhanismid, mis muudaksid edasi-tagasi liikumise pöörlevaks liikumiseks, nagu aurumasinad ja sisepõlemismootorid. Seetõttu võtab gaasiturbiinmootor kolm korda vähem ruumi kui sama võimsusega diiselmootor ning selle erimass (massi ja võimsuse suhe) on 6–9 korda väiksem kui lennuki sisepõlemis-kolbmootoril. Kompaktsus ja kiirus koos suure võimsusega kaaluühiku kohta määrasid gaasiturbiinmootorite esimese praktiliselt olulise kasutusvaldkonna - lennunduse.

Gaasiturbiinmootori võllile paigaldatud sõukruviga lennukid ilmusid 1944. aastal. Sellistel kuulsatel lennukitel nagu AN-24, TU-114, IL-18, AN-22 - “Antey” on turbopropellermootorid.

"Antey" maksimaalne kaal stardil on 250 tonni, kandevõime 80 tonni ehk 720 reisijat,

Riis. 40. Gaasiturbiinijaama töötsükli skeem

kiirus 740 km/h, iga nelja mootori võimsus kW.

Gaasiturbiinmootorid hakkavad veetranspordis asendama auruturbiinmootoreid, eriti mereväe laevadel. Üleminek diiselmootoritelt gaasiturbiinmootoritele võimaldas tõsta tiiburlaevade kandevõimet neljakordseks, 50 tonnilt 200 tonnile.

Raskeveokitele paigaldatakse gaasiturbiinmootorid võimsusega 220-440 kW. 120-tonnist gaasiturbiinmootoriga BelAZ-549V katsetatakse mäetööstuses.

ÜLDTEAVE GTU TÖÖ KOHTA

Gaasiturbiiniseadme üldine struktuur ja tööpõhimõte

Gaasiturbiinmootor on mootor, milles töövedelikuna kasutatakse mittekondenseeruvat gaasi (õhku ja põlemisprodukte ehk neutraalgaase), veomootorina aga gaasiturbiini.

Termin turbiin pärineb ladinakeelsetest sõnadest turbineus - keerisekujuline või turbo - ülemine. Turbiin on mootor, milles masina võlli mehaaniline töö saadakse gaasijoa kineetilise energia muundamise teel, mis omakorda saadakse potentsiaalse energia - õhuvoolus põletatud kütuse energia - muundamise tulemusena. Kaasaegsed ideed soojuse tööks muutmisest põhinevad kahel kõige olulisemal termodünaamika põhimõttel: esimest tüüpi igiliikuri loomise võimatus (termodünaamika esimese seaduse tagajärg) ja igiliikuri loomise võimatus. teist tüüpi, milles soojus muutuks täielikult tööks (termodünaamika teise seaduse tagajärg).

Iga soojusmasina loomise hädavajalik tingimus on materiaalse keskkonna olemasolu - töövedelik ja vähemalt kaks soojusallikat - kõrge temperatuuriga allikas (küttekeha), millest saame soojust, et muuta osa sellest tööks, ja madala temperatuuriga allikas, millele anname osa mootorisoojuses kasutamata jäävast.

Järelikult peab iga soojusmasin koosnema küttekehast, paisumasinast, külmikust ja kompressormasinast. Veelgi enam, kui tahame soojust pidevalt tööks muundada, siis tuleb töövedelikku pidevalt koos paisumisega pidevalt kokku suruda ja sellistel tingimustel, et kokkusurumistöö oleks väiksem kui paisumistöö, st töövedelik peab sooritage ringprotsess. Soojusmasinas saadav töö on defineeritud kui töövedeliku paisumis- ja kokkusurumistöö erinevus ning teisest küljest (vastavalt energia jäävuse seadusele) kui erinevus tarnitud soojuse absoluutkogustes. ja eemaldati.

