О газовых турбинах для не инженеров. Устройство и принцип действия газовой турбины Турбовальные двигатели

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ ГТУ

Общее устройство и принцип действия ГТУ

Газотурбинным двигателем называется такой двигатель, в ко­тором в качестве рабочего тела используется неконденсирующийся газ (воздух и продукты сгорания топлива или нейтральные газы), а в качестве тягового двигателя применяется газовая турбина.

Термин турбина происходит от латинских слов turbineus – вихреобразный, или turbo – волчок. Турбина и есть двигатель, в котором механическая работа на валу машины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, которая, в свою очередь, получается в результате преобразования потенциаль­ной энергии – энергии сгоревшего топлива в потоке воздуха. В ос­нове современных представлений о превращении теплоты в работу лежат два важнейших положения термодинамики: невозможность создания вечного двигателя первого рода (следствие первого на­чала термодинамики) и невозможность создания вечного двига­теля второго рода, в котором бы теплота полностью превращалась в работу (следствие второго начала термодинамики).

Непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды – рабочего тела и, по мень­шей мере, двух тепловых источников – источника высокой темпе­ратуры (нагреватель), от которого получаем теплоту для преобра­зования части ее в работу, и источника низкой температуры, кото­рому отдаем часть неиспользованной в двигателе теплоты.

Следовательно, всякий тепловой двигатель должен состоять из «нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрес­сорной машины. Причем, если мы хотим непрерывно превращать теплоту в работу, то должны непрерывно наряду с расширением, непрерывно и сжимать рабочее тело, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была меньше работы расширения, т. е. ра­бочее тело должно совершать круговой процесс. Получаемая в теп­ловом двигателе работа определяется как разность работ расшире­ния и сжатия рабочего тела, а с другой стороны (по закону сохра­нения энергии), как разность абсолютных количеств подведенной и отведенной теплоты.

Основным термодинамическим признаком различия поршневых и турбинных двигателей внутреннего сгорания являются особен­ности осуществления круговых процессов: в поршневых двигате­лях основные процессы цикла (сжатие, подвод теплоты, расшире­ние) последовательно сменяют друг друга в одном и том же зам­кнутом пространстве (система цилиндр – поршень), а в турбин­ных двигателях те же процессы непрерывно осуществляются в не­зависимых элементах двигателя, последовательно расположен­ных в общем потоке рабочего тела (например, компрессор – ка­мера сгорания – турбина в простейшем газотурбинном двигате­ле).

Принципиальная схема простейшей ГТУ приведена на рис. 1.1.

Рис 1.1 Принципиальная схема простейшей ГТУ.

1 – осевой компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина;

Принцип действия установки сводится к следующему.

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. 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 атмосферу.

Рассмотрим цикл такой ГТУ в T-S диаграмме (рис. 1.2).

Атмосферный воздух (P=P a , T=T a ) через входное устройство поступает к компрессор (изотерма 0-1); его давление и температуры становятся равными P 1 и T 1 .

Далее в компрессоре воздух сжимается до давления P 2 его температура при этом повышается до T 2 (адиабата 1-2). Отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению на его входе называется степенью сжатия в компрессоре (1.1).

, (1.1)

где π к – степень повышения давления в компрессоре; Р 2 – давление воздуха за компрессором; Р 1 – давление перед компрессором.

В камере сгорания (изобара 2-3) температура рабочего тела повышается до T 3 при постоянном давлении (P 2 = P 3 ).

Затем в турбине смесь воздуха и газа расширяется (адиабата 3-4), ее давление снижается до P 4 , а температура до T 4 . Отношение давления газа на входе в турбину к давлению газа на ее выходе называется степенью расширения в турбине (1.2).

где π т – степень расширения в турбине; Р 3 – давление воздуха перед турбиной; Р 4 – давление за турбиной.

После расширения в турбине отработавшие газы выбрасываются в атмосферу (изотерма 4-5).

Рассмотренный выше цикл является обратимым, так как в нем не учитываются какие-либо потери в процессах сжатия, расширения, подвода теплоты и т.д. В реальных условиях процессы во всех узлах установки отличаются от обратимых, поэтому определение показателей ГТУ на основе обратимых эталонных циклов не представляет практического интереса и может быть оправдано только при сравнительном анализе циклов различных установок. Поэтому на практике оперируют полными параметрами (параметрами заторможенного потока).

Полная температура:

, (1.3)

где Т* – полная температура; Т – статическая температура; с - абсолютная скорость потока; с р – удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Полное давление

, (1.4)

где Р* – полное давление; Р – статическое давление; Т* – полная температура; Т – статическая температура; k – показатель адиабаты.

При параметрах торможения потока получим диаграмму реального цикла ГТУ (рис. 1.3).

Аналогично (1.1) и (1.2) для реального цикла:

Давления в других узлах рассчитываются как:

, (1.6)

где Р* вых – давление на выходе узла; Р* вх – давление на входе в узел, σ –коэффициент потерь для данного узла.

Значения коэффициентов потерь для различных узлов ГТУ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Значения коэффициентов потерь для различных узлов ГТУ

Классификация ГТУ

Существуют следующие классификации ГТУ:

· По области применения:

Ö Авиационные ГТД.

