توربین های بخار و گاز: هدف، اصل عملیات، طرح ها، مشخصات فنی، ویژگی های عملیاتی. انواع توربین های گازی چگونه توربین گازی کار می کند

یک توربین گاز به عنوان یک موتور حرارتی، ویژگی های مشخصه یک توربین بخار و یک موتور احتراق داخلی را ترکیب می کند که در آن انرژی سوخت در طی احتراق مستقیماً به کار مکانیکی تبدیل می شود. سیال کار توربین های گازی که در یک چرخه باز کار می کنند، محصولات احتراق سوخت است و سیال کاری توربین های گازی که در چرخه بسته کار می کنند، هوای پاک یا گازی است که به طور مداوم در سیستم در گردش است. در کشتی ها، از واحدهای توربین گاز (GTU) استفاده می شود که در یک چرخه باز، با احتراق سوخت در فشار ثابت (p = const) و GTU ها، در یک چرخه بسته کار می کنند.

در حال حاضر توربین های گازی کشتی ها دو نوع هستند: 1) توربو کمپرسور و 2) با ژنراتور گاز پیستون آزاد (LPGG).

نمودار ساده ترین نصب توربین گاز توربو کمپرسور که در فشار احتراق سوخت ثابت کار می کند در شکل نشان داده شده است. 101. کمپرسور 9 هوای تمیز اتمسفر را مکیده، آن را تا فشار زیاد فشرده می کند و از طریق مجرای هوا می رساند.3 به محفظه احتراق 2، که در آن به طور همزمان از طریق نازل1 سوخت تامین می شود. هنگامی که سوخت با هوا مخلوط می شود، یک مخلوط کاری تشکیل می دهد که وقتی می سوزدآر = ثابت محصولات حاصل از احتراق توسط هوا خنک می شوند و به مسیر جریان توربین هدایت می شوند. در تیغه های ثابت 4، محصولات احتراق منبسط می شوند و با سرعت زیاد وارد تیغه های کاری 5 می شوند، جایی که انرژی جنبشی جریان گاز به کار مکانیکی چرخش شفت تبدیل می شود. از طریق لوله 6، گازهای خروجی از توربین خارج می شوند. توربین گاز کمپرسور 9 و از طریق گیربکس می چرخد7 ملخ 8. برای شروع نصب از یک موتور راه اندازی 10 استفاده می شود که کمپرسور را تا حداقل سرعت چرخش می چرخاند.

همین شکل چرخه نظری واحد توربین گاز در نظر گرفته شده را در مختصات p - ? واس - T: AB - فرآیند فشرده سازی هوا در کمپرسور. BC-احتراق سوخت در فشار ثابت در محفظه احتراق. SD - انبساط گاز در توربین، بله - حذف گرما از گازهای خروجی.

برای افزایش راندمان عملکرد توربین گاز، گرمایش احیاکننده هوای ورودی به محفظه احتراق یا احتراق مرحله‌ای سوخت در چندین محفظه احتراق متوالی که به توربین‌های جداگانه خدمت می‌کنند، استفاده می‌شود. به دلیل پیچیدگی طراحی آن، احتراق مرحله ای به ندرت استفاده می شود. به منظور افزایش راندمان موثر نصب، در کنار بازسازی، از کمپرس هوای دو مرحله ای استفاده می شود، ضمن اینکه بین کمپرسورها یک خنک کننده هوا تعبیه شده است که باعث کاهش توان مورد نیاز کمپرسور پرفشار می شود.

در شکل 102 نموداری از ساده ترین نصب توربین گاز با احتراق سوخت را نشان می دهدآر = پایداری و بازیابی گرما. هوای فشرده در کمپرسور1 ، از بازساز 2 به داخل محفظه احتراق می گذرد3 ، جایی که با گرمای گازهای خروجی از توربین 4 در دمای نسبتاً بالا خارج می شود. چرخه واقعی این نصب در نمودار S-T نشان داده شده است (شکل 103): فرآیند فشرده سازی هوا در کمپرسور1 - 2 ; گرم شدن هوا در احیا کننده، همراه با افت فشار ازآر 2 قبل ازآر 4 2 - 3; تامین گرما در هنگام احتراق سوخت 3 - 4; فرآیند انبساط واقعی گاز در توربین ها4-5 ; خنک شدن گازها در احیا کننده، همراه با کاهش فشار p 5 -ر 1 5-6; انتشار گازها - حذف گرما6-1 . مقدار گرمای دریافتی توسط هوا در احیاگر با مساحت 2"-2-3-3" و مقدار گرمای منتشر شده توسط گازهای خروجی در احیاگر با مساحتی از . 6"-6-5-5". این مناطق با یکدیگر برابر هستند.

در یک واحد توربین گاز سیکل بسته، سیال کار مصرف شده وارد اتمسفر نمی شود، اما پس از پیش خنک شدن مجدداً به کمپرسور ارسال می شود. در نتیجه، سیال کاری که به محصولات احتراق آلوده نشده باشد در چرخه گردش می کند. این شرایط عملکرد قطعات جریان توربین را بهبود می بخشد و در نتیجه قابلیت اطمینان نصب را افزایش می دهد و عمر مفید آن را افزایش می دهد. محصولات احتراق با سیال کار مخلوط نمی شوند و بنابراین هر نوع سوختی برای احتراق مناسب است.

در شکل شکل 104 یک نمودار شماتیک از یک واحد توربین گاز دریایی تمام حالت سیکل بسته را نشان می دهد. هوا پس از پیش خنک شدن در کولر ۴ وارد کمپرسور می شود5 که توسط یک توربین فشار قوی به حرکت در می آید7 . هوا از کمپرسور به سمت احیا کننده هدایت می شود3 ، و سپس وارد گرمکن هوا 6 می شود که همان نقش محفظه احتراق را در تاسیسات نوع باز انجام می دهد. از بخاری هوا، هوای کار در دمای 700 درجه سانتیگراد وارد توربین فشار قوی می شود7 که کمپرسور را می چرخاند و سپس وارد توربین کم فشار می کند2 ، که از طریق گیربکس1 پروانه گام قابل تنظیم را به حرکت در می آورد. موتور الکتریکی راه اندازی 8 برای شروع عملیات نصب طراحی شده است. از معایب توربین های گازی سیکل بسته می توان به حجیم بودن مبدل های حرارتی اشاره کرد.

واحدهای توربین گازی چرخه بسته با راکتور هسته ای مورد توجه خاص هستند. در این تاسیسات از هلیوم، نیتروژن و دی اکسید کربن به عنوان سیال کار توربین های گاز (خنک کننده) استفاده می شود. این گازها در یک راکتور هسته ای فعال نمی شوند. گاز گرم شده در راکتور تا دمای بالا مستقیماً برای کار در یک توربین گاز فرستاده می شود.

مزایای اصلی توربین های گاز در مقایسه با توربین های بخار عبارتند از: وزن و ابعاد کم، زیرا اتاق دیگ بخار و واحد چگالش با مکانیزم ها و دستگاه های کمکی وجود ندارد. راه اندازی سریع و توسعه قدرت کامل در عرض 10-15 دقیقه\ مصرف آب خنک کننده بسیار کم. سهولت نگهداری

مزایای اصلی توربین های گازی در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی عبارتند از: عدم وجود مکانیزم میل لنگ و نیروهای اینرسی مرتبط. وزن کم و ابعاد با قدرت بالا (توربین های گازی 2-2.5 برابر وزن سبک تر و 1.5-2 برابر طول کمتر از موتورهای دیزلی هستند). امکان کار بر روی سوخت کم درجه؛ هزینه های عملیاتی کمتر معایب توربین های گاز به شرح زیر است: عمر کوتاه در دمای گاز بالا (به عنوان مثال، در دمای گاز 1173 درجه کلوین، عمر مفید 500-1000 ساعت). راندمان پایین تر از موتورهای دیزلی؛ سر و صدای قابل توجه در حین کار

در حال حاضر توربین های گازی به عنوان موتورهای اصلی کشتی های حمل و نقل دریایی استفاده می شوند. در برخی موارد، توربین‌های گازی کم مصرف برای به حرکت درآوردن پمپ‌ها، ژنراتورهای برق اضطراری، کمپرسورهای شارژ کمکی و غیره استفاده می‌شوند.

"توربوشارژ"، "توربوجت"، "توربوپراپ" - این اصطلاحات به طور محکم وارد واژگان مهندسین قرن بیستم شده است که در طراحی و نگهداری وسایل نقلیه و تاسیسات الکتریکی ثابت شرکت داشتند. آنها حتی در زمینه های مرتبط و تبلیغات استفاده می شوند، زمانی که می خواهند به نام محصول اشاره ای به قدرت و کارایی خاص بدهند. توربین گاز بیشتر در حمل و نقل هوایی، موشک، کشتی و نیروگاه ها استفاده می شود. ساختار آن چگونه است؟ آیا با گاز طبیعی کار می کند (همانطور که ممکن است از نامش فکر کنید) و چه نوع گازی هستند؟ تفاوت یک توربین با انواع دیگر موتورهای احتراق داخلی چیست؟ مزایا و معایب آن چیست؟ در این مقاله سعی شده است تا حد امکان به این سوالات پاسخ داده شود.

