ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ (ГТУ)

Рабочий процесс ГТУ. В современ­ных ГТУ используется цикл со сгоранием при р = const (рис. 6.5).

В состав ГТУ обычно входят камера сгорания, газовая турбина, воздушный компрессор, теплообменные аппараты различного назначения (воздухоохлади­тели, маслоохладители системы смазки, регенеративные теплообменники) и вспо­могательные устройства (маслонасосы, элементы водоснабжения и др.).

Рабочим телом ГТУ служат продукты сгорания топлива, в качестве которого используется природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (домен­ный, коксовый, генераторный) и специ­альное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное мотор­ное и соляровое масло).

Подготовка рабочей смеси произво­дится в камере сгорания. Огневой объем камеры (рис. 20.9) разделяется на зону горения, где происходит сгорание топли­ва при температуре порядка 2000 °С, и зону смешения, где к продуктам сгора­ния подмешивают воздух для снижения их температуры до 750-1090 °С в стаци­онарных турбинах и до 1400 °С - в авиационных турбинах.

Принцип работы газовой и паровой турбин одинаков, но конструкция про­точной части газовых турбин значительно проще. Они работают на относительно небольшом располагаемом теплоперепаде и поэтому имеют небольшое число ступеней.

В связи с высокой температурой про­дуктов сгорания детали проточной части турбин (сопла, рабочие лопатки, диски, валы) изготавливают из легированных высококачественных сталей. Для надеж­ной работы у большинства турбин пре­дусмотрено интенсивное охлаждение на­иболее нагруженных деталей корпуса и ротора.

В реальных условиях все процессы в ГТУ являются неравновесными, что связано с потерями работы в турбине и компрессоре, а также с аэродинамиче­скими сопротивлениями в тракте ГТУ. На рис. 20.10 действительный процесс сжатия в компрессоре изображен ли­нией 1-2, а процесс расширения в тур­бине - линией 3-4. Точками 2а и 4а от­мечено состояние рабочего тела соот­ветственно в конце равновесного адиа­батного сжатия и расширения, точ­кой О - параметры окружающей среды. Ввиду потерь давления во всасывающем тракте компрессора (линия 01) процесс сжатия начинается в точке1.

Таким образом, на сжатие воздуха в реальном цикле затрачивается боль­шая работа, а при расширении газа в турбине получается меньшая работа по сравнению с идеальным циклом. КПД цикла получается ниже. Чем больше сте­пень повышения давления π (т. е. выше р 2), тем больше сумма этих потерь по сравнению с полезной работой. При оп­ределенном значении π (оно тем выше, чем больше Т з и внутренний относитель­ный КПД турбины и компрессора, т. е. меньше потери в них) работа турби­ны может стать равной работе, затрачен­ной на привод компрессора, а полезная работа - нулю.

Поэтому наибольшая эффективность реального цикла, в отличие от идеально­го, достигается при определенной (опти­мальной) степени повышения давления, причем каждому значению Тз соответ­ствует свое π опт (рис. 20.11). КПД про­стейших ГТУ не превышает 14-18 %, и с целью его повышения ГТУ выпол­няют с несколькими ступенями подвода теплоты и промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, а также с регене­ративным подогревом сжатого воздуха отработавшими газами после турбины, приближая тем самым реальный цикл к циклу Карно.

ГТУ с утилизацией теплоты уходя­щих газов. Теплоту уходящих из ГТУ га­зов можно использовать для получения пара и горячей воды в обычных тепло­обменниках. Так, установки ГТ-25-700 ЛМЗ снабжены подогревателями, нагревающими воду в системе отопле­ния до 150-160 °С.

Вместе с тем сравнительно высокий уровень коэффициента избытка воздуха в ГТУ позволяет сжигать достаточно большое количество дополнительного топлива в среде продуктов сгорания. В результате из дополнительной камеры сгорания после ГТУ выходят газы с до­статочно высокой температурой, пригод­ные для получения пара энергетических параметров в специально устанавливае­мом для этой цели парогенераторе. На Кармановской ГРЭС по такой схеме строится котел к блоку электрической мощностью 500 МВт.

Применение ГТУ. В последние го­ды ГТУ широко используются в раз­личных областях: на транспорте, в энергетике, для привода стационар­ных установок и др.