­ турбореактивные;

­ турбовинтовые;

­ 2-х контурные ГТД;

­ турбовентиляторные;

­ вертолетные ГТД;

­ вспомогательные установки.

Ö Стационарные ГТУ для выработки электроэнергии.

Ö Приводные ГТУ (для привода нагнетателей природного газа).

Ö Транспортные ГТУ .

­ судовые;

­ локомотивные;

­ автомобильные;

­ танковые.

Ö Космические ГТУ (источником топлива для них являются атомные реакторы).

Ö Технологические ГТУ (стационарные ГТУ, включенные в технологический цикл произ­водства, например для привода воздуходу­вок в доменном производстве и на нефте­перегонных заводах).

Ö ГТУ в составе комбинированных установок (паро-газовые, газо-паровые, газо-дизельные установки).

· По типу цикла:

Ö Открытый цикл (рис. 1.1).

Ö Замкнутый цикл (рис. 1.4).

Отработавший в турбине 3 газ после регенератора 6 не удаляется в атмосферу, как в ГТУ откры­того типа, а направляется в охладитель 5. Там он охлаж­дается до температуры Т 3 , при этом давление его снижа­ется до P 2 . Охладитель представляет собой теплообмен­ник поверхностного типа, в котором охлаждающей средой служит обычная вода. С точки зрения термодинамики, охлади­тель 5 выполняет роль теплоприёмника (холодного источни­ка). Охлажденный газ поступа­ет в компрессор 4, где сжимается от P 2 до P 1 , за счет че­го температура его повышается от Т 3 до Т 4 . После компрессора газ направляется в регенератор 6, в котором подогревается за счёт газов, выходящих из турбины 3. В замкнутых ГТУ вместо камеры сгорания устанавливается нагреватель 1, в котором рабочее тело (газ или воздух) пропускается внутри трубок. Снаружи эти трубки нагреваются за счет тепла, выделяющего при сгорании топлива в топке, которая по принципу работы схожа с топкой паровых котлов. Поэтому нагреватель ГТУ иногда называют "воздушным котлом". В нагревателе 1, температура рабочего газа резко возрастает до Т 1 , далее газ поступает в тур­бину 3, где расширяется, совершая работу. Температура при этом падает до T 2 . Турбина вращает компрессор 4, а избыточную часть своей мощности отдает потребителю 2. Далее отработавший газ, имея достаточно высокую температуру, направляется в регенератор, где отдает часть своего тепла на подогрев газа, движущегося из компрессора 4 в нагреватель 1.

Затем цикл снова повторяется.

В замкнутой ГТУ циркулирует одно и то же массовое количество рабочего тела, за исключением незна­чительной по величине утечки газа из контура через различные неплотности, которая автоматически восполняется из специального устройства (на рисунке не показано). Мощность установки регулируется изменением давления газа в её контуре за счет изменения массового расхода рабочего газа при сохранении практически неизменными степени повышения давления p , а также Т 1 и Т 3 (максимальной и минимальной температур цикла) с помощью специ­ального центробежного регулятора (на рисунке не показан).

Замкнутые ГТУ по сравнению с открытыми обладают следующими преимуществами:

­ благодаря отсутствию в циркулирующем газе веществ, вы­зывающих коррозию и эрозию лопаточного аппарата, значительно повышается надёжность и долговечность турбины;

­ замкнутые ГТУ могут работать на любых видах топлива, в том числе на твердом и тяжелых сортах жидкого топлива (мазутах);

­ замкнутые ГТУ могут работать на атомной энергии;

­ путем повышения начального давления газа перед компрессором можно в широких пределах увеличивать его весовой расход в ГТУ, а это дает возможность либо в соответствующее число раз увеличить единичную мощность установки, либо при неизменной мощности значительно снизить её вес за счёт уменьшения поверхности теплообменников, размеров ГТУ и диаметров трубопроводов;

­ в замкнутых ГТУ мощность регулируется изменением давления газа в контуре, поэтому к.п.д. установки при раз­личных режимах нагрузки и в широком диапазоне рабочих параметров остаётся не­изменным;

­ в качестве рабочего тела можно использовать любые газообразные вещества, либо обладающие лучшими теплофизическими свойствами, либо позволяющие сделать цикл установки более совершенным и выгодным с термодинамической точки зре­ния, либо имеющие какие-то другие преимущества.

Ö Полузамкнутый цикл.

При таком цикле часть продуктов сгорания отбирается за турбиной и направляется в промежуточную ступень компрессора.

· По количеству валов:

Ö Одновальные ГТУ (рис 1.1).

Преимущества одновальных установок - конструктивная простота, минимальное число турбомашин и подшипников. Так же важным достоинством данных ГТУ является то, что при регенеративном цикле они сохраняют по­стоянный КПД ГТУ при уменьшении нагрузки до 70% и ниже.

Такие ГТУ имеют и не менее существенные недостатки. Жесткая связь осевого компрессора и приводимого нагнетателя существенно ограничивает возможности регулирования агрегата. Мощ­ность в установке данного типа регулируется только изменением расхода топлива. Если нагрузка уменьшается, уменьшают расход топлива, а при этом расход воздуха остается постоянным, поскольку компрессор, газовая турбина и нагрузка жестко связаны одним валом. Уменьшение расхода топлива, таким образом, ведет к уменьшению температуры за камерой сгорания, что уменьшает к.п.д. ГТУ.

