Turbinat me avull dhe gaz: qëllimi, parimi i funksionimit, dizajnet, karakteristikat teknike, veçoritë e funksionimit. Llojet e turbinave me gaz Si funksionon një turbinë me gaz

Një turbinë me gaz, si një motor nxehtësie, kombinon tiparet karakteristike të një turbine me avull dhe një motori me djegie të brendshme, në të cilin energjia e karburantit gjatë djegies së tij shndërrohet drejtpërdrejt në punë mekanike. Lëngu i punës i turbinave me gaz që funksionon në një cikël të hapur është produktet e djegies së karburantit, dhe lëngu i punës i turbinave me gaz që funksionojnë në një cikël të mbyllur është ajri i pastër ose gazi që qarkullon vazhdimisht në sistem. Në anije përdoren njësitë e turbinave me gaz (GTU) që funksionojnë në një cikël të hapur, me djegie të karburantit me presion konstant (p = const) dhe GTU që funksionojnë në një cikël të mbyllur.

Aktualisht, turbinat me gaz të anijeve janë dy llojesh: 1) turbokompresor dhe 2) me gjeneratorë gazi me piston të lirë (LPGG).

Një diagram i instalimit më të thjeshtë të turbinës me gaz turbokompresor që funksionon me presion konstant të djegies së karburantit është paraqitur në Fig. 101. Kompresori 9 thith ajrin e pastër atmosferik, e ngjesh atë në presion të lartë dhe e dërgon atë përmes kanalit të ajrit3 në dhomën e djegies 2, ku njëkohësisht përmes grykës1 furnizohet me karburant. Karburanti, kur përzihet me ajrin, formon një përzierje pune, e cila digjet kurR = konst. Produktet e djegies që rezultojnë ftohen nga ajri dhe drejtohen në rrugën e rrjedhës së turbinës. Në tehet e palëvizshme 4, produktet e djegies zgjerohen dhe me shpejtësi të lartë hyjnë në tehet e punës 5, ku energjia kinetike e rrjedhës së gazit shndërrohet në punë mekanike të rrotullimit të boshtit. Nëpërmjet tubit 6, gazrat e shkarkimit largohen nga turbina. Turbina me gaz rrotullon kompresorin 9 dhe përmes kutisë së shpejtësisë7 helika 8. Për të nisur instalimin, përdoret një motor fillestar 10, i cili rrotullon kompresorin në një shpejtësi minimale të rrotullimit.

E njëjta figurë tregon ciklin teorik të njësisë së konsideruar të turbinës me gaz në koordinatat p - ? DheS - T: AB - procesi i kompresimit të ajrit në kompresor; BC-djegia e karburantit me presion konstant në dhomën e djegies; SD - zgjerimi i gazit në turbinë, PO - heqja e nxehtësisë nga gazrat e shkarkimit.

Për të rritur efikasitetin e funksionimit të turbinës me gaz, përdoret ngrohja rigjeneruese e ajrit që hyn në dhomën e djegies ose djegia në faza e karburantit në disa dhoma të njëpasnjëshme djegieje që shërbejnë për turbina individuale. Për shkak të kompleksitetit të projektimit, djegia në faza përdoret rrallë. Për të rritur efikasitetin efektiv të instalimit, së bashku me rigjenerimin, përdoret ngjeshja e ajrit me dy faza, ndërsa midis kompresorëve është përfshirë një ndërftohës ajri, i cili redukton fuqinë e kërkuar të kompresorit me presion të lartë.

Në Fig. 102 tregon një diagram të instalimit më të thjeshtë të turbinës me gaz me djegie të karburantit nëR = konsumi dhe rikuperimi i nxehtësisë. Ajri i ngjeshur në një kompresor1 , kalon përmes rigjeneratorit 2 në dhomën e djegies3 , ku nxehet nga nxehtësia e gazrave të shkarkimit duke lënë turbinën 4 në një temperaturë relativisht të lartë. Cikli aktual i këtij instalimi tregohet në diagramin S-T (Fig. 103): procesi i kompresimit të ajrit në kompresor1 - 2 ; Ngrohja e ajrit në rigjenerues, e shoqëruar me një rënie të presionit ngaR 2 përparaR 4 2 - 3; furnizimi me nxehtësi gjatë djegies së karburantit 3 - 4; procesi aktual i zgjerimit të gazit në turbina4-5 ; ftohja e gazrave në rigjenerator, e shoqëruar me humbje të presionit p 5 -R 1 5-6; çlirimi i gazrave - heqja e nxehtësisë6-1 . Sasia e nxehtësisë së marrë nga ajri në rigjenerator përfaqësohet nga një sipërfaqe prej 2"-2-3-3", dhe sasia e nxehtësisë që lëshohet nga gazrat e shkarkimit në rigjenerator përfaqësohet nga një sipërfaqe prej 6"-6-5-5". Këto zona janë të barabarta me njëra-tjetrën.

Në një njësi turbine me gaz me cikël të mbyllur, lëngu i punës i shpenzuar nuk hyn në atmosferë, por pas ftohjes paraprake ai dërgohet përsëri në kompresor. Rrjedhimisht, një lëng pune që nuk është i ndotur me produkte të djegies qarkullon në cikël. Kjo përmirëson kushtet e funksionimit të pjesëve të rrjedhës së turbinës, duke rezultuar në rritjen e besueshmërisë së instalimit dhe një rritje të jetës së tij të shërbimit. Produktet e djegies nuk përzihen me lëngun e punës dhe për këtë arsye çdo lloj karburanti është i përshtatshëm për djegie.

Në Fig. Figura 104 tregon një diagram skematik të një njësie turbine me gaz detar me cikël të mbyllur në të gjitha mënyrat. Ajri pas ftohjes paraprake në ftohësin e ajrit 4 hyn në kompresor5 , e cila drejtohet nga një turbinë me presion të lartë7 . Ajri nga kompresori drejtohet në rigjenerues3 , dhe më pas në ngrohësin e ajrit 6, i cili kryen të njëjtin rol si dhoma e djegies në instalimet e tipit të hapur. Nga ngrohësi i ajrit, ajri i punës në një temperaturë prej 700 ° C hyn në turbinën me presion të lartë7 i cili rrotullon kompresorin dhe më pas në turbinën me presion të ulët2 , e cila përmes kutisë së shpejtësisë1 drejton helikën me hap të rregullueshëm. Motori elektrik i nisjes 8 është projektuar për të nisur instalimin në punë. Disavantazhet e turbinave me gaz me cikël të mbyllur përfshijnë madhësinë e shkëmbyesve të nxehtësisë.

Me interes të veçantë janë njësitë e turbinave me gaz me cikël të mbyllur me një reaktor bërthamor. Në këto instalime, heliumi, azoti dhe dioksidi i karbonit përdoren si lëng pune i turbinave me gaz (ftohës). Këto gaze nuk aktivizohen në një reaktor bërthamor. Gazi i ndezur në reaktor në një temperaturë të lartë dërgohet drejtpërdrejt për të punuar në një turbinë me gaz.

Përparësitë kryesore të turbinave me gaz në krahasim me turbinat me avull janë: pesha dhe dimensionet e ulëta, pasi nuk ka dhomë bojler dhe njësi kondensimi me mekanizma dhe pajisje ndihmëse; fillimi i shpejtë dhe zhvillimi i fuqisë së plotë brenda 10-15 minutave\ konsumi shumë i ulët i ujit ftohës; lehtësinë e mirëmbajtjes.

Përparësitë kryesore të turbinave me gaz në krahasim me motorët me djegie të brendshme janë: mungesa e një mekanizmi fiksimi dhe forcat inerciale të shoqëruara; pesha e ulët dhe dimensionet me fuqi të lartë (turbinat me gaz janë 2-2,5 herë më të lehta në peshë dhe 1,5-2 herë më të shkurtra në gjatësi se motorët me naftë); mundësia e punës në karburant të shkallës së ulët; kosto më të ulëta operative. Disavantazhet e turbinave me gaz janë si më poshtë: jetë e shkurtër e shërbimit në temperatura të larta të gazit (për shembull, në një temperaturë gazi prej 1173 ° K, jeta e shërbimit është 500-1000 orë); efikasitet më i ulët se motorët me naftë; zhurmë të konsiderueshme gjatë funksionimit.

Aktualisht, turbinat me gaz përdoren si motorët kryesorë të anijeve të transportit detar. Në disa raste, turbinat me gaz me fuqi të ulët përdoren për të drejtuar pompat, gjeneratorët elektrikë të emergjencës, kompresorët e ngarkimit ndihmës, etj. Turbinat me gaz janë me interes të veçantë si motorë kryesorë për anijet me hidrofoil dhe hovercraft.