Энергетические ГТУ. Га­зовая турбина меньше и легче паровой, поэтому при пуске она прогревается до рабочих температур значительно быстрее. Камера сгорания выводится на режим практически мгновенно, в отличие от парового котла, который требует мед­ленного длительного (многие часы и да­же десятки часов) прогрева во избежа­ние аварии из-за неравномерных тепло­вых удлинений, особенно массивного барабана диаметром до 1,5 м, длиной до 15 м, с толщиной стенки выше 100 мм.

Поэтому ГТУ применяют прежде все­го для покрытия пиковых нагрузок и в качестве аварийного резерва для собственных нужд крупных энергоси­стем, когда надо очень быстро включить агрегат в работу. Меньший КПД ГТУ по сравнению с ПСУ в этом случае роли не играет, так как установки работают в те­чение небольших отрезков времени. Для таких ГТУ характерны частые пуски (до 1000 в год) при относительно малом чис­ле часов использования (от 100 до 1500ч/год). Диапазон единичных мощ­ностей таких ГТУ составляет от 1 до 100 МВт.

ГТУ применяются также для привода электрогенератора и получения электро­энергии в передвижных установках (например, на морских судах). Такие ГТУ обычно работают в диапазоне нагрузок 30-110% номинальной, с частыми пусками и остановками. Единичные мощ­ности таких ГТУ составляют от десятков киловатт до 10МВт. Быстрое развитие атомных энергетических установок с ре­акторами, охлаждаемыми, например, ге­лием, открывает перспективу применения в них одноконтурных ГТУ, работающих по замкнутому циклу (рабочее тело не покидает установку).

Специфическую группу энергетиче­ских ГТУ составляют установки, работа­ющие в технологических схемах химиче­ских, нефтеперерабатывающих, метал­лургических и других комбинатов (энерготехнологические). Они работают в базовом режиме нагруз­ки и предназначены чаще всего для при­вода компрессора, обеспечивающего тех­нологический процесс сжатым воздухом или газом за счет энергии расширения газов, образующихся в результате само­го технологического процесса.

Приводные ГТУ широко ис­пользуются для привода центробежных нагнетателей природного газа на ком­прессорных станциях магистральных трубопроводов, а также насосов для транспортировки нефти и нефтепродук­тов и воздуходувок в парогазовых уста­новках. Полезная мощность таких ГТУ составляет от 2 до 30 МВт.

Транспортные ГТУ широко применяются в качестве главных и фор­сажных двигателей самолетов (турборе­активных и турбовинтовых) и судов мор­ского флота. Это связано с возможно­стью получения рекордных показателей по удельной мощности и габаритным размерам по сравнению с другими типа­ми двигателей, несмотря на несколько завышенные расходы топлива. Газовые турбины весьма перспективны как двига­тели локомотивов, где их незначительные габариты и отсутствие потребности в во­де являются особенно ценными. Транс­портные ГТУ работают в широком диа­пазоне нагрузок и пригодны для кратков­ременных форсировок.

Единичная мощность ГТУ пока не превышает 100МВт, а КПД установки 27-37 %. С повышение начальной температуры газов до 1200 °С мощность ГТУ будет доведена до 200 МВт и КПД установки до 38-40 %.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из двух основных частей - это силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент). Утилизация тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.

ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме - на газе, а в резервном (аварийном) - автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ может работать как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

Простая газотурбинная установка непрерывного горения и устройство её основных элементов

Принципиальная схема простой газотурбинной установки показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальна схема ГТУ: 1 - компрессор; 2 - камера сгорания; 3 - газовая турбина; 4 – электрогенератор

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива при такой схеме происходит непрерывно, при постоянном давлении, поэтому такие ГТУ называются газотурбинными установками непрерывного сгорания или ГТУ со сгоранием при постоянном давлении.

Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу).

Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивается на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых схемах при умеренной температуре рабочей среды может в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины долгий быть значительно больше полезной мощности ГТУ.

Так как газовая турбина может работать только при наличии сжатого воздуха, получаемого только от компрессора, приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ должен осуществляться от постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которого компрессор вращается до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступать газ определённых параметров и в количестве, достаточном для начала работы газовой турбины.

Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрессора и камеры сгорания. Рассмотрим принцип действия и устройство этих элементов.

Турбина. На рисунке 2 показана схема простой одноступенчатой турбины. Основными частями её являются; корпус (цилиндр.) турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатка 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6. В местах выход вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин. Все вращающиеся части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Диск с лопатками образует рабочее колесо.

