Устройство газотурбинной установки

Устройство газотурбинных установок (ГТУ). Основные элементы газотурбинных установок

Устройство газотурбинной установки

Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора.

На рис. 1-а показана газотурбинная установка, компрессор 1, камеры сгорания 2 и газовая турбина 3 которой расположены в едином сборном корпусе. Роторы 6 и 5 компрессора и турбины жестко соединены друг с другом и опираются на три подшипника. Четырнадцать камер сгорания располагаются вокруг компрессора каждая в своем корпусе. Воздух поступает в компрессор через входной патрубок и уходит из газовой турбины через выхлопной патрубок. Корпус газотурбинной установки опирается на четыре опоры 4 и 8, которые расположены на единой раме 7.

Тепловая схема такой газотурбинной установки показана на рис. 1-б. В камеры 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.

Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 2). В замкнутых ГТУ также имеются компрессор 1 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 4, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В качестве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.

Рис. 2. Схема замкнутой ГТУ: 1 - компрессор, 2 - турбина, 3 - электрический генератор, 4 - источник теплоты, 5 - регенератор, 6 - охладитель

Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 4 нагревается 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 6, поступает в компрессор 1, и цикл повторяется. В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.

Лекция Газотурбинные установки.

Современная газотурбинная установка (ГТУ) – это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом. Турбина, в которой газ расширяется до атмосферного давления, преобразует потенциальную энергию сжатого и нагретого до высокой температуры газа в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Турбина приводит электрогенератор, преобразующий кинетическую энергию вращения ротора генератора в электрический ток. Электрогенератор состоит из статора, в электрических обмотках которого генерируется ток, и ротора, представляющего собой электромагнит, питание которого осуществляется от возбудителя.

В отличие от паротурбинных установок (ПТУ), где рабочим телом является пар, ГТУ работают на продуктах сгорания топлива. Кроме того, в отличие от ГТУ в состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный источник тепла. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ же наоборот камера сгорания является ее неотъемлемой частью. В этом смысле ГТУ самодостаточна. По способу подвода теплоты при постоянном давлении p=const и при постоянном объеме v=const. Все современные ГТУ работают с подводом теплоты при p=const. Существуют открытые (разомкнутые) и закрытые (замкнутые) схемы ГТУ

Простейшая схема открытой ГТУ в условных обозначениях, а также ее термодинамический цикл представлены на рисунке 1. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора (точка 1), который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором к давлению перед нимназывается степенью сжатия воздушного компрессора и обычно обозначается как. Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две или более камер сгорания (точка2). При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подводится топливо (газ или жидкое топливо), за счет сжигания которого при постоянном давлении p=const образуются продукты сгорания высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой.

Рисунок 1 – Простейшая схема открытой ГТУ и ее термодинамический цикл

Рабочие газы с давлением из–за гидравлического сопротивления камеры сгорания) подаются в проточную часть газовой турбины (точка3), где расширяются практически до атмосферного давления (точка4). Далее они поступают в выходной диффузор, откуда – или сразу в дымовую трубу, что вызовет значительные потери теплоты, или предварительно в какой–либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ.

В замкнутой схеме (рис.2) вместо камеры сгорания применяют поверхностные подогреватели рабочего тела, а отработавший в турбине газ (например, гелий) охлаждается в специальных охладителях до наиболее низкой температуры, после чего поступает в компрессор. Термодинамический цикл данной схемы аналогичен циклу открытой ГТУ.

Вследствие расширения газов в газовой турбине, последняя вырабатывает мощность. Значительная ее часть тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть – на привод электрогенератора. Эту часть называют полезной мощностью ГТУ и указывают при ее маркировке.

В реальных ГТУ все протекающие процессы сопровождаются потерями работы в компрессоре и турбине, а также потерями давления по тракту ГТУ. С учетом этих потерь реальный цикл отличается от идеального. В состав реальной ГТУ входят камера сгорания (подогреватель рабочего тела в закрытой схеме), газовая турбина, компрессор, пусковой двигатель, теплообменники различного назначения (регенеративные подогреватели, промежуточные подогреватели в турбинах) и различное вспомогательное оборудование, а также электрогенератор, если назначением ГТУ является производство электрической энергии. Турбина, компрессор и генератор размещаются на одном валу. Пусковой двигатель присоединяется расцепной муфтой. В простейших ГТУ приблизительно 70 % мощности, развиваемой турбиной, расходуется на привод компрессора, а 30 % на привод генератора. Степень повышения давления в компрессоре =6…7, КПД установки 24…27 %, температура перед турбиной 750…800 °С. Диапазон начальных температур перед газовой турбиной в ГТУ составляет 750…1150 °С, поэтому исходя из условий прочности, элементы установки, работающие при высоких температурах, выполняют из высоколегированных сталей, а для повышенной надежности предусматривают их воздушное охлаждение.

Рисунок 2 – Простейшая схема замкнутой ГТУ

Отработавшие газы турбины имеют высокую температуру, поэтому их удаление в окружающую среду в открытой схеме ГТУ приводит к значительным потерям энергии. В целях повышения КПД установки применяют регенеративный подогрев сжатого воздуха уходящими газами турбины. Это увеличивает степень использования теплоты сожженного в камере сгорания топлива и энергетическую эффективность установки.

В идеальной ГТУ с регенерацией, схема и цикл которой показаны на рисунке 3, выхлопные газы турбины можно охладить до температуры, равной температуре воздуха за компрессором, т.е. до , а сжатый компрессором воздух можно нагреть до температуры, соответствующей температуре на выхлопе турбины, т.е. до. В реальной установке воздух в регенеративном теплообменнике нагреется до температуры, которая ниже, а выхлопные газы охладятся в этом же теплообменнике до температуры, которая вышена величину , обычно равную в открытых схемах 60…80 °С. Реальные ГТУ, работающие по разомкнутой схеме при начальной температуре 750…850 °С, имеют степень регенерации, а эффективный КПД 26,5…30 %.

Рисунок 3 – Схема и цикл ГТУ с регенерацией

ГТУ, обеспечивающие комбинированную выработку электрической и тепловой энергии, называются теплофикационными. Выработка тепловой энергии осуществляется за счет использования теплоты газов, уходящих из турбины с высокой температурой, для нагрева воды и получения пара. Нагрев воды, идущей на отопление и бытовые нужды, отработавшими газами турбины является наиболее простым способом повышения тепловой экономичности ГТУ.

В ГТУ применяется газообразное и легкое жидкое топливо. При использовании жидкого топлива тяжелых сортов, содержащего вредные примеси, нужна специальная система топливоподготовки для предотвращения коррозии деталей турбины под воздействием содержащихся в тяжелом топливе соединений серы и ванадия. Проблема использования твердого топлива в ГТУ находится в стадии интенсивной опытно-промышленной разработки.