"Turbocharging", "turbojet", "turboprop" - këto terma kanë hyrë fort në fjalorin e inxhinierëve të shekullit të 20-të të përfshirë në projektimin dhe mirëmbajtjen e automjeteve dhe instalimeve elektrike të palëvizshme. Ato madje përdoren në fusha të ngjashme dhe në reklama, kur duan t'i japin emrit të produktit një aluzion të fuqisë dhe efikasitetit të veçantë. Turbina me gaz përdoret më shpesh në aviacion, raketa, anije dhe termocentrale. Si është strukturuar? A funksionon me gaz natyror (siç mund të mendoni nga emri), dhe çfarë lloje gazi janë ato? Si ndryshon një turbinë nga llojet e tjera të motorëve me djegie të brendshme? Cilat janë avantazhet dhe disavantazhet e tij? Një përpjekje për t'iu përgjigjur këtyre pyetjeve sa më plotësisht të jetë e mundur është bërë në këtë artikull.

Udhëheqësi rus i inxhinierisë UEC

Rusia, ndryshe nga shumë shtete të tjera të pavarura të formuara pas rënies së BRSS, arriti të ruajë në masë të madhe industrinë e ndërtimit të makinerive. Në veçanti, kompania Saturn është e angazhuar në prodhimin e termocentraleve me qëllime të veçanta. Turbinat me gaz të kompanisë përdoren në ndërtimin e anijeve, industrinë e lëndëve të para dhe sektorin e energjisë. Produktet janë të teknologjisë së lartë; ato kërkojnë një qasje të veçantë gjatë instalimit, korrigjimit dhe funksionimit, si dhe njohuri të veçanta dhe pajisje të shtrenjta për mirëmbajtjen rutinë. Të gjitha këto shërbime janë në dispozicion të klientëve të kompanisë “UEC – Gas Turbines”, siç quhet sot. Nuk ka aq shumë ndërmarrje të tilla në botë, megjithëse parimi i produktit kryesor është i thjeshtë në shikim të parë. Përvoja e akumuluar ka një rëndësi të madhe, duke na lejuar të marrim parasysh shumë hollësi teknologjike, pa të cilat është e pamundur të arrihet funksionimi i qëndrueshëm dhe i besueshëm i njësisë. Këtu është vetëm një pjesë e gamës së produkteve të UEC: turbinat me gaz, termocentralet, njësitë e pompimit të gazit. Ndër klientët janë Rosatom, Gazprom dhe "balena" të tjera të industrisë kimike dhe energjisë.

Prodhimi i makinerive të tilla komplekse kërkon një qasje individuale në secilin rast. Llogaritja e një turbine me gaz aktualisht është plotësisht e automatizuar, por materialet dhe veçoritë e diagrameve të instalimit kanë rëndësi në çdo rast individual.

Dhe gjithçka filloi kaq thjesht ...

Kërkime dhe çifte

Njerëzimi kreu eksperimentet e para në shndërrimin e energjisë përkthimore të një rrjedhe në forcë rrotulluese në kohët e lashta, duke përdorur një rrotë të zakonshme uji. Gjithçka është jashtëzakonisht e thjeshtë, lëngu rrjedh nga lart poshtë, dhe tehet vendosen në rrjedhën e tij. Rrota, e pajisur me to rreth perimetrit, rrotullohet. Një mulli me erë punon në të njëjtën mënyrë. Pastaj erdhi epoka e avullit dhe rrotullimi i rrotës u përshpejtua. Nga rruga, i ashtuquajturi "aeolipil", i shpikur nga Heroni i lashtë grek rreth 130 vjet para lindjes së Krishtit, ishte një motor me avull që funksiononte pikërisht në këtë parim. Në thelb, ishte turbina e parë me gaz e njohur për shkencën historike (në fund të fundit, avulli është një gjendje e gaztë e grumbullimit të ujit). Sot është ende zakon të ndajmë këto dy koncepte. Në atë kohë në Aleksandri ata reaguan ndaj shpikjes së Heronit pa shumë entuziazëm, megjithëse me kuriozitet. Pajisjet industriale të tipit turbinë u shfaqën vetëm në fund të shekullit të 19-të, pas krijimit nga suedezi Gustaf Laval të njësisë së parë të energjisë aktive në botë të pajisur me një hundë. Inxhinieri Parsons punoi afërsisht në të njëjtin drejtim, duke e pajisur makinën e tij me disa faza të lidhura funksionalisht.

Lindja e turbinave me gaz

Një shekull më parë, një farë John Barber doli me një ide të shkëlqyer. Pse duhet të ngrohni avullin fillimisht? A nuk është më e lehtë të përdorni drejtpërdrejt gazin e shkarkimit të krijuar gjatë djegies së karburantit dhe në këtë mënyrë të eliminoni ndërmjetësimin e panevojshëm në procesin e konvertimit të energjisë? Kështu doli turbina e parë e vërtetë me gaz. Patenta e 1791 përshkruan idenë bazë për përdorim në një karrocë pa kuaj, por elementët e saj përdoren sot në motorët modernë të raketave, tankeve të avionëve dhe automobilave. Procesi i ndërtimit të motorit reaktiv filloi në vitin 1930 nga Frank Whittle. Ai lindi me idenë e përdorimit të një turbine për të shtyrë një aeroplan. Më pas, ajo u zhvillua në projekte të shumta turboprop dhe turbojet.

Turbina me gaz Nikola Tesla

Shkencëtari-shpikës i famshëm gjithmonë iu qaset çështjeve që studionte në mënyrë jo standarde. Të gjithëve iu duk e qartë se rrotat me lopata ose lopata "kapin" lëvizjen e mediumit më mirë se objektet e sheshta. Tesla, në mënyrën e tij karakteristike, vërtetoi se nëse montoni një sistem rotori nga disqe të rregulluar në mënyrë sekuenciale në bosht, atëherë për shkak të rrjedhës së gazit që merr shtresat kufitare, ai nuk do të rrotullohet më keq, dhe në disa raste edhe më mirë, sesa një helikë me shumë tehe. Vërtetë, drejtimi i mediumit lëvizës duhet të jetë tangjencial, gjë që nuk është gjithmonë e mundur ose e dëshirueshme në njësitë moderne, por dizajni është thjeshtuar ndjeshëm - nuk kërkon fare tehe. Një turbinë me gaz sipas skemës së Teslës nuk është ende duke u ndërtuar, por ndoshta ideja thjesht po pret kohën e saj.

Diagram skematik

Tani për strukturën bazë të makinës. Është një kombinim i një sistemi rrotullues të montuar në një bosht (rotor) dhe një pjesë të palëvizshme (stator). Një disk me tehe pune vendoset në bosht, duke formuar një grilë koncentrike; ato janë të ekspozuara ndaj gazit të furnizuar nën presion përmes grykave speciale. Gazi i zgjeruar më pas hyn në shtytësin, i cili gjithashtu është i pajisur me tehe të quajtur punëtorë. Tuba specialë përdoren për marrjen e përzierjes ajër-karburant dhe daljen (shterin). Një kompresor është gjithashtu i përfshirë në skemën e përgjithshme. Mund të bëhet sipas parimeve të ndryshme, në varësi të presionit të kërkuar të funksionimit. Për ta përdorur atë, një pjesë e energjisë merret nga boshti dhe përdoret për të kompresuar ajrin. Një turbinë me gaz funksionon përmes procesit të djegies së një përzierjeje ajër-karburant, i shoqëruar nga një rritje e konsiderueshme e vëllimit. Boshti rrotullohet, energjia e tij mund të përdoret në mënyrë të dobishme. Një qark i tillë quhet një qark, por nëse përsëritet, atëherë ai konsiderohet shumëfazor.

Përparësitë e turbinave të avionëve

Rreth mesit të viteve pesëdhjetë, u shfaq një gjeneratë e re avionësh, duke përfshirë avionë pasagjerësh (në BRSS këto ishin Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124, etj.), në projektet në të cilat motorët me piston të avionëve u zëvendësuan përfundimisht dhe në mënyrë të pakthyeshme nga motorët turbina. Kjo tregon efikasitetin më të madh të këtij lloji të termocentralit. Karakteristikat e një turbine me gaz janë më të larta se ato të motorëve me karburator në shumë aspekte, veçanërisht në raportin fuqi/peshë, i cili është i një rëndësie të madhe për aviacionin, si dhe në treguesit po aq të rëndësishëm të besueshmërisë. Konsum më i ulët i karburantit, më pak pjesë lëvizëse, parametra më të mirë mjedisorë, zhurmë dhe dridhje të reduktuara. Turbinat janë më pak kritike për cilësinë e karburantit (gjë që nuk mund të thuhet për sistemet e karburantit), ato janë më të lehta për t'u mirëmbajtur dhe nuk kërkojnë aq shumë vaj lubrifikues. Në përgjithësi, në shikim të parë duket se ato nuk janë prej metali, por me avantazhe të forta. Mjerisht, kjo nuk është e vërtetë.

Motorët me turbina me gaz kanë gjithashtu disavantazhe.

Turbina me gaz nxehet gjatë funksionimit dhe transferon nxehtësinë në elementët strukturorë përreth. Kjo është veçanërisht kritike, përsëri, në aviacion, kur përdorni një skemë të modifikuar të paraqitjes që përfshin larjen e pjesës së poshtme të njësisë së bishtit me një rrymë avion. Dhe vetë strehimi i motorit kërkon izolim të veçantë termik dhe përdorimin e materialeve speciale zjarrduruese që mund t'i rezistojnë temperaturave të larta.