Kolb- ja turbiin-sisepõlemismootorite erinevuse peamine termodünaamiline tunnus on ringprotsesside rakendamise iseärasused: kolbmootorites asendavad tsükli põhiprotsessid (kokkusurumine, soojusvarustus, paisumine) üksteise järel samas suletud ruumis. (silinder-kolbsüsteem) ja turbiinmootorites viiakse samu protsesse pidevalt läbi sõltumatutes mootorielementides, mis paiknevad järjestikku töövedeliku üldises voolus (näiteks kompressor - põlemiskamber - turbiin kõige lihtsamas gaasis turbiinmootor).

Lihtsaima gaasiturbiiniseadme skemaatiline diagramm on näidatud joonisel fig. 1.1.

Joonis 1.1 Lihtsaima gaasiturbiini agregaadi skemaatiline diagramm.

1 – aksiaalkompressor; 2 – põlemiskamber; 3 – turbiin;

Paigaldamise tööpõhimõte on järgmine.

Kompressor 1 imeb atmosfäärist õhku, surub selle kokku teatud rõhuni ja varustab sellega põlemiskambrisse 2. Siia tarnitakse pidevalt ka vedelat või gaasilist kütust. Kütuse põlemisel põlemiskambris tekkinud kuumad gaasid sisenevad turbiini 3. Turbiinis gaas paisub ja selle siseenergia muundatakse mehaaniliseks tööks. Heitgaasid väljuvad turbiinist atmosfääri.

Vaatleme sellise gaasiturbiini tsüklit T-S diagrammil (joon. 1.2).

Atmosfääriõhk ( P=P a, T=T a) voolab läbi sisendseadme kompressorisse (isoterm 0-1); selle rõhk ja temperatuur muutuvad võrdseks P 1 Ja T 1 .

Järgmisena surub kompressor õhu rõhuni P2 selle temperatuur tõuseb kuni T 2(adiabaatiline 1-2). Kompressori väljalaskeava õhurõhu ja selle sisselaskeava rõhu suhet nimetatakse kompressori surveaste(1.1).

, (1.1)

Kus π kuni– rõhu suurenemise aste kompressoris; R 2– õhurõhk kompressori taga; P 1– surve kompressori ees.

Põlemiskambris (isobar 2-3) tõuseb töövedeliku temperatuur kuni T 3 konstantsel rõhul ( P2 = P 3).

Seejärel paisub turbiinis õhu ja gaasi segu (adiabaat 3-4), selle rõhk väheneb kuni P 4, ja temperatuur on kuni T 4. Nimetatakse turbiini sisselaskeava gaasirõhu ja selle väljalaskeava gaasirõhu suhet turbiini paisumissuhe (1.2).

Kus π t– turbiini paisumisaste; R 3– õhurõhk turbiini ees; R 4– rõhk turbiini taga.

Pärast turbiinis paisumist väljuvad heitgaasid atmosfääri (isoterm 4-5).

Eespool käsitletud tsükkel on pöörduv, kuna see ei võta arvesse kokkusurumise, paisumise, soojusvarustuse jms protsessides tekkivaid kadusid. Reaalsetes tingimustes erinevad käitise kõigis sõlmedes toimuvad protsessid pööratavatest, mistõttu gaasiturbiiniseadmete jõudluse määramine pööratavate võrdlustsüklite alusel ei paku praktilist huvi ja seda saab põhjendada vaid erinevate seadmete tsüklite võrdleva analüüsiga. installatsioonid. Seetõttu töötavad need praktikas täisparameetritega (aeglustunud voolu parameetrid).

Täistemperatuur:

, (1.3)

Kus T*– üldtemperatuur; T- staatiline temperatuur; Koos- absoluutne voolukiirus; koos p– erisoojusmaht konstantsel rõhul.

Kogu rõhk

, (1.4)

Kus R*– üldrõhk; R- staatiline rõhk; T*– üldtemperatuur; T – staatiline temperatuur; k- adiabaatiline indeks.

Voolupidurdusparameetritega saame reaalse gaasiturbiini tsükli diagrammi (joonis 1.3).

Sarnaselt (1.1) ja (1.2) reaaltsükli jaoks:

Rõhud teistes sõlmedes arvutatakse järgmiselt:

, (1.6)

Kus P* väljas– rõhk seadme väljalaskeava juures; P*in on rõhk sõlme sisselaskeava juures, σ on selle sõlme kadude koefitsient.