Технология пуска турбины в большой степени зависит от температурного состояния оборудования перед ним. Различают пуски из холодного, неостывшего и горячего состояний. Если температура турбины не превышает 150 °С, то считают, что пуск произведен из холодного состояния. Для мощных энергоблоков для остывания до такой температуры требуется до 90 часов. Пускам из горячего состояния соответствует температура турбины 420-450 °С и выше (достигается за 6-10 часов). Неостывшее состояние является промежуточным. Всякое удлинение пуска приводит к дополнительным затратам топлива. Поэтому пуск должен производиться быстро, однако не в ущерб надежности. Пуск турбины запрещается:

при неисправности основных приборов, показывающих протекание теплового процесса в турбине и ее механическое состояние (тахометры, термометры, манометры и т.п.);

при неисправной системе смазки, обеспечивающей смазку подшипников;

при неисправности систем защиты и регулирования;

при неисправном валоповоротном устройстве.

Для запуска в работу ГТУ необходимо пусковым устройством (ПУ) привести во вращение ротор турбокомпрессора, воздух от компрессора одновременно с топливом подать в камеру сгорания для ее зажигания и для выполнения дальнейших операций по пуску ГТУ. В качестве пускового устройства могут быть использованы различные средства: электродвигатель, паровая или газовая (воздушная) турбина, двигатель внутреннего сгорания. Для крупных энергетических турбин, как правило, в качестве ПУ используется собственный электрический генератор ГТУ, разворачивающий ротор ГТУ до частоты вращения равной 0,2 – 0,3 номинальной. В период пуска регулирующие направляющие аппараты компрессора должны быть прикрыты для снижения расхода воздуха. В начале пуска открыты антипомпажные клапаны. Топливо подается в камеру сгорания, и образующаяся в смесительном устройстве камеры сгорания топливовоздушная смесь зажигается при помощи запального устройства (плазменного зажигателя). Расход топлива увеличивается путем открытия топливного клапана. Это вызывает рост температуры газов перед турбиной, мощность турбины и частота вращения ротора. При определенной температуре газа перед турбиной и некоторой частоте вращения устанавливается равенство мощности газовой турбины и мощности, потребляемой воздушным компрессором. В этом состоянии после небольшого дополнительного увеличения расхода топлива пусковое устройство отключается, и ГТУ переходит в режим самоходности. При дальнейшем увеличении расхода топлива турбоагрегат разворачивается газовой турбиной до достижения номинальной частоты вращения, затем производится синхронизация электрического генератора с сетью и включение его в сеть. Таким образом агрегат выводится в режим холостого хода. В процессе пуска антипомпажные клапаны закрываются, а регулируемые направляющие аппараты устанавливаются в положения, предписываемые программой запуска.

В процессе нагружения ГТУ до номинальной мощности увеличивается расход топлива открытием регулирующего клапана, изменяются углы установки регулируемых направляющих аппаратов компрессора по соответствующей программе, расход воздуха увеличивается до номинального значения. Эксплуатация ГТУ в общем случае состоит из пуска, работы с электрической и тепловой нагрузкой и остановки. Наиболее простой является работа при постоянной нагрузке. Основной задачей персонала, обслуживающего турбоустановку, при нормальной работе является обеспечение заданной электрической и тепловой мощности при полной гарантии надежной работы и максимально возможной экономии.

Режимы работы ГТУ можно поделить на стационарные и переменные.

Стационарный режим отвечает работе турбины при некоторой фиксированной нагрузке. Он может протекать как при номинальной, так и при частичной нагрузке. До недавнего времени этот режим был основным для ГТУ. Турбина останавливалась несколько раз в год из-за неполадок или плановых ремонтов.

Переменные режимы ГТУ определяются следующими по отношению к ГТУ причинами. Первая причина – необходимость изменить мощность, вырабатываемую ГТУ, если изменилась мощность, потребляемая, например, электрическим генератором, из-за изменения подключенной к генератору электрической нагрузки потребителей. Если ГТУ приводит электрический генератор, включенный параллельно с другими производителями мощности, т.е. работающий на общую сеть (энергосистему), то необходимо изменить мощность данной ГТУ в случае изменения общей потребляемой мощности в системе. Вторая причина – изменение атмосферных условий: давления и особенно температуры атмосферного воздуха, забираемого компрессором. Наиболее сложным нестационарным режимом является пуск ГТУ, включающий многочисленные операции перед толчком ротора. К нестационарным режимам относят резкие изменения нагрузки (сброс или наброс), а также остановку турбины (разгружение, отключение от сети, выбег ротора на остывание).

Таким образом, для ГТУ основной задачей управления является обеспечение необходимой мощности, а для энергетических ГТУ – постоянство частоты вращения приводимого электрического генератора. Переменные режимы работы ГТУ следует осуществлять таким образом, чтобы экономичность при каждом режиме была максимально высокой. Регулирование режима ГТУ производится воздействием на регулирующие топливные клапаны, подающие топливо непосредственно в камеру сгорания , что обусловливает низкую инерционность процесса подвода теплоты к рабочему телу в камере сгорания. ГТУ чувствительны к изменению атмосферных условий. Для них имеется опасность возникновения помпажа компрессора. Для пуска ГТУ необходимо, чтобы на всех возможных режимах работы помпаж был исключен. Для пуска ГТУ необходима предварительная раскрутка ротора при помощи пускового устройства.

В современных крупных ГТУ используются автоматизированные системы управления, выполняющие следующие функции:

– автоматическое дистанционное управление пуском, нагружением и остановкой ГТУ;

– регулирование таких параметров, как частота вращения турбоагрегата с заданной степенью неравномерности, температуры газа перед турбиной и за ней, активная нагрузка электрического генератора, режим работы компрессора на необходимом удалении от границы помпажа;

– защита ГТУ, а именно отключение и остановку при аварийных ситуациях, из которых наиболее серьезными являются такие, как недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение температур газа перед газовой турбиной и за ней, недопустимое повышение частоты ротора, недопустимое падение давления масла для смазки подшипников, недопустимый осевой сдвиг ротора, погасание факела в камере сгорания, приближение к границе помпажа компрессора, недопустимое повышение виброскорости шеек ротора и корпусов подшипников.