Ftohja e turbinave me gaz është një sfidë komplekse teknike. Nuk është shaka, ato funksionojnë në një mënyrë shpërthimi praktikisht të përhershëm që ndodh në trup. Efikasiteti në disa mënyra është më i ulët se ai i motorëve me karburator; megjithatë, kur përdorni një qark me qark të dyfishtë, kjo pengesë eliminohet, megjithëse dizajni bëhet më i ndërlikuar, siç është rasti kur kompresorët "përforcues" përfshihen në qark. Përshpejtimi i turbinave dhe arritja e modalitetit të funksionimit kërkon pak kohë. Sa më shpesh të fillojë dhe të ndalet njësia, aq më shpejt konsumohet.

Aplikimi i saktë

Epo, asnjë sistem nuk është pa të metat e tij. Është e rëndësishme të gjesh një përdorim për secilën prej tyre në të cilin do të tregohen më qartë avantazhet e tij. Për shembull, tanke të tilla si American Abrams, termocentrali i të cilit bazohet në një turbinë me gaz. Mund të mbushet me çdo gjë që digjet, nga benzina me oktan të lartë deri te uiski, dhe prodhon fuqi të madhe. Shembulli mund të mos jetë shumë i suksesshëm, pasi përvoja në Irak dhe Afganistan ka treguar cenueshmërinë e teheve të kompresorit ndaj rërës. Turbinat me gaz duhet të riparohen në SHBA, në fabrikën e prodhimit. Për të marrë rezervuarin atje, pastaj mbrapa, dhe koston e vetë mirëmbajtjes plus komponentët...

Më pak nga bllokimet vuajnë helikopterët, rusë, amerikanë dhe vende të tjera, si dhe skafet e fuqishme. Raketat e lëngshme nuk mund të bëjnë pa to.

Luftanijet moderne dhe anijet civile kanë gjithashtu motorë me turbina me gaz. Dhe gjithashtu energji.

Termocentralet me tri gjeneratorë

Problemet me të cilat përballen prodhuesit e avionëve nuk janë aq shqetësuese për ata që prodhojnë pajisje industriale për prodhimin e energjisë elektrike. Në këtë rast, pesha nuk është më aq e rëndësishme dhe mund të fokusoheni në parametra të tillë si efikasiteti dhe efikasiteti i përgjithshëm. Njësitë e gjeneratorëve të turbinave me gaz kanë një kornizë masive, një kornizë të besueshme dhe tehe më të trasha. Është mjaft e mundur të përdoret nxehtësia e krijuar, duke e përdorur atë për nevoja të ndryshme - nga riciklimi sekondar në vetë sistem, deri te ngrohja e ambienteve shtëpiake dhe furnizimi termik i njësive ftohëse të tipit absorbues. Kjo qasje quhet trigjenerator, dhe efikasiteti në këtë mënyrë i afrohet 90%.

Centralet bërthamore

Për një turbinë me gaz, nuk ka asnjë ndryshim thelbësor se cili është burimi i mjetit të nxehtë që i jep energjinë e tij teheve të tij. Kjo mund të jetë një përzierje e djegur ajër-karburant, ose thjesht avull i mbinxehur (jo domosdoshmërisht ujë), gjëja kryesore është se siguron furnizim të pandërprerë me energji elektrike. Në thelbin e tyre, termocentralet e të gjitha termocentraleve bërthamore, nëndetëseve, aeroplanmbajtësve, akullthyesve dhe disa anijeve ushtarake sipërfaqësore (për shembull, kryqëzori i raketave Pjetri i Madh) bazohen në një turbinë me gaz (GTU) që rrotullohet me avull. Çështjet e sigurisë dhe mjedisit diktojnë një qark parësor të mbyllur. Kjo do të thotë që agjenti termik primar (në mostrat e para këtë rol e luante plumbi, tani ai është zëvendësuar nga parafina) nuk largohet nga zona e reaktorit, duke rrjedhur rreth elementëve të karburantit në një rreth. Substanca e punës nxehet në qarqet pasuese dhe dioksidi i karbonit, heliumi ose azoti i avulluar rrotullon rrotën e turbinës.

Aplikim i gjerë

Instalimet komplekse dhe të mëdha janë pothuajse gjithmonë unike; ato prodhohen në grupe të vogla ose bëhen edhe kopje të vetme. Më shpesh, njësitë e prodhuara në sasi të mëdha përdoren në sektorë paqësorë të ekonomisë, për shembull, për pompimin e lëndëve të para hidrokarbure përmes tubacioneve. Janë pikërisht këto të prodhuara nga kompania ODK nën markën Saturn. Turbinat e gazit të stacioneve të pompimit korrespondojnë plotësisht me emrin e tyre. Ata në fakt pompojnë gazin natyror, duke përdorur energjinë e tij për punën e tyre.

Parimi i funksionimit të njësive të turbinave me gaz

Fig.1. Skema e një njësie turbine me gaz me një motor turbinë me gaz me një bosht të një cikli të thjeshtë

Ajri i pastër furnizohet me kompresorin (1) të njësisë së fuqisë së turbinës me gaz. Nën presion të lartë, ajri nga kompresori drejtohet në dhomën e djegies (2), ku furnizohet karburanti kryesor, gazi. Përzierja ndizet. Kur një përzierje gaz-ajër digjet, energjia gjenerohet në formën e një rryme gazesh të nxehtë. Kjo rrjedhë nxiton me shpejtësi të lartë mbi shtytësin e turbinës (3) dhe e rrotullon atë. Energjia kinetike rrotulluese përmes boshtit të turbinës drejton kompresorin dhe gjeneratorin elektrik (4). Nga terminalet e gjeneratorit elektrik, energjia elektrike e prodhuar, zakonisht nëpërmjet një transformatori, dërgohet në rrjetin elektrik, tek konsumatorët e energjisë.

Turbinat me gaz përshkruhen nga cikli termodinamik Brayton. Cikli Brayton/Joule është një cikël termodinamik që përshkruan proceset e funksionimit të motorëve me djegie të brendshme me turbina me gaz, turbojet dhe ramjet, si dhe motorët me djegie të jashtme me turbina me gaz me një qark të mbyllur të një gazi. lëng pune (njëfazor).

Cikli është emëruar pas inxhinierit amerikan George Brayton, i cili shpiku një motor me djegie të brendshme pistoni që funksiononte në këtë cikël.

Ndonjëherë ky cikël quhet edhe cikli Joule - për nder të fizikanit anglez James Joule, i cili vendosi ekuivalentin mekanik të nxehtësisë.

Fig.2. Diagrami P,V i ciklit Brayton

Cikli ideal Brayton përbëhet nga proceset e mëposhtme:

• 1-2 Kompresimi izoentropik.
• 2-3 Furnizimi me nxehtësi izobarike.
• 3-4 Zgjerimi izoentropik.
• 4-1 Heqja e nxehtësisë izobare.

Duke marrë parasysh ndryshimet midis proceseve reale adiabatike të zgjerimit dhe ngjeshjes nga ato isentropike, ndërtohet një cikël i vërtetë Brayton (1-2p-3-4p-1 në diagramin T-S) (Fig. 3)

Fig.3. Diagrami T-S i ciklit Brayton
E përsosur (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Efikasiteti termik i një cikli ideal Brayton zakonisht shprehet me formulën:

• ku P = p2 / p1 është shkalla e rritjes së presionit në procesin e kompresimit isentropik (1-2);
• k - indeksi adiabatik (për ajrin e barabartë me 1.4)

Duhet të theksohet veçanërisht se kjo metodë e pranuar përgjithësisht e llogaritjes së efikasitetit të ciklit errëson thelbin e procesit që po zhvillohet. Efikasiteti kufizues i një cikli termodinamik llogaritet përmes raportit të temperaturës duke përdorur formulën Carnot:

• ku T1 është temperatura e frigoriferit;
• T2 - temperatura e ngrohësit.

Saktësisht i njëjti raport i temperaturës mund të shprehet përmes madhësisë së raporteve të presionit të përdorur në cikël dhe indeksit adiabatik:

Kështu, efikasiteti i ciklit Brayton varet nga temperaturat fillestare dhe përfundimtare të ciklit në të njëjtën mënyrë si efikasiteti i ciklit Carnot. Me një ngrohje pafundësisht të vogël të lëngut të punës përgjatë vijës (2-3), procesi mund të konsiderohet izotermik dhe plotësisht i barabartë me ciklin Carnot. Sasia e ngrohjes së lëngut të punës T3 gjatë një procesi izobarik përcakton sasinë e punës që lidhet me sasinë e lëngut punues të përdorur në cikël, por nuk ndikon në asnjë mënyrë në efikasitetin termik të ciklit. Megjithatë, në zbatimin praktik të ciklit, ngrohja kryhet zakonisht në vlerat më të larta të mundshme, e kufizuar nga rezistenca ndaj nxehtësisë së materialeve të përdorura, për të minimizuar madhësinë e mekanizmave që ngjeshin dhe zgjerojnë lëngun e punës.

