Схемы и принципы работы газовых турбин. Устройство и принцип действия газовой турбины

Газотурбинные установки (ГТУ) востребованы в промышленности, транспортной сфере, широко используются в энергетической отрасли. Это не очень сложное по конструкции оборудование, которые имеет высокий КПД и экономично в использовании.

Газовые турбины во многом схожи с двигателями, работающими на дизеле или бензине: как и в ДВС, тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива, переходит в механическую. При этом в установках открытого типа используются продукты сгорания, в закрытых системах - газ или обычный воздух. Одинаково востребованы и те, и другие. Кроме открытых и закрытых, различают турбокомпрессорные турбины и установки со свободно-поршневыми газогенераторами.

Проще всего рассмотреть конструкцию и принцип работы газовой турбины на установке турбокомпрессорного типа, которая работает при постоянном давлении.

Конструкция газовой турбины

Газовая турбина состоит из компрессора, воздухопровода, камеры сгорания, форсунки, проточной части, неподвижных и рабочих лопаток, патрубка для отработанных газов, редуктора, гребного винта и пускового двигателя.

За запуск турбины отвечает пусковой двигатель. Он приводит в движение компрессор, который раскручивается до нужной частоты вращения. Затем:

компрессор захватывает воздух из атмосферы и сжимает его;
воздух отправляется в камеру сгорания через воздухопровод;
через форсунку в ту же камеру входит топливо;
газ и воздух смешиваются и сгорают при постоянном давлении, в результате образуются продукты сгорания;
продукты сгорания охлаждают с помощью воздуха, после чего они поступают в проточную часть;
в неподвижных лопатках смесь газов расширяется и ускоряется, затем направляется на рабочие лопатки и приводит их в движение;
отработанная смесь выходит из турбины, по патрубку;
турбина передает кинетическую энергию компрессору и гребному винту посредством редуктора.

Таким образом, газ в смеси с воздухом, сгорая, образует рабочую среду, которая, расширяясь, ускоряется и раскручивает лопатки, а за ними - и гребной винт. В последующем кинетическая энергия превращается в электричество или используется для передвижения морского судна.

Сэкономить на топливе можно, используя принцип регенерации тепла. В этом случае воздух, поступающий в турбину, согревается за счет отработанных газов. В результате установка расходует меньше топлива и происходит больше кинетической энергии. Регенератор, где подогревается воздух, одновременно служит для охлаждения отработанных газов.

Особенности ГТУ закрытого типа

Газовая турбина открытого типа забирает воздух из атмосферы и выводит отработанный газ наружу. Это не очень эффективно и опасно, если установка стоит в закрытом помещении, где работают люди. В этом случае используют ГТУ закрытого типа. Такие турбины не выпускают отработанные рабочее тело в атмосферу, а направляют его в компрессор. Оно не перемешивается с продуктами сгорания. Как результат, рабочая среда, циркулирующая в турбине, остается чистой, что увеличивает ресурс установки и сокращает количество поломок.

Однако закрытые турбины имеют слишком большие габариты. Газы, которые не выходят наружу, должны быть достаточно эффективно охлаждены. Это возможно только в больших теплообменниках. Поэтому установки используют на крупных судах, где достаточно места.

Закрытые ГТУ могут иметь и ядерный реактор. В качестве теплоносителя в них используют углекислый газ, гелий или азот. Газ нагревают в реакторе и направляют в турбину.

ГТУ и их отличия от паровых турбин и ДВС

Газовые турбины отличаются от ДВС более простой конструкцией и легкостью ремонта. Важно и то, что в них не предусмотрен кривошипно-шатунный механизм, который делает ДВС громоздким и тяжелым. Турбина легче и меньше двигателя аналогичной мощности приблизительно в два раза. Кроме того, она может работать на топливе низкого сорта.

От паровых газовые турбины отличаются небольшими габаритами и простым запуском. Обслуживать их легче, чем установки, работающие на пару.