رهبر مهندسی روسیه UEC

روسیه برخلاف بسیاری از کشورهای مستقل دیگر که پس از فروپاشی اتحاد جماهیر شوروی شکل گرفتند، توانست تا حد زیادی صنعت ماشین سازی را حفظ کند. به طور خاص، شرکت Saturn در تولید نیروگاه های با هدف خاص مشغول است. توربین های گاز این شرکت در کشتی سازی، صنایع مواد خام و بخش انرژی استفاده می شود. محصولات دارای تکنولوژی بالا هستند؛ آنها به رویکرد خاصی در هنگام نصب، اشکال زدایی و بهره برداری و همچنین دانش ویژه و تجهیزات گران قیمت برای تعمیر و نگهداری معمول نیاز دارند. همه این خدمات به مشتریان شرکت "UEC - Gas Turbines" که امروزه نامیده می شود، در دسترس است. چنین شرکت هایی در جهان وجود ندارد، اگرچه اصل محصول اصلی در نگاه اول ساده است. تجربه انباشته شده از اهمیت زیادی برخوردار است و به ما امکان می دهد بسیاری از ظرافت های تکنولوژیکی را در نظر بگیریم که بدون آنها دستیابی به عملکرد بادوام و قابل اعتماد واحد غیرممکن است. در اینجا فقط بخشی از طیف محصولات UEC است: توربین های گاز، نیروگاه ها، واحدهای پمپاژ گاز. در میان مشتریان، Rosatom، Gazprom و دیگر "نهنگ‌های" صنایع شیمیایی و انرژی هستند.

تولید چنین ماشین آلات پیچیده ای نیاز به یک رویکرد فردی در هر مورد دارد. محاسبه یک توربین گاز در حال حاضر کاملاً خودکار است، اما مواد و ویژگی های نمودارهای نصب در هر مورد جداگانه اهمیت دارد.

و همه چیز خیلی ساده شروع شد...

جستجو و جفت

بشریت اولین آزمایشات را در تبدیل انرژی انتقالی یک جریان به نیروی چرخشی در دوران باستان با استفاده از یک چرخ آب معمولی انجام داد. همه چیز بسیار ساده است، مایع از بالا به پایین جریان می یابد و تیغه هایی در جریان آن قرار می گیرند. چرخ، مجهز به آنها در اطراف محیط، می چرخد. یک آسیاب بادی به همین ترتیب کار می کند. سپس عصر بخار فرا رسید و چرخش چرخ سرعت گرفت. به هر حال، به اصطلاح "aeolipil" که توسط هرون یونان باستان حدود 130 سال قبل از تولد مسیح اختراع شد، یک موتور بخار بود که دقیقاً بر اساس این اصل کار می کرد. در اصل، این اولین توربین گازی بود که برای علم تاریخی شناخته شده بود (در نهایت، بخار حالت گازی تجمع آب است). امروزه هنوز هم مرسوم است که این دو مفهوم را از هم جدا کنیم. در آن زمان در اسکندریه آنها به اختراع هرون بدون شور و شوق زیاد واکنش نشان دادند، هرچند با کنجکاوی. تجهیزات صنعتی نوع توربین تنها در پایان قرن نوزدهم، پس از ایجاد اولین واحد قدرت فعال جهان مجهز به نازل توسط گوستاف لاوال سوئدی ظاهر شد. مهندس پارسونز تقریباً در همین راستا کار کرد و دستگاه خود را به چندین مرحله مرتبط با عملکرد مجهز کرد.

تولد توربین های گازی

یک قرن پیش از آن، جان باربر معینی ایده درخشانی را مطرح کرد. چرا ابتدا باید بخار را گرم کنید؟ آیا استفاده مستقیم از گاز خروجی حاصل از احتراق سوخت و در نتیجه حذف واسطه های غیرضروری در فرآیند تبدیل انرژی آسان تر نیست؟ اولین توربین گاز واقعی اینگونه بود. حق ثبت اختراع 1791 ایده اصلی استفاده در کالسکه بدون اسب را مشخص می کند، اما عناصر آن امروزه در موتورهای مدرن موشک، تانک هواپیما و خودرو استفاده می شود. فرآیند ساخت موتور جت در سال 1930 توسط فرانک ویتل آغاز شد. او ایده استفاده از یک توربین برای به حرکت درآوردن هواپیما را مطرح کرد. متعاقباً در پروژه‌های متعدد توربوپراپ و توربوجت توسعه یافت.

توربین گازی نیکولا تسلا

دانشمند مخترع معروف همیشه به مسائلی که مطالعه می کرد به روشی غیر استاندارد برخورد می کرد. برای همه بدیهی به نظر می‌رسید که چرخ‌های دارای پارو یا پارو بهتر از اجسام مسطح حرکت محیط را می‌گیرند. تسلا به روش مشخص خود ثابت کرد که اگر یک سیستم روتور را از دیسک هایی که به طور متوالی بر روی محور چیده شده اند مونتاژ کنید، به دلیل جریان گاز که لایه های مرزی را می گیرد، بدتر و در برخی موارد حتی بهتر از یک چرخش نخواهد بود. ملخ چند پره درست است، جهت محیط متحرک باید مماس باشد، که همیشه در واحدهای مدرن ممکن یا مطلوب نیست، اما طراحی به طور قابل توجهی ساده شده است - به هیچ وجه به تیغه نیاز ندارد. توربین گازی مطابق با طرح تسلا هنوز ساخته نشده است، اما شاید این ایده فقط منتظر زمان خود باشد.

نمودار شماتیک

اکنون در مورد ساختار اصلی دستگاه. این ترکیبی از یک سیستم چرخشی است که بر روی یک محور (روتور) و یک قسمت ثابت (استاتور) نصب شده است. یک دیسک با تیغه های کار بر روی شفت قرار می گیرد و یک شبکه متحدالمرکز را تشکیل می دهد؛ آنها در معرض گازی هستند که تحت فشار از طریق نازل های مخصوص عرضه می شود. سپس گاز منبسط شده وارد پروانه می شود که به تیغه هایی به نام کارگر نیز مجهز است. لوله های مخصوصی برای ورودی مخلوط هوا و سوخت و خروجی (اگزوز) استفاده می شود. یک کمپرسور نیز در طرح کلی دخیل است. بسته به فشار عملیاتی مورد نیاز می توان آن را بر اساس اصول مختلفی ساخت. برای راه اندازی آن، بخشی از انرژی از محور گرفته شده و برای فشرده سازی هوا استفاده می شود. یک توربین گاز از طریق فرآیند احتراق مخلوط هوا و سوخت کار می کند که با افزایش قابل توجه حجم همراه است. شفت می چرخد، انرژی آن می تواند مفید باشد. چنین مداری تک مدار نامیده می شود، اما اگر تکرار شود، چند مرحله ای در نظر گرفته می شود.

مزایای توربین های هواپیما

در اواسط دهه پنجاه، نسل جدیدی از هواپیماها ظاهر شد، از جمله هواپیماهای مسافربری (در اتحاد جماهیر شوروی اینها Il-18، An-24، An-10، Tu-104، Tu-114، Tu-124 و غیره بودند). در طرح هایی که موتورهای پیستونی هواپیما در نهایت و به طور غیرقابل برگشت با موتورهای توربین جایگزین شدند. این نشان دهنده راندمان بیشتر این نوع نیروگاه است. ویژگی های یک توربین گاز از بسیاری جهات نسبت به موتورهای کاربراتوری برتری دارد، به ویژه در نسبت قدرت به وزن، که برای هوانوردی از اهمیت بالایی برخوردار است، و همچنین در شاخص های اطمینان به همان اندازه مهم. مصرف سوخت کمتر، قطعات متحرک کمتر، پارامترهای محیطی بهتر، کاهش صدا و لرزش. توربین‌ها برای کیفیت سوخت اهمیت کمتری دارند (که نمی‌توان در مورد سیستم‌های سوخت گفت)، نگهداری از آن‌ها آسان‌تر است و به روغن روان‌کننده زیادی نیاز ندارند. به طور کلی، در نگاه اول به نظر می رسد که آنها از فلز ساخته نشده اند، بلکه دارای مزایای جامد هستند. افسوس که این درست نیست.

موتورهای توربین گاز نیز دارای معایبی هستند.

توربین گاز در حین کار گرم می شود و گرما را به عناصر ساختاری اطراف منتقل می کند. این امر به ویژه در هوانوردی، زمانی که از یک طرح چیدمان اصلاح شده استفاده می شود که شامل شستن قسمت پایینی واحد دم با یک جریان جت است، بسیار مهم است. و خود محفظه موتور نیاز به عایق حرارتی ویژه و استفاده از مواد نسوز ویژه ای دارد که در برابر حرارت بالا مقاومت کند.