Në praktikë, fërkimi dhe turbulenca shkaktojnë:

• Kompresimi jo-adiabatik: Për një raport të caktuar presioni të përgjithshëm, temperatura e shkarkimit të kompresorit është më e lartë se idealja.
• Zgjerimi jo-adiabatik: Megjithëse temperatura e turbinës bie në nivelin e kërkuar për funksionimin, kompresori nuk ndikohet, raporti i presionit është më i lartë, duke rezultuar në zgjerim të pamjaftueshëm për të siguruar funksionim të dobishëm.
• Humbjet e presionit në hyrjen e ajrit, dhomën e djegies dhe daljen: si rezultat, zgjerimi nuk është i mjaftueshëm për të siguruar funksionim të dobishëm.

Ashtu si me të gjithë motorët me nxehtësi ciklike, sa më e lartë të jetë temperatura e djegies, aq më i lartë është efikasiteti. Faktori kufizues është aftësia e çelikut, nikelit, qeramikës ose materialeve të tjera që përbëjnë motorin për t'i bërë ballë nxehtësisë dhe presionit. Shumë inxhinieri shkon në heqjen e nxehtësisë nga pjesët e turbinës. Shumica e turbinave gjithashtu përpiqen të rikuperojnë nxehtësinë nga gazrat e shkarkimit që përndryshe do të shpërdoroheshin.

Rekuperatorët janë shkëmbyes nxehtësie që transferojnë nxehtësinë nga gazrat e shkarkimit në ajrin e kompresuar përpara djegies. Në ciklin e kombinuar, nxehtësia transferohet në sistemet e turbinave me avull. Dhe në prodhimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë (kogjenerimi), nxehtësia e mbetur përdoret për të prodhuar ujë të nxehtë.

Mekanikisht, turbinat me gaz mund të jenë dukshëm më të thjeshta se motorët me djegie të brendshme me piston. Turbinat e thjeshta mund të kenë një pjesë lëvizëse: boshtin / kompresorin / turbinën / montimin e rotorit alternativ (shih figurën më poshtë), duke mos përfshirë sistemin e karburantit.

Fig.4. Kjo makinë ka një kompresor radial me një fazë,
turbina, rekuperatori dhe kushinetat e ajrit.

Turbinat më komplekse (ato të përdorura në motorët modernë të avionëve) mund të kenë boshte të shumëfishta (mbështjellje), qindra tehe turbinash, fletë statori lëvizëse dhe një sistem të gjerë tubacionesh komplekse, dhoma me djegie dhe shkëmbyes nxehtësie.

Në përgjithësi, sa më i vogël të jetë motori, aq më e lartë është shpejtësia e boshtit(ave) e nevojshme për të ruajtur shpejtësinë maksimale lineare të tehuve.

Shpejtësia maksimale e fletëve të turbinës përcakton presionin maksimal që mund të arrihet, duke rezultuar në fuqinë maksimale, pavarësisht nga madhësia e motorit. Motori reaktiv rrotullohet me rreth 10,000 rpm dhe mikroturbina me rreth 100,000 rpm.



Turbinë me avull. Përpjekjet për të projektuar një turbinë me avull të aftë për të konkurruar me një motor me avull deri në mesin e shekullit të 19-të. ishin të pasuksesshme, pasi vetëm një pjesë e vogël e energjisë kinetike të avullit mund të shndërrohej në energji mekanike të rrotullimit të turbinës. Çështja është se shpikësit

nuk ka marrë parasysh varësinë e efikasitetit të turbinës nga raporti i shpejtësisë së avullit dhe shpejtësisë lineare të fletëve të turbinës.

Le të zbulojmë se në çfarë raporti të shpejtësisë së rrymës së gazit dhe shpejtësisë lineare të tehut të turbinës do të ndodhë transferimi më i plotë i energjisë kinetike të rrymës së gazit në tehun e turbinës (Fig. 36). Kur energjia kinetike e avullit transferohet plotësisht në tehun e turbinës, shpejtësia e avionit në raport me Tokën duhet të jetë e barabartë me zero, d.m.th.

Në një kornizë referimi që lëviz me shpejtësi, shpejtësia e avionit është e barabartë me: .

Meqenëse në këtë kornizë referimi tehu është i palëvizshëm në momentin e ndërveprimit me rrymën, shpejtësia e avionit pas reflektimit elastik mbetet e pandryshuar në madhësi, por ndryshon drejtimin në të kundërtën:

Duke shkuar përsëri në kornizën e referencës të lidhur me Tokën, marrim shpejtësinë e avionit pas reflektimit:

Që atëherë

Ne zbuluam se transferimi i plotë i energjisë kinetike të avullit në turbinë do të ndodhë me kusht që shpejtësia lineare e lëvizjes së fletëve të turbinës të jetë sa gjysma e shpejtësisë së avullit Turbina e parë me avull që gjeti aplikim praktik u prodhua nga inxhinieri suedez Gustav Laval në 1889. Fuqia e tij ishte më e ulët në shpejtësinë e rrotullimit rpm

Oriz. 36. Transferimi i energjisë kinetike të një rryme avulli në një teh turbine

Shpejtësia e lartë e rrjedhës së gazit edhe në rënie mesatare të presionit, që arrin afërsisht 1200 m/s, kërkon që fletët e turbinës të kenë një shpejtësi lineare prej rreth 600 m/s për funksionim efikas. Për rrjedhojë, për të arritur vlera të larta efikasiteti, turbina duhet të jetë me shpejtësi të lartë. Është e lehtë të llogaritet forca inerciale që vepron në një teh turbine që peshon 1 kg, e vendosur në buzën e rotorit me një rreze prej 1 m, me një shpejtësi teh prej 600 m/s:

Shfaqet një kontradiktë thelbësore: që turbina të funksionojë ekonomikisht, kërkohen shpejtësi supersonike të rotorit, por në shpejtësi të tilla turbina do të shkatërrohet nga forcat inerciale. Për të zgjidhur këtë kontradiktë, është e nevojshme të projektohen turbina që rrotullohen me një shpejtësi më të vogël se optimale, por për të shfrytëzuar plotësisht energjinë kinetike të avullit të avullit, t'i bëjnë ato shumëfazore, duke vendosur disa rotorë me diametër në rritje në një bosht të përbashkët. Për shkak të shpejtësisë së pamjaftueshme të rrotullimit të turbinës, avulli transferon vetëm një pjesë të energjisë së tij kinetike në rotorin me diametër më të vogël. Pastaj avulli i shteruar në fazën e parë drejtohet në rotorin e dytë me diametër më të madh, duke i dhënë tehut të tij një pjesë të energjisë kinetike të mbetur etj. Avulli i shkarkimit kondensohet në kondensatorin ftohës dhe uji i ngrohtë dërgohet në kazan. .

Cikli i instalimit të turbinës me avull është paraqitur në koordinata në figurën 37. Në bojler, lëngu i punës merr një sasi nxehtësie, nxehet dhe zgjerohet me presion konstant (izobar AB). Në turbinë, avulli zgjerohet në mënyrë adiabatike (adiabat BC), duke kryer punë për të rrotulluar rotorin. Në një ftohës kondensator, të larë, për shembull, nga uji i lumit, avulli transferon nxehtësinë në ujë dhe kondensohet me presion konstant. Ky proces korrespondon me një izobar. Uji i ngrohtë nga kondensuesi derdhet në kazan. Ky proces i përgjigjet një izokore.Siç shihet, cikli i impiantit të turbinës me avull është i mbyllur. Puna e bërë nga avulli në një cikël është numerikisht e barabartë me sipërfaqen e figurës ABCD.

Turbinat moderne me avull kanë efikasitet të lartë të konvertimit kinetik

Oriz. 37. Diagrami i ciklit të funksionimit të një impianti turbinash me avull

energjia e avullit të avullit në energji mekanike, pak më shumë se 90%. Prandaj, gjeneratorët elektrikë të pothuajse të gjitha termocentraleve dhe termocentraleve bërthamore në botë, duke siguruar më shumë se 80% të të gjithë energjisë elektrike të prodhuar, drejtohen nga turbinat me avull.

Meqenëse temperatura e avullit të përdorur në impiantet moderne të turbinave me avull nuk kalon 580 C (temperatura e ngrohësit), dhe temperatura e avullit në daljen e turbinës zakonisht nuk është më e ulët se 30 ° C (temperatura e frigoriferit), vlera maksimale e efikasitetit të një impiant turbinash me avull si një motor ngrohjeje është:

dhe vlerat aktuale të efikasitetit të termocentraleve të kondensimit të turbinave me avull arrijnë vetëm rreth 40%.

Fuqia e njësive moderne të fuqisë bojler-turbinë-gjenerator arrin kW. Në radhë të radhës në Planin e 10-të Pesëvjeçar është ndërtimi i njësive të energjisë me kapacitet deri në kW.

Motorët me turbina me avull përdoren gjerësisht në transportin e ujit. Megjithatë, përdorimi i tyre në transportin tokësor dhe veçanërisht në aviacion pengohet nga nevoja për të pasur një kuti zjarri dhe një bojler për gjenerimin e avullit, si dhe një sasi të madhe uji për përdorim si lëng pune.