Рисунок 2. Схема одноступенчатой турбины

Совокупность ряда направлявших и рабочих лопаток называется турбинной ступенью. На рисунке 3 вверху изображена схема такой турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабочих лопаток цилиндрической поверхности а-а, развернутой затем на плоскость чертежа.

Рисунок 3. Схема турбинной ступени

Направляющие лопатки 1 образуют в сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.

Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и соответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура газа падают. Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую энергии. После выхода из сопел газ попадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление. При обтекании газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхности оказывается большим, чем на выпуклой, и под влиянием этой разности давлений происходит вращение рабочего колеса (направление вращение на рисунке 3 показано стрелкой u). Таким образом, часть кинетической энергии газа преобразуется на рабочих лопатках в механическую оказаться недопустимей по соображениям прочности рабочих лопаток или диска турбины. В таких случаях турбины выполняются многоступенчатыми. Схема многоступенчатой турбины показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема многоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входной патрубок; 4-корпус; 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходной патрубок турбины

Турбина состоит из ряда последовательно расположенных отдельных ступеней, в которых происходит постепенное расширение газа. Падение давления, приходящееся на каждую ступень, а, следовательно, и скорость с1 в каждой ступени такой турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Число ступеней может быть выбрано таким, чтобы при заданной окружной скорости и было получено желаемое отношение

Компрессор. Схема многоступенчатого осевого компрессора изображена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор.

Его основными составными частями являются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр.), к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, и подшипники 3. Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступенью компрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит через следующие элементы компрессора, показанные на рисунке 5: входной патрубок 1, входной направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9 и выходной патрубок 10.

Рассмотрим назначение этих элементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха из атмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимое направление потоку перед входом в первую степень. В ступенях воздух сжимается за счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный для придания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузоре продолжается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии. Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепускному трубопроводу. Лопатки компрессора 1 (рисунок 6) образуют ряд расширяющихся каналов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При движении воздуха по этим каналам его давление повышается в результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихся каналах, образованных не-подвижными направляющими лопатками 2, происходит дальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступени компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.

Рисунок 6. Схема ступени осевого компрессора

Камера сгорания

Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Камера сгорания

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необходимо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).

Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300... 2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топлива, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.

В последние годы (приблизительно с 50-х г. прошлого столетия) на ТЭС для привода электрических генераторов стали широко использоваться газовые турбины.

Газотурбинные установки (ГТУ) могут работать со сгоранием топлива при постоянном давлении (рис. 6.1) и при постоянном объеме (рис. 6.2). Соответствующие им идеальные циклы делятся на циклы с подводом теплоты в процессе при постоянном давлении и постоянном объеме .

Рис. 6.1. Схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении: 1 - турбокомпрессор; 2 - газовая турбина; 3 - топливный насос; 4 - камера сгорания; 5 - топливная форсунка;

6 - активная зона камеры сгорания

Рис.6.2. Схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме: 5, б, 7 - соответственно топливный, воздушный и газовый клапаны; 8 - запальное устройство; 9 - ресивер; остальные обозначения те же, что на рис. 6.1

На практике получили распространение ГТУ с разомкнутым (открытым) циклом со сгоранием топлива (с подводом теплоты к рабочему телу) при постоянном давлении с последующим расширением смеси продуктов сгорания с воздухом в проточной части турбины (цикл Брайтона) (см. рис. 6.6).

В ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении процесс горения осуществляется непрерывно (см. п. 6.2), а в ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме процесс горения является периодическим (пульсирующим). Сжатый в компрессоре 1 воздух (см. рис. 6.2) подается в ресивер 9 (сосуд большой емкости для выравнивания давления), откуда через воздушный клапан 6 поступает в камеру сгорания 4. Сюда же топливным насосом 3 через топливный клапан 5 подается топливо. Процесс горения производится при закрытых топливном, воздушном и газовом клапанах 5, 6, 7. Воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется устройством 8 (электрической искрой). После сгорания топлива в результате повышения давления в камере 4 открывается газовый клапан 7. Продукты сгорания, проходя через сопловые аппараты (на рис. 6.2 не показаны), поступают на рабочие лопатки и приводят во вращение ротор газовой турбины 2.

Рабочим телом ГТУ служат в основном газообразные продукты сгорания органического топлива в смеси с воздухом. В качестве топлива используется природный газ, хорошо очищенные искусственные газы и специальное газотурбинное жидкое топливо (обработанное дизельное моторное и соляровое масло).