خنک کردن توربین های گازی یک چالش فنی پیچیده است. شوخی نیست، آنها در حالت انفجار عملاً دائمی در بدن عمل می کنند. راندمان در برخی حالت ها کمتر از موتورهای کاربراتوری است؛ با این حال، هنگام استفاده از یک مدار دو مداره، این اشکال برطرف می شود، اگرچه طراحی پیچیده تر می شود، همانطور که در مورد کمپرسورهای "تقویت کننده" در مدار وجود دارد. شتاب دادن به توربین ها و رسیدن به حالت کار کمی زمان می برد. هر چه دستگاه بیشتر روشن شود و متوقف شود، سریعتر فرسوده می شود.

برنامه صحیح

خوب، هیچ سیستمی نمی تواند بدون کاستی های خود کار کند. مهم است که برای هر یک از آنها کاربرد پیدا کنید که در آن مزایای آن به وضوح نشان داده شود. به عنوان مثال تانک هایی مانند آبرامز آمریکایی که نیروگاه آن بر پایه توربین گاز است. می توان آن را با هر چیزی که می سوزد، از بنزین با اکتان بالا گرفته تا ویسکی، پر کرد و قدرت زیادی تولید کرد. این مثال ممکن است چندان موفق نباشد، زیرا تجربه در عراق و افغانستان آسیب پذیری پره های کمپرسور را در برابر ماسه نشان داده است. توربین های گاز باید در ایالات متحده آمریکا، در کارخانه تولید تعمیر شوند. برای بردن مخزن به آنجا، سپس بازگشت، و هزینه تعمیر و نگهداری به علاوه قطعات ...

هلیکوپترها، کشورهای روسی، آمریکایی و سایر کشورها و همچنین قایق های تندرو قدرتمند کمتر دچار انسداد می شوند. موشک های مایع بدون آنها نمی توانند کار کنند.

کشتی های جنگی مدرن و کشتی های غیرنظامی نیز دارای موتورهای توربین گازی هستند. و همچنین انرژی.

نیروگاه های تری ژنراتور

مشکلاتی که سازندگان هواپیما با آن مواجه هستند برای کسانی که تجهیزات صنعتی برای تولید برق می سازند نگران کننده نیست. در این حالت دیگر وزن چندان مهم نیست و می توانید روی پارامترهایی مانند کارایی و کارایی کلی تمرکز کنید. واحدهای ژنراتور توربین گاز دارای قاب عظیم، قاب قابل اعتماد و پره های ضخیم تر هستند. استفاده از گرمای تولید شده با استفاده از آن برای نیازهای مختلف کاملاً امکان پذیر است - از بازیافت ثانویه در خود سیستم گرفته تا گرمایش اماکن خانگی و تامین حرارتی واحدهای تبرید نوع جذبی. این روش trigenerator نامیده می شود و بازده در این حالت به 90 درصد می رسد.

نیروگاه های هسته ای

برای یک توربین گاز، هیچ تفاوت اساسی ندارد که منبع محیط گرم شده که انرژی خود را به پره های آن می دهد، چیست. این می تواند یک مخلوط سوخت سوخته هوا یا بخار فوق گرم (نه لزوما آب) باشد، نکته اصلی این است که منبع تغذیه بدون وقفه را تضمین می کند. نیروگاه‌های تمام نیروگاه‌های هسته‌ای، زیردریایی‌ها، ناوهای هواپیمابر، یخ‌شکن‌ها و برخی کشتی‌های سطحی نظامی (مثلاً رزمناو موشکی پیتر بزرگ) بر پایه یک توربین گازی (GTU) است که توسط بخار می‌چرخد. مسائل ایمنی و زیست محیطی یک مدار اولیه بسته را دیکته می کند. این بدان معنی است که عامل حرارتی اولیه (در اولین نمونه ها این نقش توسط سرب ایفا می شد ، اکنون با پارافین جایگزین شده است) از منطقه راکتور خارج نمی شود و در اطراف عناصر سوخت به صورت دایره ای جریان می یابد. ماده کار در مدارهای بعدی گرم می شود و دی اکسید کربن تبخیر شده، هلیوم یا نیتروژن چرخ توربین را می چرخاند.

برنامه گسترده

تأسیسات پیچیده و بزرگ تقریباً همیشه منحصر به فرد هستند؛ آنها در دسته های کوچک تولید می شوند یا حتی یک نسخه از آنها ساخته می شود. اغلب، واحدهای تولید شده در مقادیر زیاد در بخش های صلح آمیز اقتصاد استفاده می شوند، به عنوان مثال، برای پمپاژ مواد خام هیدروکربنی از طریق خطوط لوله. اینها دقیقاً همانهایی هستند که توسط شرکت ODK با نام تجاری Saturn تولید می شوند. توربین های گاز ایستگاه های پمپاژ کاملاً با نام آنها مطابقت دارد. آنها در واقع گاز طبیعی را پمپ می کنند و از انرژی آن برای کار خود استفاده می کنند.

اصل عملکرد واحدهای توربین گازی

عکس. 1. طرح یک واحد توربین گاز با موتور توربین گاز تک شفت با یک چرخه ساده

هوای تمیز به کمپرسور (1) واحد قدرت توربین گاز عرضه می شود. تحت فشار بالا، هوا از کمپرسور به داخل محفظه احتراق (2) هدایت می شود، جایی که سوخت اصلی، گاز، تامین می شود. مخلوط مشتعل می شود. هنگامی که مخلوط گاز و هوا می سوزد، انرژی به شکل جریانی از گازهای داغ تولید می شود. این جریان با سرعت زیاد به پروانه توربین (3) می رود و آن را می چرخاند. انرژی جنبشی دورانی از طریق شفت توربین، کمپرسور و ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می آورد (4). از پایانه های ژنراتور برق، الکتریسیته تولید شده، معمولاً از طریق ترانسفورماتور، به شبکه برق، به مصرف کنندگان انرژی ارسال می شود.

توربین‌های گازی با چرخه ترمودینامیکی برایتون توصیف می‌شوند. چرخه برایتون/ژول یک چرخه ترمودینامیکی است که فرآیندهای عملیاتی توربین‌های گازی، توربوجت و موتورهای احتراق داخلی رام جت و همچنین موتورهای احتراق خارجی توربین گازی با حلقه بسته یک گاز را توصیف می‌کند. سیال کاری (تک فاز).

این چرخه به افتخار مهندس آمریکایی جورج برایتون، که یک موتور احتراق داخلی پیستونی را اختراع کرد که بر روی این چرخه کار می کرد، نامگذاری شده است.

گاهی اوقات این چرخه را چرخه ژول نیز می نامند - به افتخار فیزیکدان انگلیسی جیمز ژول، که معادل مکانیکی گرما را ایجاد کرد.

شکل 2. نمودار P,V چرخه برایتون

چرخه ایده آل برایتون شامل فرآیندهای زیر است:

1-2 فشرده سازی ایزوآنتروپیک.
2-3 تامین حرارت ایزوباریک.
3-4 گسترش ایزوآنتروپیک.
4-1 حذف حرارت ایزوباریک.

با در نظر گرفتن تفاوت بین فرآیندهای آدیاباتیک واقعی انبساط و فشرده سازی از فرآیندهای ایزنتروپیک، یک چرخه برایتون واقعی ساخته شده است (1-2p-3-4p-1 در نمودار T-S) (شکل 3)

شکل 3. نمودار T-S چرخه برایتون
عالی (1-2-3-4-1)
واقعی (1-2p-3-4p-1)

راندمان حرارتی یک سیکل ایده آل برایتون معمولاً با فرمول بیان می شود:

که در آن P = p2 / p1 درجه افزایش فشار در فرآیند فشرده سازی ایزنتروپیک است (1-2).
k - شاخص آدیاباتیک (برای هوا برابر با 1.4)

به ویژه باید توجه داشت که این روش پذیرفته شده کلی برای محاسبه بازده چرخه، ماهیت فرآیند در حال وقوع را مبهم می کند. راندمان محدود کننده یک سیکل ترمودینامیکی از طریق نسبت دما با استفاده از فرمول کارنو محاسبه می شود:

که در آن T1 دمای یخچال است.
T2 - دمای بخاری.

دقیقاً همان نسبت دما را می توان از طریق بزرگی نسبت های فشار استفاده شده در چرخه و شاخص آدیاباتیک بیان کرد:

بنابراین، بازده چرخه برایتون دقیقاً مشابه بازده چرخه کارنو به دمای اولیه و نهایی چرخه بستگی دارد. با گرمای بی نهایت کوچک سیال عامل در امتداد خط (2-3)، فرآیند را می توان همدما و کاملاً معادل چرخه کارنو در نظر گرفت. میزان گرمایش سیال عامل T3 در طی یک فرآیند ایزوباریک میزان کار مربوط به مقدار سیال کاری مصرفی در سیکل را تعیین می کند، اما به هیچ وجه بر راندمان حرارتی سیکل تأثیر نمی گذارد. با این حال، در اجرای عملی چرخه، گرمایش معمولاً تا بالاترین مقادیر ممکن انجام می‌شود که توسط مقاومت حرارتی مواد مورد استفاده محدود می‌شود، تا اندازه مکانیسم‌هایی که سیال کار را فشرده و منبسط می‌کنند به حداقل برسد.