Turbinat me gaz. Ideja e eliminimit të furrës dhe bojlerit në një motor ngrohje me një turbinë duke lëvizur vendin e djegies së karburantit në vetë lëngun e punës ka pushtuar prej kohësh projektuesit. Por zhvillimi i turbinave të tilla me djegie të brendshme, në të cilat lëngu i punës nuk është avulli, por ajri që zgjerohet nga ngrohja, u pengua nga mungesa e materialeve të afta të funksionojnë për një kohë të gjatë në temperatura të larta dhe ngarkesa të larta mekanike.

Instalimi i turbinës me gaz përbëhet nga një kompresor ajri 1, dhomat e djegies 2 dhe një turbinë me gaz 3 (Fig. 38). Kompresori përbëhet nga një rotor i montuar në të njëjtin aks me turbinën dhe një lopatë udhëzuese fikse.

Kur turbina funksionon, rotori i kompresorit rrotullohet. Tehet e rotorit janë të formuara në atë mënyrë që kur rrotullohen, presioni para kompresorit zvogëlohet dhe pas tij rritet. Ajri thithet në kompresor dhe presioni i tij pas rreshtit të parë të teheve të rotorit rritet. Pas rreshtit të parë të tehuve të rotorit ka një rresht tehe të një lopatë udhëzuese fikse të kompresorit, me ndihmën e së cilës ndryshohet drejtimi i lëvizjes së ajrit dhe sigurohet mundësia e ngjeshjes së tij të mëtejshme duke përdorur tehet e fazës së dytë. i rotorit, etj. Disa faza të teheve të kompresorit sigurojnë rritje të presionit të ajrit me 5-7 herë.

Procesi i kompresimit ndodh në mënyrë adiabatike, kështu që temperatura e ajrit rritet ndjeshëm, duke arritur në 200 °C ose më shumë.

Oriz. 38. Instalimi i turbinave me gaz

Ajri i kompresuar hyn në dhomën e djegies (Fig. 39). Në të njëjtën kohë, karburanti i lëngshëm - vajguri, vaji i karburantit - injektohet në të përmes një hundë nën presion të lartë.

Kur karburanti digjet, ajri, i cili shërben si lëng pune, merr një sasi të caktuar nxehtësie dhe nxehet deri në një temperaturë prej 1500-2200 °C. Ngrohja e ajrit ndodh me presion të vazhdueshëm, kështu që ajri zgjerohet dhe shpejtësia e tij rritet.

Ajri dhe produktet e djegies që lëvizin me shpejtësi të lartë drejtohen në turbinë. Duke lëvizur nga skena në skenë, ata ia japin energjinë e tyre kinetike teheve të turbinës. Një pjesë e energjisë së marrë nga turbina shpenzohet për rrotullimin e kompresorit, dhe pjesa tjetër përdoret, për shembull, për të rrotulluar një helikë aeroplani ose rotorin e një gjeneratori elektrik.

Për të mbrojtur fletët e turbinës nga efekti shkatërrues i një rryme gazi të nxehtë dhe me shpejtësi të lartë në dhomën e djegies

Oriz. 39. Dhoma e djegies

Kompresori pompon dukshëm më shumë ajër sesa është e nevojshme për djegien e plotë të karburantit. Ajri që hyn në dhomën e djegies pas zonës së djegies së karburantit (Fig. 38) ul temperaturën e rrymës së gazit të drejtuar te fletët e turbinës. Një ulje e temperaturës së gazit në një turbinë çon në një ulje të efikasitetit, kështu që shkencëtarët dhe projektuesit po kërkojnë mënyra për të rritur kufirin e sipërm të temperaturës së funksionimit në një turbinë me gaz. Në disa motorë modernë të turbinave me gaz të aviacionit, temperatura e gazit përpara turbinës arrin 1330 °C.

Ajri i shkarkimit së bashku me produktet e djegies me një presion afër atmosferës dhe një temperaturë prej më shumë se 500 °C me një shpejtësi prej më shumë se 500 m/s zakonisht shkarkohet në atmosferë ose, për të rritur efikasitetin, dërgohet në një shkëmbyes nxehtësie. , ku transferon një pjesë të nxehtësisë për të ngrohur ajrin që hyn në dhomën e djegies .

Cikli i funksionimit të një njësie turbine me gaz është paraqitur në figurën 40. Procesi i ngjeshjes së ajrit në kompresor korrespondon me adiabat AB, procesi i ngrohjes dhe zgjerimit në dhomën e djegies - izobari BC. Procesi adiabatik i zgjerimit të gazit të nxehtë në një turbinë përfaqësohet nga seksioni CD, procesi i ftohjes dhe zvogëlimit të vëllimit të lëngut të punës përfaqësohet nga izobari DA.

Efikasiteti i njësive të turbinave me gaz arrin 25-30%. Motorët me turbina me gaz nuk kanë kaldaja me avull të rëndë, si motorët me avull dhe turbinat me avull, dhe nuk kanë pistona dhe mekanizma që konvertojnë lëvizjen reciproke në lëvizje rrotulluese, si motorët me avull dhe motorët me djegie të brendshme. Prandaj, një motor me turbina me gaz zë tre herë më pak hapësirë ​​se një motor dizel me të njëjtën fuqi dhe masa e tij specifike (raporti masë ndaj fuqisë) është 6 deri në 9 herë më pak se ai i një motori pistoni me djegie të brendshme avioni. Kompaktësia dhe shpejtësia, e kombinuar me fuqinë e lartë për njësi të peshës, përcaktuan fushën e parë praktikisht të rëndësishme të aplikimit të motorëve me turbina me gaz - aviacioni.

Avionët me një helikë të montuar në boshtin e një motori turbine me gaz u shfaqën në vitin 1944. Avionë të tillë të famshëm si AN-24, TU-114, IL-18, AN-22 - "Antey" kanë motorë turboprop.

Pesha maksimale e "Antey" në ngritje është 250 ton, kapaciteti mbajtës është 80 ton, ose 720 pasagjerë,

Oriz. 40. Diagrami i ciklit të funksionimit të një impianti me turbina me gaz

shpejtësia 740 km/h, fuqia e secilit prej katër motorëve kW.

Motorët me turbina me gaz kanë filluar të zëvendësojnë motorët me turbina me avull në transportin ujor, veçanërisht në anijet detare. Kalimi nga motorët me naftë në motorët me turbina me gaz bëri të mundur katërfishimin e kapacitetit mbajtës të anijeve me hidrofoil, nga 50 në 200 tonë.

Motorët me turbina me gaz me fuqi 220-440 kW janë instaluar në automjete të rënda. BelAZ-549V 120 tonësh me një motor turbinë me gaz po testohet në industrinë e minierave.

TË DHËNA TË PËRGJITHSHME MBI FUNKSIONIMIN E GTU

Struktura e përgjithshme dhe parimi i funksionimit të njësisë së turbinës me gaz

Një motor me turbinë me gaz është një motor në të cilin një gaz jo i kondensueshëm (ajri dhe produktet e djegies ose gazet neutrale) përdoret si një lëng pune, dhe një turbinë me gaz përdoret si një motor tërheqës.

Termi turbinë vjen nga fjalët latine turbineus - në formë vorbulle, ose turbo - lartë. Një turbinë është një motor në të cilin puna mekanike në boshtin e makinës merret duke konvertuar energjinë kinetike të një avion gazi, i cili, nga ana tjetër, merret si rezultat i konvertimit të energjisë potenciale - energjia e karburantit të djegur në rrjedhën e ajrit. Idetë moderne për shndërrimin e nxehtësisë në punë bazohen në dy parime më të rëndësishme të termodinamikës: pamundësia e krijimit të një makine me lëvizje të përhershme të llojit të parë (pasojë e ligjit të parë të termodinamikës) dhe pamundësia e krijimit të një makine me lëvizje të vazhdueshme. i llojit të dytë, në të cilin nxehtësia do të shndërrohej plotësisht në punë (pasojë e ligjit të dytë të termodinamikës).

Një kusht i domosdoshëm për krijimin e çdo motori termik është prania e një mjedisi material - një lëng pune dhe të paktën dy burime nxehtësie - një burim me temperaturë të lartë (ngrohës), nga i cili marrim nxehtësi për të kthyer një pjesë të tij në punë, dhe një burim me temperaturë të ulët, të cilit i japim një pjesë të të papërdorurit në nxehtësinë e motorit.

Rrjedhimisht, çdo motor ngrohje duhet të përbëhet nga një ngrohës, një makinë zgjerimi, një frigorifer dhe një makinë kompresori. Për më tepër, nëse duam të shndërrojmë vazhdimisht nxehtësinë në punë, atëherë duhet vazhdimisht, së bashku me zgjerimin, të shtypim vazhdimisht lëngun punues dhe në kushte të tilla që puna e ngjeshjes të jetë më e vogël se puna e zgjerimit, d.m.th., lëngu punues duhet kryejnë një proces rrethor. Puna e përftuar në një motor ngrohjeje përcaktohet si diferenca midis punës së zgjerimit dhe ngjeshjes së lëngut punues, dhe nga ana tjetër (sipas ligjit të ruajtjes së energjisë), si diferenca në sasitë absolute të nxehtësisë së furnizuar. dhe u hoq.