Erinevate gaasiturbiiniseadmete kadude koefitsientide väärtused on toodud tabelis 1.1.

Tabel 1.1

Erinevate gaasiturbiiniseadmete kadude koefitsientide väärtused

GTU klassifikatsioon

Gaasiturbiinide klassifikatsioonid on järgmised:

· Kasutusala järgi:

Ö Lennukite gaasiturbiinmootorid.

turboreaktiivmootor;

turbopropeller;

2-kontuurilised gaasiturbiinmootorid;

turboventilaator;

helikopterite gaasiturbiinmootorid;

abipaigaldised.

Ö Statsionaarsed gaasiturbiinseadmed elektri tootmiseks.

Ö Gaasiturbiinide agregaadid (maagaasi ülelaadijate juhtimiseks).

Ö Transport gaasiturbiini agregaadid .

laev;

vedur;

auto;

tank.

Ö Kosmose gaasiturbiinid (nende kütuseallikaks on tuumareaktorid).

Ö Tehnoloogilised gaasiturbiiniseadmed (tootmisprotsessi tsüklisse kuuluvad statsionaarsed gaasiturbiiniüksused, näiteks puhurite käitamiseks kõrgahjudes ja naftatöötlemistehastes).

Ö Gaasiturbiinid kombineeritud paigaldiste osana (aur-gaas, gaas-aur, gaas-diisel agregaadid).

· Tsükli tüübi järgi:

Ö Avatud silmus (joonis 1.1).

Ö Suletud ahel (joonis 1.4).

Turbiinis 3 pärast regeneraatorit 6 väljutatavat gaasi ei eemaldata atmosfääri nagu avatud gaasiturbiinis, vaid suunatakse jahutisse 5. Seal jahutatakse see temperatuurini. T 3, samal ajal kui selle rõhk väheneb kuni P2. Jahuti on pinnatüüpi soojusvaheti, milles jahutuskeskkonnaks on tavaline vesi. Termodünaamika seisukohalt toimib jahuti 5 jahutusradiaatorina (külmaallikana). Jahutatud gaas siseneb kompressorisse 4, kust see kokku surutakse P2 enne P 1, mille tõttu selle temperatuur tõuseb alates T 3 enne T 4. Pärast kompressorit suunatakse gaas regeneraatorisse 6, milles seda soojendatakse turbiinist 3 väljuvate gaasidega. Suletud gaasiturbiinides paigaldatakse põlemiskambri asemel küttekeha 1, milles töövedelik (gaas või õhk) juhitakse torude sees. Väljastpoolt soojendatakse neid torusid ahjus kütuse põlemisel eralduva soojusega, mis on tööpõhimõttelt sarnane aurukatelde ahjuga. Seetõttu nimetatakse gaasiturbiini kütteseadet mõnikord "õhukatlaks". Küttekehas 1 tõuseb töögaasi temperatuur järsult kuni T 1, siis siseneb gaas turbiini 3, kus ta tööd tehes paisub. Temperatuur langeb kuni T 2. Turbiin pöörab kompressorit 4 ja annab ülejääva osa oma võimsusest tarbijale 2. Seejärel suunatakse piisavalt kõrge temperatuuriga heitgaas regeneraatorisse, kus see annab osa oma soojusest ära, et soojendada sealt liikuvat gaasi. kompressor 4 kütteseadmele 1.

Seejärel kordub tsükkel uuesti.

Suletud gaasiturbiiniseadmes ringleb sama massiga töövedelikku, välja arvatud ebaoluline gaasileke ahelast erinevate lekete kaudu, mida täiendatakse automaatselt spetsiaalsest seadmest (joonisel pole näidatud). Paigalduse võimsust reguleeritakse gaasirõhu muutmisega selle ahelas, muutes töögaasi massivoolu, säilitades samal ajal rõhu suurenemise taseme praktiliselt muutumatuna lk, ja T 1 Ja T 3(tsükli maksimaalne ja minimaalne temperatuur), kasutades spetsiaalset tsentrifugaalregulaatorit (joonisel pole näidatud).