در عمل، اصطکاک و تلاطم باعث می شود:

فشرده سازی غیر آدیاباتیک: برای یک نسبت فشار کلی معین، دمای تخلیه کمپرسور بالاتر از حد ایده آل است.
انبساط غیر آدیاباتیک: اگرچه دمای توربین به سطح مورد نیاز برای کار کاهش می یابد، کمپرسور تحت تأثیر قرار نمی گیرد، نسبت فشار بالاتر است و در نتیجه انبساط کافی برای ارائه عملکرد مفید وجود ندارد.
تلفات فشار در ورودی هوا، محفظه احتراق و خروجی: در نتیجه، انبساط برای ارائه عملکرد مفید کافی نیست.

مانند تمام موتورهای حرارتی سیکلی، هر چه دمای احتراق بالاتر باشد، بازده بالاتری دارد. عامل محدود کننده توانایی فولاد، نیکل، سرامیک یا سایر مواد تشکیل دهنده موتور در تحمل گرما و فشار است. مهندسی زیادی برای حذف گرما از قطعات توربین انجام می شود. بیشتر توربین ها همچنین سعی می کنند گرما را از گازهای خروجی که در غیر این صورت هدر می رفت را بازیابی کنند.

Recuperator ها مبدل های حرارتی هستند که گرما را از گازهای خروجی به هوای فشرده قبل از احتراق منتقل می کنند. در سیکل ترکیبی، گرما به سیستم های توربین بخار منتقل می شود. و در تولید ترکیبی حرارت و برق (تولید همزمان) از گرمای هدر رفته برای تولید آب گرم استفاده می شود.

از نظر مکانیکی، توربین های گازی می توانند به طور قابل توجهی ساده تر از موتورهای احتراق داخلی پیستونی باشند. توربین های ساده ممکن است یک قسمت متحرک داشته باشند: شفت/کمپرسور/توربین/مجموعه روتور جایگزین (تصویر زیر را ببینید)، بدون احتساب سیستم سوخت.

شکل 4. این دستگاه دارای کمپرسور شعاعی تک مرحله ای می باشد.
توربین، رکوپاتور و یاتاقان های هوا.

توربین‌های پیچیده‌تر (آنهایی که در موتورهای جت مدرن استفاده می‌شوند) ممکن است دارای شفت‌های متعدد (کویل)، صدها پره توربین، پره‌های متحرک استاتور، و سیستم گسترده‌ای از لوله‌کشی پیچیده، اتاق‌های احتراق و مبدل‌های حرارتی باشند.

به طور کلی، هرچه موتور کوچکتر باشد، سرعت شفت (های) مورد نیاز برای حفظ حداکثر سرعت خطی تیغه ها بیشتر است.

حداکثر سرعت پره های توربین تعیین کننده حداکثر فشاری است که می توان به دست آورد و در نتیجه حداکثر قدرت را بدون توجه به اندازه موتور به دست آورد. موتور جت در حدود 10000 دور در دقیقه و میکروتوربین در حدود 100000 دور در دقیقه می چرخد.

توربین بخار.تلاش برای طراحی یک توربین بخار با قابلیت رقابت با موتور بخار تا اواسط قرن نوزدهم. ناموفق بودند، زیرا تنها بخش کوچکی از انرژی جنبشی جت بخار می تواند به انرژی مکانیکی چرخش توربین تبدیل شود. نکته این است که مخترعان

وابستگی راندمان توربین به نسبت سرعت بخار و سرعت خطی پره‌های توربین را در نظر نگرفت.

اجازه دهید دریابیم که در چه نسبتی از سرعت جریان گاز و سرعت خطی پره توربین، کاملترین انتقال انرژی جنبشی جریان گاز به پره توربین رخ خواهد داد (شکل 36). هنگامی که انرژی جنبشی بخار به طور کامل به پره توربین منتقل می شود، سرعت جت نسبت به زمین باید برابر با صفر باشد، یعنی.

در یک قاب مرجع که با سرعت حرکت می کند، سرعت جت برابر است با: .

از آنجایی که در این قاب مرجع، تیغه در لحظه برهمکنش با جت بی حرکت است، سرعت جت پس از بازتاب الاستیک بدون تغییر در اندازه باقی می‌ماند، اما جهت را به عکس تغییر می‌دهد:

با رفتن دوباره به چارچوب مرجع مرتبط با زمین، سرعت جت را پس از بازتاب به دست می آوریم:

از آن به بعد

ما دریافتیم که انتقال کامل انرژی جنبشی جت به توربین در شرایطی رخ می دهد که سرعت حرکت خطی پره های توربین نصف سرعت جت باشد.اولین توربین بخار که کاربرد عملی پیدا کرد توسط مهندس سوئدی گوستاو لاوال در سال 1889. قدرت آن در سرعت چرخش دور در دقیقه کمتر بود.

برنج. 36. انتقال انرژی جنبشی جت بخار به پره توربین

سرعت بالای جریان گاز حتی در افت فشار متوسط، به میزان تقریبی 1200 متر بر ثانیه، مستلزم آن است که پره های توربین دارای سرعت خطی حدود 600 متر بر ثانیه برای عملکرد کارآمد باشند. در نتیجه، برای دستیابی به مقادیر بازده بالا، توربین باید با سرعت بالا باشد. محاسبه نیروی اینرسی وارد بر یک پره توربین با وزن 1 کیلوگرم، واقع در لبه روتور با شعاع 1 متر، با سرعت پره 600 متر بر ثانیه آسان است:

یک تناقض اساسی ایجاد می شود: برای اینکه توربین به طور اقتصادی کار کند، سرعت روتور مافوق صوت مورد نیاز است، اما در چنین سرعت هایی توربین توسط نیروهای اینرسی از بین می رود. برای رفع این تناقض، لازم است توربین هایی طراحی شوند که با سرعت کمتر از حد مطلوب بچرخند، اما برای استفاده کامل از انرژی جنبشی جت بخار، آنها را چند مرحله ای ساخته و چندین روتور با قطر فزاینده روی یک شفت مشترک قرار دهند. به دلیل سرعت چرخش ناکافی بالای توربین، بخار تنها بخشی از انرژی جنبشی خود را به روتور با قطر کمتر منتقل می کند. سپس بخار تخلیه شده در مرحله اول به روتور دوم با قطر بزرگتر هدایت می شود و به پره های آن بخشی از انرژی جنبشی باقی مانده و غیره می دهد. بخار خروجی در کولر-کندانسور متراکم می شود و آب گرم به دیگ ارسال می شود. .

چرخه نصب توربین بخار با مختصات در شکل 37 نشان داده شده است. در دیگ بخار، سیال عامل مقداری گرما را دریافت می کند، گرم می شود و در فشار ثابت منبسط می شود (ایزوبار AB). در توربین، بخار به صورت آدیاباتیک منبسط می شود (adiabat BC) و کار چرخاندن روتور را انجام می دهد. در یک خنک کننده کندانسور که مثلاً توسط آب رودخانه شسته می شود، بخار گرما را به آب منتقل می کند و با فشار ثابت متراکم می شود. این فرآیند با یک ایزوبار مطابقت دارد. آب گرم از کندانسور به داخل دیگ پمپ می شود. این فرآیند مربوط به یک ایزوکور است همانطور که مشاهده می شود چرخه کارخانه توربین بخار بسته است. کار انجام شده توسط بخار در یک چرخه عددی برابر با مساحت شکل ABCD است.

توربین های بخار مدرن دارای راندمان تبدیل جنبشی بالایی هستند

برنج. 37. نمودار چرخه عملیاتی یک کارخانه توربین بخار

انرژی جت بخار به انرژی مکانیکی، کمی بیش از 90٪. بنابراین، ژنراتورهای الکتریکی تقریباً تمام نیروگاه‌های حرارتی و هسته‌ای در جهان که بیش از 80 درصد از کل برق تولیدی را تأمین می‌کنند، توسط توربین‌های بخار به حرکت در می‌آیند.

از آنجایی که دمای بخار مورد استفاده در توربین های بخار مدرن از 580 درجه سانتیگراد (دمای بخاری) تجاوز نمی کند و دمای بخار در خروجی توربین معمولاً کمتر از 30 درجه سانتیگراد (دمای یخچال) نیست، حداکثر مقدار بازده یک کارخانه توربین بخار به عنوان یک موتور حرارتی عبارت است از:

و مقادیر واقعی راندمان نیروگاه های چگالشی توربین بخار تنها به حدود 40 درصد می رسد.