Имеют турбины и недостатки: они не настолько экономичны по сравнению с ДВС, сильнее шумят, быстрее приходят в негодность. Впрочем, это не мешает использовать ГТУ в транспорте, промышленности и даже быту. Турбины устанавливают на морских и речных судах, используют в электростанциях, насосном оборудовании и многих других сферах. Они удобны и мобильны, поэтому применяются достаточно часто.

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 (1100 0 К) 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 = 2000 0 С 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*10 5 м 3 /ч. В ГТУ применяют осевые и реже центробежные компрессоры. Осевые конструируют на расход воздуха 100 – 200 м 3 /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 1500 0 К. Снижение температуры на входе в компрессор Т 1 значительно влияет на внутренний КПД i , т.к. Т 1 значительно 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 0 С. 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 150-160 0 С. Сочетание преимуществ парового и газотурбинного цикла привел к созданию парогазовых установок ПГУ (до 200МВт). Работают на параметрах до 14МПа (паровая часть) и 570 0 С, а газовый агрегат 0,65 МПа и 770 0 С. 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.

Газовая турбина - это двигатель, в котором в процессе непрерывной работы основной орган устройства (ротор) превращает (в других случаях пара или воды) в работу механического плана. При этом струя рабочего вещества воздействует на закрепленные по окружности ротора лопатки, приводя их в движение. По направлению газового потока турбины делятся на осевые (газ перемещается параллельно оси турбины) или радиальные (перпендикулярное движение относительно той же оси). Существуют как одно- , так и многоступенчатые механизмы.

Газовая турбина может действовать на лопатки двумя способами. Во-первых, это активный процесс, когда газ подается в рабочую зону на высоких скоростях. При этом газовый поток стремится перемещаться прямолинейно, а стоящая на его пути изогнутая лопаточная деталь отклоняет его, поворачиваясь сама. Во-вторых, это процесс реактивного типа, когда скорость подачи газа невелика, однако при этом используются высокие давления. типа в чистом виде почти не встречается, т. к. в их турбинах присутствует которая действует на лопатки вместе с силой реакции.

Где сегодня применяется газовая турбина? Принцип работы устройства позволяет использовать его для приводов генераторов электротока, компрессоров и др. Широкое распространение турбины такого вида получили на транспорте (судовые газотурбинные установки). По сравнению с паровыми аналогами они имеют сравнительно небольшой вес и габариты, для них не нужно обустройство котельной, конденсационной установки.

Газовая турбина достаточно быстро готова к работе после запуска, развивает полную мощность приблизительно за 10 минут, проста в обслуживании, требует небольшого количества воды для охлаждения. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, она не имеет инерционных воздействий от кривошипно-шатунного механизма. в полтора раза короче, чем дизельные двигатели и более чем в два раза легче. У устройств есть возможность работать на топливе низкого качества. Вышеуказанные качества позволяют считать двигатели такого плана представляющими особый интерес для судов на и на подводных крыльях.

Газовая турбина как основной компонент двигателя имеет и ряд существенных недостатков. В их числе отмечают высокую шумность, меньшую, чем у дизелей, экономичность, небольшой срок работы при высоких температурах (если используемая газовая среда имеет температуру около 1100 о С, то сроки использования турбины могут составлять в среднем до 750 часов).

КПД газовой турбины зависит от того, в какой системе она используется. Например, устройства, применяемые в энергетике с начальной температурой газов выше 1300 градусов Цельсия, со воздуха в компрессоре не более 23 и не менее 17 имеют при автономных операциях коэффициент около 38,5%. Такие турбины не очень широко распространены и применяются в основном для перекрытия нагрузочных пиков в электросистемах. Сегодня около 15 газовых турбин с мощностью до 30 МВт работают на ряде теплоэлектростанций России. На многоступенчатых установках достигается гораздо более высокий показатель полезного действия (около 0,93) за счет высокой эффективности конструктивных элементов.

Газовые турбины присутствуют во многих моделях жидкотопливных ракет, а также в турбонасосах, что позволяет использовать последние в легких резервуарах низкого давления, содержащих немалую сухую массу.