Suletud gaasiturbiinidel on avatud gaasiturbiinidega võrreldes järgmised eelised:

kuna ringlevas gaasis puuduvad ained, mis põhjustavad labaaparaadi korrosiooni ja erosiooni, suureneb oluliselt turbiini töökindlus ja vastupidavus;

suletud gaasiturbiinid võivad töötada mis tahes tüüpi kütusel, sealhulgas tahketel ja rasketel vedelkütustel (kütteõli);

suletud gaasiturbiinid võivad töötada tuumaenergial;

Suurendades gaasi algrõhku kompressori ees, on võimalik laialdaselt suurendada selle massivoolu gaasiturbiini agregaadis ja see võimaldab kas suurendada paigaldise ühikuvõimsust vastava arvu kordi või püsiva võimsusega vähendage oluliselt selle kaalu, vähendades soojusvahetite pinda, gaasiturbiini agregaadi mõõtmeid ja torustike läbimõõtu;

suletud gaasiturbiinijaamades reguleeritakse võimsust gaasirõhu muutmisega ahelas, seega kasutegur on paigaldised erinevatel koormustingimustel ja mitmesugustel tööparameetritel jäävad muutumatuks;

Töövedelikuna võib kasutada mis tahes gaasilisi aineid, millel on paremad termofüüsikalised omadused või mis muudavad paigaldustsükli termodünaamilisest seisukohast täiuslikumaks ja soodsamaks või millel on muud eelised.

Ö Poolsuletud tsükkel.

Selle tsükliga viiakse osa põlemisproduktidest turbiini taha ja suunatakse kompressori vahefaasi.

· Võllide arvu järgi:

Ö Ühe võlliga gaasiturbiinid (Joonis 1.1).

Ühevõlliliste seadmete eelisteks on konstruktsiooni lihtsus, minimaalne turbimasinate ja laagrite arv. Nende gaasiturbiiniseadmete teine oluline eelis on see, et regeneratsioonitsükli ajal säilitavad nad gaasiturbiini konstantse kasuteguri, kui koormust vähendatakse 70% -ni ja alla selle.

Sellistel gaasiturbiinidel pole ka vähem olulisi puudusi. Aksiaalkompressori ja käitatava ülelaaduri vaheline jäik ühendus piirab oluliselt seadme juhtimisvõimalusi. Seda tüüpi paigalduse võimsust reguleerivad ainult kütusekulu muutused. Kui koormus väheneb, kütusekulu väheneb, kuid õhukulu jääb samaks, kuna kompressor, gaasiturbiin ja koormus on jäigalt ühendatud ühe võlliga. Kütusekulu vähendamine viib seega temperatuuri languseni põlemiskambri taga, mis vähendab efektiivsust. GTU.

Ö Kahevõllilised gaasiturbiinid .

Sellistes paigaldistes on eraldatud gaasigeneraatori osa (kompressor ja seda käitav turbiin) ja vabajõuturbiini agregaat.

Riis. 1.8. Kahevõllilise gaasiturbiini agregaadi skemaatiline diagramm.

1-kompressor; 2-kõrgsurveturbiin; 3-madala rõhuga turbiin (võimsus); 4-koormus (ülelaadija); 5-põlemiskamber.

Sellise paigalduse korral on turbiin jagatud 2 osaks (joonis 1.8).

Üks osa, tavaliselt kõrgsurve 2, juhib kompressorit 1 ja võib töötada muutuva kiirusega. Teine osa, jõuturbiin 3, töötab rangelt konstantsel kiirusel, kui see on ette nähtud elektrigeneraatori käitamiseks, ja sellel võib olla peaaegu igasugune pöörlemiskiirus, kui see on ette nähtud ülelaaduri käitamiseks. Seda tüüpi gaasiturbiiniseadme reguleerimine toimub mitte ainult kütusevoolu muutmisega, vaid ka kompressori 1 õhuvoolu muutmisega.

See meetod võimaldab osakoormustel töötades alandada oluliselt vähem või üldse mitte põlemiskambri taga oleva töövedeliku temperatuuri ja säilitada seeläbi efektiivsust. tsüklit kõrgemal tasemel.