Событие, заключающееся в нарушении работоспособности ГТУ, называется отказом. Для поддержания высокой надежности и безотказности оборудование проходит техническое обслуживание, текущий, средний или капитальный ремонты. При текущем и среднем ремонтах заменяются или восстанавливаются поврежденные детали и узлы, а при капитальном проводится полное восстановление работоспособности. При нормальной эксплуатации ГТУ необходимы тщательный уход и регулярные проверки систем защиты и регулирования, осуществляемые вахтенным персоналом и инженером, отвечающим за работу этой системы. Надежность ее эксплуатации зависит от тщательности осмотра доступных узлов систем регулирования и защиты, сравнения текущих показателей приборов с предшествующими, выполнения всех проверок и операций, предусмотренных инструкциями, составленными с учетом требований заводов-изготовителей турбин правил техники эксплуатации (ПТЭ) и методических указаний по проверке и испытаниям. Особое внимание при осмотре должно уделяться потенциальным источникам утечек масла. Необходимо следить за положением гаек, стопорных деталей и другого крепежа на штоках, золотниках, поскольку эти детали работают в условиях вибраций, вызывающих их отвинчивание и нарушение работы. Необходимо следить за механическим состоянием всех доступных узлов: кулачковых механизмов, их валов, подшипников, пружин и т.д. Особое внимание следует обращать на колебания регулирующих органов, которые могут вызвать обрыв приводных штоков вследствие усталости. Необходимо следить за изменениями давлений и пульсациями в основных маслопроводах систем регулирования и защиты: линии подачи масла на смазку, в импульсных линиях, линиях защиты и полостях сервомоторов. Изменение этих давлений свидетельствует о ненормальностях системах регулирования, маслоснабжения: о неплотности клапанов, уплотнений поршней и штоков сервомоторов, засорении регулировочных шайб. Пульсации золотников вызываются ненормальной работой импеллера, загрязнением маслопроводов, попаданием твердых частиц между золотниками и буксами, повышенным содержанием воздуха в масле и другими причинами.

Первейшее внимание обслуживающего персонала должно быть уделено исключению возможности разгона турбины при отключениях электрического генератора от сети, что обеспечивается достаточной плотностью стопорных и регулирующих клапанов и обратных клапанов на трубопроводах. Проверка производится при остановке турбины не реже одного раза в год, а также в обязательном порядке при пуске после монтажа. Для нормальной работы турбины должен правильно функционировать масляный бак, обеспечивая длительную сохранность масла, отделение от него воздуха, шлама и твердых частиц. Уровень масла в баке должен проверяться 1 раз в смену. Одновременно необходимо следить за исправностью сигнализации о минимально допустимом уровне и разностью уровней в грязном и чистом отсеках масляного бака. Должны подвергаться регулярной проверке резервные и аварийные масляные насосы и устройства их автоматического включения с частотой 2 раза в месяц. Качество работы маслоохладителей проверяется по разности давлений на входе и выходе масла и охлаждающей воды и по нагреву охлаждающей воды и охлаждению масла. Химическая лаборатория электростанции должна регулярно проводить анализ эксплуатируемого масла, чтобы вовремя проводить его регенерацию и замену.

При наблюдении за работающей турбиной необходимо обращать внимание прежде всего на относительное удлинение ротора и его осевой сдвиг. При монтаже и ремонтах турбины ротор в корпусе устанавливают так, чтобы в рабочих условиях , когда эти детали прогреются , между ними были достаточно малые, но исключающие задевания зазоры, иначе может возникнуть тяжелая авария.

Разгружение турбины ведут путем постепенного закрытия регулирующих клапанов (с помощью механизма управления). Особенно внимательно нужно следить за относительным сокращением ротора, и если, не смотря на все принимаемые меры, сокращение приближается к опасному пределу, необходимо прекратить разгружение, а возможно, даже увеличить нагрузку. Снижение нагрузки обычно ведут до 15-20 % номинальной, после чего прекращают подачу газа в турбину. С этого момента она вращается генератором с частотой электрической сети. В короткое время, указанное в инструкции (обычно несколько минут), необходимо убедиться, что стопорные, регулирующие клапаны на линиях отборов закрылись, а ваттметр показывает отрицательную мощность (потребление мощности из сети).После этого можно отключить генератор из сети. После остановки ротора турбины необходимо во избежание его теплового прогиба немедленно включить валоповоротное устройство. Не допускается отключение подачи масла. В течение первых 8 часов ротор вращается непрерывно, а в дальнейшем его периодически поворачивают на 180°. Аварийная остановка турбоагрегата производится путем немедленного прекращения подачи рабочего тела.

За остановленной турбиной необходим тщательный уход. Наибольшую опасность при простое для турбины и некоторых других элементов турбоустановки представляет стояночная коррозия, основной причиной которой является одновременное присутствие влаги и воздуха. Чтобы этого не происходило, необходимо открыть вентили, обеспечивающие сообщение деталей с атмосферой. При остановке турбины в длительный резерв принимаются дополнительные меры. Она отключается от всех трубопроводов заглушками. Вал турбины дополнительно уплотняется шнуром, через подшипники не реже раза в неделю прокачивается масло для создания защитного слоя масла на шейках подшипников, а ротор поворачивается валоповоротным устройством на несколько оборотов. Наиболее эффективным способом борьбы со стояночной коррозией является консервация турбины.

Сборка ГТУ производится на турбинном заводе после изготовления в его цехах отдельных деталей и узлов. В отличие от паровой турбины, после сборки на заводе ГТУ испытаний не проходит. В результате с турбинного завода на монтажную площадку ТЭС уходит несколько отдельно транспортируемых единиц: турбогруппа (компрессор и турбина), две камеры сгорания, маслобак с установленным на нем оборудованием, входной патрубок компрессора, выходной диффузор. Все части закрыты заглушками. В отличие от паровой турбины, ГТУ размещают на ТЭС не на рамном фундаменте, а непосредственно на бетонном основании, установленном на нулевой отметке машзала. Входную шахту компрессора посредством воздушного короба соединяют с КВОУ, где происходит тщательная фильтрация воздуха, исключающая износ проточной части компрессора, забивание охлаждающих каналов в рабочих лопатках и другие неприятности. КВОУ размещают на крыше здания, экономя площадь здания. К выходному концу вала компрессора присоединяется ротор электрогенератора, а к выходному диффузору ГТУ – переходный диффузор, напрвляющий газы в котел-утилизатор.

