Parne i plinske turbine: namjena, princip rada, izvedbe, tehničke karakteristike, značajke rada. Vrste plinskih turbina Kako radi plinska turbina

Plinska turbina, kao toplinski stroj, objedinjuje karakteristične osobine parne turbine i motora s unutarnjim izgaranjem, kod kojih se energija goriva tijekom izgaranja izravno pretvara u mehanički rad. Radni fluid plinskih turbina koje rade u otvorenom ciklusu su produkti izgaranja goriva, a radni fluid plinskih turbina koje rade u zatvorenom ciklusu je čisti zrak ili plin koji kontinuirano cirkulira u sustavu. Na brodovima se koriste plinskoturbinske jedinice (GTU) koje rade u otvorenom ciklusu, sa izgaranjem goriva pri konstantnom tlaku (p = const) i GTU koje rade u zatvorenom ciklusu.

Trenutno postoje dvije vrste brodskih plinskih turbina: 1) turbokompresorske i 2) s generatorima plina sa slobodnim klipom (LPG).

Dijagram najjednostavnije plinskoturbinske instalacije turbokompresora koji radi pri konstantnom tlaku izgaranja goriva prikazan je na slici. 101. Kompresor 9 usisava čisti atmosferski zrak, komprimira ga na visoki tlak i isporučuje kroz zračni kanal3 u komoru za izgaranje 2, gdje istovremeno kroz mlaznicu1 gorivo se isporučuje. Gorivo, kada se pomiješa sa zrakom, tvori radnu smjesu, koja izgara kadaR = konst. Nastali produkti izgaranja hlade se zrakom i usmjeravaju u protočni put turbine. U stacionarnim lopaticama 4 produkti izgaranja se šire i velikom brzinom ulaze u radne lopatice 5, gdje se kinetička energija protoka plina pretvara u mehanički rad rotacije osovine. Kroz cijev 6 ispušni plinovi napuštaju turbinu. Plinska turbina okreće kompresor 9 i kroz mjenjač7 propeler 8. Za pokretanje instalacije koristi se startni motor 10 koji okreće kompresor na minimalnu brzinu vrtnje.

Na istoj slici prikazan je teorijski ciklus razmatranog plinskoturbinskog agregata u koordinatama p - ? IS - T: AB - proces kompresije zraka u kompresoru; BC-izgaranje goriva pri konstantnom tlaku u komori za izgaranje; SD - ekspanzija plina u turbini, DA - odvođenje topline iz ispušnih plinova.

Za povećanje učinkovitosti rada plinske turbine koristi se regenerativno zagrijavanje zraka koji ulazi u komoru za izgaranje ili stupnjevito izgaranje goriva u nekoliko uzastopnih komora za izgaranje koje opslužuju pojedine turbine. Zbog svoje složenosti dizajna, postupno izgaranje se rijetko koristi. Za povećanje efektivne učinkovitosti instalacije, uz regeneraciju, koristi se dvostupanjska kompresija zraka, dok je između kompresora uključen intercooler zraka, čime se smanjuje potrebna snaga visokotlačnog kompresora.

Na sl. 102 prikazuje dijagram najjednostavnije instalacije plinske turbine s izgaranjem goriva naR = const i povrat topline. Zrak komprimiran u kompresoru1 , prolazi kroz regenerator 2 u komoru za izgaranje3 , gdje se zagrijava toplinom ispušnih plinova koji napuštaju turbinu 4 na relativno visokoj temperaturi. Stvarni ciklus ove instalacije prikazan je na S-T dijagramu (Sl. 103): proces kompresije zraka u kompresoru1 - 2 ; zagrijavanje zraka u regeneratoru, praćeno padom tlaka izR 2 prijeR 4 2 - 3; opskrba toplinom tijekom izgaranja goriva 3 - 4; stvarni proces ekspanzije plina u turbinama4-5 ; hlađenje plinova u regeneratoru, praćeno gubitkom tlaka str 5 -R 1 5-6; oslobađanje plinova – odvođenje topline6-1 . Količina topline koju primi zrak u regeneratoru predstavljena je površinom od 2"-2-3-3", a količina topline koju otpuštaju ispušni plinovi u regeneratoru predstavljena je površinom od 6"-6-5-5". Ova područja su međusobno jednaka.

U plinskoturbinskoj jedinici zatvorenog ciklusa potrošeni radni fluid ne ulazi u atmosferu, već se nakon prethodnog hlađenja ponovno šalje u kompresor. Posljedično, u ciklusu cirkulira radna tekućina koja nije onečišćena produktima izgaranja. Time se poboljšavaju radni uvjeti protočnih dijelova turbine, što rezultira povećanom pouzdanošću instalacije i produljenjem njezinog vijeka trajanja. Produkti izgaranja se ne miješaju s radnom tekućinom i stoga je svaka vrsta goriva prikladna za izgaranje.

Na sl. Slika 104 prikazuje shematski dijagram brodske plinske turbine sa svim modovima zatvorenog ciklusa. Zrak nakon prethodnog hlađenja u hladnjaku zraka 4 ulazi u kompresor5 , koji pokreće visokotlačna turbina7 . Zrak iz kompresora usmjerava se u regenerator3 , a zatim u grijač zraka 6, koji ima istu ulogu kao i komora za izgaranje u instalacijama otvorenog tipa. Iz grijača zraka radni zrak na temperaturi od 700 °C ulazi u visokotlačnu turbinu7 koji okreće kompresor i zatim u niskotlačnu turbinu2 , koji kroz mjenjač1 pokreće propeler podesivog koraka. Pokretni elektromotor 8 namijenjen je za pokretanje instalacije u radu. Nedostaci plinskih turbina zatvorenog ciklusa uključuju glomaznost izmjenjivača topline.

Posebno su zanimljivi plinski turbinski blokovi zatvorenog ciklusa s nuklearnim reaktorom. U ovim instalacijama kao radni fluid plinskih turbina (rashladno sredstvo) koriste se helij, dušik i ugljikov dioksid. Ovi plinovi se ne aktiviraju u nuklearnom reaktoru. Plin zagrijan u reaktoru na visoku temperaturu izravno se šalje na rad u plinsku turbinu.

Glavne prednosti plinskih turbina u odnosu na parne turbine su: mala težina i dimenzije, budući da nema kotlovnice i kondenzacijske jedinice s pomoćnim mehanizmima i uređajima; brzo pokretanje i razvoj pune snage unutar 10-15 minuta\ vrlo niska potrošnja vode za hlađenje; jednostavnost održavanja.

Glavne prednosti plinskih turbina u usporedbi s motorima s unutarnjim izgaranjem su: nepostojanje koljenastog mehanizma i s njim povezanih inercijskih sila; mala težina i dimenzije s velikom snagom (plinske turbine su 2-2,5 puta lakše u težini i 1,5-2 puta kraće u duljini od dizelskih motora); mogućnost rada na niskom gorivu; niži operativni troškovi. Nedostaci plinskih turbina su sljedeći: kratak vijek trajanja pri visokim temperaturama plina (npr. pri temperaturi plina od 1173° K vijek trajanja je 500-1000 sati); niža učinkovitost od dizelskih motora; značajna buka tijekom rada.

Trenutno se plinske turbine koriste kao glavni motori pomorskih transportnih plovila. U nekim slučajevima, plinske turbine male snage koriste se za pogon pumpi, električnih generatora za hitne slučajeve, pomoćnih kompresora za punjenje itd. Plinske turbine su od posebnog interesa kao glavni motori za hidroglisere i letjelice.