Tipari kryesor termodinamik i ndryshimit midis motorëve me djegie të brendshme të pistonit dhe turbinës është veçoritë e zbatimit të proceseve rrethore: në motorët me piston proceset kryesore të ciklit (ngjeshja, furnizimi me nxehtësi, zgjerimi) zëvendësojnë njëra-tjetrën në të njëjtën hapësirë ​​të mbyllur. (sistemi cilindër-piston), dhe në motorët me turbinë, të njëjtat procese kryhen vazhdimisht në elementë të pavarur të motorit, të vendosur në mënyrë sekuenciale në rrjedhën e përgjithshme të lëngut të punës (për shembull, një kompresor - dhomë me djegie - turbinë në gazin më të thjeshtë motor turbinë).

Një diagram skematik i njësisë më të thjeshtë të turbinës me gaz është paraqitur në Fig. 1.1.

Fig 1.1 Diagrami skematik i njësisë më të thjeshtë të turbinës me gaz.

1 – kompresor boshtor; 2 – dhoma e djegies; 3 – turbinë;

Parimi i funksionimit të instalimit është si më poshtë.

Kompresori 1 thith ajrin nga atmosfera, e ngjesh atë në një presion të caktuar dhe e furnizon atë në dhomën e djegies 2. Lëngu i lëngshëm ose i gaztë gjithashtu furnizohet vazhdimisht këtu. Gazet e nxehta të formuara në dhomën e djegies si rezultat i djegies së karburantit hyjnë në turbinën 3. Në turbinë gazi zgjerohet dhe energjia e brendshme e tij shndërrohet në punë mekanike. Gazrat e shkarkimit dalin nga turbina në atmosferë.

Le të shqyrtojmë ciklin e një turbine të tillë me gaz në diagramin T-S (Fig. 1.2).

Ajri atmosferik ( P=P a , T=T a) rrjedh përmes pajisjes hyrëse në kompresor (izoterm 0-1); presioni dhe temperatura e tij bëhen të barabarta P 1 Dhe T 1 .

Më pas, kompresori kompreson ajrin në një presion P2 temperatura e saj rritet në T 2(adiabatike 1-2). Raporti i presionit të ajrit në daljen e kompresorit me presionin në hyrje të tij quhet raporti i kompresimit të kompresorit(1.1).

, (1.1)

Ku π te– shkalla e rritjes së presionit në kompresor; R 2– presioni i ajrit prapa kompresorit; P 1– presioni përpara kompresorit.

Në dhomën e djegies (izobar 2-3), temperatura e lëngut të punës rritet në T 3 në presion të vazhdueshëm ( P2 = P 3).

Pastaj në turbinë përzierja e ajrit dhe gazit zgjerohet (adiabat 3-4), presioni i saj zvogëlohet në P 4, dhe temperatura është deri në T 4. Raporti i presionit të gazit në hyrjen e turbinës me presionin e gazit në daljen e saj quhet raporti i zgjerimit të turbinës (1.2).

Ku π t– shkalla e zgjerimit në turbinë; R 3– presioni i ajrit përpara turbinës; R 4– presioni prapa turbinës.

Pas zgjerimit në turbinë, gazrat e shkarkimit lëshohen në atmosferë (izoterra 4-5).

Cikli i diskutuar më sipër është i kthyeshëm, pasi nuk merr parasysh asnjë humbje në proceset e kompresimit, zgjerimit, furnizimit me nxehtësi, etj. Në kushte reale, proceset në të gjitha njësitë e instalimit ndryshojnë nga ato të kthyeshme, prandaj, përcaktimi i performancës së impianteve të turbinave me gaz bazuar në ciklet referuese të kthyeshme nuk është me interes praktik dhe mund të justifikohet vetëm nga një analizë krahasuese e cikleve të ndryshme. instalimet. Prandaj në praktikë funksionojnë me parametra të plotë (parametrat e rrjedhës së vonuar).

Temperatura e plotë:

, (1.3)

Ku T*- temperatura totale; T- temperatura statike; Me- shpejtësia absolute e rrjedhës; me f- Kapaciteti specifik i nxehtësisë në presion konstant.

Presion total

, (1.4)

Ku R*- presioni total; R- presioni statik; T*- temperatura totale; T - temperatura statike; k– indeksi adiabatik.

Me parametrat e frenimit të rrjedhës, marrim një diagram të ciklit real të turbinës me gaz (Fig. 1.3).

Ngjashëm me (1.1) dhe (1.2) për një cikël real:

Presionet në nyjet e tjera llogariten si:

, (1.6)

Ku P* jashtë– presioni në daljen e njësisë; Gjilpereështë presioni në hyrje në nyje, σ është koeficienti i humbjes për këtë nyje.

Vlerat e koeficientëve të humbjeve për njësi të ndryshme turbinash me gaz janë dhënë në tabelën 1.1.

Tabela 1.1

Vlerat e koeficientëve të humbjeve për njësi të ndryshme turbinash me gaz

Klasifikimi i GTU

Ekzistojnë klasifikimet e mëposhtme të njësive të turbinave me gaz:

· Sipas fushës së aplikimit:

Ö Motorët e turbinave me gaz të aviacionit.

turbojet;

turboprop;

Motorë me turbina me gaz me 2 qark;

turbofan;

motorë turbinash me gaz helikopteri;

instalimet ndihmëse.

Ö Njësi stacionare turbinash me gaz për prodhimin e energjisë elektrike.

Ö Drejtoni njësitë e turbinave me gaz (për drejtimin e superngarkuesve me gaz natyror).

Ö Transporti njësi turbinash me gaz .

anije;

lokomotivë;

automobil;

tank.

Ö Turbinat me gaz në hapësirë (burimi i karburantit për ta janë reaktorët bërthamorë).

Ö Njësitë teknologjike të turbinave me gaz (njësi stacionare të turbinave me gaz të përfshira në ciklin e procesit të prodhimit, për shembull, për të drejtuar ventilatorët në furrat e shpërthimit dhe rafineritë e naftës).

Ö Turbinat me gaz si pjesë e instalimeve të kombinuara (njësi avull-gaz, gaz-avull, gaz-naftë).

· Sipas llojit të ciklit:

Ö Hap qark (Fig. 1.1).

Ö Lak i mbyllur (Fig. 1.4).

Gazi i shteruar në turbinën 3 pas rigjeneratorit 6 nuk hiqet në atmosferë, si në një turbinë të hapur me gaz, por dërgohet në ftohësin 5. Atje ftohet në një temperaturë T 3, ndërsa presioni i tij zvogëlohet në P2. Ftohësi është një shkëmbyes nxehtësie i tipit sipërfaqësor në të cilin uji i zakonshëm shërben si mjet ftohës. Nga pikëpamja e termodinamikës, ftohësi 5 vepron si një lavaman nxehtësie (burim i ftohtë). Gazi i ftohur hyn në kompresorin 4, nga ku ngjeshet P2 përpara P 1, për shkak të së cilës temperatura e saj rritet nga T 3 përpara T 4. Pas kompresorit, gazi dërgohet në rigjeneratorin 6, në të cilin nxehet nga gazrat që dalin nga turbina 3. Në turbinat e mbyllura me gaz, në vend të dhomës së djegies, vendoset një ngrohës 1, në të cilin lëngu i punës (gaz ose ajri) kalohet brenda tubave. Nga jashtë, këto tuba nxehen nga nxehtësia e lëshuar gjatë djegies së karburantit në furrë, e cila është e ngjashme në parimin e funksionimit me furrën e kaldajave me avull. Prandaj, ngrohësi i turbinës me gaz nganjëherë quhet "kazan ajri". Në ngrohësin 1, temperatura e gazit të punës rritet ndjeshëm në T 1, më pas gazi hyn në turbinën 3, ku zgjerohet, duke bërë punë. Temperatura bie në T 2. Turbina rrotullohet kompresorin 4, dhe pjesën e tepërt të fuqisë së saj ia jep konsumatorit 2. Më pas, gazi i shkarkimit, që ka një temperaturë mjaftueshëm të lartë, dërgohet në rigjenerator, ku jep një pjesë të nxehtësisë së tij për të ngrohur gazin që lëviz nga kompresori 4 në ngrohësin 1.

Pastaj cikli përsëritet përsëri.

Në një njësi të mbyllur të turbinës me gaz, qarkullon e njëjta sasi masë e lëngut të punës, me përjashtim të rrjedhjes së parëndësishme të gazit nga qarku përmes rrjedhjeve të ndryshme, i cili rimbushet automatikisht nga një pajisje speciale (nuk tregohet në figurë). Fuqia e instalimit rregullohet duke ndryshuar presionin e gazit në qarkun e tij duke ndryshuar rrjedhën e masës së gazit të punës duke ruajtur shkallën e rritjes së presionit praktikisht të pandryshuar fq, dhe T 1 Dhe T 3(temperaturat maksimale dhe minimale të ciklit) duke përdorur një rregullator të veçantë centrifugal (nuk tregohet në figurë).