ГТУ является универсальным двигателем, имеющим различное назначение. Наибольшее распространение они получили в авиации и дальнем газоснабжении. В стационарной энергетике на тепловых электрических станциях применяются ГТУ различного назначения. ГТУ пикового назначения работают в периоды максимума потребления электрической энергии. Резервные ГТУ обеспечивают собственные нужды ТЭС в период, когда основное оборудование не эксплуатируется. К отраслям промышленности, где применение газовых турбин создает большие преимущества, относится доменное производство, где ГТУ являясь приводом воздуходувки, подающей воздух в доменную печь, использует в качестве рабочего тела доменный газ, являющийся побочным продуктом доменной печи. На железнодорожном транспорте газотурбинные локомотивы (газотурбовозы) получили некоторое применение на линиях большой протяженности. Ряд ГТУ эксплуатируется в торговом и военно-морском флоте в основном на легких и сторожевых быстроходных судах, где особое значение имеет компактность и малая масса двигателя.. Находится в стадии исследования экспериментальных образцов газотурбинный автомобиль. Лучшие экспериментальные двигатели по экономичности достигли уровня современных бензиновых автомобильных двигателей при меньшей массе.

Газотурбинная установка (ГТУ или ГПА)

Газотурбинная установка (ГТУ) - машина, преобразующая тепловую энергию в механическую и состоящая из одного или нескольких компрессоров (чаще осевого типа), теплового устройства для нагрева рабочего тела, одной или нескольких турбин, системы регулирования и необходимого вспомогательною оборудования (рис. 1). Полезная мощность в ГТУ совершается за счет внутренней энергии газового потока, поступаюшего с большой скоростью на лопатки ротора турбины.

При работе турбины атмосферный воздух засасывается в осевой компрессор 3, сжимается и поступает в камеру сгорания 1. Одновременно часть воздуха направляется в кольцевое пространство между стенкой и корпусом камеры сгорания. Внутрь камеры сгорания непрерывно поступает топливо, сгорающее при постоянном давлении. Поэтому из камеры сгорания непрерывной струей выходят продукты сгорания, направляющиеся в сопла. В соплах энергия давления в результате расширения газа преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, поступающей на лопатки турбины. Воздух, омывающий жаровую трубу камеры сгорания, охлаждает ее и, смешиваясь с продуктами сгорания, выходящими из жаровой трубы, также поступает в турбину 2. Примешивание этой доли воздуха к продуктам сгорания, имеющим высокую температуру - около 1800-2000 °С, необходимо для снижения температуры газов до величины, безопасной для металла лопаток газовой турбины. Поэтому общее количество воздуха, сжимаемого втурбокомпрессоре 3, значительно (в 6 раз и более) превышает количество воздуха, теоретически необхо-димого для сгорания топлива.

Общее представление о принципах работы турбины можно получить при рассмотрении устройства простейшей активной турбины (рис. 2).

На валу 1 насажен диск 2, по ободу которого на равных расстояниях закреплены рабочие лопатки . Слева от рабочих лопаток в корпусе 5 размешено сопло 4, представляющее собой криволинейный канал плавного очертания. При постоянном расходе газа за счет сужения канала в пределах сопла скорость потока возрастает, а давление уменьшается от р0 до р1 . Следовательно, в пределах сопла потенциальная энергия потока превращается в кинетическую.

При выходе из сопла поток газа попадает на рабочие лопатки под таким углом наклона a1, который обеспечивает плавное скольжение потока в межлопаточных каналах. При движении потока вдоль изогнутого контура рабочих лопаток возникают элементарные силы, результирующая которых представляет собой усилие, вращающее лопатки, т. е. механическую работу. Механическая работа потокагаза на лопатках определяется только вращающим усилием и частотой вращения. При вращательном движении рабочих лопаток скорость газа при выходе из них меньше скорости на входе. Это означает, что на рабочих лопатках происходит второе превращение энергии - кинетическая энергия потока газа частично переходит в механическую энергию вращения лопаток.

Турбины, в которых поток газа движется параллельно валу, называют аксиальными, а турбины, в которых поток газа движется перпендикулярно к валу, — радиальными. Заводы выпускают в основном аксиальные газовые турбины.

Смежные ряды сопел и рабочих лопаток образуют одну ступень давления. Поэтому турбину такого типа называют одноступенчатой. Диаметр диска 2, измеренный по средней высоте рабочих лопаток d , называют расчетным диаметром ступени давления. Между вращающимися и неподвижными деталями всегда имеются зазоры (см. рис. 2) в радиальном и аксиальном направлениях.

На графике изменения давления и абсолютных скоростей газа в активной одноступенчатой турбине (см. рис. 2) видно, что давление падает только в соплах, где и происходит увеличение абсолютной скорости потока с с0 до с1 . На рабочих лопатках, в зазоре между соплами и лопатками давление практически постоянно. Отдельные ступени или турбины в целом, в которых давление потока газа на рабочих лопатках остается постоянным, называются активными. Те же ступени или турбины в целом, в которых давление меняется и в соплах и на рабочих лопатках, называются реактивными.

При однократном расширении в соплах одноступенчатой гурбины скоростью газа при входе его на рабочие лопатки оказывается настолько большой, что на одном ряду лопаток достаточно полно использовать ее нельзя. Поэтому одноступенчатые турбины применяют в основном для привода различных вспомогательных устройств.

На рис.3 в продольном разрезе и развертке по окружности проточной части дана схема активной турбины с двумя ступенями скорости. (Обозначения 1 соответствуют обозначениям на рис. 2). Газ из первого ряда рабочих лопаток поступает в неподвижные напщие лопатки 7. Эти лопатки сходны по профилю с рабочими лопатками, но изогнуты в противоположную сторону. Направляющие лопатки крепят в корпусе 5 турбины против сопел. Далее газ поступает на второй ряд рабочих лопаток 6. Такой двукратный пропуск потока по рабочим лопаткам позволяет уменьшить потерю кинетической энергии с выходной скоростью и этим увеличить к.п.д. На графике изменения давления и абсолютных скоростей газа по ступеням турбины (см. рис. 3) видно, что расширение газа происходит только в соплах, т. е. эта турбина является активной. Поэтому абсолютная скорость потока газа достигает максимального значения с1, при выходе из сопел. Далее поток газа попадает на рабочие лопатки первой ступени скорости, где совершает работу. Абсолютная скорость при выходе с2 еще довольно велика. Поток далее попадает в направляющие лопатки, где его абсолютная скорость несколько уменьшается от с2 до с`1 за счет потерь, а затем газ поступает нa рабочие лопатки второй ступени Здесь совершается дополнительная работа, соответствующая уменьшению абсолютной скорости от c`1 до с`2. Во всех зазорах давление принимается постоянным.

Наклон линии абсолютной скорости на рабочих лопатках первой и второй ступеней и на направляющих лопатках различен. Это связано с тем, что на рабочих лопатках скорость уменьшается и при превращении в механическую работу и ввиду потерь, между тем как в направляющих лопатках уменьшение скорости происходит только за счет потерь.