"Turbopunjenje", "turbomlazni motor", "turboprop" - ovi pojmovi čvrsto su ušli u rječnik inženjera 20. stoljeća koji su se bavili projektiranjem i održavanjem vozila i stacionarnih električnih instalacija. Čak se koriste u srodnim područjima i oglašavanju, kada imenu proizvoda žele dati neku naznaku posebne snage i učinkovitosti. Plinska turbina se najčešće koristi u zrakoplovstvu, raketama, brodovima i elektranama. Kako je strukturiran? Radi li na prirodni plin (kao što se može zaključiti iz naziva) i koje su to vrste plina? Po čemu se turbina razlikuje od ostalih vrsta motora s unutarnjim izgaranjem? Koje su njegove prednosti i mane? Ovaj članak pokušava odgovoriti na ova pitanja što je moguće potpunije.

Ruski inženjerski lider UEC

Rusija je, za razliku od mnogih drugih neovisnih država nastalih nakon raspada SSSR-a, uspjela uvelike očuvati strojogradnju. Konkretno, tvrtka Saturn bavi se proizvodnjom elektrana posebne namjene. Plinske turbine tvrtke koriste se u brodogradnji, industriji sirovina i energetskom sektoru. Proizvodi su visoke tehnologije, zahtijevaju poseban pristup tijekom instalacije, otklanjanja pogrešaka i rada, kao i posebno znanje i skupu opremu za redovno održavanje. Sve te usluge dostupne su kupcima tvrtke "UEC - Plinske turbine", kako se danas zove. U svijetu nema toliko takvih poduzeća, iako je princip glavnog proizvoda na prvi pogled jednostavan. Prikupljeno iskustvo je od velike važnosti, što nam omogućuje da uzmemo u obzir mnoge tehnološke suptilnosti, bez kojih je nemoguće postići trajan i pouzdan rad jedinice. Ovdje je samo dio UEC asortimana proizvoda: plinske turbine, elektrane, plinske crpne jedinice. Među kupcima su Rosatom, Gazprom i drugi "kitovi" kemijske industrije i energetike.

Proizvodnja tako složenih strojeva zahtijeva individualni pristup u svakom slučaju. Proračun plinske turbine trenutno je potpuno automatiziran, ali materijali i značajke instalacijskih dijagrama važni su u svakom pojedinačnom slučaju.

A sve je počelo tako jednostavno...

Pretrage i parovi

Čovječanstvo je prve pokuse pretvaranja translacijske energije protoka u rotacijsku silu izvelo još u davna vremena, koristeći običan vodeni kotač. Sve je krajnje jednostavno, tekućina teče odozgo prema dolje, au njenom toku su smještene lopatice. Kotač, opremljen njima oko perimetra, vrti se. Vjetrenjača radi na isti način. Zatim je došlo doba pare, a rotacija kotača se ubrzala. Inače, takozvani “aeolipil”, koji je izumio stari Grk Heron oko 130 godina prije rođenja Krista, bio je parni stroj koji radi upravo na tom principu. U biti, bila je to prva plinska turbina poznata povijesnoj znanosti (ipak, para je plinovito agregatno stanje vode). Danas je još uvijek uobičajeno razdvajati ova dva pojma. U to su vrijeme u Aleksandriji reagirali na Heronov izum bez puno oduševljenja, iako sa znatiželjom. Industrijska oprema turbinskog tipa pojavila se tek krajem 19. stoljeća, nakon što je Šveđanin Gustaf Laval stvorio prvu aktivnu pogonsku jedinicu na svijetu opremljenu mlaznicom. Inženjer Parsons radio je u približno istom smjeru, opremivši svoj stroj s nekoliko funkcionalno povezanih stupnjeva.

Rođenje plinskih turbina

Stoljeće ranije izvjesni John Barber došao je na briljantnu ideju. Zašto prvo morate zagrijati paru? Nije li lakše izravno koristiti ispušni plin koji nastaje tijekom izgaranja goriva i time eliminirati nepotrebno posredovanje u procesu pretvorbe energije? Tako je nastala prva prava plinska turbina. Patent iz 1791. ocrtava osnovnu ideju za upotrebu u kočiji bez konja, ali njegovi se elementi danas koriste u modernim raketnim, zrakoplovnim tenkovskim i automobilskim motorima. Proces izgradnje mlaznih motora započeo je 1930. Frank Whittle. Došao je na ideju korištenja turbine za pogon aviona. Kasnije je razvijen u brojnim turboelisnim i turbomlaznim projektima.

Plinska turbina Nikola Tesla

Poznati znanstvenik-izumitelj uvijek je pristupao pitanjima koja je proučavao na nestandardan način. Svima se činilo očiglednim da kotači s lopaticama ili lopaticama bolje "hvataju" kretanje medija od ravnih predmeta. Tesla je, na sebi svojstven način, dokazao da ako sastavite rotorski sustav od diskova poredanih sekvencijalno na osi, tada se zbog protoka plina koji pokupi granične slojeve neće okretati ništa lošije, au nekim slučajevima čak i bolje od višekraki propeler. Istina, smjer kretanja medija mora biti tangencijalan, što nije uvijek moguće ili poželjno u modernim jedinicama, ali dizajn je znatno pojednostavljen - uopće ne zahtijeva lopatice. Plinska turbina po Teslinoj shemi još se ne gradi, ali možda ideja samo čeka svoje vrijeme.

Shematski dijagram

Sada o osnovnoj strukturi stroja. Kombinacija je rotacijskog sustava postavljenog na os (rotor) i nepomičnog dijela (stator). Disk s radnim lopaticama postavljen je na osovinu, tvoreći koncentričnu rešetku; oni su izloženi plinu koji se dovodi pod pritiskom kroz posebne mlaznice. Ekspandirani plin tada ulazi u impeler, koji je također opremljen lopaticama koje se nazivaju radnici. Za usis smjese zrak-gorivo i odvod (ispuh) koriste se posebne cijevi. Kompresor je također uključen u cjelokupnu shemu. Može se izraditi prema različitim principima, ovisno o potrebnom radnom tlaku. Za rad se dio energije uzima od osi i koristi za komprimiranje zraka. Plinska turbina radi kroz proces izgaranja mješavine zraka i goriva, popraćen značajnim povećanjem volumena. Osovina se okreće, njena se energija može korisno iskoristiti. Takav se krug naziva jednostrukim krugom, ali ako se ponavlja, tada se smatra višestupanjskim.

Prednosti zrakoplovnih turbina

Oko sredine pedesetih godina pojavila se nova generacija zrakoplova, uključujući putničke (u SSSR-u su to bili Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 itd.), u nacrtima u kojima su avionski klipni motori konačno i nepovratno zamijenjeni turbinskim motorima. To ukazuje na veću učinkovitost ove vrste elektrane. Karakteristike plinske turbine su u mnogočemu superiornije u odnosu na karburatorske motore, posebice u omjeru snaga/težina, koji je od iznimne važnosti za zrakoplovstvo, kao iu jednako važnim pokazateljima pouzdanosti. Manja potrošnja goriva, manje pokretnih dijelova, bolji ekološki parametri, smanjena buka i vibracije. Turbine su manje kritične za kvalitetu goriva (što se ne može reći za sustave goriva), lakše ih je održavati i ne zahtijevaju toliko ulja za podmazivanje. Općenito, na prvi pogled čini se da nisu izrađeni od metala, već od čvrstih prednosti. Jao, to nije istina.

Plinskoturbinski motori imaju i nedostatke.

Plinska turbina se tijekom rada zagrijava i predaje toplinu okolnim konstrukcijskim elementima. Ovo je posebno kritično, opet, u zrakoplovstvu, kada se koristi modificirana shema rasporeda koja uključuje pranje donjeg dijela repne jedinice mlazom. A samo kućište motora zahtijeva posebnu toplinsku izolaciju i upotrebu posebnih vatrostalnih materijala koji mogu podnijeti visoke temperature.

