Turbiny parowe i gazowe: przeznaczenie, zasada działania, konstrukcje, właściwości techniczne, cechy eksploatacyjne. Rodzaje turbin gazowych Jak działa turbina gazowa

Turbina gazowa, jako silnik cieplny, łączy w sobie charakterystyczne cechy turbiny parowej i silnika spalinowego, w którym energia paliwa podczas jego spalania zamieniana jest bezpośrednio na pracę mechaniczną. Czynnikiem roboczym turbin gazowych pracujących w obiegu otwartym są produkty spalania paliwa, natomiast cieczą roboczą turbin gazowych pracujących w obiegu zamkniętym jest czyste powietrze lub gaz stale krążący w układzie. Na statkach stosuje się turbiny gazowe (GTU) pracujące w cyklu otwartym, ze spalaniem paliwa pod stałym ciśnieniem (p = const) oraz GTU, pracujące w obiegu zamkniętym.

Obecnie okrętowe turbiny gazowe dzielą się na dwa typy: 1) turbosprężarkowe i 2) z generatorami gazu ze swobodnym tłokiem (LPGG).

Schemat najprostszej instalacji turbiny gazowej turbosprężarki pracującej przy stałym ciśnieniu spalania paliwa przedstawiono na rys. 101. Sprężarka 9 zasysa czyste powietrze atmosferyczne, spręża je do wysokiego ciśnienia i tłoczy kanałem powietrznym3 do komory spalania 2, gdzie jednocześnie przez dyszę1 dostarczane jest paliwo. Paliwo po zmieszaniu z powietrzem tworzy mieszaninę roboczą, która pali sięR = stała Powstałe produkty spalania są schładzane powietrzem i kierowane na drogę przepływu turbiny. W nieruchomych łopatkach 4 produkty spalania rozprężają się i z dużą prędkością dostają się do łopatek roboczych 5, gdzie energia kinetyczna przepływu gazu zamieniana jest na pracę mechaniczną obrotu wału. Rurą 6 gazy spalinowe opuszczają turbinę. Turbina gazowa obraca sprężarkę 9 i poprzez skrzynię biegów7 śmigło 8. Do uruchomienia instalacji stosuje się silnik rozruchowy 10, który rozkręca sprężarkę do minimalnej prędkości obrotowej.

Na tym samym rysunku przedstawiono teoretyczny cykl rozpatrywanego zespołu turbiny gazowej we współrzędnych p - ? IS - T: AB - proces sprężania powietrza w sprężarce; BC – spalanie paliwa pod stałym ciśnieniem w komorze spalania; SD - rozprężanie gazu w turbinie, TAK - usuwanie ciepła ze spalin.

Aby zwiększyć efektywność pracy turbiny gazowej, stosuje się regeneracyjne ogrzewanie powietrza wchodzącego do komory spalania lub etapowe spalanie paliwa w kilku kolejnych komorach spalania obsługujących poszczególne turbiny. Ze względu na złożoność konstrukcji rzadko stosuje się spalanie etapowe. W celu zwiększenia efektywności efektywnej instalacji, wraz z regeneracją, zastosowano dwustopniowe sprężanie powietrza, a pomiędzy sprężarkami zastosowano chłodnicę powietrza doładowującego, co zmniejsza wymaganą moc sprężarki wysokociśnieniowej.

Na ryc. 102 przedstawia schemat najprostszej instalacji turbiny gazowej ze spalaniem paliwa przy tempR = stała i odzysk ciepła. Powietrze sprężone w kompresorze1 , przechodzi przez regenerator 2 do komory spalania3 , gdzie jest podgrzewany ciepłem gazów spalinowych opuszczających turbinę 4 o stosunkowo wysokiej temperaturze. Rzeczywisty cykl tej instalacji pokazano na schemacie S-T (ryc. 103): proces sprężania powietrza w sprężarce1 - 2 ; nagrzewanie powietrza w regeneratorze, któremu towarzyszy spadek ciśnienia odR 2 zanimR 4 2 - 3; dostarczanie ciepła podczas spalania paliwa 3 - 4; rzeczywisty proces rozprężania gazu w turbinach4-5 ; ochłodzenie gazów w regeneratorze, któremu towarzyszy spadek ciśnienia p 5 -R 1 5-6; uwalnianie gazów - usuwanie ciepła6-1 . Ilość ciepła odbieranego przez powietrze w regeneratorze jest reprezentowana przez powierzchnię 2"-2-3-3", a ilość ciepła oddawanego przez gazy spalinowe w regeneratorze jest reprezentowana przez powierzchnię ​6"-6-5-5". Obszary te są sobie równe.

W turbinie gazowej o obiegu zamkniętym zużyty płyn roboczy nie przedostaje się do atmosfery, ale po wstępnym schłodzeniu jest ponownie przesyłany do sprężarki. W rezultacie w obiegu krąży płyn roboczy niezanieczyszczony produktami spalania. Poprawia to warunki pracy części przepływowych turbiny, co skutkuje zwiększeniem niezawodności instalacji i wydłużeniem jej żywotności. Produkty spalania nie mieszają się z cieczą roboczą, dlatego do spalania nadaje się każdy rodzaj paliwa.

Na ryc. Rysunek 104 przedstawia schemat ideowy morskiej turbiny gazowej pracującej we wszystkich trybach pracy w cyklu zamkniętym. Powietrze po wstępnym schłodzeniu w chłodnicy 4 trafia do sprężarki5 napędzany turbiną wysokociśnieniową7 . Powietrze ze sprężarki kierowane jest do regeneratora3 , a następnie do nagrzewnicy powietrza 6, która pełni tę samą rolę, co komora spalania w instalacjach typu otwartego. Z nagrzewnicy powietrza do turbiny wysokiego ciśnienia dostaje się powietrze robocze o temperaturze 700°C7 który obraca sprężarkę, a następnie do turbiny niskiego ciśnienia2 , który przez skrzynię biegów1 napędza śmigło o regulowanym skoku. Rozruchowy silnik elektryczny 8 przeznaczony jest do uruchomienia instalacji. Wady turbin gazowych o obiegu zamkniętym obejmują dużą objętość wymienników ciepła.

Szczególnie interesujące są bloki turbin gazowych o obiegu zamkniętym z reaktorem jądrowym. W instalacjach tych jako płyn roboczy turbin gazowych (chłodziwo) wykorzystuje się hel, azot i dwutlenek węgla. Gazy te nie są aktywowane w reaktorze jądrowym. Gaz ogrzany w reaktorze do wysokiej temperatury kierowany jest bezpośrednio do pracy w turbinie gazowej.

Głównymi zaletami turbin gazowych w porównaniu do turbin parowych są: niska waga i wymiary, ponieważ nie ma kotłowni i agregatu skraplającego z pomocniczymi mechanizmami i urządzeniami; szybki rozruch i uzyskanie pełnej mocy w ciągu 10-15 minut\ bardzo niskie zużycie wody chłodzącej; łatwość konserwacji.

Głównymi zaletami turbin gazowych w porównaniu z silnikami spalinowymi są: brak mechanizmu korbowego i związanych z nim sił bezwładności; niska waga i wymiary przy dużej mocy (turbiny gazowe są 2-2,5 razy lżejsze i 1,5-2 razy krótsze niż silniki Diesla); możliwość pracy na paliwie niskiej jakości; niższe koszty operacyjne. Wady turbin gazowych są następujące: krótka żywotność w wysokich temperaturach gazu (na przykład przy temperaturze gazu 1173° K żywotność wynosi 500-1000 godzin); niższa wydajność niż silniki Diesla; znaczny hałas podczas pracy.

Obecnie turbiny gazowe stosowane są jako główne silniki statków transportu morskiego. W niektórych przypadkach turbiny gazowe małej mocy służą do napędzania pomp, awaryjnych generatorów elektrycznych, pomocniczych sprężarek ładunku itp. Turbiny gazowe cieszą się szczególnym zainteresowaniem jako główne silniki wodolotów i poduszkowców.