Рабочие лопатки ступеней скорости для уменьшения стоимости и упрощения конструкции почти всегда ставят на общем диске, который называют диском Кертиса. Принцип работы реактивных и комбинированных турбин.

В реальных ГТУ, эксплуатируемых на компрессорных станциях, используют в основном комбинированные ступени, т.е. ступени с определенной степенью реакции. Поток газа воздействует на рабочие лопатки реактивной турбины не только но причине изменения скорости, приобретенной в соплах (активное усилие), но также и вследствие реакции потока газа. Это воздействие возникает в них при уменьшении давления и увеличении за счет этого относительной скорости (реактивное усилие) . Реактивное усилие аналогично отдаче ружья при выстреле.

Рис. 1. Упрощенная схема газотурбинной установки: 1- камера сгорания; 2 — турбине;

3 — осевой компрессор; 4 - устройство для съема мощности (нагнетатель)

Рис. 2. Схема простейшей активной турбины

Рис. 3 Схема активной турбины с двумя ступенями скорости

Сравним схемы активной и реактивной ступеней давления (рис. 11). В соплах 1 активной ступени давление уменьшается от p0 до p1, а абсолютная скорость потока возрастает от с0, до c1. На рабочих лопатках

Рис. 4. Схемы активной (a) и реактивной (б) ступеней

2 активной ступени абсолютная скорость потока уменьшается от с1 до с2 ввиду частичного превращения кинетической энергии в механическую работу. Относительная скорость потока уменьшается w1 до w2 вследствие трения о стенки лопаток, взаимного трения между отдельными лруйками в потоке, а также вихреобразования. Давление газа на рабочих лопатках остается постоянным p1=р2. Рабочие лопатки 4, как и сопла 3 реактивной ступени, образуют суживающиеся каналы. В этих каналах происходит увеличение относительной скорости и понижение давления, связанные с появлением реактивного усилия. Это усилие направлено под утлом к направлению вращения.

Движущее реактивное усилие получается как проекция реактивного усилия на направление вращения.

На рабочих лопатках реактивной ступени вследствие уменьшения давления увеличивается относительная скорость потока от w1 до w2 со Абсолютная скорость потока на выходе из рабочих лопаток с2, как и в активной ступени, меньше абсолютной скорости входа с1 ввиду превращения части кинетической энергии потока в механическую работу.

При работе турбины происходит уменьшение энтальпии от i0 на входе до i2 на выходе из ступени. Разность значений энтальпий, срабатываемых на ступени, называется теплоперепадом. Отношение теплоперепада, срабатываемого на рабочих лопатках, к общему теплоперепаду ступени принято называть степенью реактивности r. При r= 0-0,20 ступени давления называют активными с небольшой реактивностью; при r= 0,4-0,6 ступени давления называются реактивными.

Сущестнует большое число теоретически обоснованных схем и циклов ГТУ. Однако только некоторые из них получили практическое применение. Часть из них рассмотрим.

Рис. 5. Простой цикл, одновальная ГТУ

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)

Актуальное видео:

Прежде чем задать вопрос прочитайте: FAQ

ГТУ

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

УСТРОЙСТВО СОВРЕМЕННОЙ СТАЦИОНАРНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГТУ

Традиционная современная газотурбинная установка (ГТУ) — это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом.

Необходимо подчеркнуть одно важное отличие ГТУ от ПТУ. В состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный источник тепла; при таком рассмотрении котел — это «черный ящик»: в него входит питательная вода с температурой tп.в, а выходит пар с параметрами р0, t0. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ камера сгорания — это ее неотъемлемый элемент. В этом смысле ГТУ — самодостаточна.

Газотурбинные установки отличаются чрезвычайно большим разнообразием, пожалуй, даже большим, чем паротурбинные. Ниже рассмотрим наиболее перспективные и наиболее используемые в энергетике ГТУ простого цикла.

Принципиальная схема такой ГТУ показана на рисунке 1. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором рb к давлению перед ним рa называется степенью сжатия воздушного компрессора и обычно обозначается как pк (pк = pb/pa). Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две или более камер сгорания. При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подается топливо (газ или жидкое топливо). При сжигании топлива образуются продукты сгорания топлива высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их обычно называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой.

Рисунок 1 – Принципиальная схема ГТУ

Рабочие газы с давлением рс (рс c1. При движении в канале скорость воздуха уменьшается до значения w2, и он выходит под углом b2, определяемым наклоном профилей. Однако вследствие вращения и подвода к воздуху энергии от рабочих лопаток его скорость с2 в абсолютном движении будет больше, чем c1. Лопатки неподвижной решетки устанавливают так, чтобы вход воздуха в канал был безударным. Так как каналы этой решетки расширяющиеся, то скорость в ней уменьшается, а давление возрастает от р1 до р2. Решетку проектируют так, чтобы = c1, a = α1. Поэтому во второй ступени и последующих ступенях процесс сжатия будет протекать аналогичным образом. При этом высота их решеток будет уменьшаться в соответствии с увеличившейся плотностью воздуха из-за сжатия.

Иногда направляющие лопатки нескольких первых ступеней компрессора выполняют поворотными точно так же, как и лопатки ВНА. Это позволяет расширить диапазон мощности ГТУ, при котором температура газов перед газовой турбиной и за ней остается неизменной. Соответственно повышается и экономичность. Применение нескольких поворотных направляющих аппаратов позволяет работать экономично в диапазоне 100 — 50 % мощности.

Рисунок 9 – Выходная часть компрессора, трубчато-кольцевая камера сгорания и входная часть газовой турбины

Последняя ступень компрессора устроена так же, как и предшествующие с той лишь разницей, что задачей последнего направляющего аппарата 1 на рисунке 9 является не только повышение давления, но и обеспечение осевого выхода потока воздуха. Воздух поступает в кольцевой выходной диффузор 23, где давление повышается до максимального значения. С этим давлением воздух поступает в зону горения 9.

Из корпуса воздушного компрессора выполняются отборы воздуха для охлаждения элементов газовой турбины. Для этого в его корпусе выполняют кольцевые камеры (см. поз. 8 на рисунке 5), сообщаемые с пространством за соответствующей ступенью. Воздух из камер отводится с помощью трубопроводов (см. поз. 14 на рисунке 4).

Кроме того, компрессор имеет так называемые антипомпажные клапаны и обводные трубопроводы (см. поз. 6 на рисунке 4), перепускающие воздух из промежуточных ступеней компрессора в выходной диффузор газовой турбины при ее пуске и остановке. Это исключает неустойчивую работу компрессора при малых расходах воздуха (это явление называется помпажом), выражающуюся в интенсивной вибрации всей машины.