Hlađenje plinskih turbina složen je tehnički izazov. Nije šala, oni rade u načinu praktički stalne eksplozije koja se događa u tijelu. Učinkovitost u nekim režimima je niža od one kod motora s rasplinjačem; međutim, kada se koristi krug s dva kruga, ovaj nedostatak se uklanja, iako dizajn postaje kompliciraniji, kao što je slučaj kada su kompresori za "pojačavanje" uključeni u krug. Ubrzavanje turbina i postizanje radnog moda traje neko vrijeme. Što se jedinica češće pali i gasi, to se brže troši.

Ispravna primjena

Pa, niti jedan sustav nije bez nedostataka. Svakom od njih važno je pronaći namjenu u kojoj će se njegove prednosti jasnije pokazati. Na primjer, tenkovi poput američkog Abramsa, čija se elektrana temelji na plinskoj turbini. Može se napuniti svime što gori, od visokooktanskog benzina do viskija, i proizvodi veliku snagu. Primjer možda neće biti baš uspješan, budući da je iskustvo u Iraku i Afganistanu pokazalo osjetljivost lopatica kompresora na pijesak. Plinske turbine moraju se popraviti u SAD-u, u proizvodnom pogonu. Odvesti tenk tamo, pa nazad, i trošak samog održavanja plus komponente...

Helikopteri, ruski, američki i drugi, kao i moćni gliseri, manje pate od blokada. Tekuće rakete ne mogu bez njih.

Moderni ratni brodovi i civilna plovila također imaju plinske turbine. I također energiju.

Trigeneratorske elektrane

Problemi s kojima se suočavaju proizvođači zrakoplova nisu toliko zabrinjavajući za one koji proizvode industrijsku opremu za proizvodnju električne energije. U ovom slučaju težina više nije toliko važna, a možete se usredotočiti na parametre kao što su učinkovitost i ukupna učinkovitost. Jedinice generatora plinske turbine imaju masivan okvir, pouzdan okvir i deblje lopatice. Nastalu toplinu sasvim je moguće iskoristiti za razne potrebe - od sekundarne reciklaže u samom sustavu, do grijanja stambenih prostorija i toplinske opskrbe rashladnih uređaja apsorpcijskog tipa. Ovaj pristup se naziva trigenerator, a učinkovitost u ovom načinu rada se približava 90%.

Nuklearne elektrane

Za plinsku turbinu nije bitno koji je izvor zagrijanog medija koji daje energiju njezinim lopaticama. To može biti izgorjela smjesa zraka i goriva ili jednostavno pregrijana para (ne nužno voda), glavno je da osigurava neprekinuto napajanje. U svojoj srži, elektrane svih nuklearnih elektrana, podmornica, nosača zrakoplova, ledolomaca i nekih vojnih površinskih brodova (raketna krstarica Petar Veliki, na primjer) temelje se na plinskoj turbini (GTU) koju rotira para. Pitanja sigurnosti i okoliša diktiraju zatvoreni primarni krug. To znači da primarni toplinski agens (u prvim uzorcima tu je ulogu imalo olovo, sada ga je zamijenio parafin) ne napušta zonu reaktora, teče kružno oko gorivih elemenata. Radna tvar se zagrijava u sljedećim krugovima, a ispareni ugljikov dioksid, helij ili dušik okreću kotač turbine.

Široka primjena

Složene i velike instalacije su gotovo uvijek unikatne, proizvode se u malim serijama ili se izrađuju čak pojedinačni primjerci. Najčešće se jedinice proizvedene u velikim količinama koriste u mirnim sektorima gospodarstva, na primjer, za pumpanje ugljikovodičnih sirovina kroz cjevovode. Upravo takve proizvodi tvrtka ODK pod brendom Saturn. Plinske turbine crpnih stanica u potpunosti odgovaraju njihovom nazivu. Oni zapravo pumpaju prirodni plin, koristeći njegovu energiju za svoj rad.

Princip rada plinskoturbinskih jedinica

Sl. 1. Shema plinskoturbinske jedinice s plinskoturbinskim motorom s jednom osovinom jednostavnog ciklusa

Čisti zrak se dovodi u kompresor (1) agregata plinske turbine. Pod visokim pritiskom, zrak iz kompresora se usmjerava u komoru za izgaranje (2), gdje se dovodi glavno gorivo, plin. Smjesa se zapali. Kada mješavina plina i zraka gori, energija se stvara u obliku struje vrućih plinova. To strujanje velikom brzinom juri na rotor turbine (3) i okreće ga. Kinetička energija vrtnje kroz turbinsko vratilo pokreće kompresor i električni generator (4). Sa stezaljki elektrogeneratora proizvedena električna energija, najčešće preko transformatora, šalje se u električnu mrežu, do potrošača energije.

Plinske turbine opisuju se Braytonovim termodinamičkim ciklusom. Brayton/Jouleov ciklus je termodinamički ciklus koji opisuje radne procese plinskih turbinskih, turbomlaznih i ramjetnih motora s unutarnjim izgaranjem, kao i plinskoturbinskih motora s vanjskim izgaranjem sa zatvorenom petljom plinovitog (jednofazni) radni fluid.

Ciklus je dobio ime po američkom inženjeru Georgeu Braytonu, koji je izumio klipni motor s unutarnjim izgaranjem koji je radio na ovom ciklusu.

Ponekad se ovaj ciklus naziva i Jouleov ciklus - u čast engleskog fizičara Jamesa Joulea, koji je uspostavio mehanički ekvivalent topline.

sl.2. P,V dijagram Braytonovog ciklusa

Idealni Braytonov ciklus sastoji se od sljedećih procesa:

1-2 Izoentropska kompresija.
2-3 Izobarni dovod topline.
3-4 Izoentropsko širenje.
4-1 Izobarno odvođenje topline.

Uzimajući u obzir razlike između stvarnih adijabatskih procesa širenja i kompresije od izentropskih, konstruiran je pravi Braytonov ciklus (1-2p-3-4p-1 na T-S dijagramu) (Sl. 3)

sl.3. T-S dijagram Braytonovog ciklusa
Savršeno (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Toplinska učinkovitost idealnog Braytonovog ciklusa obično se izražava formulom:

gdje je P = p2 / p1 stupanj povećanja tlaka u procesu izentropske kompresije (1-2);
k - adijabatski indeks (za zrak jednak 1,4)

Posebno treba napomenuti da ova općeprihvaćena metoda izračuna učinkovitosti ciklusa zamagljuje bit procesa koji se odvija. Ograničavajuća učinkovitost termodinamičkog ciklusa izračunava se preko omjera temperature pomoću Carnotove formule:

gdje je T1 temperatura hladnjaka;
T2 - temperatura grijača.

Potpuno isti temperaturni omjer može se izraziti kroz veličinu omjera tlaka koji se koriste u ciklusu i adijabatskog indeksa:

Dakle, učinkovitost Braytonovog ciklusa ovisi o početnoj i krajnjoj temperaturi ciklusa na potpuno isti način kao učinkovitost Carnotovog ciklusa. Uz infinitezimalno zagrijavanje radnog fluida duž linije (2-3), proces se može smatrati izotermnim i potpuno ekvivalentnim Carnotovom ciklusu. Količina zagrijavanja radnog fluida T3 tijekom izobarnog procesa određuje količinu rada koja se odnosi na količinu radnog fluida korištenog u ciklusu, ali ni na koji način ne utječe na toplinsku učinkovitost ciklusa. Međutim, u praktičnoj provedbi ciklusa zagrijavanje se obično provodi do najviših mogućih vrijednosti, ograničenih toplinskom otpornošću korištenih materijala, kako bi se minimizirala veličina mehanizama koji sabijaju i šire radni fluid.