Ö Двухвальные ГТУ .

В таких установках выделяют газогенераторную часть (компрессор и приводящая его турбина) иблок свободной силовой турбины.

Рис. 1.8. Принципиальная схема двухвальной ГТУ.

1-компрессор; 2-турбина высокого давления; 3-турбина низкого давления (силовая); 4-нагрузка (нагнетатель); 5-камера сгорания.

В такой установке турбина разделена на 2 ча­сти (рис 1.8).

Одна часть, обычно высокого давления 2, служит приводом компрессора 1 и может работать с переменным числом оборотов. Вторая часть, силовая турбина 3, работает со строго постоянным числом оборотов, если она предназначена для привода электрогенератора, и может иметь практически любую скорость вращения, ес­ли она предназначена для привода нагнетателя. Регулирование в ГТУ этого типа осуществляется не только путем изменения расхо­да топлива, но и за счет изменения расхода воздуха, подаваемого компрессором 1.

Такой метод позволяет значительно меньше снижать или вооб­ще не снижать температуру рабочего тела за камерой сгорания при работе на частичных нагрузках и тем самым поддерживать к.п.д. цикла на более высоком уровне.

Ö Трехвальные ГТУ .

Рис. 1.9. Принципиальная схема трехвальной ГТУ.

1-компрессор низкого давления; 2-компрессор высокого давления; 3-камера сгорания; 4- турбина высокого давления; 5-турбина низкого давления;

6-свободная турбина; 7-нагнетатель.

При больших степенях сжатия наблюдается различие расходов воздуха в начале и в конце проточной части компрессора, что может привести к помпажу. Для устранения этого явления компрессор делят на 2 и более частей, называемых каскадами. Каждый каскад имеет свою частоту вращения, за счет чего расход воздуха через них выравнивается. Каждый каскад приводится отдельной турбиной.

В любом случае на каждом валу должно быть не менее двух подшипниковых узлов: один – опорный, второй – опорно-упорный. При меняются подшипники качения и скольжения.

· По сложности термодинамического цикла :

Ö Простейший термодинамический цикл.

Рис. 1.10. T-S диаграмма простейшего термодинамического цикла.

Такой цикл используется в 90% всех используемых в мире ГТУ.

Ö Цикл с охлаждением в процессе сжатия.

Рис 1.11. Схема двухступенчатого компрессора

с промежуточным охладителем.

1 – компрессор низкого давления; 2 – компрессор высокого давления;

3 – охладитель.

Работа, затрачиваемая на сжатие, при прочих равных условиях будет наименьшей, если процесс осуществляется изотермически, но для этого необходимо постоянно отводить теплоту от рабочего тела, что конструктивно практически невозможно осуществить.

Чтобы приблизить процесс к изотермическому и уменьшить затрачиваемую работу, променяют ступенчатое сжатие с охлаждением воздуха после каждой ступени в промежуточных холодильниках.

На практике данный принцип осуществляется при помощи ступенчатого компрессора и холодильника (Рис 1.11). Очевидно, что, чем больше таких ступеней с холо­дильниками, тем ближе к изотермическому станет и процесс сжатия. T-S диаграмма такого цикла представлена на рис. 1.12.

Ö Цикл с подогревом в процессе расширения.

Повышение экономичности, снижение удельного расхода возду­ха и газа, а, следовательно, увеличение единичной мощности могут быть достигнуть также при помощи ступенчатого расширения с промежуточным подводом теплоты в камерах сгорания, расположенных последовательно по ходу газа между турбинами. В этом случае процесс расширения приближается к изотермическому, а это приво­дит к увеличению располагаемой работы турбины. Схема ГТУ с двухступен­чатым расширением и про­межуточным подогревом ра­бочего газа представлена на рис. 1.13.

Рис 1.13. Принципиальная схема ГТУ с промежуточным подогревом газа.

1 – камера сгорания; 2 – турбина высокого давления; 3 – камера сгорания промежуточного подогрева газа; 4 – силовая турбина.

Воздух из компрессо­ра, пройдя регенератор, поступает в КС 1, после которой рабочий газ с температурой Т * 3 направ­ляется в ТВД 2. Здесь происходит частичное рас­ширение газа. После ТВД рабочий газ отводится в КСППГ 3, в которой за счет дополни­тельного сжигания топлива его температура повышается до Т * 31 . В виду большого коэффициента избытка воздуха после КСВД сжигание топлива в КСНД происходит интенсивно без дополни­тельной подачи воздуха. Из КСППГ рабочий газ поступает в СТ 4, после которой отводится в атмосферу.

Цикл ГТУ с промежуточ­ным подогревом изображен на рис. 1.14.

Здесь показаны следующие процессы: 3-41 – расширение рабоче­го газа в ТВД; 41-31 – под­вод теплоты в КСППГ; 31-4 – расширение рабочего газа в СТ.

Ö Парогазовые установки (ПГУ).

Стремление повысить технико-экономические показатели энер­гетических установок путем рационального сочетания особенностей парового и газотурбинного циклов привело к созданию парогазовых установок (ПГУ). Упрощенная принципиальная схема ПГУ приведена на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Принципиальная схема ПТУ:

1 – компрессор; 2 – парогенератор; 3 – газовая турбина; 4 – паровая турбина;

5 – нагрузка; 6 – конденсатор; 7 – насос; 8 – система теплообменников

Установка, работает следующим образом.