Ö Kolme võlliga gaasiturbiinid .

Riis. 1.9. Kolmevõllilise gaasiturbiini agregaadi skemaatiline diagramm.

1-madala rõhu kompressor; 2-kõrgsurvekompressor; 3-põlemiskamber; 4- kõrgsurveturbiin; 5-madala rõhuga turbiin;

6-vaba turbiin; 7-ülelaadija.

Kõrge surveastme korral on kompressori voolutee alguses ja lõpus õhuvoolukiirused erinevad, mis võib põhjustada tõusu. Selle nähtuse kõrvaldamiseks jagatakse kompressor 2 või enamaks osaks, mida nimetatakse kaskaadideks. Igal kaskaadil on oma pöörlemiskiirus, mille tõttu õhuvool läbi nende võrdsustub. Iga kaskaadi juhib eraldi turbiin.

Igal juhul peab igal võllil olema vähemalt kaks laagrisõlme: üks – tugi, teine – tõukelaager. Vahetatud on rull- ja liuglaagrid.

· Vastavalt termodünaamilise tsükli keerukusele:

Ö Lihtsaim termodünaamiline tsükkel.

Riis. 1.10. Lihtsaima termodünaamilise tsükli T-S diagramm.

Seda tsüklit kasutatakse 90% kõigist maailmas kasutatavatest gaasiturbiinidest.

Ö Tsükkel koos jahutusega kompressiooni ajal.

Joonis 1.11. Kaheastmeline kompressori skeem

vahejahutiga.

1 – madalrõhukompressor; 2 – kõrgsurvekompressor;

3 – jahedam.

Kokkusurumisele kuluv töö, kui muud asjaolud on võrdne, on kõige väiksem, kui protsess viiakse läbi isotermiliselt, kuid selleks on vaja töövedelikust pidevalt soojust eemaldada, mida struktuurselt on praktiliselt võimatu saavutada.

Protsessi lähendamiseks isotermilisele ja töömahu vähendamiseks asendatakse vahekülmikutes iga etapi järel astmeline kokkusurumine õhkjahutusega.

Praktikas rakendatakse seda põhimõtet astmekompressori ja külmiku abil (joonis 1.11). Ilmselgelt, mida rohkem selliseid etappe külmikutega on, seda lähedasemaks isotermilisele surveprotsess muutub. Sellise tsükli T-S diagramm on näidatud joonisel fig. 1.12.

Ö Soojendustsükkel paisumisprotsessi ajal.

Kasuteguri suurendamine, õhu ja gaasi eritarbimise vähendamine ning sellest tulenevalt ka ühiku võimsuse suurendamine on saavutatav ka astmelise paisumisega koos vahepealse soojusvarustusega põlemiskambrites, mis paiknevad järjestikku piki turbiinide vahelist gaasivoolu. Sel juhul läheneb paisumisprotsess isotermilisele ja see toob kaasa turbiini olemasoleva töö suurenemise. Kaheastmelise paisutamise ja töögaasi vahepealse kuumutamisega gaasiturbiini agregaadi skeem on näidatud joonisel fig. 1.13.

Joonis 1.13. Gaasi vaheküttega gaasiturbiinseadme skemaatiline diagramm.

1 – põlemiskamber; 2 – kõrgsurveturbiin; 3 – põlemiskamber gaasi vahekütteks; 4 – jõuturbiin.

Regeneraatorist läbinud õhk siseneb kompressorist CS 1, misjärel töögaas temperatuuril T*3 saadetakse teatrisse 2. Siin toimub gaasi osaline paisumine. Pärast HPT-d juhitakse töögaas KSPPG 3-sse, milles kütuse täiendava põlemise tõttu tõuseb selle temperatuur T*31. Kõrgsurvepõlemismootori järgse liigse õhu suure koefitsiendi tõttu toimub kütuse põlemine kõrgsurvepõlemismootoris intensiivselt ilma täiendava õhuvarustuseta. CSPPG-st siseneb töögaas ST 4-sse, misjärel see lastakse atmosfääri.