U praksi, trenje i turbulencija uzrokuju:

Neadijabatska kompresija: Za dani ukupni omjer tlaka, temperatura ispuštanja kompresora viša je od idealne.
Neadijabatsko širenje: Iako temperatura turbine pada na razinu potrebnu za rad, to ne utječe na kompresor, omjer tlaka je veći, što rezultira nedovoljnim širenjem za pružanje korisnog rada.
Gubici tlaka u ulazu zraka, komori za izgaranje i izlazu: kao rezultat toga, ekspanzija nije dovoljna za pružanje korisnog rada.

Kao i kod svih cikličkih toplinskih motora, što je viša temperatura izgaranja, veća je učinkovitost. Ograničavajući faktor je sposobnost čelika, nikla, keramike ili drugih materijala koji čine motor da izdrže toplinu i pritisak. Puno inženjerstva ulaže se u uklanjanje topline iz dijelova turbine. Većina turbina također pokušava povratiti toplinu iz ispušnih plinova koja bi inače bila izgubljena.

Rekuperatori su izmjenjivači topline koji prenose toplinu iz ispušnih plinova na komprimirani zrak prije izgaranja. U kombiniranom ciklusu toplina se prenosi na sustave parne turbine. A u kombiniranoj proizvodnji topline i električne energije (kogeneracija), otpadna toplina koristi se za proizvodnju tople vode.

Mehanički, plinske turbine mogu biti znatno jednostavnije od klipnih motora s unutarnjim izgaranjem. Jednostavne turbine mogu imati jedan pokretni dio: sklop osovine/kompresora/turbine/izmjeničnog rotora (vidi sliku ispod), ne uključujući sustav goriva.

sl.4. Ovaj stroj ima jednostupanjski radijalni kompresor,
turbina, rekuperator i zračni ležajevi.

Složenije turbine (one koje se koriste u modernim mlaznim motorima) mogu imati više osovina (zavojnica), stotine lopatica turbine, pokretnih lopatica statora i opsežan sustav složenih cjevovoda, komora za izgaranje i izmjenjivača topline.

Općenito, što je motor manji, to je veća brzina(a) osovine potrebna za održavanje maksimalne linearne brzine noževa.

Maksimalna brzina lopatica turbine određuje maksimalni tlak koji se može postići, što rezultira maksimalnom snagom, bez obzira na veličinu motora. Mlazni motor vrti se na oko 10.000 okretaja u minuti, a mikroturbina na oko 100.000 okretaja u minuti.

Parna turbina. Pokušaji projektiranja parne turbine koja bi mogla konkurirati parnom stroju sve do sredine 19. stoljeća. bili neuspješni, budući da se samo mali dio kinetičke energije mlaza pare mogao pretvoriti u mehaničku energiju rotacije turbine. Stvar je u tome da izumitelji

nije uzela u obzir ovisnost učinkovitosti turbine o omjeru brzine pare i linearne brzine lopatica turbine.

Utvrdimo pri kojem će omjeru brzine struje plina i linearne brzine lopatice turbine doći do najpotpunijeg prijenosa kinetičke energije struje plina na lopaticu turbine (slika 36). Kada se kinetička energija pare potpuno prenese na lopaticu turbine, brzina mlaza u odnosu na Zemlju trebala bi biti jednaka nuli, tj.

U referentnom sustavu koji se kreće brzinom brzina mlaza je jednaka: .

Budući da je u ovom referentnom okviru lopatica nepomična u trenutku interakcije s mlazom, brzina mlaza nakon elastične refleksije ostaje nepromijenjena u veličini, ali mijenja smjer u suprotnom:

Vraćajući se ponovno na referentni okvir povezan sa Zemljom, dobivamo brzinu mlaza nakon refleksije:

Od tad

Utvrdili smo da će se potpuni prijenos kinetičke energije mlaza na turbinu dogoditi pod uvjetom da je linearna brzina gibanja lopatica turbine polovica brzine mlaza.Prvu parnu turbinu koja je našla praktičnu primjenu proizveo je švedski inženjer Gustav Laval 1889. Snaga mu je bila manja pri brzini vrtnje rpm.

Riža. 36. Prijenos kinetičke energije mlaza pare na lopaticu turbine

Visoka brzina protoka plina čak i pri prosječnim padovima tlaka, koji iznose približno 1200 m/s, zahtijeva da lopatice turbine imaju linearnu brzinu od oko 600 m/s za učinkovit rad. Posljedično, da bi se postigle visoke vrijednosti učinkovitosti, turbina mora biti brza. Lako je izračunati inercijsku silu koja djeluje na lopaticu turbine mase 1 kg, smještenu na rubu rotora polumjera 1 m, pri brzini lopatice od 600 m/s:

Pojavljuje se temeljna kontradikcija: da bi turbina radila ekonomično, potrebne su nadzvučne brzine rotora, ali pri takvim brzinama turbina će biti uništena inercijskim silama. Da bi se riješila ova kontradikcija, potrebno je projektirati turbine koje se okreću brzinom manjom od optimalne, ali da u potpunosti iskoriste kinetičku energiju mlaza pare, učiniti ih višestupanjskim, postavljajući nekoliko rotora sve većeg promjera na zajedničku osovinu. Zbog nedovoljno velike brzine vrtnje turbine, para samo dio svoje kinetičke energije predaje rotoru manjeg promjera. Zatim se para ispuštena u prvom stupnju usmjerava na drugi rotor većeg promjera, dajući njegovim lopaticama dio preostale kinetičke energije, itd. Ispušna para se kondenzira u hladnjaku-kondenzatoru, a topla voda se šalje u kotao. .

Ciklus parnoturbinskog postrojenja koordinatama je prikazan na slici 37. U kotlu radni fluid prima određenu količinu topline, zagrijava se i ekspandira pri konstantnom tlaku (izobara AB). U turbini se para širi adijabatski (adijabat BC), vršeći rad za rotaciju rotora. U kondenzatoru-hladnjaku, ispranom, na primjer, riječnom vodom, para predaje toplinu vodi i kondenzira se pri stalnom tlaku. Ovaj proces odgovara izobari. Topla voda iz kondenzatora pumpa se u kotao. Ovaj proces odgovara izohori.Kao što se vidi, ciklus parnoturbinskog postrojenja je zatvoren. Rad pare u jednom ciklusu brojčano je jednak površini figure ABCD.

Moderne parne turbine imaju visoku kinetičku učinkovitost pretvorbe

Riža. 37. Dijagram pogonskog ciklusa parnoturbinskog postrojenja

energije mlaza pare u mehaničku energiju, nešto više od 90%. Stoga su električni generatori gotovo svih termo i nuklearnih elektrana u svijetu, koji daju više od 80% ukupne proizvedene električne energije, pokretani parnim turbinama.

Budući da temperatura pare koja se koristi u modernim parnoturbinskim postrojenjima ne prelazi 580 C (temperatura grijača), a temperatura pare na izlazu iz turbine obično nije niža od 30 °C (temperatura hladnjaka), najveća vrijednost učinkovitosti parnoturbinsko postrojenje kao toplinski stroj je:

a stvarne vrijednosti učinkovitosti parnoturbinskih kondenzacijskih elektrana dosežu tek oko 40%.

Snaga modernih pogonskih jedinica kotla-turbine-generatora doseže kW. Sljedeća na redu u 10. petogodišnjem planu je izgradnja blokova snage do kW.

Parnoturbinski strojevi imaju široku primjenu u vodenom prometu. Međutim, njihovu primjenu u kopnenom prometu, a posebno u zrakoplovstvu, otežava potreba za ložištem i kotlom za dobivanje pare, kao i velikom količinom vode koja se koristi kao radni fluid.