Атмосферный воздух снимается в компрессоре 1 и направляется в парогенератор (паровой котел) 2. Тут же подается топливо. На выходе из парогенератора температура продуктов сгорания снижается за счет передачи теплоты на нагрев воды и производство пара.

Полученный перегретый пар с давлением поступает в паровую турбину 4, где расширяясь до глубокого вакуума, совершает работу, и далее конденсируется в конденсаторе 6, Конденсат (питательная вода) подается насосом 7 в систему теплообменников 6, где нагревается до температуры кипения, и далее в парогенератор 2, таким образом, паровой цикл замыкается.

Газотурбинная часть установки работает по принципу открытой ГТУ. Продукты сгорания поступают в газовую турбину 3 и расширяются там. Отработав в турбине, они пропускаются через систему теплообменников 8, где охлаждаются питательной водой, и затем удаляются в атмосферу.

Цикл комбинированной парогазовой установки (рис. 1.16) строится для 1 кг водяного пара и соответствующего количества газа, приходящегося на 1 кг вода.

В цикле газотурбинной установки подводится теплота, равная площади а-5-1-г, и получается полезная работа L ЦГ , равная площади 1-2-3-4-5. В цикле паровой установки при его раздельном осуществлении количество подведённой теплоты равно площади в-8-9-10-11-6-е, а полезная работа L ЦП - площади 6-7-8-9-10-11. Теплота отра­ботавших в турбине газов, равная площади а-4-2-г, при раздельном осуществлении обоих циклов выбрасы­вается в атмосферу. В парогазовом цикле теплота, вы­деляющаяся при охлаждении газов по линии 2-3 и равная площади б-З-2-г, не выбрасывается в атмосфе­ру, а используется на по­догрев питательной воды по линии 8-9 в системе те­плообменников 8.

Теплота, затрачиваемая на образование пара в котле, умень­шается на количество, равное заштрихованной площадке в-8-9-д, а эффективность комбинированного цикла увеличивается, поскольку суммарная полезная работа обоих циклов L ЦГ + L ЦП одинакова при совместном и раздельном их осуществлении.

ПТУ имеют довольно высокий К.П.Д. примерно 42 %. Это объ­ясняется следующим образом. Рассмотренный парогазовый цикл, с точки зрения термодинамики, представляет бинарный цикл, состоящий из газовой и паровой ступеней. В газовой ступени используется более высокая температура рабочего тела, чем, в современных парогазовых установках, т.е. средняя температура подвода тепла в парогазовом цикле выше, чем в паровом. В то же время паровая ступень позволяет воспользоваться преимуществом парового цикла, в котором температурный уровень отвода тепла в теплоприемник близок к температуре окружающей среды, а в газотурбинном цикле он значительно выше даже после регенератора. Поэтому К.П.Д. парогазовой установки будет выше, чем К.П.Д. ГТУ и ПТУ в отдельности.

Ö ГТУ с поршневыми камерами сгорания.

Все большее распространение получают энергетические уста­новка, в которых газовая турбина работает совместно со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ). В этих установках удачно со­четаются положительные качества турбины (меньший вес и габариты, способность работав с большим числом оборотов и т.д.) с отно­сительно высокой экономичностью ДВС.

Принципиальная схема ГТУ с СПГГ приведена на рис. 1.17.

Роль компрессора и одновременно камеры сгорания выполняет СПГГ, который по принципу действия напоминает двухтактный дизель высокого наддува с противоположно движущимися поршнями. Поршни 10 компрессоров при движении навстречу друг друга сжимают воздух и вытесняют его из полостей 2 через клапаны 4 в продувочный ресивер 11, оттуда через продувочные окно 6 воздух поступает в "дизельный" цилиндр 9 сначала для продувки его, а затем для наполнения свежим зарядом. Когда поршни 5 сблизятся и займут почти крайнее относительно друг друга положение, в цилиндр 9 через фор­сунку 7 впрыскивается топливо. Так же, как в дизеле,

Рис. 1.17. ГТУ с поршневой камерой сгорания:

1-буферная полость; 2-компессорные полости; 3-впускныв клапана; 4перепускные клапаны; 5-поршень; 6-продувочные окна; 7-форсунка; 8-выпускные окна; 9-цилиндр («дизельный»); 10-поршни компрессоров; 11-продувочный ресивер; 12-уравнительный ресивер; 13-турбина; 14-нагрзка.

оно самовоспламеняется от сжатия. Вследствие расширения газов в цилиндре 9 при сгорании топлива поршни 5 начинают расходиться в противопо­ложные стороны. При этом поршни 10, жестко связанные с поршнями 5, сжимают воздух в буферных полостях 1. Одновременно через кла­паны 3 всасывается атмосферный воздух в компрессорные полости 2. Далее, как только поршень 5 откроет выпускные окна 8, газы из дизельного цилиндра выпускаются в уравнительной ресивер 12, а из него смесь газов с продувочным воздухом направляется в турбину 13. Развиваемая турбиной мощность почти целиком отдается потребителю 14. Для перемещения поршней снова навстречу друг другу используется энергия сжатого воздуха, находящегося в буферных полостях 1. Затем цикл повторяется.