Создание высокоэкономичных воздушных компрессоров представляет собой чрезвычайно сложную задачу, которую, в отличие от турбин, невозможно решить только расчетом и проектированием. Поскольку мощность компрессора равна примерно мощности ГТУ, то ухудшение экономичности компрессора на 1 % приводит к снижению экономичности всей ГТУ на 2—2,5 %. Поэтому создание хорошего компрессора является одной из ключевых проблем создания ГТУ. Обычно компрессоры создаются путем моделирования (масштабирования), используя модельный компрессор, созданный путем длительной экспериментальной доводки.

Рисунок 10 – ГТУ с одной выносной камерой сгорания

Камеры сгорания ГТУ отличаются большим разнообразием. Выше на рисунке 4 показана ГТУ с двумя выносными камерами. На рисунке 10 показана ГТУ типа 13Е мощностью 140 МВт фирмы ABB с одной выносной камерой сгорания. Воздух из компрессора из кольцевого диффузора поступает в пространство между корпусом камеры и пламенной трубой и затем используется для горения газа и для охлаждения пламенной трубы.

Рисунок 11 – Внешний вид ГТУ на сборочном стенде завода

Главный недостаток выносных камер сгорания - большие габариты, которые хорошо видны из рисунке 11. Справа от камеры размещается газовая турбина, слева - компрессор. Сверху в корпусе видны три отверстия для размещения антипомпажных клапанов и далее - привод ВНА. В современных ГТУ используют в основном встроенные камеры сгорания: кольцевые и трубчато-кольцевые.

Рисунок 12 – Встроенная кольцевая камера сгорания ГТУ

На рисунке 12 показана встроенная кольцевая камера сгорания. Кольцевое пространство для горения образовано внутренней 17 и наружной 11 пламенными трубами. Изнутри трубы облицованы специальными вставками 13 и 16, имеющими термобарьерное покрытие со стороны, обращенной к пламени; с противоположной стороны вставки имеют оребрение, улучшающее их охлаждение воздухом, поступающим через кольцевые зазоры между вставками внутрь пламенной трубы. Таким образом, достигается температура пламенной трубы 750-800 °С в зоне горения. Фронтовое микрофакельное горелочное устройство камеры состоит из нескольких сотен горелок 10, к которым подается газ из четырех коллекторов 5-8. Отключая коллекторы поочередно можно изменять мощность ГТУ.

Рисунок 13 – Горенка кольцевой камеры сгорания

Устройство горелки показано на рисунке 13. Из коллектора газ поступает по сверлению в штоке 3 к внутренней полости лопаток 6 завихрителя. Последний представляет собой полые радиальные прямые лопатки, заставляющие воздух, поступающий из камеры сгорания, закручиваться и вращаться вокруг оси штока. В этот вращающийся воздушный вихрь поступает природный газ из внутренней полости лопаток завихрителя 6 через мелкие отверстия 7. При этом образуется однородная топливно-воздушная смесь, выходящая в виде закрученной струи из зоны 5. Кольцевой вращающийся вихрь обеспечивает устойчивое горение газа.

На рисунке 9 показана трубчато-кольцевая камера сгорания ГТЭ-180. В кольцевое пространство 24 между выходной частью воздушного компрессора и входной частью газовой турбины с помощью перфорированных конусов 3 помещают 12 пламенных труб 10. Пламенная труба содержит многочисленные отверстия диаметром 1 мм, расположенные по кольцевым рядам на расстоянии 6 мм между ними; расстояние между рядами отверстий 23 мм. Через эти отверстия снаружи поступает «холодный» воздух, обеспечивая конвективно-пленочное охлаждение и температуру пламенной трубы не выше 850 °С. На внутреннюю поверхность пламенной трубы наносится термобарьерное покрытие толщиной 0,4 мм.

Рисунок 14 – Горелочный модуль трубчато-кольцевой камеры сгорания

На фронтовой плите 8 пламенной трубы устанавливают горелочное устройство, состоящее из центральной пилотной горелки 6, поджигающей топливо при пуске с помощью свечи 5, и пяти основных модулей, один из которых показан на рисунке 14. Модуль позволяет сжигать газ и дизельное топливо. Газ через штуцер 1 после фильтра 6 поступает в кольцевой коллектор топливного газа 5, а из нее - в полости, содержащие мелкие отверстия (диаметр 0,7 мм, шаг 8 мм). Через эти отверстия газ поступает внутрь кольцевого пространства. В стенках модуля выполнено шесть тангенциальных пазов 9, через которые поступает основное количество воздуха, подаваемого для горения от воздушного компрессора. В тангенциальных пазах воздух закручивается и, таким образом, внутри полости 8 образуется вращающийся вихрь, движущийся к выходу из горелочного устройства. На периферию вихря через отверстия 3 поступает газ, смешивается с воздухом, и образовавшаяся гомогенная смесь выходит из горелки, где воспламеняется и сгорает. Продукты сгорания поступают к сопловому аппарату 1-й ступени газовой турбины.

Газовая турбина является наиболее сложным элементом ГТУ, что обусловлено в первую очередь очень высокой температурой рабочих газов, протекающих через ее проточную часть: температура газов перед турбиной 1350 °С в настоящее время считается «стандартной», и ведущие фирмы, в первую очередь General Electric, работают над освоением начальной температуры 1500 °С. Напомним, что «стандартная» начальная температура для паровых турбин составляет 540 °С, а в перспективе — температура 600-620 °С.

Рисунок 15 – Повышение КПД реальных ГТУ в связи с ростом температуры перед газовой турбиной

Стремление повысить начальную температуру связано, прежде всего, с выигрышем в экономичности, который она дает. Это хорошо видно из рисунка 15, обобщающего достигнутый уровень газотурбостроения: повышение начальной температуры с 1100 до 1450 °С дает увеличение абсолютного КПД с 32 до 40 %, т.е. приводит к экономии топлива в 25 %. Конечно, часть этой экономии связана не только с повышением температуры, но и с совершенствованием других элементов ГТУ, а определяющим фактором все-таки является начальная температура.

Для обеспечения длительной работы газовой турбины используют сочетание двух средств. Первое средство - применение для наиболее нагруженных деталей жаропрочных материалов, способных сопротивляться действию высоких механических нагрузок и температур (в первую очередь для сопловых и рабочих лопаток). Если для лопаток паровых турбин и некоторых других элементов применяются стали (т.е. сплавы на основе железа) с содержанием хрома 12-13 %, то для лопаток газовых турбин используют сплавы на никелевой основе (нимоники), которые способны при реально действующих механических нагрузках и необходимом сроке службы выдержать температуру 800 -850 °С. Поэтому вместе с первым используют второе средство - охлаждение наиболее горячих деталей.