Vaheküttega gaasiturbiini agregaadi tsükkel on näidatud joonisel fig. 1.14.

Siin on näidatud järgmised protsessid: 3-41 – töögaasi paisumine teatris; 41-31 – CVSG soojusvarustus; 31-4 – töögaasi paisutamine ST-s.

Ö Kombineeritud tsükliga tehased (CCGT).

Soov parandada elektrijaamade tehnilisi ja majanduslikke näitajaid, kombineerides ratsionaalselt auru- ja gaasiturbiini tsüklite omadusi, viis kombineeritud tsükliga gaasijaamade (CCGT) loomiseni. CCGT seadme lihtsustatud skeem on näidatud joonisel fig. 1.15.

Riis. 1.15. PTU skemaatiline diagramm:

1 – kompressor; 2 – aurugeneraator; 3 – gaasiturbiin; 4 – auruturbiin;

5 – koormus; 6 – kondensaator; 7 – pump; 8 – soojusvaheti süsteem

Paigaldamine toimib järgmiselt.

Atmosfääriõhk eemaldatakse kompressoris 1 ja suunatakse aurugeneraatorisse (aurukatlasse) 2. Kütus tarnitakse kohe. Aurugeneraatorist väljumisel väheneb põlemisproduktide temperatuur soojuse ülekandmise tõttu vee soojendamiseks ja auru tootmiseks.

Saadud ülekuumendatud aur rõhuga siseneb auruturbiini 4, kus see paisub sügava vaakumini, töötab ja seejärel kondenseerub kondensaatoris 6. Kondensaat (toitevesi) suunatakse pumba 7 abil soojusvahetisüsteemi 6, kus see soojendatakse. keemistemperatuurini ja seejärel aurugeneraatorisse 2, seega aurutsükkel suletakse.

Käitise gaasiturbiini osa töötab avatud gaasiturbiini agregaadi põhimõttel. Põlemissaadused sisenevad gaasiturbiini 3 ja paisuvad seal. Pärast turbiinis töötamist juhitakse need läbi soojusvahetite süsteemi 8, kus neid jahutatakse toiteveega ja seejärel viiakse need atmosfääri.

Kombineeritud auru- ja gaasitehase tsükkel (joonis 1.16) on konstrueeritud 1 kg veeauru ja vastava gaasikoguse jaoks 1 kg vee kohta.

Gaasiturbiinipaigaldise tsüklis antakse soojust pindalaga a-5-1-g ja saadakse kasulikku tööd L CG, võrdne pindalaga 1-2-3-4-5. Aurujaama tsüklis, kui seda tehakse eraldi, on tarnitud soojushulk võrdne pindalaga -8-9-10-11-6 ja protsessori kasulik töö L on võrdne pindalaga 6-7- 8-9-10-11. Turbiinist väljutatavate gaaside soojus, mis on võrdne pindalaga a-4-2-g, eraldub mõlema tsükli eraldi läbiviimisel atmosfääri. Auru-gaasi tsüklis ei eraldu gaaside jahutamisel piki joont 2-3 ja pindalaga b-Z-2-g eralduvat soojust atmosfääri, vaid seda kasutatakse toitevee soojendamiseks piki joont 8-9. soojusvaheti süsteem 8.

Katlas auru moodustumisele kulutatud soojus väheneb summa võrra, mis on võrdne varjutatud alaga 8-9-d ja kombineeritud tsükli efektiivsus suureneb, kuna mõlema tsükli kasulik töö kokku L CG + L protsessor on sama, kui neid rakendatakse ühiselt ja eraldi.