„Turbodoładowanie”, „turboodrzutowiec”, „turbośmigłowy” – te określenia na stałe weszły do ​​słownika XX-wiecznych inżynierów zajmujących się projektowaniem i konserwacją pojazdów oraz stacjonarnych instalacji elektrycznych. Są nawet używane w pokrewnych dziedzinach i reklamie, gdy chcą nadać nazwie produktu nutę szczególnej mocy i wydajności. Turbina gazowa jest najczęściej stosowana w lotnictwie, rakietach, statkach i elektrowniach. Jak to jest zorganizowane? Czy działa na gazie ziemnym (jak można sądzić po nazwie) i jakie to rodzaje gazu? Czym turbina różni się od innych typów silników spalinowych? Jakie są jego zalety i wady? W artykule podjęto próbę możliwie najpełniejszej odpowiedzi na te pytania.

Rosyjski lider inżynierii UEC

Rosji, w przeciwieństwie do wielu innych niepodległych państw powstałych po rozpadzie ZSRR, udało się w dużej mierze zachować przemysł budowy maszyn. W szczególności firma Saturn zajmuje się produkcją elektrowni specjalnego przeznaczenia. Turbiny gazowe firmy znajdują zastosowanie w przemyśle stoczniowym, przemyśle surowcowym i energetyce. Produkty są zaawansowane technologicznie, wymagają specjalnego podejścia podczas instalacji, debugowania i obsługi, a także specjalnej wiedzy i drogiego sprzętu do rutynowej konserwacji. Wszystkie te usługi są dostępne dla klientów firmy „UEC – Gas Turbines”, jak się ją dzisiaj nazywa. Na świecie nie ma zbyt wielu takich przedsiębiorstw, chociaż zasada działania głównego produktu jest na pierwszy rzut oka prosta. Zgromadzone doświadczenie ma ogromne znaczenie, pozwala nam uwzględnić wiele subtelności technologicznych, bez których nie da się osiągnąć trwałej i niezawodnej pracy urządzenia. Oto tylko część asortymentu produktów UEC: turbiny gazowe, elektrownie, pompownie gazu. Wśród klientów są Rosatom, Gazprom i inne „wieloryby” przemysłu chemicznego i energetycznego.

Produkcja tak skomplikowanych maszyn wymaga w każdym przypadku indywidualnego podejścia. Obliczenia turbiny gazowej są obecnie w pełni zautomatyzowane, ale materiały i cechy schematów instalacji mają znaczenie w każdym indywidualnym przypadku.

A wszystko zaczęło się tak zwyczajnie...

Wyszukiwania i pary

Już w starożytności ludzkość przeprowadziła pierwsze eksperymenty z przekształcaniem energii translacyjnej przepływu na siłę obrotową za pomocą zwykłego koła wodnego. Wszystko jest niezwykle proste, ciecz przepływa z góry na dół, a w jej przepływie umieszczone są ostrza. Koło wyposażone w nie na całym obwodzie kręci się. Wiatrak działa w ten sam sposób. Potem nadeszła era pary i obrót koła przyspieszył. Nawiasem mówiąc, tak zwany „aeolipil”, wynaleziony przez starożytnego greckiego czaplę około 130 lat przed narodzinami Chrystusa, był silnikiem parowym działającym właśnie na tej zasadzie. W istocie była to pierwsza turbina gazowa znana nauce historycznej (w końcu para jest gazowym stanem skupienia wody). Dziś nadal panuje zwyczaj oddzielania tych dwóch pojęć. W tym czasie w Aleksandrii na wynalazek Herona zareagowano bez większego entuzjazmu, choć z ciekawością. Turbinowe urządzenia przemysłowe pojawiły się dopiero pod koniec XIX wieku, po stworzeniu przez Szweda Gustafa Lavala pierwszego na świecie aktywnego bloku energetycznego wyposażonego w dyszę. Inżynier Parsons pracował mniej więcej w tym samym kierunku, wyposażając swoją maszynę w kilka funkcjonalnie powiązanych etapów.

Narodziny turbin gazowych

Sto lat wcześniej na genialny pomysł wpadł niejaki John Barber. Dlaczego najpierw należy podgrzać parę, czy nie łatwiej bezpośrednio wykorzystać spaliny powstające podczas spalania paliwa i tym samym wyeliminować niepotrzebne pośrednictwo w procesie konwersji energii? Tak powstała pierwsza prawdziwa turbina gazowa. Patent z 1791 roku przedstawia podstawową koncepcję zastosowania w powozie bez konia, ale jego elementy są dziś stosowane w nowoczesnych silnikach rakietowych, czołgowych samolotach i samochodach. Proces budowy silników odrzutowych rozpoczął w 1930 roku Frank Whittle. Wpadł na pomysł wykorzystania turbiny do napędzania samolotu. Następnie był rozwijany w licznych projektach turbośmigłowych i turboodrzutowych.

Turbina gazowa Nikoli Tesli

Słynny naukowiec-wynalazca zawsze podchodził do badanych przez siebie zagadnień w sposób niestandardowy. Dla wszystkich wydawało się oczywiste, że koła z łopatkami lub łopatki „łapią” ruch ośrodka lepiej niż płaskie przedmioty. Tesla w swój charakterystyczny sposób udowodnił, że jeśli złożymy układ wirnika z dysków ułożonych sekwencyjnie na osi, to dzięki przepływowi gazu unoszącemu warstwy graniczne, będzie się on obracał nie gorzej, a w niektórych przypadkach nawet lepiej, niż śmigło wielołopatowe. Co prawda kierunek poruszającego się medium musi być styczny, co nie zawsze jest możliwe lub pożądane w nowoczesnych jednostkach, ale konstrukcja jest znacznie uproszczona - w ogóle nie wymaga ostrzy. Turbina gazowa według projektu Tesli jeszcze nie powstaje, ale być może pomysł dopiero czeka na swój czas.

Schemat

Teraz o podstawowej konstrukcji maszyny. Jest to połączenie układu obrotowego zamontowanego na osi (rotor) i części nieruchomej (stojan). Na wale umieszczona jest tarcza z łopatkami roboczymi, tworząc koncentryczną siatkę, które poddawane są działaniu gazu podawanego pod ciśnieniem przez specjalne dysze. Rozprężony gaz wchodzi następnie do wirnika, który jest również wyposażony w łopatki zwane robotnikami. Do wlotu mieszanki paliwowo-powietrznej i wylotu (wylotu) służą specjalne rury. W ogólny schemat zaangażowana jest również sprężarka. Można go wykonać według różnych zasad, w zależności od wymaganego ciśnienia roboczego. Aby go uruchomić, część energii jest pobierana z osi i wykorzystywana do sprężania powietrza. Turbina gazowa działa poprzez proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, któremu towarzyszy znaczny wzrost objętości. Wał się obraca, jego energię można wykorzystać w pożyteczny sposób. Taki obwód nazywa się jednoprzewodowym, ale jeśli się powtórzy, uważa się go za wielostopniowy.

Zalety turbin lotniczych

Około połowy lat pięćdziesiątych pojawiła się nowa generacja samolotów, w tym samoloty pasażerskie (w ZSRR były to Ił-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 itp.), w konstrukcjach, w których samolotowe silniki tłokowe zostały ostatecznie i nieodwołalnie zastąpione silnikami turbinowymi. Wskazuje to na większą sprawność tego typu elektrowni. Charakterystyka turbiny gazowej przewyższa właściwości silników gaźnikowych pod wieloma względami, w szczególności pod względem stosunku mocy do masy, który ma ogromne znaczenie w lotnictwie, a także pod równie ważnymi wskaźnikami niezawodności. Niższe zużycie paliwa, mniej ruchomych części, lepsze parametry środowiskowe, mniejszy hałas i wibracje. Turbiny mają mniejszy wpływ na jakość paliwa (czego nie można powiedzieć o układach paliwowych), są łatwiejsze w utrzymaniu i nie wymagają tak dużej ilości oleju smarowego. Generalnie na pierwszy rzut oka wydaje się, że nie są wykonane z metalu, a z solidnych zalet. Niestety, nie jest to prawdą.

Silniki turbinowe mają również wady.

Turbina gazowa nagrzewa się podczas pracy i przekazuje ciepło otaczającym elementom konstrukcyjnym. Jest to szczególnie istotne w lotnictwie, gdzie stosuje się zmodyfikowany schemat układu obejmujący mycie dolnej części jednostki ogonowej strumieniem odrzutowym. A sama obudowa silnika wymaga specjalnej izolacji termicznej i zastosowania specjalnych materiałów ogniotrwałych, które są w stanie wytrzymać wysokie temperatury.