Особенностью работы ГТУ является то, что только часть (20-40%) подаваемого компрессором воздуха вводится в активную зону камеры сгорания и участвует в процессе горения топлива при температуре порядка 1500-1600 °С. Остальная часть воздуха (60-80%) предназначена для снижения температуры газов перед турбиной до 1000-1300 °С (для стационарной ГТУ) по условиям надежности и долговечности работы ее лопаточного аппарата, с чем связан повышенный избыток воздуха в газах а г перед турбиной и за ГТУ. а г уменьшается с ростом начальной температуры рабочего тела перед газовой турбиной и в различных установках составляет 2,5-5. КПД ГТУ существенно ниже, чем КПД ПТУ на паровом цикле, что обусловлено наличием воздушного компрессора, потребляемая мощность которого составляет 40-50% мощности газовой турбины.

Газовая турбина меньше и легче паровой, поэтому при пуске она прогревается до рабочих температур значительно быстрее, в отличие от паротурбинной установки, снабженной паровым котлом, который требует медленного прогрева (десятки часов) во избежание аварии из-за неравномерных тепловых удлинений, особенно массивного барабана.

Благодаря большой маневренности (быстрый пуск в работу и нагружение) ГТУ применяют в энергетике, прежде всего для покрытия пиковых нагрузок и в качестве аварийного резерва для собственных нужд крупных энергосистем. Меньший КПД ГТУ по сравнению с паросиловой установкой (ПСУ) в этом случае играет незначительную роль. Для таких ГТУ характерны частые пуски (до 1000 в год) при относительно малом числе часов использования (100-1500 ч/год).

Разновидностью ГТУ являются установки с приводом электрического генератора от двигателя внутреннего сгорания (дизельные электростанции), где в качестве топлива, как и в ГТУ, используется природный газ или качественное жидкое топливо. Однако дизельные электростанции, получившие распространение в странах Ближнего Востока, уступают по единичной мощности ГТУ, хотя и имеют более высокий КПД.

КПД простейших энергетических ГТУ (рис. 6.3) в 50-60-е гг. XX в. составлял 14-18%. В настоящее время с целью повышения КПД ГТУ выполняют с несколькими ступенями подвода теплоты и промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, а также с регенеративным подогревом сжатого в компрессоре воздуха отработавшими в турбине газами, приближая тем самым реальный цикл к циклу Карно, а КПД ГТУ-до 27-37%.

КПД газотурбинных установок ограничивается начальной температурой рабочего тела (1100-1300 °С и выше для ГТУ 5-го поколения) и единичной мощностью из-за возрастающих затрат энергии на собственные нужды, в том числе и на привод компрессора. Первое ограничение в настоящее время устранить затруднительно. Второе ограничение может быть устранено, если в турбину вместо низкоэнтальпийного агента (смеси продуктов сгорания с воздухом) подавать высокоэнтальпийный рабочий агент при той же начальной температуре. Чаще в продукты сгорания добавляют водяной пар. ГТУ, работающие с рабочими телами, состоящими из смесей паров воды и газов или использующие в тепловой схеме раздельно газы и пар, называются парогазовыми установками (ПГУ), а их циклы - парогазовыми. Первые ПГУ называют монарными, а вторые - бинарными .

В период освоения установок с раздельными рабочими телами было опробовано несколько тепловых схем. Наиболее эффективной оказалась схема, в которой паровой цикл по отношению к газовому является полностью утилизационным . Такие установки получили название утилизационных ПГУ или ПГУ-У. В утилизационной ПГУ паровая часть установки работает без дополнительной затраты топлива. Подобная ПГУ из-за высокой начальной температуры цикла (более 1000-1300 °С) может иметь КПД более 60%, что существенно выше, чем у обычной паротурбинной установки и у отдельной ГТУ. Важнейшим фактором повышения КПД ПГУ является использование продуктов сгорания топлива как рабочего тела в области высоких температур (в газовой турбине) и водяного пара в области низких температур (в паровой турбине).

ГТУ открытого типа уступают паротурбинным установкам по единичной мощности, имеют более низкий КПД, менее долговечны в эксплуатации, более требовательны к сортам топлива. Дальнейшее развитие ГТУ направлено на повышение их единичной мощности, экономичности, надежности и долговечности, что в основном определяется прогрессом в области создания жаростойких материалов и разработкой эффективных способов охлаждения проточной части газовых турбин.