Plinske turbine. Ideja o uklanjanju peći i kotla u toplinskom stroju s turbinom premještanjem mjesta izgaranja goriva u sam radni fluid dugo je zaokupljala dizajnere. Ali razvoj takvih turbina s unutarnjim izgaranjem, u kojima radni fluid nije para, već zrak koji se širi od zagrijavanja, bio je ometan nedostatkom materijala koji bi mogli dugo raditi na visokim temperaturama i velikim mehaničkim opterećenjima.

Plinskoturbinsko postrojenje sastoji se od zračnog kompresora 1, komora za izgaranje 2 i plinske turbine 3 (slika 38). Kompresor se sastoji od rotora postavljenog na istoj osi s turbinom i fiksne vodeće lopatice.

Kada turbina radi, rotor kompresora se okreće. Lopatice rotora oblikovane su na takav način da se pri njihovoj rotaciji tlak ispred kompresora smanjuje, a iza kompresora raste. Zrak se usisava u kompresor, a njegov tlak iza prvog reda lopatica rotora raste. Iza prvog reda lopatica rotora nalazi se niz lopatica fiksne vodeće lopatice kompresora, uz pomoć koje se mijenja smjer kretanja zraka i osigurava mogućnost njegove daljnje kompresije pomoću lopatica drugog stupnja. rotora itd. Nekoliko stupnjeva lopatica kompresora osigurava povećani tlak zraka za 5-7 puta.

Proces kompresije odvija se adijabatski, pa temperatura zraka značajno raste, dosežući 200 °C ili više.

Riža. 38. Instalacija plinske turbine

Komprimirani zrak ulazi u komoru za izgaranje (slika 39). Istodobno se u njega kroz mlaznicu pod visokim pritiskom ubrizgava tekuće gorivo - kerozin, loživo ulje.

Pri sagorijevanju goriva zrak, koji služi kao radni fluid, prima određenu količinu topline i zagrijava se do temperature od 1500-2200 °C. Zagrijavanje zraka događa se pri konstantnom tlaku, pa se zrak širi i povećava mu se brzina.

Zrak i produkti izgaranja koji se kreću velikom brzinom usmjeravaju se u turbinu. Krećući se od stupnja do stupnja, oni predaju svoju kinetičku energiju lopaticama turbine. Dio energije koju prima turbina troši se na okretanje kompresora, a ostatak se koristi, primjerice, za okretanje propelera zrakoplova ili rotora električnog generatora.

Za zaštitu lopatica turbine od destruktivnog učinka vrućeg i brzog mlaza plina u komoru za izgaranje

Riža. 39. Komora za izgaranje

Kompresor pumpa znatno više zraka nego što je potrebno za potpuno izgaranje goriva. Zrak koji ulazi u komoru za izgaranje iza zone izgaranja goriva (slika 38) smanjuje temperaturu mlaza plina usmjerenog na lopatice turbine. Pad temperature plina u turbini dovodi do smanjenja učinkovitosti, pa znanstvenici i dizajneri traže načine za povećanje gornje granice radne temperature u plinskoj turbini. U nekim modernim zrakoplovnim plinskoturbinskim motorima temperatura plina ispred turbine doseže 1330 °C.

Ispušni zrak zajedno s produktima izgaranja pri tlaku bliskom atmosferskom i temperaturi većoj od 500 °C pri brzini većoj od 500 m/s obično se ispušta u atmosferu ili se, radi povećanja učinkovitosti, šalje u izmjenjivač topline , gdje predaje dio topline za zagrijavanje zraka koji ulazi u komoru za izgaranje .

Radni ciklus plinskoturbinskog agregata dijagramski je prikazan na slici 40. Proces kompresije zraka u kompresoru odgovara adijabati AB, procesu zagrijavanja i ekspanzije u komori za izgaranje - izobari BC. Adijabatski proces širenja vrućeg plina u turbini prikazan je presjekom CD, proces hlađenja i smanjenja volumena radnog fluida prikazan je izobarom DA.

Učinkovitost jedinica plinske turbine doseže 25-30%. Plinskoturbinski strojevi nemaju glomazne parne kotlove, poput parnih strojeva i parnih turbina, te nemaju klipove i mehanizme koji pretvaraju povratno gibanje u rotacijsko, poput parnih strojeva i motora s unutarnjim izgaranjem. Dakle, plinski turbinski motor zauzima tri puta manje prostora od dizel motora iste snage, a njegova specifična masa (omjer mase i snage) je 6 do 9 puta manja od klipnog motora s unutarnjim izgaranjem zrakoplova. Kompaktnost i brzina, u kombinaciji s velikom snagom po jedinici težine, odredili su prvo praktično važno područje primjene plinskoturbinskih motora - zrakoplovstvo.

Zrakoplovi s propelerom postavljenim na osovinu plinskoturbinskog motora pojavili su se 1944. Tako poznati zrakoplovi kao što su AN-24, TU-114, IL-18, AN-22 - "Antey" imaju turboprop motore.

Maksimalna težina "Anteja" pri polijetanju je 250 tona, nosivost 80 tona, odnosno 720 putnika,

Riža. 40. Dijagram pogonskog ciklusa plinskoturbinskog postrojenja

brzina 740 km/h, snaga svakog od četiri motora kW.

Plinskoturbinski motori počinju zamjenjivati parnoturbinske strojeve u plovnom prometu, posebice na vojnim brodovima. Prijelaz s dizelskih motora na plinske turbinske motore omogućio je povećanje nosivosti hidroglisera za četiri puta, s 50 na 200 tona.

Plinski turbinski motori snage 220-440 kW ugrađuju se na teška vozila. BelAZ-549V od 120 tona s plinskoturbinskim motorom testira se u rudarskoj industriji.

OPĆE INFORMACIJE O RADU GTU

Opća struktura i princip rada plinskoturbinske jedinice

Plinskoturbinski motor je motor u kojem se kao radni medij koristi nekondenzirajući plin (zrak i produkti izgaranja ili neutralni plinovi), a kao vučni motor plinska turbina.

Pojam turbina dolazi od latinskih riječi turbineus - u obliku vrtloga, odn turbo - vrh. Turbina je motor u kojem se mehanički rad na osovini stroja dobiva pretvorbom kinetičke energije mlaza plina, koja se pak dobiva kao rezultat pretvorbe potencijalne energije - energije izgorjelog goriva u struji zraka. Suvremene ideje o pretvorbi topline u rad temelje se na dva najvažnija načela termodinamike: nemogućnosti stvaranja perpetuum mobile prve vrste (posljedica prvog zakona termodinamike) i nemogućnosti stvaranja perpetuum mobile prve vrste. druge vrste, u kojoj bi se toplina potpuno pretvorila u rad (posljedica drugog zakona termodinamike).

Neizostavan uvjet za stvaranje bilo kojeg toplinskog stroja je prisutnost materijalne okoline - radnog fluida i najmanje dva izvora topline - izvor visoke temperature (grijač), od kojeg primamo toplinu da bismo dio pretvorili u rad, i izvor niske temperature, kojemu predajemo dio neiskorištene topline motora.

Prema tome, svaki toplinski stroj mora se sastojati od grijača, ekspanzijskog stroja, hladnjaka i kompresorskog stroja. Štoviše, ako želimo kontinuirano pretvarati toplinu u rad, tada moramo neprekidno, uz ekspanziju, kontinuirano sabijati radni fluid, i to pod takvim uvjetima da rad kompresije bude manji od rada širenja, tj. radni fluid mora izvoditi kružni proces. Dobiveni rad u toplinskom stroju definiran je kao razlika između rada širenja i kompresije radnog fluida, a s druge strane (prema zakonu održanja energije), kao razlika u apsolutnim količinama dovedene topline i uklonjeno.