Turbinat e mbyllura me gaz kanë përparësitë e mëposhtme në krahasim me ato të hapura:

për shkak të mungesës së substancave në gazin qarkullues që shkaktojnë korrozion dhe gërryerje të aparatit të tehut, besueshmëria dhe qëndrueshmëria e turbinës rritet ndjeshëm;

turbinat e mbyllura me gaz mund të operojnë me çdo lloj karburanti, duke përfshirë lëndët djegëse të lëngshme të ngurta dhe të rënda (karburant);

turbinat e mbyllura me gaz mund të funksionojnë me energji bërthamore;

duke rritur presionin fillestar të gazit përpara kompresorit, është e mundur të rritet fluksi i peshës së tij në njësinë e turbinës së gazit brenda një diapazoni të gjerë, dhe kjo bën të mundur që ose të rritet fuqia e njësisë së instalimit me një numër korrespondues herë. , ose, me një fuqi konstante, zvogëloni ndjeshëm peshën e tij duke zvogëluar sipërfaqen e shkëmbyesve të nxehtësisë, dimensionet e njësisë së turbinës me gaz dhe diametrat e tubacioneve;

në impiantet e mbyllura me turbina me gaz, fuqia rregullohet duke ndryshuar presionin e gazit në qark, kështu që efikasiteti është instalimet në kushte të ndryshme ngarkese dhe mbi një gamë të gjerë parametrash funksionimi mbeten të pandryshuara;

çdo substancë e gaztë mund të përdoret si një lëng pune, ose duke pasur veti më të mira termofizike, ose duke e bërë ciklin e instalimit më të përsosur dhe të favorshëm nga pikëpamja termodinamike, ose duke pasur disa avantazhe të tjera.

Ö Cikli gjysmë i mbyllur.

Me këtë cikël, një pjesë e produkteve të djegies merret pas turbinës dhe dërgohet në fazën e ndërmjetme të kompresorit.

· Sipas numrit të boshteve:

Ö Turbinat me gaz me një bosht (Figura 1.1).

Përparësitë e njësive me një bosht janë thjeshtësia strukturore, numri minimal i turbomakinave dhe kushinetave. Një avantazh tjetër i rëndësishëm i këtyre impianteve të turbinave me gaz është se gjatë ciklit të rigjenerimit ato ruajnë një efikasitet konstant të turbinës me gaz kur ngarkesa reduktohet në 70% e më poshtë.

Turbina të tilla me gaz gjithashtu nuk kanë disavantazhe më pak të rëndësishme. Lidhja e ngurtë midis kompresorit boshtor dhe superngarkuesit të drejtuar kufizon ndjeshëm aftësitë e kontrollit të njësisë. Fuqia në këtë lloj instalimi rregullohet vetëm nga ndryshimet në konsumin e karburantit. Nëse ngarkesa zvogëlohet, konsumi i karburantit zvogëlohet, por konsumi i ajrit mbetet konstant, pasi kompresori, turbina me gaz dhe ngarkesa janë të lidhura fort nga një bosht. Reduktimi i konsumit të karburantit çon kështu në një ulje të temperaturës prapa dhomës së djegies, gjë që redukton efikasitetin. GTU.

Ö Turbinat me gaz me dy boshte .

Në instalime të tilla, një pjesë e gjeneratorit të gazit (një kompresor dhe një turbinë që e drejton atë) dhe një njësi turbine me fuqi të lirë janë të ndara.

Oriz. 1.8. Diagrami skematik i një njësie turbine me gaz me dy boshte.

1-kompresor; 2-turbinë me presion të lartë; 3-turbinë me presion të ulët (fuqi); 4-ngarkesa (superngarkues); 5-dhoma e djegies.

Në një instalim të tillë, turbina ndahet në 2 pjesë (Fig. 1.8).

Një pjesë, zakonisht me presion të lartë 2, drejton kompresorin 1 dhe mund të funksionojë me një shpejtësi të ndryshueshme. Pjesa e dytë, turbina e fuqisë 3, funksionon me një shpejtësi rreptësisht konstante nëse synohet të drejtojë një gjenerator elektrik dhe mund të ketë pothuajse çdo shpejtësi rrotullimi nëse synohet të drejtojë një superngarkues. Rregullimi në një njësi turbine me gaz të këtij lloji kryhet jo vetëm duke ndryshuar rrjedhën e karburantit, por edhe duke ndryshuar rrjedhën e ajrit të furnizuar nga kompresori 1.

Kjo metodë bën të mundur uljen e konsiderueshme më pak ose aspak të temperaturës së lëngut të punës pas dhomës së djegies kur punon me ngarkesa të pjesshme dhe në këtë mënyrë të ruajë efikasitetin. ciklit në një nivel më të lartë.

Ö Turbina me gaz me tre boshte .

Oriz. 1.9. Diagrami skematik i një njësie turbine me gaz me tre boshte.

1-kompresor me presion të ulët; 2-kompresor me presion të lartë; 3-dhoma e djegies; 4- turbinë me presion të lartë; 5-turbinë me presion të ulët;

6-turbinë pa pagesë; 7-mbikarikues.

Në raportet e larta të kompresimit, ka një ndryshim në shpejtësinë e rrjedhës së ajrit në fillim dhe në fund të rrugës së rrjedhës së kompresorit, gjë që mund të çojë në rritje. Për të eliminuar këtë fenomen, kompresori ndahet në 2 ose më shumë pjesë të quajtura kaskada. Çdo kaskadë ka shpejtësinë e vet të rrotullimit, për shkak të së cilës rrjedha e ajrit përmes tyre barazohet. Çdo kaskadë drejtohet nga një turbinë e veçantë.

Në çdo rast, çdo bosht duhet të ketë të paktën dy njësi mbajtëse: njëra - mbështetëse, e dyta - mbajtëse shtytëse. Kushinetat rrotulluese dhe rrëshqitëse janë zëvendësuar.

· Sipas kompleksitetit të ciklit termodinamik:

Ö Cikli më i thjeshtë termodinamik.

Oriz. 1.10. Diagrami T-S i ciklit më të thjeshtë termodinamik.

Ky cikël përdoret në 90% të të gjitha turbinave me gaz të përdorura në botë.

Ö Cikli me ftohje gjatë ngjeshjes.

Figura 1.11. Diagrami i kompresorit me dy faza

me intercooler.

1 – kompresor me presion të ulët; 2 – kompresor me presion të lartë;

3 - më i freskët.

Puna e shpenzuar në ngjeshje, duke qenë të tjera të barabarta, do të jetë më e pakta nëse procesi kryhet në mënyrë izotermale, por për këtë është e nevojshme që vazhdimisht të largohet nxehtësia nga lëngu i punës, gjë që është praktikisht e pamundur të arrihet strukturore.

Për ta afruar procesin me izoterminë dhe për të reduktuar punën e kërkuar, kompresimi hap pas hapi zëvendësohet me ftohjen e ajrit pas çdo faze në frigoriferët e ndërmjetëm.

Në praktikë, ky parim zbatohet duke përdorur një kompresor skenik dhe një frigorifer (Fig. 1.11). Natyrisht, sa më shumë faza të tilla me frigoriferë, aq më afër izotermisë do të bëhet procesi i kompresimit. Diagrami T-S i një cikli të tillë është paraqitur në Fig. 1.12.

Ö Cikli i nxehtësisë gjatë procesit të zgjerimit.

Rritja e efikasitetit, zvogëlimi i konsumit specifik të ajrit dhe gazit dhe, rrjedhimisht, rritja e fuqisë së njësisë mund të arrihet gjithashtu duke përdorur zgjerimin hap pas hapi me furnizim të ndërmjetëm nxehtësie në dhomat e djegies të vendosura në mënyrë sekuenciale përgjatë rrjedhës së gazit midis turbinave. Në këtë rast, procesi i zgjerimit i afrohet izotermisë, dhe kjo çon në një rritje të punës së disponueshme të turbinës. Diagrami i një njësie turbine me gaz me zgjerim me dy faza dhe ngrohje të ndërmjetme të gazit të punës është paraqitur në Fig. 1.13.

Figura 1.13. Diagrami skematik i një njësie turbine me gaz me ngrohje të ndërmjetme me gaz.

1 – dhoma e djegies; 2 – turbinë me presion të lartë; 3 – dhoma e djegies për ngrohjen e ndërmjetme me gaz; 4 – turbina e fuqisë.

Ajri nga kompresori, pasi ka kaluar nëpër rigjenerator, hyn në CS 1, pas së cilës gazi i punës në një temperaturë T*3 dërgohet në teatrin 2. Këtu ndodh zgjerimi i pjesshëm i gazit. Pas HPT, gazi i punës shkarkohet në KSPPG 3, në të cilin, për shkak të djegies shtesë të karburantit, temperatura e tij rritet në T*31. Për shkak të koeficientit të madh të ajrit të tepërt pas motorit me djegie me presion të lartë, djegia e karburantit në motorin me djegie me presion të lartë ndodh intensivisht pa furnizim shtesë ajri. Nga CSPPG, gazi i punës hyn në ST 4, pas së cilës shkarkohet në atmosferë.