Chłodzenie turbin gazowych stanowi złożone wyzwanie techniczne. To nie żart, działają one w trybie praktycznie permanentnej eksplozji zachodzącej w organizmie. Sprawność w niektórych trybach jest niższa niż w silnikach gaźnikowych, jednak przy zastosowaniu obwodu dwuobwodowego ta wada zostaje wyeliminowana, chociaż konstrukcja staje się bardziej skomplikowana, jak ma to miejsce w przypadku, gdy w obwodzie znajdują się sprężarki „doładowujące”. Rozpędzanie turbin i osiągnięcie trybu pracy zajmuje trochę czasu. Im częściej urządzenie uruchamia się i zatrzymuje, tym szybciej się zużywa.

Prawidłowa aplikacja

Cóż, żaden system nie może obejść się bez swoich wad. Ważne jest, aby dla każdego z nich znaleźć zastosowanie, w którym jego zalety zostaną wyraźniej ukazane. Na przykład czołgi takie jak amerykański Abrams, których elektrownia opiera się na turbinie gazowej. Można go napełnić wszystkim, co się pali, od wysokooktanowej benzyny po whisky, i wytwarza dużą moc. Przykład może nie być zbyt udany, ponieważ doświadczenia w Iraku i Afganistanie wykazały wrażliwość łopatek sprężarki na piasek. Turbiny gazowe trzeba naprawiać w USA, w zakładzie produkcyjnym. Zawieźć zbiornik tam i z powrotem oraz koszt samego serwisu i podzespołów...

Helikoptery w Rosji, Ameryce i innych krajach, a także potężne łodzie motorowe mniej cierpią z powodu blokad. Rakiety płynne nie mogą się bez nich obejść.

Nowoczesne okręty wojenne i statki cywilne mają również silniki turbinowe. A także energia.

Elektrownie trójgeneracyjne

Problemy, z jakimi borykają się producenci samolotów, nie są tak niepokojące dla producentów urządzeń przemysłowych do wytwarzania energii elektrycznej. W tym przypadku waga nie jest już tak istotna, a można skupić się na takich parametrach jak wydajność i ogólna wydajność. Agregaty prądotwórcze z turbiną gazową mają masywną ramę, niezawodną ramę i grubsze łopatki. Wytworzone ciepło można wykorzystać na różnorodne potrzeby - od wtórnego recyklingu w samym systemie, po ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych i zaopatrzenie w ciepło absorpcyjnych agregatów chłodniczych. Takie podejście nazywa się trigeneratorem, a wydajność w tym trybie zbliża się do 90%.

Elektrownie jądrowe

Dla turbiny gazowej nie ma zasadniczego znaczenia, jakie jest źródło nagrzanego czynnika, który przekazuje energię jej łopatkom. Może to być spalona mieszanka paliwowo-powietrzna lub po prostu przegrzana para (niekoniecznie woda), najważniejsze jest to, że zapewnia nieprzerwane zasilanie. Podstawą elektrowni wszystkich elektrowni jądrowych, okrętów podwodnych, lotniskowców, lodołamaczy i niektórych wojskowych okrętów nawodnych (na przykład krążownika rakietowego Piotra Wielkiego) jest turbina gazowa (GTU) napędzana parą. Kwestie bezpieczeństwa i ochrony środowiska narzucają zamknięty obwód pierwotny. Oznacza to, że pierwotny czynnik termiczny (w pierwszych próbkach tę rolę pełnił ołów, obecnie został zastąpiony przez parafinę) nie opuszcza strefy reaktora, opływając po okręgu elementy paliwowe. W kolejnych obiegach podgrzewana jest substancja robocza, a odparowany dwutlenek węgla, hel lub azot wprawia w ruch koło turbiny.

Szerokie zastosowanie

Skomplikowane i duże instalacje są prawie zawsze wyjątkowe, powstają w małych seriach lub nawet w pojedynczych egzemplarzach. Najczęściej jednostki produkowane w dużych ilościach wykorzystywane są w pokojowych sektorach gospodarki, na przykład do pompowania rurociągami surowców węglowodorowych. To właśnie te produkowane przez firmę ODK pod marką Saturn. Turbiny gazowe przepompowni w pełni odpowiadają ich nazwie. W rzeczywistości pompują gaz ziemny, wykorzystując jego energię do swojej pracy.

Zasada działania zespołów turbin gazowych

Ryc.1. Schemat zespołu turbiny gazowej z jednowałowym silnikiem turbinowym o cyklu prostym

Czyste powietrze dostarczane jest do sprężarki (1) zespołu napędowego turbiny gazowej. Pod wysokim ciśnieniem powietrze ze sprężarki kierowane jest do komory spalania (2), gdzie dostarczane jest główne paliwo – gaz. Mieszanka zapala się. Podczas spalania mieszaniny gazowo-powietrznej wytwarzana jest energia w postaci strumienia gorących gazów. Strumień ten napływa z dużą prędkością na wirnik turbiny (3) i powoduje jego obrót. Energia kinetyczna obrotu przechodząca przez wał turbiny napędza sprężarkę i generator elektryczny (4). Z zacisków generatora elektrycznego wytworzona energia elektryczna, zwykle poprzez transformator, jest przesyłana do sieci elektrycznej, do odbiorców energii.

Turbiny gazowe opisuje cykl termodynamiczny Braytona Cykl Braytona-Joule'a jest cyklem termodynamicznym opisującym procesy pracy turbin gazowych, turboodrzutowych i strumieniowych silników spalinowych wewnętrznego spalania, a także turbinowych silników spalinowych zewnętrznego spalania z zamkniętą pętlą gazu (jednofazowy) płyn roboczy.

Cykl został nazwany na cześć amerykańskiego inżyniera George'a Braytona, który wynalazł tłokowy silnik spalinowy pracujący w tym cyklu.

Czasami cykl ten nazywany jest także cyklem Joule'a - na cześć angielskiego fizyka Jamesa Joule'a, który ustalił mechaniczny odpowiednik ciepła.

Ryc.2. Wykres P, V cyklu Braytona

Idealny cykl Braytona składa się z następujących procesów:

• 1-2 Kompresja izoentropowa.
• 2-3 Izobaryczne zaopatrzenie w ciepło.
• 3-4 Ekspansja izoentropowa.
• 4-1 Izobaryczne odprowadzanie ciepła.

Uwzględniając różnice pomiędzy rzeczywistymi adiabatycznymi procesami rozprężania i ściskania a izentropowymi, konstruowany jest rzeczywisty cykl Braytona (1-2p-3-4p-1 na wykresie T-S) (rys. 3)

Ryc.3. Diagram T-S cyklu Braytona
Idealny (1-2-3-4-1)
Prawdziwe (1-2p-3-4p-1)

Sprawność cieplną idealnego cyklu Braytona zwykle wyraża się wzorem:

• gdzie P = p2 / p1 to stopień wzrostu ciśnienia w procesie sprężania izentropowego (1-2);
• k - wskaźnik adiabatyczny (dla powietrza równy 1,4)

Należy szczególnie zaznaczyć, że ta ogólnie przyjęta metoda obliczania wydajności cyklu zaciemnia istotę zachodzącego procesu. Efektywność graniczną cyklu termodynamicznego oblicza się ze stosunku temperatur za pomocą wzoru Carnota:

• gdzie T1 to temperatura lodówki;
• T2 - temperatura grzejnika.

Dokładnie ten sam stosunek temperatur można wyrazić poprzez wielkość stosunków ciśnień stosowanych w cyklu i wskaźnik adiabatyczny:

Zatem wydajność cyklu Braytona zależy od temperatur początkowych i końcowych cyklu dokładnie w taki sam sposób, jak wydajność cyklu Carnota. Przy nieskończenie małym nagrzewaniu płynu roboczego wzdłuż linii (2-3) proces można uznać za izotermiczny i całkowicie równoważny cyklowi Carnota. Ilość nagrzania płynu roboczego T3 podczas procesu izobarycznego określa ilość pracy związanej z ilością płynu roboczego użytego w cyklu, ale w żaden sposób nie wpływa na sprawność cieplną obiegu. Jednak w praktycznej realizacji cyklu nagrzewanie zwykle prowadzi się do możliwie najwyższych wartości, ograniczonych wytrzymałością cieplną zastosowanych materiałów, aby zminimalizować wielkość mechanizmów ściskających i rozszerzających płyn roboczy.