Газовая турбина представляет собой двигатель, в котором сочетаются преимущества паровой турбины и двигателя внутреннего сгорания. В отличие от паровой турбины рабочим телом здесь является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах. В отличие от ДВС энергия рабочего тела превращается в механическую энергию вращения вала не в результате возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре, а путем вращения колеса турбины под действием скоростной струи газов, вытекающих из сопла.

Газовая турбина, как и паровая, - это нереверсивный механизм, поэтому для реверса в газотурбинных установках необходимо предусматривать турбину заднего хода или другое какое- либо устройство, например винт регулируемого шага (ВРШ).

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из следующих основных частей: газовой турбины , в которой тепловая энергия горячих газов преобразуется в механическую; воздушного компрессора , засасывающего и сжимающего воздух, необходимый для сгорания топлива; камеры горения (генератора газов), в которой распыленное жидкое топливо смешивается с воздухом и сгорает, образуя рабочее тело - горячий газ ; трубопроводов для подвода воздуха к генератору газа, подачи газов из генератора в газовую турбину и отвода отработавших газов в атмосферу; утилизационных устройств , обеспечивающих использование тепла отходящих газов.

Рис. 124. Общий вид (а) и схема ГТУ с камерой горения (б) (мощность 4040 кВт).

1 - компрессор низкого давления; 2 - воздухоподогреватель; 3 - ТВД; 4 - компрессор высокого давления; 5 - пусковая турбина; 6 - камера горения; 7 - форсунка; 8 - ТНД;

9 - воздухоохладитель; 10 - редуктор

Кроме того, в состав ГТУ входят топливная и масляная системы , подающие топливо в камеру горения и масло - в подшипники турбины и зубчатую передачу, а также небольшая по мощности пусковая паровая турбина, использующая пар от вспомогательного котла.

Устройство газовой турбины аналогично паровой турбине. Но газовая турбина испытывает более высокие температурные нагрузки: ее рабочие лопатки работают при температуре горячих газов (650-850°), в то время как температура рабочего пара 400- 500°. Это значительно уменьшает моторесурс газовой турбины. В зависимости от принятого способа сжатия воздуха и образования горячих газов различают ГТУ с камерой горения и ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ).

В ГТУ с камерой горения (рис. 124) наружный воздух засасывается центробежным компрессором низкого давления и через воздухоохладитель подается в компрессор высокого нагрузки: давления, а оттуда через подогреватель воздуха в камеру горения.

Одновременно в камеру горения через форсунку впрыскивается и топливо. Происходит сгорание и образование горячих газов, которые последовательно поступают в газовые турбины высокого и низкого давления и через выхлопной трубопровод отходят в атмосферу. На пути отходящих газов устанавливают подогреватель воздуха и утилизационный котел, пар которого можно использовать для турбогенератора или для вспомогательной турбины, работающей на гребной вал. Центробежные компрессоры низкого и высокого давления приводятся во вращение соответственно турбинами низкого и высокого давления. На гребной винт через редуктор работает только турбина низкого давления.

Рис. 125. Общий вид (а) и схема СПГГ (б).

1 - впускные клапаны компрессора; 2 - выпускные клапаны компрессора;

3 - компрессорный поршень; 4 - цилиндр компрессора;

5 - впускные окна; 6 - выпускные окна; 7 - форсунка; 8 - рабочий цилиндр; 9 - буферный цилиндр; 10 -буферный поршень; 11 - ресивер продувочного воздуха; 12 - рабочий поршень; 13 - механизм синхронизации работы поршней

ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа (СПГГ) (рис. 125) отличается от ГТУ с камерой горения тем, что горячие газы образуются в специальном генераторе газа, работающем по принципу ДВС со свободно расходящимися поршнями. СПГГ представляет собой симметричный агрегат, состоящий из двухтактного одноцилиндрового двигателя с противоположно движущимися поршнями, одноступенчатого компрессора простого действия и двух буферных цилиндров. В цилиндре расположены два рабочих поршня, соединенные с компрессорами и буферными поршнями.

Рис. 126. Компоновка газотурбинной энергетической установки с СПГГ.