قدرت واحدهای برق دیگ-توربین-ژنراتور مدرن به کیلووات می رسد. در ردیف بعدی در برنامه پنج ساله دهم، ساخت واحدهای نیروگاهی با ظرفیت تا کیلووات است.

موتورهای توربین بخار به طور گسترده در حمل و نقل آب استفاده می شوند. با این حال، استفاده از آنها در حمل و نقل زمینی و به ویژه در هوانوردی به دلیل نیاز به یک جعبه آتش و یک دیگ بخار برای تولید بخار و همچنین مقدار زیادی آب برای استفاده به عنوان سیال کار با مشکل مواجه می شود.

توربین های گازیایده حذف کوره و دیگ در یک موتور حرارتی با یک توربین با جابجایی محل احتراق سوخت در خود سیال کار مدتهاست که طراحان را به خود مشغول کرده است. اما توسعه چنین توربین های احتراق داخلی، که در آنها سیال کار بخار نیست، بلکه هوا در حال انبساط از گرما است، به دلیل کمبود موادی که قادر به کار برای مدت طولانی در دماهای بالا و بارهای مکانیکی بالا هستند، مانع شد.

نصب توربین گاز شامل یک کمپرسور هوا 1، محفظه احتراق 2 و یک توربین گاز 3 است (شکل 38). کمپرسور متشکل از یک روتور است که روی همان محور با توربین و یک پره راهنمای ثابت نصب شده است.

هنگامی که توربین کار می کند، روتور کمپرسور می چرخد. شکل تیغه های روتور به گونه ای است که هنگام چرخش فشار جلوی کمپرسور کاهش و پشت آن افزایش می یابد. هوا به داخل کمپرسور مکیده می شود و فشار آن در پشت ردیف اول پره های روتور افزایش می یابد. در پشت ردیف اول پره های روتور یک ردیف پره از پره راهنمای ثابت کمپرسور وجود دارد که به کمک آن جهت حرکت هوا تغییر می کند و امکان فشرده سازی بیشتر آن با استفاده از تیغه های مرحله دوم تضمین می شود. روتور و غیره. چندین مرحله از پره های کمپرسور باعث افزایش فشار هوا به میزان 5-7 برابر می شود.

فرآیند فشرده سازی به صورت آدیاباتیک اتفاق می افتد، بنابراین دمای هوا به طور قابل توجهی افزایش می یابد و به 200 درجه سانتیگراد یا بیشتر می رسد.

برنج. 38. نصب توربین گاز

هوای فشرده وارد محفظه احتراق می شود (شکل 39). در همان زمان، سوخت مایع - نفت سفید، نفت کوره - از طریق یک نازل تحت فشار بالا به آن تزریق می شود.

هنگامی که سوخت می سوزد، هوا که به عنوان سیال کار عمل می کند، مقدار مشخصی گرما را دریافت می کند و تا دمای 1500-2200 درجه سانتیگراد گرم می شود. گرمایش هوا با فشار ثابت اتفاق می افتد، بنابراین هوا منبسط می شود و سرعت آن افزایش می یابد.

هوا و محصولات احتراق در حال حرکت با سرعت بالا به داخل توربین هدایت می شوند. با حرکت از مرحله ای به مرحله دیگر، انرژی جنبشی خود را به پره های توربین می دهند. بخشی از انرژی دریافتی توسط توربین صرف چرخش کمپرسور می شود و مابقی به عنوان مثال برای چرخاندن پروانه هواپیما یا روتور یک ژنراتور الکتریکی مصرف می شود.

برای محافظت از پره های توربین در برابر اثر مخرب یک جت گاز داغ و پرسرعت به داخل محفظه احتراق

برنج. 39. محفظه احتراق

کمپرسور هوا را به میزان قابل توجهی بیشتر از آنچه برای احتراق کامل سوخت لازم است پمپ می کند. هوای ورودی به محفظه احتراق در پشت منطقه احتراق سوخت (شکل 38) دمای جت گاز هدایت شده به پره های توربین را کاهش می دهد. کاهش دمای گاز در یک توربین منجر به کاهش راندمان می شود، بنابراین دانشمندان و طراحان به دنبال راه هایی برای افزایش حد بالای دمای کار در یک توربین گاز هستند. در برخی از موتورهای توربین گازی هوانوردی مدرن، دمای گاز در جلوی توربین به 1330 درجه سانتی گراد می رسد.

هوای خروجی همراه با محصولات احتراق در فشاری نزدیک به اتمسفر و دمای بیش از 500 درجه سانتیگراد با سرعت بیش از 500 متر بر ثانیه معمولاً به اتمسفر تخلیه می شود یا برای افزایش راندمان به مبدل حرارتی ارسال می شود. ، جایی که بخشی از گرما را برای گرم کردن هوای ورودی به محفظه احتراق منتقل می کند.

چرخه عملیاتی یک واحد توربین گاز در شکل 40 نشان داده شده است. فرآیند فشرده سازی هوا در کمپرسور مربوط به adiabat AB، فرآیند گرمایش و انبساط در محفظه احتراق - ایزوبار BC است. فرآیند آدیاباتیک انبساط گاز داغ در یک توربین با بخش CD، فرآیند خنک سازی و کاهش حجم سیال کار با ایزوبار DA نشان داده شده است.

راندمان واحدهای توربین گاز به 25-30 درصد می رسد. موتورهای توربین گاز مانند موتورهای بخار و توربین‌های بخار، دیگ‌های بخار حجیم ندارند و مانند موتورهای بخار و موتورهای احتراق داخلی، پیستون و مکانیزم‌هایی ندارند که حرکت رفت و برگشتی را به حرکت چرخشی تبدیل کند. بنابراین، یک موتور توربین گازی سه برابر فضای کمتری نسبت به یک موتور دیزلی با همان قدرت اشغال می کند و جرم مخصوص آن (نسبت جرم به قدرت) 6 تا 9 برابر کمتر از یک موتور پیستونی احتراق داخلی هواپیما است. فشردگی و سرعت، همراه با توان بالا در واحد وزن، اولین حوزه عملا مهم کاربرد موتورهای توربین گاز - هوانوردی را تعیین کرد.

هواپیما با ملخ نصب شده بر روی محور موتور توربین گاز در سال 1944 ظاهر شد. هواپیماهای معروفی مانند AN-24، TU-114، IL-18، AN-22 - "Antey" دارای موتورهای توربوپراپ هستند.

حداکثر وزن "آنتی" در هنگام برخاستن 250 تن، ظرفیت حمل 80 تن یا 720 مسافر است.

برنج. 40. نمودار چرخه عملیاتی یک کارخانه توربین گاز

سرعت 740 کیلومتر در ساعت، قدرت هر یک از چهار موتور کیلووات.

موتورهای توربین گازی شروع به جایگزینی موتورهای توربین بخار در حمل و نقل آبی، به ویژه در کشتی های دریایی کرده اند. انتقال از موتورهای دیزلی به موتورهای توربین گازی امکان افزایش چهار برابری ظرفیت حمل کشتی های هیدروفویل را از 50 به 200 تن فراهم کرد.

موتورهای توربین گازی با قدرت 220-440 کیلووات بر روی خودروهای سنگین نصب می شوند. BelAZ-549V 120 تنی با موتور توربین گازی در حال آزمایش در صنعت معدن است.

اطلاعات کلی در مورد عملکرد GTU

ساختار کلی و اصل عملکرد واحد توربین گاز

موتور توربین گاز موتوری است که در آن از گاز غیرقابل تراکم (هوا و محصولات احتراق یا گازهای خنثی) به عنوان سیال کار و از توربین گاز به عنوان موتور کششی استفاده می شود.

اصطلاح توربین از کلمات لاتین گرفته شده است توربینئوس - گردابی شکل، یا توربو - بالا. توربین موتوری است که در آن کار مکانیکی روی شفت دستگاه با تبدیل انرژی جنبشی یک جت گاز به دست می آید که به نوبه خود در نتیجه تبدیل انرژی پتانسیل - انرژی سوخت سوخته در جریان هوا به دست می آید. ایده های مدرن در مورد تبدیل گرما به کار بر اساس دو اصل مهم ترمودینامیک است: عدم امکان ایجاد یک ماشین حرکت دائمی از نوع اول (پیامد قانون اول ترمودینامیک) و عدم امکان ایجاد یک ماشین حرکت دائمی. از نوع دوم، که در آن گرما به طور کامل به کار تبدیل می شود (نتیجه قانون دوم ترمودینامیک).

یک شرط ضروری برای ایجاد هر موتور حرارتی وجود یک محیط مادی - یک سیال کار و حداقل دو منبع گرما - یک منبع دمای بالا (هیتر) است که از آن گرما دریافت می کنیم تا بخشی از آن را به کار تبدیل کنیم. یک منبع دمای پایین که بخشی از گرمای استفاده نشده در موتور را به آن می دهیم.