W praktyce tarcie i turbulencja powodują:

• Sprężanie nieadiabatyczne: Dla danego całkowitego stosunku ciśnień temperatura tłoczenia sprężarki jest wyższa od idealnej.
• Rozprężanie nieadiabatyczne: Chociaż temperatura turbiny spada do poziomu wymaganego do działania, nie ma to wpływu na sprężarkę, stosunek ciśnień jest wyższy, co powoduje niewystarczające rozprężanie, aby zapewnić użyteczną pracę.
• Straty ciśnienia na wlocie, komorze spalania i wylocie powietrza: w rezultacie rozprężenie nie jest wystarczające, aby zapewnić użyteczną pracę.

Podobnie jak w przypadku wszystkich cyklicznych silników cieplnych, im wyższa temperatura spalania, tym wyższa wydajność. Czynnikiem ograniczającym jest zdolność stali, niklu, ceramiki i innych materiałów, z których wykonany jest silnik, do wytrzymywania ciepła i ciśnienia. Wiele prac inżynieryjnych skupia się na usuwaniu ciepła z części turbin. Większość turbin stara się także odzyskiwać ciepło ze gazów spalinowych, które w przeciwnym razie zostałoby zmarnowane.

Rekuperatory to wymienniki ciepła, które przed spalaniem przekazują ciepło ze spalin do sprężonego powietrza. W cyklu kombinowanym ciepło przekazywane jest do układów turbin parowych. Natomiast w skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej (kogeneracja) ciepło odpadowe wykorzystuje się do produkcji ciepłej wody.

Mechanicznie turbiny gazowe mogą być znacznie prostsze niż tłokowe silniki spalinowe. Proste turbiny mogą mieć jedną ruchomą część: zespół wału/sprężarki/turbiny/wirnika naprzemiennego (patrz rysunek poniżej), nie licząc układu paliwowego.

Ryc.4. Maszyna ta posiada jednostopniową sprężarkę promieniową,
turbina, rekuperator i łożyska powietrzne.

Bardziej złożone turbiny (te stosowane w nowoczesnych silnikach odrzutowych) mogą mieć wiele wałów (cewek), setki łopatek turbiny, ruchome łopatki stojana oraz rozbudowany system skomplikowanych rurociągów, komór spalania i wymienników ciepła.

Ogólnie rzecz biorąc, im mniejszy silnik, tym większa prędkość wału (wałów) wymagana do utrzymania maksymalnej prędkości liniowej łopatek.

Maksymalna prędkość łopatek turbiny określa maksymalne ciśnienie, jakie można osiągnąć, co skutkuje maksymalną mocą, niezależnie od wielkości silnika. Silnik odrzutowy obraca się z prędkością około 10 000 obr/min, a mikroturbina z prędkością około 100 000 obr/min.



Turbina parowa. Próby zaprojektowania turbiny parowej mogącej konkurować z maszyną parową aż do połowy XIX wieku. zakończyły się niepowodzeniem, gdyż tylko niewielka część energii kinetycznej strumienia pary mogła zostać zamieniona na energię mechaniczną obrotu turbiny. Chodzi o to, że wynalazcy

nie uwzględniono zależności sprawności turbiny od stosunku prędkości pary do prędkości liniowej łopatek turbiny.

Dowiedzmy się, przy jakim stosunku prędkości strugi gazu do prędkości liniowej łopatki turbiny nastąpi najpełniejsze przeniesienie energii kinetycznej strugi gazu na łopatkę turbiny (rys. 36). Gdy energia kinetyczna pary zostanie całkowicie przeniesiona na łopatkę turbiny, prędkość strumienia względem Ziemi powinna być równa zeru, tj.

W układzie odniesienia poruszającym się z prędkością prędkość strumienia jest równa: .

Ponieważ w tym układzie odniesienia łopatka jest nieruchoma w momencie oddziaływania ze strumieniem, prędkość strumienia po odbiciu sprężystym pozostaje niezmieniona pod względem wielkości, ale zmienia kierunek na przeciwny:

Wracając ponownie do układu odniesienia związanego z Ziemią, po odbiciu otrzymujemy prędkość strumienia:

Od tego czasu

Stwierdziliśmy, że całkowite przeniesienie energii kinetycznej strumienia na turbinę nastąpi pod warunkiem, że prędkość liniowa ruchu łopatek turbiny będzie równa połowie prędkości strumienia. Pierwszą turbiną parową, która znalazła praktyczne zastosowanie, została wyprodukowana przez szwedzkiego inżyniera Gustava Lavala w 1889 roku. Jego moc spadała przy prędkości obrotowej obr./min

Ryż. 36. Przeniesienie energii kinetycznej strumienia pary na łopatkę turbiny

Wysokie natężenie przepływu gazu już przy średnich spadkach ciśnienia, wynoszące ok. 1200 m/s, wymaga dla efektywnej pracy łopatek turbiny posiadania prędkości liniowej ok. 600 m/s. W związku z tym, aby osiągnąć wysokie wartości sprawności, turbina musi pracować z dużą prędkością. Łatwo obliczyć siłę bezwładności działającą na łopatkę turbiny o masie 1 kg, umieszczoną na wieńcu wirnika o promieniu 1 m, przy prędkości łopatki 600 m/s:

Powstaje zasadnicza sprzeczność: aby turbina działała ekonomicznie, wymagane są naddźwiękowe prędkości wirnika, ale przy takich prędkościach turbina zostanie zniszczona przez siły bezwładności. Aby rozwiązać tę sprzeczność, należy zaprojektować turbiny, które obracają się z prędkością mniejszą od optymalnej, ale aby w pełni wykorzystać energię kinetyczną strugi pary, uczynić je wielostopniowymi, umieszczając kilka wirników o rosnącej średnicy na wspólnym wale. Ze względu na niewystarczająco dużą prędkość obrotową turbiny, para przekazuje jedynie część swojej energii kinetycznej na wirnik o mniejszej średnicy. Następnie para odlotowa w pierwszym etapie kierowana jest do drugiego wirnika o większej średnicy, oddając jego łopatkom część pozostałej energii kinetycznej itp. Para odlotowa jest skraplana w chłodnicy-skraplaczu, a ciepła woda kierowana jest do kotła .

Cykl instalacji turbiny parowej pokazano współrzędnymi na rysunku 37. W kotle płyn roboczy odbiera pewną ilość ciepła, nagrzewa się i rozszerza pod stałym ciśnieniem (izobar AB). W turbinie para rozpręża się adiabatycznie (adiabat BC), wykonując pracę polegającą na obróceniu wirnika. W chłodnicy skraplającej, przemywanej np. wodą rzeczną, para oddaje ciepło wodzie i skrapla się pod stałym ciśnieniem. Proces ten odpowiada izobarowi. Ciepła woda ze skraplacza pompowana jest do kotła. Proces ten odpowiada izochorowi.Jak widać, obieg elektrowni parowej jest zamknięty. Praca wykonana przez parę w jednym cyklu jest liczbowo równa polu figury ABCD.

Nowoczesne turbiny parowe charakteryzują się wysoką sprawnością konwersji kinetycznej

Ryż. 37. Schemat cyklu pracy elektrowni parowej

energię strugi pary na energię mechaniczną, nieco przekraczającą 90%. Dlatego też generatory elektryczne niemal wszystkich elektrowni cieplnych i jądrowych na świecie, dostarczające ponad 80% całej wytwarzanej energii elektrycznej, napędzane są turbinami parowymi.

Ponieważ temperatura pary stosowanej w nowoczesnych turbinach parowych nie przekracza 580 C (temperatura podgrzewacza), a temperatura pary na wylocie turbiny zwykle nie jest niższa niż 30° C (temperatura lodówki), maksymalna wartość sprawności turbina parowa jako silnik cieplny to:

a rzeczywiste wartości sprawności elektrowni kondensacyjnych z turbiną parową sięgają jedynie około 40%.

Moc nowoczesnych bloków kotłowo-turbinowo-generatorowych sięga kW. Następnym w 10. planie pięcioletnim jest budowa bloków energetycznych o mocy do kW.

Silniki turbinowe parowe są szeroko stosowane w transporcie wodnym. Jednak ich zastosowanie w transporcie lądowym, a zwłaszcza w lotnictwie, utrudnia konieczność posiadania paleniska i kotła do wytwarzania pary, a także dużej ilości wody do wykorzystania jako płyn roboczy.