Для охлаждения большинства современных ГТУ используется воздух, отбираемый из различных ступеней воздушного компрессора. Уже работают ГТУ, в которых для охлаждения используется водяной пар, который является лучшим охлаждающим агентом, чем воздух. Охлаждающий воздух после нагрева в охлаждаемой детали сбрасывается в проточную часть газовой турбины. Такая система охлаждения называется открытой. Существуют замкнутые системы охлаждения, в которых нагретый в детали охлаждающий агент направляется в холодильник и затем снова возвращается для охлаждения детали. Такая система не только весьма сложна, но и требует утилизации тепла, отбираемого в холодильнике.

Система охлаждения газовой турбины — самая сложная система в ГТУ, определяющая ее срок службы. Она обеспечивает не только поддержание допустимого уровня рабочих и сопловых лопаток, но и корпусных элементов, дисков, несущих рабочие лопатки, запирание уплотнений подшипников, где циркулирует масло и т.д. Эта система чрезвычайно сильно разветвлена и организуется так, чтобы каждый охлаждаемый элемент получал охлаждающий воздух тех параметров и в том количестве, который необходим для поддержания его оптимальной температуры. Излишнее охлаждение деталей так же вредно, как и недостаточное, так как оно приводит к повышенным затратам охлаждающего воздуха, на сжатие которого в компрессоре затрачивается мощность турбины. Кроме того, повышенные расходы воздуха на охлаждение приводят к снижению температуры газов за турбиной, что очень существенно влияет на работу оборудования, установленного за ГТУ (например, паротурбинной установки, работающей в составе ПТУ). Наконец, система охлаждения должна обеспечивать не только необходимый уровень температур деталей, но и равномерность их прогрева, исключающую появление опасных температурных напряжений, циклическое действие которых приводит к появлению трещин.

24.Газотурбинные установки. Схема принцип действия.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из газотурбинного двигателя (ГТД) и вспомогательных устройств.В состав двигателя входят: газовая турбина, камера сгорания, компрессор, воздухоохладитель, регенеративные теплообменники. К вспомогательным устройствам, в зависимости от назначения ГТУ, можно отнести: газоотводящие устройства (газоходы, борова, трубы), пусковые устройства, масляные системы, элементы водоснабжения и т. п.ГТУ предназначена либо для выработки электроэнергии, либо для привода механизмов. Принцип работы газовой турбины аналогичен паровой. Однако рабочим телом здесь являются продукты сгорания топлива. Основное различие связано со свойствами рабочих тел и их параметрами: давление продуктов сгорания ниже, а температура выше, чем у пара. ГТУ намного проще, т.к. нет парциального подвода газа, регулирующей ступени, и отборов промежуточных ступеней. Относительно небольшой располагаемый теплоперепад определяет небольшое количество ступеней, и к тому же разница между высотами лопаток1й и последней ступеней меньше, чем у паровой. Почти все современные газовые турбины работают по такой схеме, при которой продукты сгорания проходят через ее проточную часть. Поэтому в газовых турбинах топливо должно содержать очень малое количество золы и других вредных примесей. К такому топливу можно отнести природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (доменный, коксовый, генераторный) и специальное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное моторное, соляровое масло).

В связи с высокой температурой газов (11000К) детали проточной части (сопла, диски, валы, рабочие лопатки) изготавливают из высококачественных легированных сталей. У большинства турбин предусмотрено интенсивное воздушное охлаждение наиболее нагретых деталей. Подготовка рабочей смеси производится в камере сгорания. Тепловой КПД КСКС= 0,970,99 устанавливают ,в основном, цилиндрические камеры. Объём камеры разделяется на зону горения, где происходит сгорание топлива при Т = 20000С и зону смешения, где к продуктам сгорания подмешивают воздух для снижения температуры. В камерах устанавливают несколько форсунок, что позволяет регулировать тепловую мощность изменением числа работающих форсунок. Тепловая мощность камеры доходит до 40 МВт при давлении 0,4 – 0,45 МПа. Расход топлива до 3000кг/ч, расход воздуха 2,5*105м3/ч. В ГТУ применяют осевые и реже центробежные компрессоры. Осевые конструируют на расход воздуха 100 – 200 м3/с; степень повышения давления до 1,35. Т.о. для обеспечения необходимого давления число ступеней делают более 10. КПД осевого компрессора 83 – 90%. Центробежные применяют небольшой мощности – до 400кВт; КПД одноступенчатых - 7585%. Жаропрочность материалов деталей ГТ не позволяет иметь температуру свыше 1100 К и только в авиационных турбинах, которые имеют ограниченный моторесурс, температура может достигать 15000К. Снижение температуры на входе в компрессор Т1значительно влияет на внутренний КПДi, т.к. Т1значительно зависит от климата района. Поэтому ГТУ экономичнее работают в районах с более низкой среднегодовой температурой воздуха.

КПД простейших ГТУ не превышает 14 – 18% и для его повышения используют регенеративный подогрев сжатого воздуха отработавшими газами после газовой турбины, т.е. используют теплоту выхлопных газов для предварительного подогрева воздуха перед камерой сгорания.

Подогрев производят в регенераторах, которые представляют собой трубчатый теплообменник, где для получения высоких коэффициентов теплоотдачи от газа и воздуха применяют высокие скорости потока, а это снижает КПД реального цикла из-за увеличения сопротивления газовоздушного тракта.

ГТУ с промежуточным охлаждением и подогревом рабочего тела уменьшает работу сжатия в компрессоре и увеличивает работу расширения в ГТ.

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре низкого давления КНД, затем охлаждается в водяном теплообменнике ВО, далее снова сжимается в компрессоре высокого давления КВД и поступает в камеру сгорания высокого давления КСВ, продукты сгорания расширяются в газовой турбине высокого давления ТВД, подогреваются в камере сгорания низкого давления КСН, затем снова расширяются в турбине низкого давления ТНД. Чем больше промежуточных ступеней подогрева и охлаждения, тем выше КПД установки, но это усложняет конструкцию, поэтому в современных ГТУ применяют не более 2 промежуточных охладителей воздуха и одного промежуточного подогревателя.