در نتیجه، هر موتور حرارتی باید از یک بخاری، یک ماشین انبساط، یک یخچال و یک ماشین کمپرسور تشکیل شده باشد. بعلاوه، اگر بخواهیم گرما را پیوسته به کار تبدیل کنیم، باید سیال عامل را پیوسته همراه با انبساط، فشرده کنیم و در شرایطی که کار تراکم کمتر از کار انبساط باشد، یعنی سیال عامل باید یک فرآیند دایره ای انجام دهید. کار به دست آمده در یک موتور حرارتی به عنوان تفاوت بین کار انبساط و فشرده سازی سیال عامل و از طرف دیگر (طبق قانون پایستگی انرژی) به عنوان تفاوت در مقادیر مطلق گرمای عرضه شده تعریف می شود. و حذف شد.

ویژگی اصلی ترمودینامیکی تفاوت بین موتورهای احتراق داخلی پیستونی و توربین، ویژگی های اجرای فرآیندهای دایره ای است: در موتورهای پیستونی، فرآیندهای اصلی چرخه (تراکم، تامین گرما، انبساط) به طور متوالی در همان فضای بسته جایگزین یکدیگر می شوند. (سیستم سیلندر-پیستون)، و در موتورهای توربین، همان فرآیندها به طور مداوم در عناصر موتور مستقل انجام می شود که به طور متوالی در جریان کلی سیال کار قرار دارند (به عنوان مثال، یک کمپرسور - محفظه احتراق - توربین در ساده ترین گاز. موتور توربین).

یک نمودار شماتیک از ساده ترین واحد توربین گاز در شکل نشان داده شده است. 1.1.

شکل 1.1 نمودار شماتیک ساده ترین واحد توربین گاز.

1 - کمپرسور محوری 2 - محفظه احتراق 3 – توربین

اصل عملیات نصب به شرح زیر است.

کمپرسور 1 هوا را از جو می مکد، آن را تا فشار معینی فشرده می کند و آن را به محفظه احتراق 2 می رساند. سوخت مایع یا گاز نیز به طور مداوم در اینجا عرضه می شود. گازهای داغ تشکیل شده در محفظه احتراق در نتیجه احتراق سوخت وارد توربین 3 می شود. در توربین گاز منبسط می شود و انرژی داخلی آن به کار مکانیکی تبدیل می شود. گازهای خروجی از توربین به اتمسفر خارج می شوند.

بیایید چرخه چنین توربین گازی را در نمودار T-S در نظر بگیریم (شکل 1.2).

هوای جوی ( P=P a، T=T a) از طریق دستگاه ورودی به کمپرسور جریان می یابد (ایزوترم 0-1). فشار و دمای آن برابر می شود P 1و T 1 .

در مرحله بعد، کمپرسور هوا را به یک فشار فشرده می کند P2دمای آن افزایش می یابد T 2(آدیاباتیک 1-2). نسبت فشار هوا در خروجی کمپرسور به فشار ورودی آن نامیده می شود نسبت تراکم کمپرسور(1.1).

, (1.1)

جایی که π به- درجه افزایش فشار در کمپرسور؛ R 2- فشار هوا در پشت کمپرسور؛ P 1- فشار جلوی کمپرسور

در محفظه احتراق (ایزوبار 2-3)، دمای سیال کار به بالا می رود T 3در فشار ثابت ( P2 = ص 3).

سپس در توربین مخلوط هوا و گاز منبسط می شود (adiabat 3-4)، فشار آن کاهش می یابد تا P 4، و درجه حرارت تا T 4. نسبت فشار گاز در ورودی توربین به فشار گاز در خروجی آن نامیده می شود نسبت انبساط توربین (1.2).

جایی که π t- درجه انبساط در توربین؛ R 3- فشار هوا در جلوی توربین؛ R 4- فشار پشت توربین

پس از انبساط در توربین، گازهای خروجی در اتمسفر آزاد می شوند (ایزوترم 4-5).

چرخه مورد بحث در بالا برگشت پذیر است، زیرا هیچ گونه تلفات در فرآیندهای فشرده سازی، انبساط، تامین گرما و غیره را در نظر نمی گیرد. در شرایط واقعی، فرآیندها در همه واحدهای نصب با واحدهای برگشت‌پذیر متفاوت است، بنابراین، تعیین عملکرد نیروگاه‌های توربین گاز بر اساس چرخه‌های مرجع برگشت‌پذیر جالب توجه عملی نیست و تنها با تحلیل مقایسه‌ای چرخه‌های مختلف قابل توجیه است. تاسیسات بنابراین در عمل با پارامترهای کامل (پارامترهای جریان عقب افتاده) عمل می کنند.

دمای کامل:

, (1.3)

جایی که T*- دمای کل؛ تی- دمای استاتیک؛ با- سرعت جریان مطلق؛ با ص- ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت

فشار کل

, (1.4)

جایی که R*- فشار کل؛ آر- فشار استاتیک؛ T*- دمای کل؛ T - دمای استاتیک؛ ک- شاخص آدیاباتیک

با پارامترهای ترمز جریان، نمودار یک چرخه توربین گاز واقعی را به دست می آوریم (شکل 1.3).

مشابه (1.1) و (1.2) برای یک چرخه واقعی:

فشار در سایر گره ها به صورت زیر محاسبه می شود:

, (1.6)

جایی که P* خارج شد- فشار در خروجی دستگاه؛ P*inفشار در ورودی به گره است، σ ضریب تلفات برای این گره است.

مقادیر ضرایب تلفات برای واحدهای مختلف توربین گاز در جدول 1.1 آورده شده است.

جدول 1.1

مقادیر ضرایب تلفات برای واحدهای مختلف توربین گاز

طبقه بندی GTU

دسته بندی های زیر برای واحدهای توربین گاز وجود دارد:

· بر اساس حوزه کاربرد:

Ö موتورهای توربین گازی هوانوردی.

توربوجت؛

توربوپراپ؛

موتورهای توربین گاز 2 مدار؛

توربوفن؛

موتورهای توربین گاز هلیکوپتر؛

تاسیسات کمکی

Ö واحدهای توربین گاز ثابت برای تولید برق.

Ö واحدهای توربین گازی (برای راندن سوپرشارژرهای گاز طبیعی).

Ö واحدهای توربین گازی حمل و نقل .

کشتی؛

لوکوموتیو;

خودرو؛

مخزن

Ö توربین های گاز فضایی (منبع سوخت آنها راکتورهای هسته ای هستند).

Ö واحدهای توربین گاز تکنولوژیکی (واحدهای توربین گاز ثابت شامل چرخه فرآیند تولید، به عنوان مثال، برای راندن دمنده ها در کوره های بلند و پالایشگاه های نفت).

Ö توربین های گاز به عنوان بخشی از تاسیسات ترکیبی (واحدهای بخار-گاز، گاز-بخار، گاز- گازوئیل).

· بر اساس نوع چرخه:

Ö حلقه باز (شکل 1.1).

Ö حلقه بسته (شکل 1.4).

گاز تخلیه شده در توربین 3 پس از احیا کننده 6 مانند یک توربین گازی باز به اتمسفر خارج نمی شود، بلکه به خنک کننده 5 فرستاده می شود. در آنجا تا دمای خنک می شود. T 3، در حالی که فشار آن کاهش می یابد P2. کولر یک مبدل حرارتی سطحی است که در آن آب معمولی به عنوان محیط خنک کننده عمل می کند. از نقطه نظر ترمودینامیک، کولر 5 به عنوان یک هیت سینک (منبع سرد) عمل می کند. گاز خنک شده وارد کمپرسور 4 می شود و از آنجا فشرده می شود P2قبل از P 1، که به دلیل آن دمای آن افزایش می یابد T 3قبل از T 4. پس از کمپرسور، گاز به احیاگر شماره 6 فرستاده می شود که در آن توسط گازهای خروجی از توربین 3 گرم می شود. در توربین های گازی بسته به جای محفظه احتراق، یک بخاری 1 تعبیه شده است که سیال کار (گاز یا هوا) در آن تعبیه شده است. داخل لوله ها عبور داده می شود. از بیرون، این لوله ها توسط گرمای آزاد شده در هنگام احتراق سوخت در کوره گرم می شوند که از نظر اصل عملکرد مشابه کوره دیگ های بخار است. بنابراین، بخاری توربین گازی گاهی اوقات "دیگ هوا" نامیده می شود. در بخاری 1، دمای گاز کار به شدت افزایش می یابد T 1، سپس گاز وارد توربین 3 می شود و در آنجا منبسط می شود و کار را انجام می دهد. دما کاهش می یابد T 2. توربین کمپرسور 4 را می چرخاند و قسمت اضافی از توان خود را به مصرف کننده 2 می دهد. سپس گاز خروجی که دمای کافی بالایی دارد به احیاگر فرستاده می شود و در آنجا بخشی از گرمای خود را برای گرم کردن گاز در حال حرکت از آن صرف می کند. کمپرسور 4 به بخاری 1.

سپس چرخه دوباره تکرار می شود.