Turbiny gazowe. Pomysł wyeliminowania pieca i kotła w silniku cieplnym z turbiną poprzez przeniesienie miejsca spalania paliwa do samego płynu roboczego od dawna zajmował projektantów. Jednak rozwój takich turbin spalinowych, w których czynnikiem roboczym nie jest para, ale powietrze rozprężające się pod wpływem ogrzewania, był utrudniony ze względu na brak materiałów zdolnych do długotrwałej pracy w wysokich temperaturach i dużych obciążeniach mechanicznych.

Instalacja turbiny gazowej składa się ze sprężarki powietrza 1, komór spalania 2 i turbiny gazowej 3 (ryc. 38). Sprężarka składa się z wirnika zamontowanego na tej samej osi co turbina i nieruchomej łopatki kierującej.

Gdy turbina pracuje, wirnik sprężarki obraca się. Łopatki wirnika są ukształtowane w taki sposób, że gdy się obracają, ciśnienie przed sprężarką maleje, a za nią wzrasta. Do sprężarki zasysane jest powietrze, którego ciśnienie za pierwszym rzędem łopatek wirnika wzrasta. Za pierwszym rzędem łopatek wirnika znajduje się rząd łopatek nieruchomej łopatki prowadzącej sprężarki, za pomocą którego zmienia się kierunek ruchu powietrza i zapewniona jest możliwość jego dalszego sprężania za pomocą łopatek drugiego stopnia wirnika itp. Kilka stopni łopatek sprężarki zapewnia 5-7-krotne zwiększenie ciśnienia powietrza.

Proces sprężania zachodzi adiabatycznie, więc temperatura powietrza znacznie wzrasta, osiągając 200°C lub więcej.

Ryż. 38. Instalacja turbiny gazowej

Sprężone powietrze dostaje się do komory spalania (ryc. 39). Jednocześnie przez dyszę pod wysokim ciśnieniem wtryskiwane jest do niego paliwo płynne - nafta, olej opałowy.

Podczas spalania paliwa powietrze będące płynem roboczym otrzymuje pewną ilość ciepła i nagrzewa się do temperatury 1500-2200°C. Ogrzewanie powietrza następuje przy stałym ciśnieniu, zatem powietrze rozszerza się i jego prędkość wzrasta.

Do turbiny kierowane jest powietrze i produkty spalania poruszające się z dużą prędkością. Przechodząc od stopnia do stopnia, oddają swoją energię kinetyczną łopatkom turbiny. Część energii odbieranej przez turbinę jest zużywana na obrót sprężarki, a reszta wykorzystywana jest na przykład do obracania śmigła samolotu lub wirnika generatora elektrycznego.

Do ochrony łopatek turbin przed niszczycielskim działaniem gorącego i szybkiego strumienia gazu do komory spalania

Ryż. 39. Komora spalania

Sprężarka pompuje znacznie więcej powietrza, niż jest to konieczne do całkowitego spalenia paliwa. Powietrze wlatujące do komory spalania za strefą spalania paliwa (rys. 38) obniża temperaturę strumienia gazu kierowanego na łopatki turbiny. Spadek temperatury gazu w turbinie prowadzi do spadku wydajności, dlatego naukowcy i projektanci szukają sposobów na podniesienie górnej granicy temperatury pracy w turbinie gazowej. W niektórych nowoczesnych lotniczych silnikach turbinowych temperatura gazu przed turbiną sięga 1330°C.

Powietrze wylotowe wraz z produktami spalania o ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego i temperaturze powyżej 500°C z prędkością większą niż 500 m/s zazwyczaj jest odprowadzane do atmosfery lub w celu zwiększenia wydajności kierowane jest do wymiennika ciepła , gdzie oddaje część ciepła w celu ogrzania powietrza wchodzącego do komory spalania .

Cykl pracy zespołu turbiny gazowej przedstawiono schematycznie na rysunku 40. Proces sprężania powietrza w sprężarce odpowiada adiabatowi AB, procesowi nagrzewania i rozprężania w komorze spalania – izobarowi BC. Proces adiabatyczny rozprężania gorącego gazu w turbinie jest reprezentowany przez sekcję CD, proces chłodzenia i zmniejszania objętości płynu roboczego jest reprezentowany przez izobarę DA.

Sprawność zespołów turbin gazowych sięga 25-30%. Silniki z turbiną gazową nie mają nieporęcznych kotłów parowych, jak silniki parowe i turbiny parowe, ani nie mają tłoków ani mechanizmów, które przekształcają ruch posuwisto-zwrotny w ruch obrotowy, jak silniki parowe i silniki spalinowe. Zatem silnik turbinowy gazowy zajmuje trzy razy mniej miejsca niż silnik wysokoprężny o tej samej mocy, a jego masa właściwa (stosunek masy do mocy) jest od 6 do 9 razy mniejsza niż lotniczego silnika tłokowego spalinowego. Kompaktowość i prędkość w połączeniu z dużą mocą na jednostkę masy wyznaczyły pierwszy praktycznie ważny obszar zastosowań silników turbinowych - lotnictwo.

Samolot ze śmigłem zamontowanym na wale silnika z turbiną gazową pojawił się w 1944 roku. Tak znane samoloty jak AN-24, TU-114, IL-18, AN-22 - „Antey” mają silniki turbośmigłowe.

Maksymalna masa „Anteya” w momencie startu wynosi 250 ton, ładowność 80 ton, czyli 720 pasażerów,

Ryż. 40. Schemat cyklu pracy elektrowni z turbiną gazową

prędkość 740 km/h, moc każdego z czterech silników kW.

Silniki turbinowe gazowe zaczynają zastępować silniki turbinowe parowe w transporcie wodnym, zwłaszcza na okrętach wojennych. Przejście z silników Diesla na silniki z turbiną gazową umożliwiło czterokrotne zwiększenie nośności statków wodolotowych, z 50 do 200 ton.

W pojazdach ciężarowych montowane są silniki turbinowe o mocy 220-440 kW. W górnictwie testowany jest 120-tonowy BelAZ-549V z silnikiem turbinowym.

OGÓLNE INFORMACJE O DZIAŁANIU GTU

Ogólna budowa i zasada działania zespołu turbiny gazowej

Silnik turbinowy gazowy to silnik, w którym jako płyn roboczy wykorzystuje się nieskraplający się gaz (powietrze i produkty spalania lub gazy obojętne), a jako silnik trakcyjny wykorzystuje się turbinę gazową.

Termin turbina pochodzi od słów łacińskich turbina - w kształcie wiru lub turbo - szczyt. Turbina to silnik, w którym praca mechaniczna na wale maszyny uzyskiwana jest poprzez konwersję energii kinetycznej strumienia gazu, która z kolei uzyskiwana jest w wyniku konwersji energii potencjalnej – energii spalonego paliwa w strumieniu powietrza. Współczesne pomysły na przemianę ciepła w pracę opierają się na dwóch najważniejszych zasadach termodynamiki: niemożności stworzenia maszyny perpetuum mobile pierwszego rodzaju (konsekwencja pierwszej zasady termodynamiki) oraz niemożności stworzenia maszyny perpetuum mobile drugiego rodzaju, w którym ciepło zamieniłoby się całkowicie na pracę (konsekwencja drugiej zasady termodynamiki).

Niezbędnym warunkiem powstania dowolnego silnika cieplnego jest obecność środowiska materialnego - płynu roboczego i co najmniej dwóch źródeł ciepła - źródła wysokiej temperatury (grzejnika), z którego otrzymujemy ciepło w celu zamiany jego części na pracę, oraz źródło niskotemperaturowe, do którego oddajemy część niewykorzystanego w silniku ciepła.

W związku z tym każdy silnik cieplny musi składać się z grzejnika, maszyny rozprężnej, lodówki i maszyny sprężarkowej. Ponadto, jeśli chcemy w sposób ciągły zamieniać ciepło na pracę, to musimy w sposób ciągły, wraz z rozszerzaniem, stale sprężać płyn roboczy i to w takich warunkach, aby praca sprężania była mniejsza od pracy rozprężania, czyli płyn roboczy musi przeprowadzić proces okrężny. Pracę uzyskaną w silniku cieplnym definiuje się jako różnicę między pracą rozprężania i sprężania płynu roboczego, a z drugiej strony (zgodnie z zasadą zachowania energii) jako różnicę bezwzględnych ilości dostarczonego ciepła i usunięte.