К.П.Д. ГТУ с СПГГ составляет 30...35 %, а иногда больше 40 %. Высокая их экономичность объясняется большим перепадом температур, с которым осуществляется рабочий процесс. Высшей тем­пературой является температура сгорания топлива в "дизельном" цилиндре (порядка 1800°С), а низшей - температура газов, выпус­каемых из турбины (200...300°С).

ГТУ с СПГГ применяются на некоторых судах, локомотивах, и на стационарных объектах различного назначения.

Основной недостаток ГТУ с СПГГ - определенная сложность и недоработанность самого СПГГ. Это существенно снижает надежность и долговечность их работы, а в итоге ограничивает темпы и масштабы их внедрения.

Похожая информация.

Газовой турбиной принято называть непрерывно действующий двигатель. Далее пойдёт речь о том, как устроена газовая турбина, в чем заключается принцип работы агрегата. Особенностью такого двигателя является то, что внутри него энергия продуцируется сжатым или нагретым газом, результатом преобразования которого является механическая работа на валу.

История создания газовой турбины

Интересно, что механизмы турбин начали разрабатываться инженерами уже очень давно. Первая примитивная паровая турбина была создана ещё в I веке до н. э.! Конечно же, своего существенног
о расцвета данный механизм достиг только сейчас. Активно разрабатываться турбины начали в конце XIX века одновременно с развитием и совершенствованием термодинамики, машиностроения и металлургии.

Менялись принципы механизмов, материалы, сплавы, всё совершенствовалось и вот, на сегодняшний день человечеству известна наиболее совершенная из всех ранее существующих форм газовой турбины, которая разграничивается на различные типы. Есть авиационная газовая турбина, а есть промышленная.

Газовой турбиной принято называть своеобразный тепловой двигатель, его рабочим частям предопределено только одно задание – вращаться вследствие воздействия струи газа.

Устроена она таким образом, что главная часть турбины представлена колесом, на которое прикреплены наборы лопаток. , воздействуя на лопатки газовой турбины, заставляет их двигаться и вращать колесо. Колесо в свою очередь жёстко скреплено с валом. Этот тандем имеет специальное название – ротор турбины. Вследствие этого движения, происходящего внутри двигателя газовой турбины, достигается получение механической энергии, которая передаётся на электрогенератор, на гребной винт корабля, на воздушный винт самолёта и другие рабочие механизмы аналогичного принципа действия.

Активные и реактивные турбины

Воздействие газовой струи на лопатки турбины может быть двояким. Поэтому турбины разделяются на классы: класс активных и реактивных турбин. Отличаются реактивная и активная газовая турбина принципом устройства.

Активная турбина

Активная турбина характеризуется тем, что здесь отмечается большая скорость поступления газа на рабочие лопатки. При помощи изогнутой лопатки, струя газа отклоняется от своей траектории движения. В результате отклонения развивается большая центробежная сила. С помощью этой силы лопатки приводятся в движение. Во время всего описанного пути газа происходит потеря части его энергии. Такая энергия и направлена на движение рабочего колеса и вала.

Реактивная турбина

В реактивной турбине всё несколько иначе. Здесь поступление газа к рабочим лопаткам осуществляется на незначительной скорости и под воздействием большого уровня давления. Форма лопаток так же отлична, благодаря чему скорость газа значительно увеличивается. Таким образом, струя газа создаёт своего рода реактивную силу.

Из описываемого выше механизма следует, что устройство газовой турбины достаточно непростое. Дабы такой агрегат работал бесперебойно и приносил своему владельцу прибыль и выгоду, следует доверить его обслуживание профессионалам. Сервисные профильные компании обеспечивают сервисное обслуживание установок, использующих газовые турбины, поставки комплектующих, всевозможных частей и деталей. DMEnergy — одна из таких компаний (), которые обеспечивают своему клиенту спокойствие и уверенность в том, что он не останется один на один с проблемами, возникающими в ходе эксплуатации газовой турбины.

Главные особенности конструкций газовых турбин по сравнению с паровыми определяются следующими основными факторами:

1. В газовой турбине осуществляется процесс расширения высокотемпературной рабочей среды, что требует использования специальных жаростойких материалов (сталей, сплавов, керамики и теплозащитных покрытий), а также организации охлаждения ее элементов (лопаточного аппарата, ротора с дисками, корпусных деталей, подшипников и пр.).

2. В газовой турбине существенно меньше число ступеней, чем в паровой. При этом ГТ работает при невысоком начальном давлении рабочей среды, удельный объем которой при расширении увеличивается в 5-25 раз (в паровой турбине удельный объем водяного пара растет в сотни раз). Поэтому разница между длиной лопаток первой ступени и последней много меньше, чем для паровой турбины. Средние диаметры турбинных ступеней ГТ больше, чем для ступеней ЦВД ПТ (диаметры дисков ГТ до 2 м), а их внутренняя мощность существенно больше в сравнении с мощностью ступеней паровой турбины.

3. Осевая составляющая скорости потока за последней ступенью газовой турбины составляет 100-230 м/с. Поэтому для снижения потерь энергии выходной патрубок ГТ выполняют осевым на основе высокоэффективного диффузорного канала.