1 - СПГГ; 3 - газовая турбина; 3 - редуктор; 4 - дизель-генератор

Рабочий (расходящийся) ход поршневых групп осуществляется под действием расширяющегося в рабочем цилиндре газа. При этом воздух в компрессорных цилиндрах сначала сжимается, а затем через выпускные клапаны поступает в ресивер продувочного воздуха. Одновременно со сжатием воздуха в компрессорных цилиндрах сжимается воздух в буферных цилиндрах, после чего его энергия расходуется на совершение обратного хода рабочих поршней и сжатие воздуха в рабочем цилиндре.

В конце рабочего хода поршней открываются сначала выпускные окна, а затем впускные. Через выпускные окна выхлопные газы поступают к газовой турбине, а через впускные сжатый продувочный воздух из ресивера заполняет рабочий цилиндр.

Избыточный продувочный воздух смешивается с горячими выхлопными газами и также поступает к газовой турбине.

При обратном ходе рабочих поршней под действием воздуха, сжатого в буферных цилиндрах, закрываются впускные окна, затем выпускные и одновременно через клапаны всасывается воздух в цилиндры компрессора. В момент сближения поршней в рабочий цилиндр через форсунку впрыскивается топливо, и процесс повторяется.

ГТУ и СПГГ отличается компактностью, относительно малой массой 16-24 кг/кВт и небольшим расходом топлива 260 г/(кВт- ч). Преимуществом является возможность компоновать энергетическую установку из нескольких СПГГ, что позволяет более рационально использовать объем МКО (рис. 126). Кроме названных типов ГТУ на малых скоростных судах, особенно на судах на подводных крыльях, широко распространены облегченные ГТУ авиационного типа (1,5-4,0 кг/кВт). Но они имеют небольшой моторесурс и повышенный расход топлива (340-380 г/кВт∙ч).

Недостатком ГТУ всех типов, кроме повышенного расхода топлива и малого ресурса, является большая шумность в МКО, для уменьшения которой приходится прибегать к специальным мерам.

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

ВВЕДЕНИЕ

На первых этапах развития ГТУ для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изме­нялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в тур­бину. В такой камере сгорания температура и давление не посто­янны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.

Со временем выявились несомненные преимущества камер сго­рания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.

Первые ГТУ имели низкий КПД, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих агрегатов увеличивался КПД газотурбинных установок, и они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей.

В настоящее время газотурбинные установки являются основ­ным видом двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагруз­ку, большой мощностью при малой массе, возможностью полной автоматизации управления. Самолет с газотурбинным двигателем впервые совершил полет в 1941 г.

В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя КПД ГТУ ниже кпд паротурбинных установок (при мощности 20-100 МВт КПД ГТУ достигает 20-30%), исполь­зование их в пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо меньше времени.

В некоторых пиковых ГТУ в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиа­ционные турбореактивные двигатели, отслужившие свой срок в авиации. Наряду с двигателями внут­реннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях.

В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин.

Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транс­порте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воз­душной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в основной двигатель внутреннего сгорания и работаю­щего на его выхлопных газах.

Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов.

! Основное направление, по которому развивается газотурбиностроение, это повышение экономичности ГТУ за счет увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы - жаропрочные на основе никеля, керамика и др.

Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуа­тации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разру­шение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ

Газотурбинный двигатель (ГТД) - один из видов теплового двигателя, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора.

Превращение теплоты в работу осуществляется в нескольких агрегатах ГТД (рис.1)

Рис. 1. Схема газотурбинного двигателя:

ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; К – компрессор; Т – турбина; ЭГ – электрогенератор.

В камеру сгорания топливным насосом подаются топли­во и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, что­бы температура газа, получившегося после смешения, не превы­шала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в га­зовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду.

Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В ком­прессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.

Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, назы­вают установками открытого цикла . Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.

Рис. 2. Цикл газотурбинного двигателя.

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 2), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты (линия 1-4), получается цикл ГТД:

1-2 – сжатие рабочего тела от атмосферного давления до давления в двигателе;

2-3 – горение в камере;

3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела;

4-1 – отработанные газы выбрасываются в атмосферу

Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 3). В замкну­тых ГТУ также имеются компрессор 3 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 1, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В ка­честве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.

Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 1нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воз­дух, а затем охлаждается в ох­ладителе 4, поступает в компрессор 3, и цикл повторяется, В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего-тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.

Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 - поверхностный нагреватель; 2 - турбина; 3 - компрессор; 4 - охладитель; 5 - регенератор; 6 - аккумулятор воздуха; 7 - вспомогательный компрессор.