Główną cechą termodynamiczną różnicy między tłokowymi i turbinowymi silnikami spalinowymi jest specyfika realizacji procesów kołowych: w silnikach tłokowych główne procesy cyklu (sprężanie, dostarczanie ciepła, rozprężanie) sukcesywnie zastępują się w tej samej zamkniętej przestrzeni (układ cylinder-tłok) oraz w W silnikach turbinowych te same procesy zachodzą w sposób ciągły w niezależnych elementach silnika, kolejno rozmieszczonych w ogólnym przepływie płynu roboczego (na przykład sprężarka - komora spalania - turbina w najprostszym gazie silnik turbinowy).

Schemat ideowy najprostszego zespołu turbiny gazowej pokazano na ryc. 1.1.

Ryc. 1.1 Schemat ideowy najprostszego zespołu turbiny gazowej.

1 – sprężarka osiowa; 2 – komora spalania; 3 – turbina;

Zasada działania instalacji jest następująca.

Sprężarka 1 zasysa powietrze z atmosfery, spręża je do określonego ciśnienia i dostarcza do komory spalania 2. Tutaj w sposób ciągły dostarczane jest również paliwo ciekłe lub gazowe. Gorące gazy powstające w komorze spalania w wyniku spalania paliwa dostają się do turbiny 3. W turbinie gaz rozpręża się, a jego energia wewnętrzna zamieniana jest na pracę mechaniczną. Gazy spalinowe opuszczają turbinę do atmosfery.

Rozważmy cykl takiej turbiny gazowej na schemacie T-S (ryc. 1.2).

Powietrze atmosferyczne ( P=P a, T=T a) przepływa przez urządzenie wejściowe do sprężarki (izoterma 0-1); jego ciśnienie i temperatura stają się równe P 1 I T 1 .

Następnie sprężarka spręża powietrze do określonego ciśnienia P2 jego temperatura wzrasta do T2(adiabatyczny 1-2). Nazywa się stosunek ciśnienia powietrza na wylocie sprężarki do ciśnienia na jej wlocie stopień sprężania sprężarki(1.1).

, (1.1)

Gdzie π do– stopień wzrostu ciśnienia w sprężarce; R2– ciśnienie powietrza za sprężarką; P 1– ciśnienie przed sprężarką.

W komorze spalania (izobar 2-3) temperatura płynu roboczego wzrasta do T 3 przy stałym ciśnieniu ( P2 = P 3).

Następnie w turbinie mieszanina powietrza i gazu rozpręża się (adiabat 3-4), jej ciśnienie spada do P 4, a temperatura sięga ok T 4. Nazywa się stosunek ciśnienia gazu na wlocie turbiny do ciśnienia gazu na jej wylocie stopień rozprężenia turbiny (1.2).

Gdzie π t– stopień rozprężenia w turbinie; R 3– ciśnienie powietrza przed turbiną; R 4– ciśnienie za turbiną.

Po rozprężeniu w turbinie spaliny uwalniane są do atmosfery (izoterma 4-5).

Omówiony powyżej cykl jest odwracalny, ponieważ nie uwzględnia strat w procesach ściskania, rozszerzania, dostarczania ciepła itp. W warunkach rzeczywistych procesy we wszystkich jednostkach instalacji różnią się od procesów odwracalnych, dlatego wyznaczanie pracy elektrowni gazowych na podstawie odwracalnych cykli odniesienia nie ma praktycznego znaczenia i może być uzasadnione jedynie analizą porównawczą cykli różnych instalacje. Dlatego w praktyce pracują z pełnymi parametrami (parametry przepływu opóźnionego).

Pełna temperatura:

, (1.3)

Gdzie T*– temperatura całkowita; T– temperatura statyczna; Z- bezwzględna prędkość przepływu; ze str– ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu.

Całkowite ciśnienie

, (1.4)

Gdzie R*– ciśnienie całkowite; R- ciśnienie statyczne; T*– temperatura całkowita; T – temperatura statyczna; k– wskaźnik adiabatyczny.

Mając parametry hamowania przepływu, otrzymujemy schemat rzeczywistego obiegu turbiny gazowej (rys. 1.3).

Podobne do (1.1) i (1.2) dla cyklu rzeczywistego:

Ciśnienia w pozostałych węzłach oblicza się następująco:

, (1.6)

Gdzie Dąsać się– ciśnienie na wylocie urządzenia; Szpilka to ciśnienie na wlocie do węzła, σ to współczynnik strat dla tego węzła.

Wartości współczynników strat dla różnych zespołów turbin gazowych podano w tabeli 1.1.

Tabela 1.1

Wartości współczynników strat dla różnych zespołów turbin gazowych

Klasyfikacja GTU

Wyróżnia się następujące klasyfikacje zespołów turbin gazowych:

· Według obszaru zastosowania:

Ö Lotnicze silniki turbinowe gazowe.

silnik turboodrzutowy;

turbośmigłowy;

2-obwodowe silniki turbinowe gazowe;

turbowentylator;

silniki turbinowe do helikopterów;

instalacje pomocnicze.

Ö Stacjonarne zespoły turbin gazowych do wytwarzania energii elektrycznej.

Ö Napęd zespołów turbin gazowych (do napędzania doładowań na gaz ziemny).

Ö Transportowe zespoły turbin gazowych .

statek;

lokomotywa;

samochód;

czołg.

Ö Kosmiczne turbiny gazowe (źródłem paliwa są dla nich reaktory jądrowe).

Ö Technologiczne zespoły turbin gazowych (stacjonarne zespoły turbin gazowych włączane w cykl procesu produkcyjnego, np. do napędu dmuchaw w wielkich piecach i rafineriach ropy naftowej).

Ö Turbiny gazowe w ramach instalacji kombinowanych (agregaty parowo-gazowe, gazowo-parowe, gazowo-dieslowe).

· Według rodzaju cyklu:

Ö Otwarta pętla (ryc. 1.1).

Ö Pętla zamknięta (ryc. 1.4).

Gaz odlotowy w turbinie 3 za regeneratorem 6 nie jest usuwany do atmosfery jak w otwartej turbinie gazowej, ale kierowany jest do chłodnicy 5. Tam jest schładzany do temperatury T 3, podczas gdy jego ciśnienie spada do P2. Chłodnica jest powierzchniowym wymiennikiem ciepła, w którym czynnikiem chłodzącym jest zwykła woda. Z punktu widzenia termodynamiki chłodnica 5 pełni rolę radiatora (źródła zimna). Ochłodzony gaz wchodzi do sprężarki 4, skąd jest sprężany P2 zanim P 1, dzięki czemu wzrasta jego temperatura T 3 zanim T 4. Za sprężarką gaz kierowany jest do regeneratora 6, w którym jest podgrzewany przez gazy opuszczające turbinę 3. W zamkniętych turbinach gazowych zamiast komory spalania instalowana jest nagrzewnica 1, w której czynnik roboczy (gaz lub powietrze) przechodzi wewnątrz rurek. Od zewnątrz rury te nagrzewają się ciepłem wydzielającym się podczas spalania paliwa w piecu, który w zasadzie działa podobnie do pieca kotłów parowych. Dlatego grzejnik turbinowy gazowy nazywany jest czasami „kotłem powietrznym”. W podgrzewaczu 1 temperatura gazu roboczego gwałtownie wzrasta do T 1, następnie gaz wpływa do turbiny 3, gdzie rozszerza się, wykonując pracę. Temperatura spada do T2. Turbina wprawia w ruch sprężarkę 4 i oddaje nadwyżkę swojej mocy odbiornikowi 2. Następnie spaliny posiadające odpowiednio wysoką temperaturę kierowane są do regeneratora, gdzie oddaje część swojego ciepła, aby ogrzać gaz wypływający z sprężarka 4 do nagrzewnicy 1.

Następnie cykl się powtarza.

W zamkniętym zespole turbiny gazowej krąży ta sama masowa ilość płynu roboczego, z wyjątkiem nieznacznego wycieku gazu z obwodu przez różne nieszczelności, który jest automatycznie uzupełniany za pomocą specjalnego urządzenia (niepokazanego na rysunku). Moc instalacji regulowana jest poprzez zmianę ciśnienia gazu w jej obwodzie poprzez zmianę masowego przepływu gazu roboczego przy zachowaniu praktycznie niezmiennego stopnia wzrostu ciśnienia P, I T 1 I T 3(maksymalna i minimalna temperatura cyklu) przy użyciu specjalnego regulatora odśrodkowego (niepokazanego na rysunku).