4. Из-за большой роли КПД ГТ в экономичности ГТУ в газовых турбинах нет регулирующих клапанов, парциальных ступеней и прочих элементов, снижающих экономичность установок.

Роторы газовых турбин выполняют в зависимости от их типов дисковыми, барабанными и дискобарабанными (рис. 29.10 - 29.12), а по способу изготовления – цельноковаными и сварными:

а) Более распространены дисковые конструкции роторов, у которых нет центрального отверстия, сокращающего прочностные характеристики.

б) Цельнокованые конструкции роторов ограничены в диаметре из-за технологических ограничений при их изготовлении. Поэтому они применяются в ГТ малой мощности.

в) Сварные роторы лишены этих недостатков, но они дороже при изготовлении.

Рис. 29.10 Конструкции роторов газовых турбин

а ) цельнокованый ротор барабанной конструкции; б ) цельнокованый ротор консольного типа;

в, г ) сварные роторы; д, сборный ротор с дисками, соединенными стяжными болтами

В сборных конструкциях роторов диски стягиваются с помощью гидравлического устройства центральным стержнем, превращающим ротор в единую жесткую конструкцию. Перед сборкой отдельные диски газовой турбины с лопаточным аппаратом (также и компрессора) подвергаются тщательной балансировке. Каждый из дисков имеет два кольцевых воротника (пояса), на котором выполнены хирты - радиальные зубья треугольного профиля. При хорошем качестве изготовления хиртового соединения обеспечивается абсолютная центровка смежных дисков. Такая конструкция применяется, например, в ГТУ V94.2 «Siemens » и ГТЭ-180. В газовых турбинах серии G фирмы «Westinghouse » диски стягиваются 12 сквозными болтами. В энергетической ГТУ GT13E «АВВ » применяется сварной ротор. На рис. 29.12 показан внешний вид роторов компрессора и газовой турбины ГТУ GT 13E .

Рис. 29.12 Конструкция ротора GT 13E

Корпус газовой турбины в отличие от корпусов паровой турбины эксплуатируется в условиях более высоких температур, но при меньшем перепаде давлений, действующих на стенки корпуса. Корпусные элементы ГТ изготавливают из перлитных сталей. В большинстве конструкций корпус имеет горизонтальный разъем. Основное требование к корпусам ГТ – жесткость их конструкции, обеспечение равномерной толщины стенок для исключения формирования температурных напряжений и соответствующих деформаций, симметричность в поперечных сечениях с целью организации одинаковых зазоров между рабочими лопатками и корпусом. Эти зазоры для уменьшения протечек выполняются минимальными в радиальном направлении. В лабиринтовых надбандажных и диафрагменных уплотнениях ступеней ГТ (а также компрессоров) применяются сотовые вставки, истирающиеся при задеваниях, что предотвращает развитие аварийных ситуаций. Для уменьшения температуры стенок корпуса его иногда изнутри закрывают жароупорным экраном из тонкостенного листа аустенитной стали. Между ними закладывают теплоизоляционный материал. В ряде случаев в начальной части ГТ применяется двухкорпусное исполнение, когда между соответствующими стенками организуется движение охлаждающего воздуха.

Одной из основных ГТУ , на базе которой планируется создание ПГУ-325 и других, является ГТЭ-110 мощностью 110 МВт (рис. 29.13). Она имеет относительно высокий уровень экономичности (КПД 36%) при уровне начальной температуры газов 1210°С, но с низкой температурой уходящих газов (517°С), что затрудняет получить высокий уровень экономичности парогазовых установок. Номинальная мощность ГТУ при расчетных условиях 114,5 МВт (КПД 36,5%), а пиковая – 120 МВт (КПД 36%). Максимальная мощность при температуре наружного воздуха t а =–15 о С N Э =129,4 МВт. Степень повышения давления в компрессоре при номинальной мощности ГТУ p к =14,75. Расход выходных из турбины газов 365 кг/с.

Ротор барабанно-дисковой конструкции состоит из пяти частей, соединяемых между собой штифтовыми и болтовыми соединениями. Диски компрессора и турбины в секциях соединяются электронно-лучевой сваркой. Радиальные подшипники диаметром 400 мм выполнены с самоустанавливающимися колодками. Между сегментами расположены форсунки для подачи масла на смазку и охлаждения. Осевой подшипник обеспечивает двухстороннее восприятие осевой нагрузки. Он установлен со стороны компрессора в его холодной части. В осевом подшипнике относительно гребня установлены 28 колодок по 14 с каждой стороны.

Рис. 29.13. Газотурбинная установка ГТЭ-110

1 – ВНУ; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – газовая турбина; 5 – рама

Система охлаждения газовой турбины - конвективная. В турбине охлаждаются рабочие лопатки первых двух ступеней и сопловые – трех. Суммарный расход воздуха на охлаждение 13%. Компрессор имеет 15 ступеней, его сварной корпус выполнен из стали ЭП609Ш. Над рабочими лопатками 1-й и 2-й ступеней сконструированы антипомпажные устройства в форме кольцевых камер, в которые воздух попадает через щели. Рабочие лопатки первых четырех ступеней изготовлены из титанового сплава ВТЗ-1, с 5-й по 12-ю ступень - из стали ЭИ 479Ш, а с 13-й по 15-ю – ЭИ 696Ш. Диски компрессора выполнены из стали ЭП609. Отбор воздуха за 7-й ступенью предназначен для охлаждения дисков компрессора, а за 10-й – для охлаждения ротора газовой турбины.