Для ГТУ характерно высокое количество отходящих газов и достаточно высокая температура – 400 – 500 0С. Эту теплоту можно использовать для получения пара и горячей воды в обычных теплообменниках. Так установки ГТ-25-700 ЛМЗ снабжены сетевыми подогревателями, обеспечивающими подогрев воды до 150-1600С. Сочетание преимуществ парового и газотурбинного цикла привел к созданию парогазовых установок ПГУ (до 200МВт). Работают на параметрах до 14МПа (паровая часть) и 5700С, а газовый агрегат 0,65 МПа и 7700С. Паровая турбина работает в комплекте с электрогенератором мощностью 165 МВт, а газовая турбина 33 МВт. ГТУ применяют в энергетике для покрытия пиковых нагрузок и в качестве аварийного резерва.

25.Схема ДВС. Принцип работы.

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называется тепловая машина в рабочем цилиндре которой происходит сжигание топлива и преобразование теплоты в работу.

Принципиальная схема ДВС показана на рис.28.1. основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр 4 с поршнем 5, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр монтируется на верхней части картера 1 ; он сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпускной 3 клапаны и электрическая свеча зажигания ( в карбюраторном или газовом двигателях) или форсунка ( в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждающая жидкость.

В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7, который шарнирно соединен с шатуном 6. Верхняя головка шатуна сочленена с поршнем, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре. Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива, смазки, для охлаждения и другие устройства, необходимые для его обслуживания.

Крайнее положение поршня называют верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Ход поршня от ВМТ до НМТ называют ходом (тактом поршня). Объем , описываемый поршнем за 1 ход, является рабочим объемом цилиндра.

Анализ рабочего цикла обычно производят с помощью индикаторной диаграммы, на которой графически изображена зависимость давления в цилиндре от объема, занятого газом, или положения поршня.

Различается 2 типа поршневых ДВС –четырехтактные и двухтактные.

Рисунок 28.2а. Отдельным процессам соответствуют: 0-1 – всасывание топливной смеси (1-й такт); 1-2- сжатие смеси (2-й такт); 2-3 – сгорание; 3-4 – расширение продуктов сгорания; 4-5 – выхлоп (3-й такт); 5-0 – выталкивание продуктов сгорания (4- й такт).

Из всех 4-х тактов составляющих цикл только в 3-м получается полезная работа , в остальных 3-х тактах работа затрачивается.

Рисунок 28.2б. : 0-1 – введение новой порции смеси; 1-2 – сжатие -1-й такт; 2-3 – сгорание; 3-4 – расширение ; 4-0 – выхлоп (2-й такт).

Двигатели с «мгновенным сгоранием» топлива ( карбюраторные и газовые). В цилиндр такого двигателя всасывается горючая смесь, которая в нужный момент поджигается от внешнего источника. Время сгорания готовой смеси очень мало, в связи с чем допустимо считать, что процесс сгорания осуществляется при (почти) постоянном объеме.

Двигатели со сгоранием топлива при (почти) постоянном давлении (компрессорные дизельные двигатели. В цилиндре двигателя сжимается чистый воздух. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое в процессе смешения с горячим воздухом воспламеняется и сгорает при постоянном давлении.

Двигатели со смешанным сгоранием топлива (бескомпрессорные дизельные двигатели).В цилиндре двигателя тоже сжимается чистый воздух, а жидкое топливо подается форсункой в мелко-распыленном виде в цилиндр в конце такта сжатия.

Все типы двигателей могут выполняться как 4-х тактными , так и 2-х тактными.

Принцип действия газотурбинных установок

Рис.1. Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла

В компрессор (1) газотурбинного силового агрегата подается чистый воздух. Под высоким давлением воздух из компрессора направляется в камеру сгорания (2), куда подается и основное топливо — газ. Смесь воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси образуется энергия в виде потока раскаленных газов. Этот поток с высокой скоростью устремляется на рабочее колесо турбины (3) и вращает его. Вращательная кинетическая энергия через вал турбины приводит в действие компрессор и электрический генератор (4). С клемм электрогенератора произведенное электричество, обычно через трансформатор, направляется в электросеть, к потребителям энергии.

Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

Цикл назван в честь американского инженера Джорджа Брайтона, который изобрёл поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Иногда этот цикл называют также циклом Джоуля — в честь английского физика Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент тепла.

Рис.2. P,V диаграмма цикла Брайтона

Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов:

1—2 Изоэнтропическое сжатие.
2—3 Изобарический подвод теплоты.
3—4 Изоэнтропическое расширение.
4—1 Изобарический отвод теплоты.

С учётом отличий реальных адиабатических процессов расширения и сжатия от изоэнтропических, строится реальный цикл Брайтона (1—2p—3—4p—1 на T-S диаграмме)(рис.3)

Рис.3. T-S диаграмма цикла Брайтона Идеального (1—2—3—4—1)

Реального (1—2p—3—4p—1)

Термический КПД идеального цикла Брайтона принято выражать формулой:

где П = p2 / p1 — степень повышения давления в процессе изоэнтропийного сжатия (1—2);
k — показатель адиабаты (для воздуха равный 1,4)

Следует особо отметить, что этот общепринятый способ вычисления КПД цикла затемняет суть происходящего процесса. Предельный КПД термодинамического цикла вычисляется через отношение температур по формуле Карно:

где T1 - температура холодильника;
T2 - температура нагревателя.

Ровно это же отношение температур можно выразить через величину применяемых в цикле отношений давлений и показатель адиабаты:

Таким образом КПД цикла Брайтона, зависит от начальной и конечной температур цикла ровно так же, как и КПД цикла Карно. При бесконечно малой величине нагрева рабочего тела по линии (2-3) процесс можно считать изотермическим и полностью эквивалентным циклу Карно. Величина нагрева рабочего тела T3 при изобарическом процессе определяет величину работы отнесённую к количеству использованного в цикле рабочего тела, но ни каким образом не влияет на термический КПД цикла. Однако при практической реализации цикла нагрев обычно производится до возможно больших величин ограниченных жаростойкостью применяемых материалов с целью минимизировать размеры механизмов осуществляющих сжатие и расширение рабочего тела.

На практике, трение и турбулентность вызывают:

Неадиабатическое сжатие: для данного общего коэффициента давления температура нагнетания компрессора выше идеальной.
Неадиабатическое расширение: хотя температура турбины падает до уровня, необходимого для работы, на компрессор это не влияет, коэффициент давления выше, в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
Потери давления в воздухозаборнике, камере сгорания и на выходе: в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которые, в противном случае, теряется впустую.

Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал/компрессор/турбина/альтернативный ротор в сборе (см. изображение ниже), не учитывая топливную систему.

Рис.4. Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор,турбину, рекуператор, и воздушные подшипники.

Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток, движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.

Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.

Устройство газотурбинной установки

Устройство газотурбинных установок (ГТУ). Основные элементы газотурбинных установок