Glavna termodinamička značajka razlike između klipnih i turbinskih motora s unutarnjim izgaranjem jesu osobitosti provedbe kružnih procesa: u klipnim motorima glavni procesi ciklusa (kompresija, opskrba toplinom, ekspanzija) sukcesivno zamjenjuju jedni druge u istom zatvorenom prostoru. (sustav cilindra i klipa), au turbinskim motorima isti se procesi kontinuirano provode u neovisnim elementima motora, sekvencijalno smještenim u općem toku radnog fluida (na primjer, kompresor - komora za izgaranje - turbina u najjednostavnijem plinu turbinski motor).

Shematski dijagram najjednostavnije jedinice plinske turbine prikazan je na sl. 1.1.

Slika 1.1 Shematski dijagram najjednostavnije jedinice plinske turbine.

1 – aksijalni kompresor; 2 – komora za izgaranje; 3 – turbina;

Princip rada instalacije je sljedeći.

Kompresor 1 usisava zrak iz atmosfere, komprimira ga na određeni tlak i dovodi u komoru za izgaranje 2. Ovdje se također kontinuirano dovodi tekuće ili plinovito gorivo. Vrući plinovi nastali u komori za izgaranje kao rezultat izgaranja goriva ulaze u turbinu 3. U turbini se plin širi i njegova unutarnja energija se pretvara u mehanički rad. Ispušni plinovi izlaze iz turbine u atmosferu.

Razmotrimo ciklus takve plinske turbine u T-S dijagramu (sl. 1.2).

Atmosferski zrak ( P=P a , T=T a) teče kroz ulazni uređaj do kompresora (izoterma 0-1); njegov tlak i temperatura postaju jednaki P 1 I T 1 .

Zatim kompresor komprimira zrak do određenog tlaka P2 njegova temperatura raste do T 2(adijabatski 1-2). Naziva se omjer tlaka zraka na izlazu iz kompresora i tlaka na njegovom ulazu omjer kompresije kompresora(1.1).

, (1.1)

Gdje π do– stupanj povećanja tlaka u kompresoru; R 2– tlak zraka iza kompresora; P 1– tlak ispred kompresora.

U komori za izgaranje (izobara 2-3) temperatura radnog fluida raste do T 3 pri konstantnom tlaku ( P2 = P 3).

Tada se u turbini smjesa zraka i plina ekspandira (adijabat 3-4), njezin tlak opada na P 4, a temperatura je do T 4. Omjer tlaka plina na ulazu u turbinu i tlaka plina na njezinu izlazu naziva se omjer ekspanzije turbine (1.2).

Gdje π t– stupanj ekspanzije u turbini; R 3– tlak zraka ispred turbine; R 4– tlak iza turbine.

Nakon ekspanzije u turbini, ispušni plinovi se ispuštaju u atmosferu (izoterma 4-5).

Gore razmotreni ciklus je reverzibilan, jer ne uzima u obzir nikakve gubitke u procesima kompresije, ekspanzije, opskrbe toplinom itd. U stvarnim uvjetima procesi u svim jedinicama postrojenja razlikuju se od reverzibilnih, stoga određivanje učinka plinskoturbinskih postrojenja na temelju reverzibilnih referentnih ciklusa nije od praktičnog interesa i može se opravdati samo usporednom analizom ciklusa različitih instalacije. Stoga u praksi rade s punim parametrima (parametrima usporenog toka).

Puna temperatura:

, (1.3)

Gdje T*– ukupna temperatura; T– statička temperatura; S- apsolutna brzina protoka; sa str– specifični toplinski kapacitet pri stalnom tlaku.

Ukupni pritisak

, (1.4)

Gdje R*– ukupni tlak; R– statički tlak; T*– ukupna temperatura; T – statička temperatura; k– adijabatski indeks.

S parametrima kočenja protoka dobivamo dijagram realnog ciklusa plinske turbine (slika 1.3).

Slično (1.1) i (1.2) za realni ciklus:

Pritisci u drugim čvorovima izračunavaju se kao:

, (1.6)

Gdje P* van– tlak na izlazu iz jedinice; P*in je tlak na ulazu u čvor, σ je koeficijent gubitka za ovaj čvor.

Vrijednosti koeficijenata gubitaka za različite jedinice plinske turbine dane su u tablici 1.1.

Tablica 1.1

Vrijednosti koeficijenata gubitaka za različite jedinice plinske turbine

GTU klasifikacija

Postoje sljedeće klasifikacije jedinica plinske turbine:

· Po području primjene:

Ö Zrakoplovni plinskoturbinski motori.

turbomlazni;

turboprop;

plinskoturbinski motori s 2 kruga;

turboventilator;

plinskoturbinski motori helikoptera;

pomoćne instalacije.

Ö Stacionarne plinske turbine za proizvodnju električne energije.

Ö Pogonske plinske turbine (za pogon kompresora prirodnog plina).

Ö Transportne plinskoturbinske jedinice .

brod;

lokomotiva;

automobil;

tenk.

Ö Svemirske plinske turbine (izvor goriva za njih su nuklearni reaktori).

Ö Tehnološke plinske turbine (stacionarne plinske turbine uključene u ciklus proizvodnog procesa, npr. za pogon puhala u visokim pećima i rafinerijama nafte).

Ö Plinske turbine u sastavu kombiniranih postrojenja (agregati para-plin, plin-para, plin-dizel).

· Prema vrsti ciklusa:

Ö Otvorena petlja (Slika 1.1).

Ö Zatvorena petlja (Slika 1.4).

Plin koji se ispušta u turbini 3 nakon regeneratora 6 ne uklanja se u atmosferu, kao u otvorenoj plinskoj turbini, već se šalje u hladnjak 5. Tamo se hladi do temperature T 3, dok se njegov tlak smanjuje na P2. Hladnjak je površinski izmjenjivač topline u kojem kao rashladni medij služi obična voda. Sa stajališta termodinamike, hladnjak 5 djeluje kao hladnjak (izvor hladnoće). Ohlađeni plin ulazi u kompresor 4, odakle se komprimira P2 prije P 1, zbog čega mu raste temperatura od T 3 prije T 4. Nakon kompresora, plin se šalje u regenerator 6, u kojem se zagrijava plinovima koji izlaze iz turbine 3. U zatvorenim plinskim turbinama, umjesto komore za izgaranje, ugrađen je grijač 1, u kojem se radna tekućina (plin ili zrak) nalazi u regeneratoru 6. prolazi unutar cijevi. Izvana se te cijevi zagrijavaju toplinom koja se oslobađa izgaranjem goriva u ložištu, koje je po principu rada slično ložištu parnih kotlova. Stoga se plinski turbinski grijač ponekad naziva "zračni kotao". U grijaču 1 temperatura radnog plina naglo raste do T 1, zatim plin ulazi u turbinu 3, gdje se širi, vršeći rad. Temperatura pada na T 2. Turbina okreće kompresor 4, a višak svoje snage predaje potrošaču 2. Zatim se ispušni plin, koji ima dovoljno visoku temperaturu, šalje u regenerator, gdje predaje dio svoje topline za zagrijavanje plina koji kreće iz kompresor 4 na grijač 1.

Zatim se ciklus ponovno ponavlja.

U zatvorenoj plinskoturbinskoj jedinici cirkulira ista masena količina radnog fluida, s izuzetkom neznatnog istjecanja plina iz kruga kroz različita propuštanja, koja se automatski nadopunjuje iz posebnog uređaja (nije prikazan na slici). Snaga instalacije se regulira promjenom tlaka plina u njenom krugu promjenom masenog protoka radnog plina uz održavanje stupnja povećanja tlaka praktički nepromijenjenim str, i T 1 I T 3(maksimalne i minimalne temperature ciklusa) pomoću posebnog centrifugalnog regulatora (nije prikazan na slici).