در یک واحد توربین گاز بسته، همان مقدار جرم سیال کار در گردش است، به استثنای نشت گاز ناچیز از مدار از طریق نشت های مختلف، که به طور خودکار از یک دستگاه خاص پر می شود (در شکل نشان داده نشده است). قدرت تاسیسات با تغییر فشار گاز در مدار آن با تغییر جریان جرمی گاز کار تنظیم می شود و در عین حال درجه افزایش فشار را عملاً بدون تغییر حفظ می کند. پ، و T 1و T 3(حداکثر و حداقل دمای سیکل) با استفاده از یک تنظیم کننده گریز از مرکز مخصوص (در شکل نشان داده نشده است).

توربین های گازی بسته دارای مزایای زیر نسبت به توربین های باز هستند:

به دلیل عدم وجود مواد در گاز در گردش که باعث خوردگی و فرسایش دستگاه تیغه می شود، قابلیت اطمینان و دوام توربین به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

توربین های گاز بسته می توانند با هر نوع سوختی از جمله سوخت جامد و مایع سنگین (نفت سوخت) کار کنند.

توربین های گاز بسته می توانند با انرژی هسته ای کار کنند.

با افزایش فشار اولیه گاز در جلوی کمپرسور، می توان دبی وزنی آن را در واحد توربین گاز در محدوده وسیعی افزایش داد و این امکان را فراهم می کند که توان واحد نصب را به تعداد دفعات مربوطه افزایش دهد. یا با توان ثابت وزن آن را با کاهش سطح مبدل های حرارتی، ابعاد واحد توربین گاز و قطر خطوط لوله به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

در نیروگاه های توربین گازی بسته، توان با تغییر فشار گاز در مدار تنظیم می شود، بنابراین راندمان تاسیسات تحت شرایط بار مختلف و در محدوده وسیعی از پارامترهای عملیاتی بدون تغییر باقی می مانند.

هر ماده گازی را می توان به عنوان یک سیال عامل استفاده کرد، یا دارای خواص ترموفیزیکی بهتری باشد، یا چرخه نصب را از نظر ترمودینامیکی کامل تر و مطلوب تر کند و یا دارای مزایای دیگری باشد.

Ö چرخه نیمه بسته

با این چرخه بخشی از محصولات احتراق به پشت توربین برده شده و به مرحله میانی کمپرسور فرستاده می شود.

· بر اساس تعداد شفت:

Ö توربین های گازی تک شفت (شکل 1.1).

از مزایای واحدهای تک شفت می توان به سادگی ساختاری، حداقل تعداد توربوماشین و یاتاقان اشاره کرد. مزیت مهم دیگر این نیروگاه های توربین گاز این است که در طول چرخه احیا، با کاهش بار به 70 درصد و کمتر، بازده توربین گازی را ثابت نگه می دارند.

چنین توربین های گازی نیز دارای معایب کمتر قابل توجهی نیستند. اتصال صلب بین کمپرسور محوری و سوپرشارژر محرک به طور قابل توجهی قابلیت های کنترل واحد را محدود می کند. قدرت در این نوع نصب تنها با تغییر در مصرف سوخت تنظیم می شود. اگر بار کاهش یابد، مصرف سوخت کاهش می یابد، اما مصرف هوا ثابت می ماند، زیرا کمپرسور، توربین گاز و بار به طور صلب توسط یک شفت به هم متصل می شوند. بنابراین کاهش مصرف سوخت منجر به کاهش دما در پشت محفظه احتراق می شود که باعث کاهش راندمان می شود. GTU.

Ö توربین های گازی دو شفت .

در چنین تاسیساتی، یک قطعه ژنراتور گاز (کمپرسور و توربین محرک آن) و یک واحد توربین قدرت آزاد جدا می شوند.

برنج. 1.8. نمودار شماتیک یک واحد توربین گازی دو شفت.

1-کمپرسور؛ 2-توربین فشار قوی؛ 3-توربین کم فشار (قدرت)؛ 4 بار (سوپرشارژر); 5- محفظه احتراق.

در چنین نصبی، توربین به 2 قسمت تقسیم می شود (شکل 1.8).

یک قسمت، معمولاً فشار بالا 2، کمپرسور 1 را به حرکت در می آورد و می تواند با سرعت متغیر کار کند. قسمت دوم، توربین قدرت 3، در صورتی که برای به حرکت درآوردن یک ژنراتور الکتریکی در نظر گرفته شده باشد، با سرعت کاملاً ثابتی کار می‌کند و اگر برای به حرکت درآوردن یک سوپرشارژر در نظر گرفته شده باشد، می‌تواند تقریباً هر سرعت چرخشی داشته باشد. تنظیم در یک واحد توربین گاز از این نوع نه تنها با تغییر جریان سوخت، بلکه با تغییر جریان هوای تامین شده توسط کمپرسور 1 انجام می شود.

این روش باعث می شود هنگام کار در بارهای جزئی، دمای سیال عامل پشت محفظه احتراق به طور قابل توجهی کمتر یا اصلاً کاهش یابد و در نتیجه کارایی حفظ شود. چرخه در سطح بالاتر

Ö توربین های گازی سه شفت .

برنج. 1.9. نمودار شماتیک یک واحد توربین گازی سه شفت.

1-کمپرسور کم فشار 2-کمپرسور فشار بالا; 3-محفظه احتراق; 4- توربین فشار قوی; 5-توربین کم فشار;

توربین 6 آزاد; 7- سوپرشارژر.

در نسبت‌های تراکم بالا، در ابتدا و انتهای مسیر جریان کمپرسور تفاوتی در دبی هوا وجود دارد که می‌تواند منجر به افزایش جریان هوا شود. برای از بین بردن این پدیده، کمپرسور را به 2 یا چند قسمت به نام آبشار تقسیم می کنند. هر آبشار سرعت چرخش خاص خود را دارد که به همین دلیل جریان هوا از طریق آنها یکسان می شود. هر آبشار توسط یک توربین جداگانه هدایت می شود.

در هر صورت، هر محور باید حداقل دو واحد یاتاقان داشته باشد: یکی - پشتیبانی، دوم - یاتاقان رانش. بلبرینگ های غلتشی و کشویی تعویض می شوند.

· با توجه به پیچیدگی چرخه ترمودینامیکی:

Ö ساده ترین چرخه ترمودینامیکی

برنج. 1.10. نمودار T-S ساده ترین چرخه ترمودینامیکی.

این چرخه در 90 درصد توربین های گازی مورد استفاده در جهان استفاده می شود.

Ö چرخه با خنک کننده در طول فشرده سازی.

شکل 1.11. نمودار کمپرسور دو مرحله ای

با اینترکولر

1 – کمپرسور کم فشار 2 – کمپرسور فشار قوی

3- خنک کننده

اگر این فرآیند به صورت همدما انجام شود، کار صرف شده برای فشرده سازی، با مساوی بودن سایر موارد، کمترین میزان خواهد بود، اما برای این کار لازم است دائماً گرما از سیال کار حذف شود، که عملاً دستیابی به آن از نظر ساختاری غیرممکن است.

برای نزدیک‌تر کردن فرآیند به همدما و کاهش کار مورد نیاز، پس از هر مرحله در یخچال‌های میانی فشرده‌سازی مرحله‌ای با خنک‌کننده هوا جایگزین می‌شود.

در عمل، این اصل با استفاده از کمپرسور مرحله و یخچال اجرا می شود (شکل 1.11). بدیهی است که هر چه این مراحل در یخچال بیشتر باشد، فرآیند تراکم به همدما نزدیک‌تر می‌شود. نمودار T-S چنین چرخه ای در شکل نشان داده شده است. 1.12.

Ö چرخه گرم در طول فرآیند انبساط.

افزایش راندمان، کاهش مصرف هوا و گاز خاص و در نتیجه افزایش توان واحد را می توان با استفاده از انبساط گام به گام با تامین حرارت میانی در محفظه های احتراق که به صورت متوالی در امتداد جریان گاز بین توربین ها قرار دارند به دست آورد. در این حالت، فرآیند انبساط به همدما نزدیک می شود و این منجر به افزایش کار در دسترس توربین می شود. نمودار یک واحد توربین گاز با انبساط دو مرحله ای و گرمایش متوسط گاز کار در شکل 1 نشان داده شده است. 1.13.

شکل 1.13. نمودار شماتیک یک واحد توربین گاز با گرمایش میانی گاز.

1 - محفظه احتراق؛ 2 - توربین فشار قوی 3 - محفظه احتراق برای گرمایش میانی گاز. 4- توربین قدرت

هوای کمپرسور با عبور از احیاگر وارد CS 1 می شود و پس از آن گاز کار در دمای T*3به تئاتر 2 فرستاده می شود. انبساط جزئی گاز در اینجا رخ می دهد. پس از HPT، گاز کار به KSPPG 3 تخلیه می شود که در آن، به دلیل احتراق اضافی سوخت، دمای آن به بالا می رود. T*31. با توجه به ضریب زیاد هوای اضافی پس از موتور احتراق فشار بالا، احتراق سوخت در موتور احتراق فشار بالا به شدت بدون تامین هوای اضافی رخ می دهد. از CSPPG، گاز کار وارد ST 4 می شود و پس از آن به اتمسفر تخلیه می شود.