Виды газовых турбин

Рассмотрим, какие бывают газовые турбины

Промышленные — для выработки электричества

Их отличие от авиационных — в значительно больших габаритах. Каркас, подшипники и система лопастей в промышленных газовых турбинах гораздо массивнее. Размеры промышленных турбин варьируют в довольно больших пределах — от компактных мобильных установок, монтируемых на грузовики, до огромных газотурбинных комплексов.

Парогазовые турбины имеют КПД до 60% — если выхлоп используется в рекуперативном паровом генераторе. Увеличивает КПД работа в когенераторных конфигурациях, когда выхлоп используется для отопления или — в холодильных машинах — для выработки холода. Возможно и одновременная выработка тепла и холода — этот процесс называется тригенерация.
Газовые турбины простого цикла имеют различную мощность. На вхождение в рабочий режим уходит всего несколько минут, что позволяет использовать из при пиковых нагрузках. Ввиду меньшей, сравнительно с комбинированными электростанциями, эффективности, используется данный тип турбин нечасто — от нескольких часов до нескольких десятков часов в год, чаще при пиковых нагрузках. В местностях с малой базовой нагрузкой, а также там, где электрические мощности зависят от нагрузки, подобная газотурбинная установка работает большую часть дня.

Микротурбины

Их успех отчасти обусловлен бурным распространением электроники, взявшим на себя часть функций человека. Используются микротурбины в наиболее сложных системах автономного электроснабжения. Рассмотрим их подробнее.

Микротурбины предпочтительнее поршневых автономных электростанций по ряду параметров. Так, у них увеличенная площадь мощности, крайне низкая эмиссия, всего одна или несколько движущихся частей. В некоторых моделях присутствуют воздушные подшипники и система воздушного охлаждения, не требующая моторного масла и охлаждающе-смазочных жидкостей.

Еще одним преимуществом микротурбин является сосредоточение большей части выделяемого тепла в выхлопной системе с достаточно высокой температурой, в то время как тепло, выделяемое возвратно-поступательными двигателями, рассредоточивается между охлаждающей системой и выхлопом.

Работают микротурбины на различных видах промышленного топлива: природном газе, пропане, керосине, дизтопливе попутном нефтяном газе. Возможно использование возобновляемых видов топлива: биогаза, биодизеля, Е85.

Микротурбина состоит из компрессора, одноступенчатой радиальной трубы, инвертора и рекуператора. Теплом выходящих дымовых газов подогревается вода, воздух; также оно используется для осушения или выработки холода для кондиционирования воздуха в холодильных машинах. Таким образом, бесплатная тепловая энергия используется вместо электрической.

КПД стандартных микротурбин достигает 35%; в режиме когенерации коэффициент использования топлива достигает 85%.

Подытожим основные преимущества микротурбин:

Способность воспринимать электрические нагрузки в диапазоне 1-100%;
Возможность долговременной работы на сверхнизкой мощности — 1%;
Низкая эмиссия;
Нет дымовых труб;
Не нуждаются в смазочных и охлаждающих жидкостях;
Возможность быстрого подключения к электрическим и тепловым сетям, топливным магистралям;
Сервисное обслуживание занимает 1 день в году;
Пониженный уровень шума и вибраций;
Возможность дистанционного контроля;
Компактность — микротурбинную электростанцию можно размещать на крышах зданий;
Благодаря инвертору вырабатывается высококачественная электроэнергия;
Когенерация — совместная выработка электричества и тепла;
Возможность эксплуатации в экстремальных климатических условиях (в Арктике, на Крайнем Севере).

Особенности и преимущества микротурбин определяют сферу их применения. Это:

Энергоснабжение торговых комплексов, дата-центров, стройплощадок, фармацевтических складов, объектов аграрного сектора;
Энергоснабжение местностей со сложными климатическими условиями (Крайний Север);
В нефтегазовой сфере — утилизация ПНГ;
Децентрализованное энергоснабжение.

Таковы основные виды газовых турбин