Трубчато-кольцевая камера сгорания с 20 жаровыми трубами располагается над компрессором, что сокращает длину валопровода и делает его более жестким. Сопловые аппараты турбинных ступеней газовой турбины устанавливаются в своих наружных корпусах. Корпус турбины имеет только вертикальные разъемы. Сопловой аппарат 1-й ступени состоит их 40 отдельных литых лопаток с конвективно-пленочным охлаждением вторичным воздухом. Сопловой аппарат 2-й ступени состоит из 24 пакетов лопаток, отлитых блоками по две лопатки, 3-й – из 18 пакетов по три лопатки, а 4-й – из 16 пакетов по три лопатки (полые, неохлаждаемые). Все пакеты имеют в отливке диафрагменные поверхности.

Крепление ГТУ осуществляется одной передней и двумя задними опорами. Передняя опора неподвижная и представляет собой жесткий лист с ребрами, который крепится к фланцу переднего корпуса компрессора. Задние опоры крепятся к цапфе опорного венца турбины и состоят из гибких листов, установленных в два яруса во взаимно перпендикулярных направлениях. Кожух ГТУ выполняется на основе панельно-каркасной конструкции с толщиной панели 80 мм. Пуск ГТУ осуществляется от электрогенератора через тиристорный преобразователь частоты тока.

Закреплённые на дисках) и статор , выполненный в виде выравнивающего аппарата (направляющие лопатки , закреплённые в корпусе).

Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей , стационарных газотурбинных установок (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ).

Газ под высоким давлением поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Газовая турбина чаще всего используется как привод генераторов.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания . Более сложные турбины (которые используются в современных турбореактивных двигателях), могут иметь несколько валов, сотни турбинных и статорных лопаток, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Типы газовых турбин

Газовые турбины часто используются во многих ракетах на жидком топливе, а также для питания турбонасосов, что позволяет использовать их в легковесных резервуарах низкого давления, хранящих значительную сухую массу.

Промышленные газовые турбины для производства электричества

Газовая турбина серии GE H. Эта 480-мегаваттная турбинная установка имеет тепловой кпд 60 % в конфигурациях комбинированного цикла.

Отличие промышленных газовых турбин от авиационных в том, что их массогабаритные характеристики значительно выше, они имеют каркас, подшипники и лопастную систему более массивной конструкции. По размерам промышленные турбины варьируются от монтируемых на грузовики мобильных установок до огромных комплексных систем. Парогазовые турбины могут иметь высокий КПД - до 60 % - при использовании выхлопа газовой турбины в рекуперативном генераторе пара для работы паровой турбины. С целью увеличения КПД они также могут работать в когенераторных конфигурациях: выхлоп используется в системах теплоснабжения - ГВС и отопления, а также с использыванием абсорбционных холодильных машинах в системах хладоснабжения. Одновременное использование выхлопа для получения тепла и холода называется режимом тригенерации . Коэффициент использования топлива в тригенераторном режиме, в сравнении с когенераторным может достигать более 90 %.

Турбины в больших промышленных газовых турбинах работают на синхронных с частотой переменного тока скоростях - 3000 или 3600 оборотов в минуту (об./мин.).

Газовые турбины простого цикла могут выпускаться как для большой, так и для малой мощности. Одно из их преимуществ - способность входить в рабочий режим в течение нескольких минут, что позволяет использовать их как мощность во время пиковых нагрузок. Поскольку они менее эффективны, чем электростанции комбинированного цикла, они обычно используются как пиковые электростанции и работают от нескольких часов в день до нескольких десятков часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии и генерирующей емкости. В областях с недостаточной базовой нагрузкой и на электростанциях, где электрическая мощность выдается в зависимости от нагрузки, газотурбинная установка может регулярно работать в течение большей части суток. Типичная турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40 %. Максимальные КПД турбин простого цикла достигает 41 %.

Микротурбины

Отчасти, успех микротурбин обусловлен развитием электроники, делающей возможной работу оборудования без вмешательства человека. Микротурбины применяются в самых сложных проектах автономного электроснабжения.

Преимущества и недостатки газотурбинных двигателей

Преимущества газотурбинных двигателей

• Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем;
• Возможность получения большего количества пара при работе (в отличие от поршневого двигателя)
• В сочетании с паровым котлом и паровой турбиной более высокий КПД по сравнению с поршневым двигателем
• Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, в отличие от поршневого двигателя.
• Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.
• Существенно меньше выбросов вредных веществ по сравнению с поршневыми двигателями
• Низкие эксплуатационные нагрузки.
• Низкая стоимость и потребление смазочного масла.
• Низкие требования к качеству топлива. ГТД потребляют любое горючее, которое можно распылить: газ, нефтепродукты , органические вещества и пылеобразный уголь .