PTU-del on üsna kõrge kasutegur. umbes 42%. Seda selgitatakse järgmiselt. Vaadeldav auru-gaasi tsükkel on termodünaamika seisukohalt binaarne tsükkel, mis koosneb gaasi ja auru etappidest. Gaasiastmes kasutatakse kõrgemat töövedeliku temperatuuri kui kaasaegsetes kombineeritud tsükliga gaasitehastes, s.t. soojusvarustuse keskmine temperatuur auru-gaasi tsüklis on kõrgem kui aurutsüklis. Samal ajal võimaldab auruetapp ära kasutada aurutsüklit, mille puhul jahutusradiaatorisse soojuse eemaldamise temperatuuritase on lähedane ümbritseva õhu temperatuurile ja gaasiturbiini tsüklis on see palju kõrgem ka pärast regeneraator. Seetõttu on E.P.D. kombineeritud tsükliga jaama kasutegur on suurem. GTU ja PTU eraldi.

Ö GTU kolbpõlemiskambritega.

Üha enam levivad elektrijaamad, milles gaasiturbiin töötab koos vabakolbgaasigeneraatoriga (LPGG). Need paigaldised ühendavad edukalt turbiini positiivsed omadused (väiksem kaal ja mõõtmed, võime töötada suurel kiirusel jne) sisepõlemismootori suhteliselt kõrge kasuteguriga.

SLNG-ga gaasiturbiiniseadme skemaatiline diagramm on näidatud joonisel fig. 1.17.

Kompressori ja samas põlemiskambri rolli täidab LPGG, mis oma tööpõhimõttelt meenutab kahetaktilist kõrgsurve diiselmootorit, millel on vastassuunas liikuvad kolvid. Kompressorite kolvid 10 suruvad üksteise poole liikudes õhku kokku ja tõrjuvad selle õõnsustest 2 läbi ventiilide 4 puhastusmahutisse 11, sealt läbi puhastusakna 6 siseneb õhk “diisli” silindrisse. 9, esmalt selle puhastamiseks ja seejärel uue laenguga täitmiseks. Kui kolvid 5 lähenevad ja võtavad üksteise suhtes peaaegu äärmise positsiooni, süstitakse kütus silindrisse 9 läbi pihusti 7. Sama mis diislil

Riis. 1.17. Kolbpõlemiskambriga GTU:

1-puhverõõnsus; 2-kompressori õõnsused; 3-sisselaskeventiilid; 4 möödavooluklappi; 5-kolb; 6-puhutavad aknad; 7-otsik; 8 väljalaskeavaga aknad; 9-silindriline ("diisel"); 10-kolviga kompressorid; 11-puhastusega vastuvõtja; 12-ekvalaiservastuvõtja; 13-turbiin; 14-koormus.

see süttib kokkusurumisel ise. Gaaside paisumise tõttu silindris 9 kütuse põlemisel hakkavad kolvid 5 lahknema vastassuundades. Sel juhul suruvad kolbidega 5 jäigalt ühendatud kolvid 10 õhku kokku puhvri õõnsustes 1. Samal ajal imetakse läbi ventiilide 3 atmosfääriõhk kompressori õõnsustesse 2. Järgmisena, niipea kui kolb 5 avab väljalaskeaknad 8, diisli silindrist väljuvad gaasid eralduvad tasandusvastuvõtjasse 12 ja sealt suunatakse gaaside segu puhastusõhuga turbiini 13. Turbiini poolt arendatav võimsus antakse peaaegu täielikult tarbija 14. Kolbide taas üksteise poole liigutamiseks kasutatakse puhverõõnsustes 1 paikneva suruõhu energiat. Seejärel korratakse tsüklit.

Tõhusus GTU LNG-ga on 30...35% ja kohati üle 40%. Nende kõrge efektiivsus on seletatav suure temperatuuride erinevusega, millega tööprotsess läbi viiakse. Kõrgeim temperatuur on kütuse põlemise temperatuur “diisli” silindris (umbes 1800°C), madalaim aga turbiinist eralduvate gaaside temperatuur (200...300°C).

SGNG-ga gaasiturbiine kasutatakse osadel laevadel, veduritel ja statsionaarsetes rajatistes erinevatel eesmärkidel.

SLNG-ga gaasiturbiiniseadmete peamine puudus on SLNG-i enda teatud keerukus ja ebatäiuslikkus. See vähendab oluliselt nende töökindlust ja vastupidavust ning lõppkokkuvõttes piirab nende rakendamise tempot ja ulatust.

Seotud Informatsioon.