Zatvorene plinske turbine imaju sljedeće prednosti u odnosu na otvorene:

zbog odsutnosti tvari u cirkulirajućem plinu koje uzrokuju koroziju i eroziju aparata lopatica, pouzdanost i trajnost turbine značajno se povećava;

zatvorene plinske turbine mogu raditi na bilo koju vrstu goriva, uključujući kruta i teška tekuća goriva (loživo ulje);

zatvorene plinske turbine mogu raditi na nuklearnu energiju;

povećanjem početnog tlaka plina ispred kompresora moguće je u širokom rasponu povećati njegov težinski protok u plinskoturbinskom agregatu, a time je moguće ili povećati jediničnu snagu instalacije za odgovarajući broj puta , ili, uz konstantnu snagu, značajno smanjiti njegovu težinu smanjenjem površine izmjenjivača topline, dimenzija jedinice plinske turbine i promjera cjevovoda;

u zatvorenim plinskoturbinskim postrojenjima snaga se regulira promjenom tlaka plina u krugu pa je učinkovitost instalacije pod različitim uvjetima opterećenja iu širokom rasponu radnih parametara ostaju nepromijenjene;

bilo koje plinovite tvari mogu se koristiti kao radna tekućina, bilo da imaju bolja termofizička svojstva, ili čine instalacijski ciklus savršenijim i povoljnijim s termodinamičkog gledišta, ili imaju neke druge prednosti.

Ö Poluzatvoreni ciklus.

Ovim ciklusom dio produkata izgaranja odvodi se iza turbine i šalje u međustupanj kompresora.

· Po broju osovina:

Ö Jednoosovinske plinske turbine (Slika 1.1).

Prednosti jednoosovinskih jedinica su konstrukcijska jednostavnost, minimalan broj turbostrojeva i ležajeva. Još jedna važna prednost ovih plinskih turbinskih postrojenja je da tijekom regenerativnog ciklusa održavaju konstantnu učinkovitost plinske turbine kada se opterećenje smanji na 70% i niže.

Takve plinske turbine također nemaju manje značajne nedostatke. Čvrsta veza između aksijalnog kompresora i pogonskog superpunjača značajno ograničava mogućnosti upravljanja jedinicom. Snaga u ovoj vrsti instalacije regulirana je samo promjenama potrošnje goriva. Ako se opterećenje smanji, potrošnja goriva se smanjuje, ali potrošnja zraka ostaje konstantna, jer su kompresor, plinska turbina i opterećenje kruto povezani jednom osovinom. Smanjenje potrošnje goriva tako dovodi do smanjenja temperature iza komore za izgaranje, što smanjuje učinkovitost. GTU.

Ö Dvostruke plinske turbine .

U takvim instalacijama odvajaju se plinogeneratorski dio (kompresor i turbina koja ga pokreće) i slobodni energetski turbinski agregat.

Riža. 1.8. Shematski dijagram plinskoturbinske jedinice s dvije osovine.

1-kompresor; 2-turbina visokog pritiska; 3-niskotlačna turbina (snaga); 4-opterećenje (superpunjač); 5-komora za izgaranje.

U takvoj instalaciji turbina je podijeljena na 2 dijela (slika 1.8).

Jedan dio, obično visokog tlaka 2, pokreće kompresor 1 i može raditi promjenjivom brzinom. Drugi dio, energetska turbina 3, radi strogo konstantnom brzinom ako je namijenjen za pogon električnog generatora, i može imati gotovo bilo koju brzinu vrtnje ako je namijenjen za pogon superpunjača. Regulacija u jedinici plinske turbine ovog tipa provodi se ne samo promjenom protoka goriva, već i promjenom protoka zraka koji dovodi kompresor 1.

Ova metoda omogućuje značajno manje ili nikakvo smanjenje temperature radne tekućine iza komore za izgaranje pri djelomičnom opterećenju i time održava učinkovitost. ciklus na višoj razini.

Ö Troosovinske plinske turbine .

Riža. 1.9. Shematski dijagram plinskoturbinske jedinice s tri osovine.

1-kompresor niskog pritiska; 2-kompresor visokog pritiska; 3-komora za izgaranje; 4- turbina visokog pritiska; 5-turbina niskog pritiska;

6-slobodna turbina; 7-punjač.

Kod visokih kompresijskih omjera postoji razlika u protoku zraka na početku i na kraju putanje protoka kompresora, što može dovesti do prenapona. Kako bi se uklonio ovaj fenomen, kompresor je podijeljen na 2 ili više dijelova koji se nazivaju kaskade. Svaka kaskada ima svoju brzinu rotacije, zbog čega je protok zraka kroz njih izjednačen. Svaku kaskadu pokreće posebna turbina.

U svakom slučaju, svaka osovina mora imati najmanje dvije ležajne jedinice: jednu - oslonac, drugu - potisni ležaj. Zamijenjeni su kotrljajući i klizni ležajevi.

· Prema složenosti termodinamičkog ciklusa:

Ö Najjednostavniji termodinamički ciklus.

Riža. 1.10. T-S dijagram najjednostavnijeg termodinamičkog ciklusa.

Ovaj ciklus se koristi u 90% svih plinskih turbina koje se koriste u svijetu.

Ö Ciklus s hlađenjem tijekom kompresije.

Slika 1.11. Dijagram dvostupanjskog kompresora

sa međuhladnjakom.

1 – kompresor niskog pritiska; 2 – kompresor visokog pritiska;

3 – hladnjak.

Rad utrošen na kompresiju, pod istim uvjetima, bit će najmanji ako se proces odvija izotermno, ali za to je potrebno stalno odvoditi toplinu iz radnog fluida, što je strukturno praktički nemoguće postići.

Kako bi se proces približio izotermnom i smanjio potreban rad, u međuhladnjacima se postupna kompresija zamjenjuje hlađenjem zrakom nakon svake faze.

U praksi se ovaj princip provodi pomoću stupnjevitog kompresora i hladnjaka (slika 1.11). Očito, što je više takvih stupnjeva s hladnjacima, to će proces kompresije postati bliži izotermnom. T-S dijagram takvog ciklusa prikazan je na sl. 1.12.

Ö Zagrijani ciklus tijekom procesa ekspanzije.

Povećanje učinkovitosti, smanjenje specifične potrošnje zraka i plina i, posljedično, povećanje snage jedinice također se može postići korištenjem postupnog širenja s međudovodom topline u komorama za izgaranje smještenim sekvencijalno duž protoka plina između turbina. U tom se slučaju proces ekspanzije približava izotermnom, a to dovodi do povećanja raspoloživog rada turbine. Dijagram plinskoturbinske jedinice s dvostupanjskom ekspanzijom i srednjim zagrijavanjem radnog plina prikazan je na sl. 1.13.

Slika 1.13. Shema plinske turbine s međugrijanjem plina.

1 – komora za izgaranje; 2 – turbina visokog pritiska; 3 – komora za izgaranje plinskog međuzagrijavanja; 4 – energetska turbina.

Zrak iz kompresora, prošavši kroz regenerator, ulazi u CS 1, nakon čega radni plin temperature T*3šalje se u dvoranu 2. Ovdje dolazi do djelomičnog širenja plina. Nakon HPT-a, radni plin se ispušta u KSPPG 3, u kojem se zbog dodatnog izgaranja goriva njegova temperatura podiže na T*31. Zbog velikog koeficijenta viška zraka nakon visokotlačnog motora s izgaranjem, izgaranje goriva u visokotlačnom motoru s izgaranjem odvija se intenzivno bez dodatnog dovoda zraka. Iz CSPPG-a radni plin ulazi u ST 4, nakon čega se ispušta u atmosferu.