Cikli i një njësie turbine me gaz me ngrohje të ndërmjetme është paraqitur në Fig. 1.14.

Këtu tregohen proceset e mëposhtme: 3-41 – zgjerimi i gazit punues në teatër; 41-31 - furnizimi me ngrohje në CVSG; 31-4 – zgjerimi i gazit punues në ST.

Ö Impiante me cikël të kombinuar (CCGT).

Dëshira për të përmirësuar performancën teknike dhe ekonomike të termocentraleve duke kombinuar në mënyrë racionale tiparet e cikleve të turbinës me avull dhe gaz çoi në krijimin e impianteve të gazit me cikël të kombinuar (CCGT). Një diagram i thjeshtuar i qarkut të njësisë CCGT është paraqitur në Fig. 1.15.

Oriz. 1.15. Diagrami skematik i PTU:

1 – kompresor; 2 – gjenerator me avull; 3 – turbinë me gaz; 4 – turbinë me avull;

5 – ngarkesë; 6 – kondensator; 7 – pompë; 8 – sistemi i shkëmbyesit të nxehtësisë

Instalimi funksionon si më poshtë.

Ajri atmosferik hiqet në kompresorin 1 dhe dërgohet në gjeneratorin e avullit (kaldaja me avull) 2. Karburanti furnizohet menjëherë. Në dalje nga gjeneratori i avullit, temperatura e produkteve të djegies zvogëlohet për shkak të transferimit të nxehtësisë në ngrohjen e ujit dhe prodhimin e avullit.

Avulli i mbinxehur që rezulton me presion hyn në turbinën me avull 4, ku zgjerohet në një vakum të thellë, funksionon dhe më pas kondensohet në kondensatorin 6. Kondensata (uji i ushqyer) furnizohet nga pompa 7 në sistemin e shkëmbyesit të nxehtësisë 6, ku nxehet në temperaturën e vlimit, dhe më pas në gjeneratorin e avullit 2, kështu që cikli i avullit mbyllet.

Pjesa e turbinës me gaz të instalimit funksionon në parimin e një njësie të hapur të turbinës me gaz. Produktet e djegies hyjnë në turbinën me gaz 3 dhe zgjerohen atje. Pasi kanë punuar në turbinë, ato kalohen përmes një sistemi këmbyesish nxehtësie 8, ku ftohen nga uji i ushqimit dhe më pas largohen në atmosferë.

Cikli i një impianti të kombinuar me avull dhe gaz (Fig. 1.16) është ndërtuar për 1 kg avull uji dhe sasinë përkatëse të gazit për 1 kg ujë.

Në ciklin e instalimit të turbinës me gaz, furnizohet nxehtësia e barabartë me sipërfaqen a-5-1-g dhe merret punë e dobishme. L CG, e barabartë me zonën 1-2-3-4-5. Në ciklin e centralit me avull, kur kryhet veçmas, sasia e nxehtësisë së furnizuar është e barabartë me sipërfaqen në -8-9-10-11-6, dhe puna e dobishme L e CPU është e barabartë me sipërfaqen 6-7- 8-9-10-11. Nxehtësia e gazrave të shteruar në turbinë, e barabartë me sipërfaqen a-4-2-g, lëshohet në atmosferë kur të dy ciklet kryhen veçmas. Në ciklin avull-gaz, nxehtësia e çliruar gjatë ftohjes së gazeve përgjatë vijës 2-3 dhe e barabartë me sipërfaqen b-Z-2-g nuk lëshohet në atmosferë, por përdoret për të ngrohur ujin e ushqyer përgjatë linjës 8-9 në Sistemi i shkëmbyesit të nxehtësisë 8.

Nxehtësia e shpenzuar për formimin e avullit në kazan zvogëlohet me një sasi të barabartë me zonën e hijes në 8-9-d, dhe efikasiteti i ciklit të kombinuar rritet, pasi puna totale e dobishme e të dy cikleve. L CG + L CPUështë e njëjtë kur ato zbatohen bashkërisht dhe veçmas.

PTU-të kanë një efikasitet mjaft të lartë. afërsisht 42%. Kjo shpjegohet si më poshtë. Cikli i konsideruar avull-gaz, nga pikëpamja e termodinamikës, është një cikël binar i përbërë nga faza të gazit dhe avullit. Faza e gazit përdor një temperaturë më të lartë të lëngut të punës sesa në impiantet moderne të gazit me cikël të kombinuar, d.m.th. temperatura mesatare e furnizimit me nxehtësi në ciklin avull-gaz është më e lartë se në ciklin e avullit. Në të njëjtën kohë, faza e avullit ju lejon të përfitoni nga cikli i avullit, në të cilin niveli i temperaturës së largimit të nxehtësisë në lavaman është afër temperaturës së ambientit, dhe në ciklin e turbinës me gaz është shumë më i lartë edhe pas rigjenerues. Prandaj, E.P.D. Impianti me cikël të kombinuar do të jetë më i lartë se efikasiteti. GTU dhe PTU veçmas.

Ö GTU me dhoma djegieje pistoni.

Termocentralet në të cilat një turbinë me gaz funksionon në lidhje me një gjenerator gazi me piston të lirë (LPGG) po bëhen gjithnjë e më të përhapura. Këto instalime kombinojnë me sukses cilësitë pozitive të turbinës (më pak peshë dhe dimensione, aftësinë për të punuar me shpejtësi të lartë, etj.) me efikasitetin relativisht të lartë të motorit me djegie të brendshme.

Një diagram skematik i një njësie turbine me gaz me SLNG është paraqitur në Fig. 1.17.

Roli i një kompresori dhe në të njëjtën kohë i një dhome djegieje kryhet nga një LPGG, i cili, sipas parimit të tij të funksionimit, i ngjan një motori nafte me presion të lartë me dy goditje me pistona në lëvizje të kundërta. Pistonët 10 të kompresorëve, kur lëvizin drejt njëri-tjetrit, ngjeshin ajrin dhe e zhvendosin atë nga zgavrat 2 përmes valvulave 4 në marrësin e pastrimit 11, prej andej, përmes dritares së pastrimit 6, ajri hyn në cilindrin "naftë". 9, së pari për ta pastruar dhe më pas për ta mbushur me ngarkesë të re. Kur pistonët 5 afrohen dhe marrin pothuajse pozicionin ekstrem në lidhje me njëri-tjetrin, karburanti injektohet në cilindrin 9 përmes injektorit 7. Njësoj si në naftë

Oriz. 1.17. GTU me një dhomë djegieje pistoni:

1-zgavër tampon; 2-kavitetet e kompresorit; 3-valvola hyrëse; 4 valvola bypass; 5-piston; Dritare me 6 goditje; 7-grykë; Dritare me 8 dalje; 9 cilindra ("naftë"); Kompresorë me 10 piston; Marrës 11-pastrimi; 12-marrës i barazimit; 13-turbinë; 14-ngarkesë.

vetëndizet nën shtypje. Për shkak të zgjerimit të gazrave në cilindrin 9 gjatë djegies së karburantit, pistonët 5 fillojnë të ndryshojnë në drejtime të kundërta. Në këtë rast, pistonët 10, të lidhur fort me pistonët 5, ngjeshin ajrin në zgavrat e tamponit 1. Në të njëjtën kohë, përmes valvulave 3, ajri atmosferik thithet në zgavrat e kompresorit 2. Më pas, sapo pistoni 5 hap dritaret e daljes 8, gazrat nga cilindri i naftës lëshohen në marrësin e barazimit 12 dhe prej tij përzierja e gazeve me ajrin e pastrimit dërgohet në turbinën 13. Fuqia e zhvilluar nga turbina i jepet pothuajse tërësisht konsumatori 14. Për të lëvizur sërish pistonët drejt njëri-tjetrit përdoret energjia e ajrit të ngjeshur që ndodhet në zgavrat e tamponit 1. Më pas cikli përsëritet.

Efikasiteti GTU me LNG është 30...35%, dhe ndonjëherë më shumë se 40%. Efikasiteti i lartë i tyre shpjegohet me diferencën e madhe të temperaturës me të cilën kryhet procesi i punës. Temperatura më e lartë është temperatura e djegies së karburantit në një cilindër "naftë" (rreth 1800°C), dhe më e ulëta është temperatura e gazrave të çliruar nga turbina (200...300°C).

Turbinat me gaz me SGNG përdoren në disa anije, lokomotiva dhe objekte të palëvizshme për qëllime të ndryshme.

Disavantazhi kryesor i njësive të turbinave me gaz me SLNG është kompleksiteti i caktuar dhe papërsosmëria e vetë SLNG. Kjo redukton ndjeshëm besueshmërinë dhe qëndrueshmërinë e funksionimit të tyre, dhe në fund kufizon ritmin dhe shkallën e zbatimit të tyre.

Informacione të lidhura.