Недостатки газотурбинных двигателей

• Стоимость намного выше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы применяемые в турбине должны иметь высокую жаростойкость и жаропрочность, а также высокую удельную прочность. Машинные операции также более сложные;
• Имеют меньший КПД при любом режиме работы, чем поршневые двигатели. (Официальные данные (стр.3) КПД на максимальной нагрузке 25-33%, при этом Официальные данные по поршневым двигателям - 41-42%)
• Низкий механический и электрический КПД (потребление газа более чем в 1.5 раза больше на 1 кВтЧ электроэнергии по сравнению с поршневым двигателем)
• Резкое снижение КПД на малых нагрузках (в отличие от поршневого двигателя)
• Необходимость использования газа высокого давления, что обуславливает необходимость применения дожимных компрессоров с дополнительным расходом энергии и падением общей эффективности системы.
• Задержка отклика на изменения настроек мощности.
• Медленный запуск и выход на режим
• Существенное влияние пусков-остановов на ресурс

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты и крупные катера, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере и мощности. А также то, почему в аэропортах при короткой стыковке двигатели самолета не останавливают - излишне потребленное топливо дешевле ремонта турбин из-за пусков-остановов.

Примечания

Литература

• Дейч М. Е. Техническая газодинамика. - М.: Энергия, 1974.
• Дейч М. Е. Газодинамика решёток турбомашин. - М.: Энергоатомиздат, 1996.

См. также

Ссылки

• Газовая турбина - статья из Большой советской энциклопедии

Паровая машина Двигатель Стирлинга Пневматический двигатель По виду рабочего тела Газовые Газотурбинная установка Газотурбинная электростанция Газотурбинные двигатели‎ Паровые Парогазовая установка Конденсационная турбина Гидравлические турбины‎ Пропеллерная турбина

Рис. 6. Регенеративный цикл, одновальная

ГТУ : 1 - регенератор; 2 - компрессор; 3 - камера сгорания;

4 - турбина; 5 - нагнетатель (нагрузка)

В одновальной ГТУ открытого простого цикла (рис. 5) рабочее тело (воздух) поступает в компрессор 1 из атмосферы, сжимается и направляется в камеру сгорания 2, в которой происходит его нагревание до определенной температуры. Затем рабочее тело (воздух) поступает в турбину 3 , где расширяется, производя работу, и выбрасывается в атмосферу. Особенностью этого цикла является то, что компрессор, турбина и центробежный нагнетатель 4 (нагрузка) соединены механически. Центробежный нагнетатель с приводом от одновальной ГТУ может работать только в сравнительно узком диапазоне расходов газа.

В открытом цикле рабочее тело (воздух) поступает в ГТУ из атмосферы и выбрасывается в атмосферу. В замнутом цикле рециркуляция рабочего тела (воздуха) осуществляется без связи с атмосферой.

В одновальной ГТУ регенеративного цикла (рис. 6) дополнительно применен регенератор - теплообменник, передающий тепло от выхлопных газов рабочему телу (воздуху) до его поступления в камеру сгорания. Регенеративный цикл - термодинамический цикл с использованием тепла отработавшего рабочего тела. Состоит он из следующих друг за другом сжатия, регенеративного подогрева, горения, расширения и регенеративного охлаждения рабочего тела (теплопередачи от отработавшего газа к рабочему телу за компрессором). В целях расширения диапазона регулирования и устойчивой работы применяют схему многовальной ГТУ или с разрезным валом (рис. 7) . Такая ГТУ имеет по крайней мере две турбины, камеру сгорания 2 , работающие на независимых валах. Компрессор 1 приводится турбиной высокого давления (ТВД) 3 , а силовая турбина (турбина низкого давления или ТНД) 4 обеспечивает привод нагнетателя 5 (нагрузки). Газотурбинная установка с разрезным валом обеспечивает любой режим работы газопровода без понижения давления нагнетания, так как, изменяя скорость вращения силового вала ТНД, можно привести в соответствие мощность, потребляемую нагнетателем, с полезной мощностью установки.

В ГТУ регенеративного цикла с разрезным валом появляется дополнительный элемент - регенератор, который выполняет те же функции, что регенератор одновальной ГТУ (см. рис. 6) .

Рабочий процесс в многовальной ГТУ со ступенчатым сжатием и ступенчатым сгоранием топлива отличается от рабочего процесса других ГТУ тем, что воздух сжимается с промежуточным охлаждением, а горение происходит в двух камерах сгорания, расположенных перед каждой турбиной (рис. 8) . При одинаковой производительности и степени сжатия в установке с промежуточным охлаждением затраты работы на сжатие в компрессорах низкого и высокого давлений (КНД и КВД) меньше, чем в установке без охлаждения. Применение ступенчатого сгорания приводит к некоторому повышению к л.д. установки. Но в такой установке усложняются топливная и масляная системы, создается более развернутая сеть воздуха и газопроводов, что увеличивает габариты и массу установки. Поэтому на КС не нашли практическое применение схемы ГТУ со ступенчатым сгоранием. Используют в основном ГТУ , выполненные по простому регенеративному (например, ГТК-10) или безрегенеративному циклу (например, ГТН-16) с разрезным валом.

Рис. 7. Простой цикл, ГТУ с разрезным валом с отдельной силовой турбиной

Рис. 8. Цикл с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом, многовальная ГТУ с потребителем полезной мощности на валу низкого давления: 1 - камера сгорания; 2 - промежуточный холодильник; 3 - камера сгорания промежуточного подогрева; 4 - нагнетатель (нагрузка)