چرخه یک واحد توربین گاز با گرمایش متوسط در شکل نشان داده شده است. 1.14.

فرآیندهای زیر در اینجا نشان داده شده است: 3-41 - گسترش گاز کار در تئاتر. 41-31 - تامین گرما به CVSG. 31-4 - انبساط گاز کار در ST.

Ö کارخانه های چرخه ترکیبی (CCGTs).

تمایل به بهبود عملکرد فنی و اقتصادی نیروگاه ها با ترکیب منطقی ویژگی های چرخه های بخار و توربین گاز منجر به ایجاد نیروگاه های گاز سیکل ترکیبی (CCGT) شد. یک نمودار مدار ساده شده از واحد CCGT در شکل نشان داده شده است. 1.15.

برنج. 1.15. نمودار شماتیک PTU:

1 - کمپرسور 2 – مولد بخار 3 – توربین گاز 4 – توربین بخار

5 - بار; 6 - خازن 7 – پمپ؛ 8 – سیستم مبدل حرارتی

نصب به شرح زیر عمل می کند.

هوای اتمسفر در کمپرسور 1 خارج شده و به مولد بخار (دیگ بخار) 2 فرستاده می شود. سوخت بلافاصله تامین می شود. در خروجی از مولد بخار، دمای محصولات احتراق به دلیل انتقال حرارت به گرم کردن آب و تولید بخار کاهش می یابد.

بخار فوق گرم حاصل با فشار وارد توربین بخار 4 می شود، جایی که به یک خلاء عمیق منبسط می شود، کار می کند و سپس در کندانسور 6 متراکم می شود. تا دمای جوش، و سپس به مولد بخار 2، بنابراین چرخه بخار بسته می شود.

قسمت توربین گازی تاسیسات بر اساس اصل یک واحد توربین گاز باز عمل می کند. محصولات احتراق وارد توربین گاز 3 می شوند و در آنجا منبسط می شوند. پس از کار در توربین، آنها از طریق یک سیستم مبدل حرارتی 8 عبور می کنند، جایی که آنها توسط آب تغذیه خنک می شوند و سپس به اتمسفر منتقل می شوند.

چرخه یک کارخانه بخار و گاز ترکیبی (شکل 1.16) برای 1 کیلوگرم بخار آب و مقدار گاز مربوط به هر 1 کیلوگرم آب ساخته شده است.

در چرخه نصب توربین گاز گرمایی برابر با مساحت a-5-1-g تامین می شود و کار مفیدی حاصل می شود. L CG، برابر با مساحت 1-2-3-4-5. در چرخه کارخانه بخار، هنگامی که به طور جداگانه انجام می شود، مقدار گرمای عرضه شده برابر با مساحت -8-9-10-11-6 است و کار مفید L CPU برابر با مساحت 6-7- است. 8-9-10-11. گرمای گازهای تخلیه شده در توربین، برابر با مساحت a-4-2-g، هنگامی که هر دو چرخه به طور جداگانه انجام می شوند، در جو آزاد می شود. در چرخه بخار-گاز، گرمای آزاد شده در هنگام خنک کردن گازها در امتداد خط 2-3 و برابر با مساحت b-Z-2-g در اتمسفر آزاد نمی شود، اما برای گرم کردن آب تغذیه در امتداد خط 8-9 در اتمسفر استفاده می شود. سیستم مبدل حرارتی 8.

گرمای صرف شده برای تشکیل بخار در دیگ به میزانی برابر با ناحیه سایه‌دار در 8-9-d کاهش می‌یابد و بازده سیکل ترکیبی افزایش می‌یابد، زیرا کل کار مفید هر دو چرخه L CG + CPU Lهنگامی که آنها به طور مشترک و جداگانه اجرا شوند یکسان است.

PTU ها کارایی نسبتا بالایی دارند. تقریبا 42 درصد توضیحات به شرح ذیل می باشد. چرخه بخار-گاز در نظر گرفته شده، از دیدگاه ترمودینامیک، یک چرخه دوتایی است که از مراحل گاز و بخار تشکیل شده است. مرحله گاز از دمای بالاتری از سیال عامل نسبت به نیروگاه های گاز سیکل ترکیبی مدرن استفاده می کند. میانگین دمای تامین حرارت در چرخه بخار-گاز بیشتر از سیکل بخار است. در عین حال، مرحله بخار به شما امکان می دهد تا از چرخه بخار استفاده کنید، که در آن سطح دمای حذف گرما به هیت سینک نزدیک به دمای محیط است و در چرخه توربین گاز حتی پس از آن بسیار بالاتر است. احیا کننده بنابراین E.P.D. کارخانه سیکل ترکیبی بالاتر از راندمان خواهد بود. GTU و PTU به طور جداگانه.

Ö GTU با محفظه های احتراق پیستونی.

نیروگاه هایی که در آنها یک توربین گاز همراه با یک ژنراتور گاز پیستون آزاد (LPGG) کار می کند به طور فزاینده ای گسترش می یابد. این تاسیسات با موفقیت ویژگی‌های مثبت توربین (وزن و ابعاد کمتر، توانایی کار در سرعت‌های بالا و غیره) را با راندمان نسبتاً بالای موتور احتراق داخلی ترکیب می‌کنند.

یک نمودار شماتیک از یک واحد توربین گاز با SLNG در شکل نشان داده شده است. 1.17.

نقش یک کمپرسور و در عین حال یک محفظه احتراق توسط یک LPGG انجام می شود که با توجه به اصل عملکرد آن شبیه یک موتور دیزل فشار قوی دو زمانه با پیستون های متضاد حرکت می کند. پیستون های 10 کمپرسورها هنگام حرکت به سمت یکدیگر هوا را فشرده می کنند و آن را از حفره های 2 از طریق دریچه های 4 به گیرنده تصفیه 11 منتقل می کنند ، از آنجا ، از طریق پنجره تصفیه 6 ، هوا وارد سیلندر "دیزل" می شود. 9، ابتدا آن را تمیز کنید و سپس آن را با شارژ تازه پر کنید. هنگامی که پیستون‌های 5 نزدیک می‌شوند و تقریباً در موقعیت فوق‌العاده نسبت به یکدیگر قرار می‌گیرند، سوخت از طریق انژکتور 7 به سیلندر 9 تزریق می‌شود. مثل دیزل

برنج. 1.17. GTU با محفظه احتراق پیستونی:

1-حفره بافر؛ 2-حفره کمپرسور; 3 شیر ورودی؛ 4 دریچه بای پس؛ 5 پیستون؛ 6-پنجره دمنده; 7-نازل; پنجره های 8 خروجی; 9 سیلندر ("دیزل")؛ کمپرسورهای 10 پیستونی؛ گیرنده 11 پاکسازی; 12-گیرنده تساوی; 13-توربین; 14-بار.

تحت فشار خود مشتعل می شود. به دلیل انبساط گازها در سیلندر 9 در حین احتراق سوخت، پیستون های 5 شروع به واگرایی در جهت مخالف می کنند. در این حالت، پیستون‌های 10 که به طور صلب به پیستون‌های 5 متصل هستند، هوا را در حفره‌های بافر 1 فشرده می‌کنند. در همان زمان، هوای اتمسفر از طریق دریچه‌های 3 به داخل حفره‌های کمپرسور مکیده می‌شود. سپس، به محض اینکه پیستون 5 پنجره های خروجی 8 را باز می کند، گازهای سیلندر دیزل به گیرنده یکسان سازی 12 رها می شود و از آن مخلوط گازها با هوای پاک به توربین 13 فرستاده می شود. توان تولید شده توسط توربین تقریباً به طور کامل به توربین داده می شود. مصرف کننده 14. برای حرکت مجدد پیستون ها به سمت یکدیگر از انرژی هوای فشرده واقع در حفره های بافر 1 استفاده می شود سپس سیکل تکرار می شود.

بهره وری GTU با LNG 30 ... 35٪ و گاهی اوقات بیش از 40٪ است. راندمان بالای آنها با اختلاف دمای زیادی که فرآیند کار با آن انجام می شود توضیح داده می شود. بالاترین دما دمای احتراق سوخت در سیلندر "دیزل" (حدود 1800 درجه سانتیگراد) و کمترین آن دمای گازهای آزاد شده از توربین (200 ... 300 درجه سانتیگراد) است.

توربین های گازی با SGNG در برخی از کشتی ها، لوکوموتیوها و تاسیسات ثابت برای اهداف مختلف استفاده می شود.

نقطه ضعف اصلی واحدهای توربین گاز با SLNG پیچیدگی و نقص خاص خود SLNG است. این امر قابلیت اطمینان و دوام عملکرد آنها را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و در نهایت سرعت و مقیاس اجرای آنها را محدود می کند.

اطلاعات مربوطه.