Ciklus plinske turbine s međugrijanjem prikazan je na sl. 1.14.

Ovdje su prikazani sljedeći procesi: 3-41 – ekspanzija radnog plina u kazalištu; 41-31 – dovod topline u CVSG; 31-4 – ekspanzija radnog plina u ST.

Ö Postrojenja s kombiniranim ciklusom (CCGT).

Želja za poboljšanjem tehničke i ekonomske učinkovitosti elektrana racionalnim kombiniranjem značajki ciklusa parne i plinske turbine dovela je do stvaranja plinskih postrojenja s kombiniranim ciklusom (CCGT). Pojednostavljeni dijagram strujnog kruga CCGT jedinice prikazan je na sl. 1.15.

Riža. 1.15. Shematski dijagram PTU:

1 – kompresor; 2 – generator pare; 3 – plinska turbina; 4 – parna turbina;

5 – teret; 6 – kondenzator; 7 – pumpa; 8 – sustav izmjenjivača topline

Instalacija radi na sljedeći način.

Atmosferski zrak se uklanja u kompresoru 1 i šalje u generator pare (parni kotao) 2. Gorivo se odmah dovodi. Na izlazu iz generatora pare temperatura produkata izgaranja se smanjuje zbog prijenosa topline na zagrijavanje vode i proizvodnju pare.

Rezultirajuća pregrijana para pod tlakom ulazi u parnu turbinu 4, gdje se širi do dubokog vakuuma, obavlja rad, a zatim kondenzira u kondenzatoru 6. Kondenzat (napojna voda) se pumpom 7 dovodi u sustav izmjenjivača topline 6, gdje se zagrijava na temperaturu vrenja, a zatim u generator pare 2, čime se ciklus pare zatvara.

Plinskoturbinski dio postrojenja radi na principu otvorene plinskoturbinske jedinice. Produkti izgaranja ulaze u plinsku turbinu 3 i tamo se šire. Nakon rada u turbini prolaze kroz sustav izmjenjivača topline 8, gdje se hlade napojnom vodom, a zatim uklanjaju u atmosferu.

Ciklus kombiniranog parno-plinskog postrojenja (slika 1.16) konstruiran je za 1 kg vodene pare i odgovarajuću količinu plina na 1 kg vode.

U ciklus plinskoturbinske instalacije dovodi se toplina jednaka površini a-5-1-g i dobiva se koristan rad L CG, jednako površini 1-2-3-4-5. U ciklusu parnog postrojenja, kada se provodi zasebno, količina dovedene topline jednaka je površini u -8-9-10-11-6, a korisni rad L CPU-a jednak je površini 6-7- 8-9-10-11. Toplina plinova ispuštenih u turbini, jednaka površini a-4-2-g, oslobađa se u atmosferu kada se oba ciklusa provode odvojeno. U parno-plinskom ciklusu toplina koja se oslobađa tijekom hlađenja plinova duž linije 2-3 i jednaka površini b-Z-2-g ne ispušta se u atmosferu, već se koristi za zagrijavanje napojne vode duž linije 8-9 u sustav izmjenjivača topline 8.

Toplina potrošena na stvaranje pare u kotlu smanjuje se za iznos jednak osjenčanom području u-8-9-d, a učinkovitost kombiniranog ciklusa se povećava, budući da ukupni korisni rad oba ciklusa L CG + L CPU je isto kada se provode zajedno i odvojeno.

PTU-ovi imaju prilično visoku učinkovitost. otprilike 42%. Ovo je objašnjeno na sljedeći način. Razmatrani parno-plinski ciklus, sa stajališta termodinamike, je binarni ciklus koji se sastoji od plinskog i parnog stupnja. Plinski stupanj koristi višu temperaturu radnog fluida nego u modernim plinskim postrojenjima kombiniranog ciklusa, tj. prosječna temperatura dovođenja topline u parno-plinskom ciklusu je viša nego u parnom ciklusu. U isto vrijeme, parni stupanj omogućuje vam da iskoristite prednosti parnog ciklusa, u kojem je razina temperature odvođenja topline u hladnjak blizu temperature okoline, au ciklusu plinske turbine mnogo je viša čak i nakon što regenerator. Stoga E.P.D. postrojenje s kombiniranim ciklusom bit će veće od učinkovitosti. GTU i PTU odvojeno.

Ö GTU s klipnim komorama za izgaranje.

Elektrane u kojima plinska turbina radi zajedno s plinskim generatorom sa slobodnim klipom (LPG) sve su rašireniji. Ove instalacije uspješno kombiniraju pozitivne osobine turbine (manja težina i dimenzije, mogućnost rada pri velikim brzinama itd.) s relativno visokom učinkovitošću motora s unutarnjim izgaranjem.

Shematski dijagram plinske turbine s SLNG-om prikazan je na sl. 1.17.

Ulogu kompresora, a ujedno i komore za izgaranje, ima LPGG, koji po principu rada nalikuje dvotaktnom visokotlačnom dizelskom motoru sa suprotno pomičnim klipovima. Klipovi 10 kompresora, kada se kreću jedan prema drugom, komprimiraju zrak i istiskuju ga iz šupljina 2 kroz ventile 4 u prijemnik za pročišćavanje 11, odatle, kroz prozor za pročišćavanje 6, zrak ulazi u "dizel" cilindar 9, prvo da ga očistite, a zatim da ga napunite svježim punjenjem. Kada se klipovi 5 približe i zauzmu gotovo krajnji položaj jedan u odnosu na drugi, gorivo se ubrizgava u cilindar 9 kroz injektor 7. Isto kao kod dizela

Riža. 1.17. GTU s klipnom komorom za izgaranje:

1-tamponska šupljina; 2-kompresorske šupljine; 3-ulazni ventili; 4 premosna ventila; 5-klip; 6-puhati prozori; 7-mlaznica; 8-izlazni prozori; 9-cilindarski ("dizel"); 10-klipni kompresori; 11-prijemnik za čišćenje; 12-prijamnik za izjednačavanje; 13-turbina; 14-opterećenje.

samozapaljuje se pod pritiskom. Zbog širenja plinova u cilindru 9 tijekom izgaranja goriva, klipovi 5 počinju se razilaziti u suprotnim smjerovima. U ovom slučaju, klipovi 10, kruto povezani s klipovima 5, komprimira zrak u međuspremničkim šupljinama 1. Istodobno, kroz ventile 3, atmosferski zrak se usisava u šupljine kompresora 2. Dalje, čim se klip 5 otvara izlazne prozore 8, plinovi iz dizelskog cilindra ispuštaju se u izjednačujući prijemnik 12, a iz njega se smjesa plinova s pročišćenim zrakom šalje u turbinu 13. Snaga koju razvija turbina gotovo se u potpunosti predaje potrošač 14. Za ponovno pomicanje klipova jedan prema drugom koristi se energija komprimiranog zraka koji se nalazi u međuspremničkim šupljinama 1. Zatim se ciklus ponavlja.

Učinkovitost GTU s LNG-om je 30...35%, a ponekad i više od 40%. Njihova visoka učinkovitost objašnjava se velikom temperaturnom razlikom s kojom se odvija radni proces. Najviša temperatura je temperatura izgaranja goriva u cilindru "dizel" (oko 1800 ° C), a najniža je temperatura plinova koji se oslobađaju iz turbine (200 ... 300 ° C).

Plinske turbine sa SGNG koriste se na nekim brodovima, lokomotivama i stacionarnim objektima za razne namjene.

Glavni nedostatak plinskoturbinskih jedinica s SLNG-om je određena složenost i nesavršenost samog SLNG-a. Time se značajno smanjuje pouzdanost i trajnost njihova rada, te u konačnici ograničava tempo i opseg njihove implementacije.

Povezane informacije.