Zamknięte turbiny gazowe mają następujące zalety w porównaniu do otwartych:

ze względu na brak w krążącym gazie substancji powodujących korozję i erozję aparatu łopatkowego, znacznie zwiększa się niezawodność i trwałość turbiny;

zamknięte turbiny gazowe mogą pracować na każdym rodzaju paliwa, w tym na paliwach stałych i ciężkich ciekłych (olej opałowy);

zamknięte turbiny gazowe mogą działać na energii jądrowej;

Zwiększając początkowe ciśnienie gazu przed sprężarką, można znacznie zwiększyć jego ciężar przepływu w zespole turbiny gazowej, a to pozwala albo na odpowiednie kilkukrotne zwiększenie mocy jednostkowej instalacji, albo, przy stałej mocy znacznie zmniejszają jego masę poprzez zmniejszenie powierzchni wymienników ciepła, wymiarów zespołu turbiny gazowej i średnic rurociągów;

w zamkniętych elektrowniach z turbinami gazowymi moc jest regulowana poprzez zmianę ciśnienia gazu w obwodzie, a więc sprawność jest instalacje w różnych warunkach obciążenia i w szerokim zakresie parametrów pracy pozostają niezmienione;

Jako płyn roboczy można zastosować dowolne substancje gazowe, mające albo lepsze właściwości termofizyczne, albo czyniące cykl instalacyjny doskonalszym i korzystniejszym z termodynamicznego punktu widzenia, albo mające inne zalety.

Ö Cykl półzamknięty.

W tym cyklu część produktów spalania jest odprowadzana za turbinę i przesyłana do stopnia pośredniego sprężarki.

· Według liczby wałów:

Ö Jednowałowe turbiny gazowe (Rysunek 1.1).

Zaletami zespołów jednowałowych jest prostota konstrukcji, minimalna liczba maszyn wirnikowych i łożysk. Inną ważną zaletą tych turbin gazowych jest to, że podczas cyklu regeneracyjnego utrzymują one stałą wydajność turbiny gazowej, gdy obciążenie jest zmniejszone do 70% i poniżej.

Takie turbiny gazowe mają również nie mniej istotne wady. Sztywne połączenie sprężarki osiowej z napędzaną sprężarką znacznie ogranicza możliwości sterowania jednostką. Moc w tego typu instalacji jest regulowana jedynie zmianami zużycia paliwa. Jeśli obciążenie maleje, zmniejsza się zużycie paliwa, ale zużycie powietrza pozostaje stałe, ponieważ sprężarka, turbina gazowa i obciążenie są sztywno połączone jednym wałem. Zmniejszenie zużycia paliwa prowadzi zatem do obniżenia temperatury za komorą spalania, co wpływa na zmniejszenie sprawności. GTU.

Ö Dwuwałowe turbiny gazowe .

W takich instalacjach oddzielana jest część generatora gazu (sprężarka i napędzająca ją turbina) oraz zespół turbiny swobodnej mocy.

Ryż. 1.8. Schemat ideowy dwuwałowego zespołu turbiny gazowej.

1-sprężarka; 2-turbina wysokiego ciśnienia; 3-turbina niskiego ciśnienia (moc); 4-ładowanie (doładowanie); 5-komora spalania.

W takiej instalacji turbina jest podzielona na 2 części (ryc. 1.8).

Jedna część, zwykle wysokociśnieniowa 2, napędza sprężarkę 1 i może pracować ze zmienną prędkością. Druga część, turbina napędowa 3, pracuje ze ściśle stałą prędkością, jeśli ma napędzać generator elektryczny, i może mieć prawie dowolną prędkość obrotową, jeśli ma napędzać sprężarkę doładowującą. Regulacja w tego typu zespole turbiny gazowej odbywa się nie tylko poprzez zmianę przepływu paliwa, ale także poprzez zmianę przepływu powietrza dostarczanego przez sprężarkę 1.

Metoda ta umożliwia znacznie mniejsze lub wcale obniżenie temperatury płynu roboczego za komorą spalania podczas pracy przy częściowym obciążeniu, a tym samym utrzymanie wydajności. cykl na wyższym poziomie.

Ö Trójwałowe turbiny gazowe .

Ryż. 1.9. Schemat ideowy trójwałowego zespołu turbiny gazowej.

1-sprężarka niskociśnieniowa; 2-sprężarka wysokociśnieniowa; 3-komora spalania; 4- turbina wysokiego ciśnienia; 5-turbina niskiego ciśnienia;

6-wolna turbina; 7-doładowanie.

Przy wysokich stopniach sprężania występuje różnica w natężeniu przepływu powietrza na początku i na końcu ścieżki przepływu sprężarki, co może prowadzić do gwałtownych wzrostów. Aby wyeliminować to zjawisko, sprężarkę dzieli się na 2 lub więcej części zwanych kaskadami. Każda kaskada ma własną prędkość obrotową, dzięki czemu przepływ powietrza przez nią jest wyrównany. Każda kaskada napędzana jest przez osobną turbinę.

W każdym przypadku na każdym wale muszą znajdować się co najmniej dwa zespoły łożyskowe: jeden – podpora, drugi – łożysko oporowe. Wymienione są łożyska toczne i ślizgowe.

· Według złożoności cyklu termodynamicznego:

Ö Najprostszy cykl termodynamiczny.

Ryż. 1.10. Diagram T-S najprostszego cyklu termodynamicznego.

Cykl ten stosowany jest w 90% wszystkich turbin gazowych stosowanych na świecie.

Ö Cykl z chłodzeniem podczas kompresji.

Rysunek 1.11. Schemat sprężarki dwustopniowej

z intercoolerem.

1 – sprężarka niskociśnieniowa; 2 – sprężarka wysokociśnieniowa;

3 – chłodniej.

Praca poświęcona na ściskanie, przy niezmienionych innych czynnikach, będzie najmniejsza, jeśli proces zostanie przeprowadzony izotermicznie, ale w tym celu konieczne jest ciągłe usuwanie ciepła z płynu roboczego, co jest praktycznie niemożliwe do osiągnięcia strukturalnie.

Aby przybliżyć proces do procesu izotermicznego i zmniejszyć ilość wymaganej pracy, w lodówkach pośrednich po każdym etapie stopniowe sprężanie zastępuje się chłodzeniem powietrzem.

W praktyce zasadę tę realizuje się za pomocą sprężarki scenicznej i lodówki (ryc. 1.11). Oczywiście im więcej takich etapów w lodówkach, tym proces sprężania będzie bliższy izotermii. Schemat T-S takiego cyklu pokazano na ryc. 1.12.

Ö Cykl podgrzewany podczas procesu rozprężania.

Zwiększenie sprawności, zmniejszenie jednostkowego zużycia powietrza i gazu, a co za tym idzie zwiększenie mocy jednostkowej, można osiągnąć także poprzez stopniowe rozprężanie z pośrednim doprowadzeniem ciepła do komór spalania rozmieszczonych sekwencyjnie wzdłuż przepływu gazu pomiędzy turbinami. W tym przypadku proces rozprężania zbliża się do izotermicznego, co prowadzi do zwiększenia pracy dyspozycyjnej turbiny. Schemat zespołu turbiny gazowej z dwustopniowym rozprężaniem i pośrednim ogrzewaniem gazu roboczego pokazano na ryc. 1.13.

Rysunek 1.13. Schemat ideowy zespołu turbiny gazowej z pośrednim ogrzewaniem gazowym.

1 – komora spalania; 2 – turbina wysokiego ciśnienia; 3 – komora spalania pośredniego ogrzewania gazowego; 4 – turbina napędowa.

Powietrze ze sprężarki, przechodząc przez regenerator, wchodzi do CS 1, po czym następuje gaz roboczy o temperaturze T*3 jest wysyłany do teatru 2. Następuje tu częściowe rozprężenie gazu. Po HPT gaz roboczy kierowany jest do KSPPG 3, w którym w wyniku dopalenia paliwa jego temperatura wzrasta do T*31. Ze względu na duży współczynnik nadmiaru powietrza za silnikiem spalinowym wysokociśnieniowym, spalanie paliwa w silniku spalinowym wysokociśnieniowym zachodzi intensywnie bez dodatkowego dopływu powietrza. Z CSPPG gaz roboczy wchodzi do ST 4, po czym jest odprowadzany do atmosfery.

