Газотурбинная установка

Введение

 

Все большее распространение в современном транспорте получают газотурбинные двигатели. Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора, камер сгорания и газовой турбины. Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата. При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за компрессором повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора повышают давление воздуха в 5-7 раз. Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха повышается до температуры 200`с и более. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо - керосин, мазут. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, получает некоторое количество тепла и нагревается до температуры 1500 - 2200 `с. N Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается. Движущийся с огромной скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная часть используется для вращения винта самолета, винта морского корабля или колес автомобиля. Вместо вращения винта самолета, теплохода или ротора электрогенератора газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяжести, возникшая при этом, может быть использована для движения самолета, теплохода или железнодорожного транспорта. Турбореактивным и двигателями оборудованы известные всему миру самолеты ИЛ - 62, ТУ - 154.

                                          Газотурбинные установки

 

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

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

 

Простая газотурбинная установка непрерывного горения и устройство её основных элементов

 

Принципиальная схема простой газотурбинной установки показана на рисунке 1.

 

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

 

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

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

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

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

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

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

 

Рисунок 2. Схема одноступенчатой турбины

 

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

 

Рисунок 3. Схема турбинной ступени

 

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

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

 

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

 

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

Компрессор. Схема многоступенчатого осевого компрессора изображена на рисунке 5.

 

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

 

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

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

 

Рисунок 6. Схема ступени осевого компрессора

 

Камера сгорания

 

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

 

Рисунок 7. Камера сгорания

 

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

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

Простая газотурбинная установка прерывистого горения

 

Схема установка прерывистого горения (со сгоранием при постоянном объеме) такая же, что и для установки с изобарным подводом теплоты, и показана на рисунке 1. Эта ГТУ отличается от установи непрерывного горения устройством камеры сгорания (рисунок 8).

 

Рисунок 8. Камера прерывистого горения: 1-воздушный клапан; 2-топливный клапан; 3-свеча зажигания; 4-сопловой (газовый) клапан.

 

Камера сгорания ГТУ прерывистого горения имеет клапаны 1, 2 и 4, которые управляются особым распределительным механизмом,

Представим себе, что в некоторый момент времена все клапаны закрыты, и камера заполнена смесью воздуха и топлива. При помощи свечи зажигания 3 смесь воспламеняется и давление в камере повышается, так как сгорание происходит при постоянном объеме. При достижении определенного давления открывается клапан 4 и продукты сгорания поступают к соплам турбины, в которых происходит расширение газа. Давление в камере сгорания падает. После того, как давление в камере упадет до определенной величины, автоматически открывается воздушный клапан 1 и происходит продувка камеры свежим воздухом. Этот воздух проходит также через турбину и охлаждает её лопаточный аппарат.

В конце продувки сопловой клапан 4 закрывается и камера сгорания заполняется сжатым воздухом из компрессора. При работе на газообразном топливе в это же время через клапан 2 подается горючий газ. Этот процесс называется зарядкой камеры. По окончании зарядки закрываются все клапаны и происходит вспышка. Далее цикл повторяется.

Процесс изменения с течением времени давления в камере за весь цикл показан на рисунке 9.

 

Рисунок 9. Изменение давления в зависимости от времени в камере сгорания

 

Здесь АВ - вспышка; ВС - расширение; СД - продувка и ДА - зарядка. По данным Хольцварта весь цикл совершается приблизительно за 1,5 с. В этих опытах давление в начале вспышки (т. А) было равно (3...4) × 105 Па, а в конце вспышки (т. В) оно возрастало приблизительно до 15 × 105 Па.

Способы повышения экономичности ГТУ:

Существует рад способов повышения экономичности ГТУ:

1) за счет применения регенерации тепла отработавших в турбине газов;

2) путем ступенчатого сжатия воздуха с промежуточным его охлаждением;

3) путем применения ступенчатого расширения с промежуточным подогревом рабочего газа;

4) путем создания сложных и многовальных установок, что дает возможность повысить экономичность ГТУ особенно при работе на частичных нагрузках;

5) путем создания комбинированных установок работающих по парогазовому циклу в с поршневыми камерами сгорания;

Список использованной  литературы

 

1. Гительман Л. Д, Ратников Б.Е. Энергетический бизнес. - М.: Дело, 2006. - 600 с.