Cykl zespołu turbiny gazowej z ogrzewaniem pośrednim pokazano na ryc. 1.14.

Pokazano tu następujące procesy: 3-41 – rozprężanie gazu roboczego w teatrze; 41-31 – dostawa ciepła do CVSG; 31-4 – rozprężanie gazu roboczego w ST.

Ö Instalacje pracujące w cyklu kombinowanym (CCGT).

Chęć poprawy parametrów technicznych i ekonomicznych elektrowni poprzez racjonalne połączenie cech obiegów turbin parowych i gazowych doprowadziła do powstania elektrowni gazowych z cyklem kombinowanym (CCGT). Uproszczony schemat obwodu bloku CCGT pokazano na rys. 1,15.

Ryż. 1,15. Schemat ideowy PTU:

1 – sprężarka; 2 – wytwornica pary; 3 – turbina gazowa; 4 – turbina parowa;

5 – obciążenie; 6 – kondensator; 7 – pompa; 8 – układ wymiennika ciepła

Instalacja działa w następujący sposób.

Powietrze atmosferyczne jest usuwane w sprężarce 1 i przesyłane do wytwornicy pary (kotła parowego) 2. Paliwo jest natychmiast dostarczane. Na wyjściu z generatora pary temperatura produktów spalania jest obniżana w wyniku przekazywania ciepła w celu podgrzania wody i wytworzenia pary.

Powstała para przegrzana pod ciśnieniem wpływa do turbiny parowej 4, gdzie rozpręża się do głębokiej próżni, pracuje, a następnie skrapla się w skraplaczu 6. Kondensat (woda zasilająca) jest dostarczany pompą 7 do układu wymiennika ciepła 6, gdzie jest podgrzewany do temperatury wrzenia, a następnie do generatora pary 2, w ten sposób obieg pary zostaje zamknięty.

Część instalacji z turbiną gazową działa na zasadzie otwartego zespołu turbiny gazowej. Produkty spalania wchodzą do turbiny gazowej 3 i tam się rozprężają. Po pracy w turbinie przepuszczane są przez układ wymienników ciepła 8, gdzie są schładzane wodą zasilającą, a następnie usuwane do atmosfery.

Obieg kombinowanej instalacji parowo-gazowej (ryc. 1.16) jest zbudowany na 1 kg pary wodnej i odpowiednią ilość gazu na 1 kg wody.

W cyklu instalacji turbiny gazowej dostarczane jest ciepło równe powierzchni a-5-1-g i uzyskuje się użyteczną pracę L CG, równy obszarowi 1-2-3-4-5. W cyklu instalacji parowej, przeprowadzanym osobno, ilość dostarczonego ciepła jest równa powierzchni w -8-9-10-11-6, a praca użyteczna L procesora jest równa powierzchni 6-7- 8-9-10-11. Ciepło gazów wydalanych w turbinie, równe powierzchni a-4-2-g, jest uwalniane do atmosfery, gdy obydwa cykle realizowane są oddzielnie. W obiegu para-gaz ciepło wytworzone podczas chłodzenia gazów wzdłuż linii 2-3 i równe powierzchni b-Z-2-g nie jest uwalniane do atmosfery, lecz wykorzystywane do podgrzania wody zasilającej wzdłuż linii 8-9 w obiegu układ wymienników ciepła 8.

Ciepło wydane na tworzenie pary w kotle zmniejsza się o ilość równą zacienionemu obszarowi w-8-9-d, a wydajność cyklu łączonego wzrasta, ponieważ całkowita użyteczna praca obu cykli L CG + Procesor L jest taki sam, gdy są wdrażane łącznie i oddzielnie.

PTU mają dość wysoką wydajność. około 42%. Wyjaśniono to w następujący sposób. Rozważany obieg para-gaz, z punktu widzenia termodynamiki, jest obiegiem binarnym składającym się z etapów gazowego i parowego. Stopień gazowy wykorzystuje wyższą temperaturę płynu roboczego niż w nowoczesnych instalacjach gazowych z cyklem kombinowanym, tj. średnia temperatura dostarczania ciepła w obiegu parowo-gazowym jest wyższa niż w obiegu parowym. Jednocześnie stopień parowy pozwala na wykorzystanie obiegu parowego, w którym poziom temperatury odprowadzania ciepła do radiatora jest zbliżony do temperatury otoczenia, a w obiegu turbiny gazowej jest znacznie wyższy nawet po regenerator. Dlatego E.P.D. Instalacja pracująca w cyklu kombinowanym będzie wyższa niż wydajność. GTU i PTU oddzielnie.

Ö GTU z tłokowymi komorami spalania.

Coraz powszechniejsze stają się elektrownie, w których turbina gazowa współpracuje z generatorem gazu ze swobodnym tłokiem (LPGG). Instalacje te z powodzeniem łączą pozytywne cechy turbiny (mniejsza masa i wymiary, możliwość pracy przy dużych prędkościach itp.) ze stosunkowo dużą sprawnością silnika spalinowego.

Schemat ideowy zespołu turbiny gazowej z SLNG pokazano na ryc. 1.17.

Rolę kompresora i jednocześnie komory spalania pełni LPGG, który w swojej zasadzie działania przypomina dwusuwowy, wysokociśnieniowy silnik wysokoprężny z przeciwstawnie poruszającymi się tłokami. Tłoki 10 sprężarek, zbliżając się do siebie, sprężają powietrze i przemieszczają je z wnęk 2 przez zawory 4 do odbiornika przedmuchu 11, stamtąd przez okno przedmuchu 6 powietrze dostaje się do cylindra „diesel” 9, najpierw go oczyścić, a następnie napełnić świeżym wsadem. Kiedy tłoki 5 zbliżają się do siebie i przyjmują niemal skrajne położenie względem siebie, paliwo wtryskiwane jest do cylindra 9 poprzez wtryskiwacz 7. Podobnie jak w dieslu

Ryż. 1.17. GTU z tłokową komorą spalania:

Wnęka 1-buforowa; 2-komorowe sprężarki; Zawory 3-wlotowe; 4 zawory obejściowe; 5-tłokowy; okna z 6 nadmuchami; 7-dysza; okna 8-wylotowe; 9-cylindrowy („diesel”); sprężarki 10-tłokowe; Odbiornik z 11 przedmuchami; Odbiornik z 12 korekcjami; 13-turbina; 14-ładunek.

zapala się samoczynnie pod wpływem sprężania. Z powodu rozszerzania się gazów w cylindrze 9 podczas spalania paliwa, tłoki 5 zaczynają się rozchodzić w przeciwnych kierunkach. W tym przypadku tłoki 10, sztywno połączone z tłokami 5, sprężają powietrze we wnękach buforowych 1. Jednocześnie poprzez zawory 3 powietrze atmosferyczne zasysane jest do wnęk 2 sprężarki. Następnie, gdy tylko tłok 5 otwiera okienka wylotowe 8, gazy z cylindra diesla są uwalniane do odbiornika wyrównawczego 12, skąd mieszanina gazów z powietrzem przepłukującym kierowana jest do turbiny 13. Moc wytworzona przez turbinę jest prawie w całości przekazywana do odbiornik 14. Aby ponownie zbliżyć tłoki do siebie, wykorzystuje się energię sprężonego powietrza znajdującego się we wnękach buforowych 1. Następnie cykl się powtarza.

Efektywność GTU przy LNG wynosi 30...35%, a czasami ponad 40%. Ich wysoką wydajność tłumaczy się dużą różnicą temperatur, z jaką realizowany jest proces roboczy. Najwyższą temperaturą jest temperatura spalania paliwa w cylindrze „diesel” (ok. 1800°C), a najniższą temperatura gazów wydobywających się z turbiny (200...300°C).

Turbiny gazowe z SGNG są stosowane na niektórych statkach, lokomotywach i obiektach stacjonarnych do różnych celów.

Główną wadą zespołów turbin gazowych z SLNG jest pewna złożoność i niedoskonałość samego SLNG. Zmniejsza to znacząco niezawodność i trwałość ich działania, a w efekcie ogranicza tempo i skalę ich realizacji.

Powiązana informacja.