Turbină cu abur.Încercările de a proiecta o turbină cu abur capabilă să concureze cu un motor cu abur până la mijlocul secolului al XIX-lea. nu au avut succes, deoarece doar o mică parte din energia cinetică a jetului de abur a putut fi convertită în energie mecanică de rotație a turbinei. Ideea este că inventatorii

nu a luat în considerare dependența randamentului turbinei de raportul dintre viteza aburului și viteza liniară a palelor turbinei.

Să aflăm în ce raport dintre viteza curentului de gaz și viteza liniară a paletei turbinei va avea loc cel mai complet transfer al energiei cinetice a curentului de gaz către paleta turbinei (Fig. 36). Când energia cinetică a aburului este complet transferată către paleta turbinei, viteza jetului în raport cu Pământul ar trebui să fie egală cu zero, adică.

Într-un cadru de referință care se mișcă cu viteza, viteza jetului este egală cu: .

Deoarece în acest cadru de referință lama este nemișcată în momentul interacțiunii cu jetul, viteza jetului după reflexia elastică rămâne neschimbată în mărime, dar își schimbă direcția în sens opus:

Trecând din nou la cadrul de referință asociat Pământului, obținem viteza jetului după reflexie:

De atunci

Am descoperit că transferul complet al energiei cinetice a jetului către turbină va avea loc cu condiția ca viteza liniară de mișcare a palelor turbinei să fie jumătate din viteza jetului. Prima turbină cu abur care a găsit aplicație practică a fost fabricată de inginerul suedez Gustav Laval în 1889. Puterea sa era mai mică la viteza de rotație rpm

Orez. 36. Transferul energiei cinetice a unui jet de abur către paleta unei turbine

Debitul mare de gaz chiar și la căderi medii de presiune, în valoare de aproximativ 1200 m/s, necesită ca paletele turbinei să aibă o viteză liniară de aproximativ 600 m/s pentru o funcționare eficientă. În consecință, pentru a obține valori de eficiență ridicate, turbina trebuie să fie de mare viteză. Este ușor de calculat forța de inerție care acționează asupra unei pale de turbină cu greutatea de 1 kg, situată pe janta rotorului cu raza de 1 m, la o viteză a palelor de 600 m/s:

Apare o contradicție fundamentală: pentru ca turbina să funcționeze economic, sunt necesare viteze supersonice ale rotorului, dar la astfel de viteze turbina va fi distrusă de forțele inerțiale. Pentru a rezolva această contradicție, este necesar să se proiecteze turbine care se rotesc cu o viteză mai mică decât optimă, dar pentru a utiliza pe deplin energia cinetică a jetului de abur, să le facă în mai multe etape, plasând mai multe rotoare cu diametrul crescător pe un arbore comun. Datorită vitezei de rotație insuficient de mare a turbinei, aburul transferă doar o parte din energia sa cinetică rotorului cu diametrul mai mic. Apoi, aburul evacuat în prima etapă este direcționat către al doilea rotor cu un diametru mai mare, oferind palelor sale o parte din energia cinetică rămasă etc. Aburul evacuat este condensat în răcitor-condensator, iar apa caldă este trimisă la cazan. .

Ciclul unei instalații de turbină cu abur este prezentat în coordonate în Figura 37. În cazan, fluidul de lucru primește o cantitate de căldură, se încălzește și se extinde la presiune constantă (izobar AB). În turbină, aburul se extinde adiabatic (adiabat BC), efectuând lucrări de rotire a rotorului. Într-un condensator-răcitor, spălat, de exemplu, de apa râului, aburul transferă căldură apei și condensează la presiune constantă. Acest proces corespunde unei izobare. Apa caldă din condensator este pompată în cazan. Acest proces corespunde unui izocor După cum se poate observa, ciclul instalației cu turbine cu abur este închis. Munca efectuată de abur într-un ciclu este numeric egală cu aria figurii ABCD.

Turbinele moderne cu abur au o eficiență mare de conversie cinetică

Orez. 37. Schema ciclului de funcționare al unei instalații cu turbine cu abur

energia jetului de abur în energie mecanică, depășind ușor 90%. Prin urmare, generatoarele electrice ale aproape tuturor centralelor termice și nucleare din lume, care furnizează mai mult de 80% din toată energia electrică generată, sunt antrenate de turbine cu abur.

Deoarece temperatura aburului utilizat în instalațiile moderne cu turbine cu abur nu depășește 580 C (temperatura încălzitorului), iar temperatura aburului la ieșirea turbinei nu este de obicei mai mică de 30 ° C (temperatura frigiderului), valoarea maximă a eficienței de o instalație de turbină cu abur ca motor termic este:

iar valorile efective de eficiență ale centralelor electrice de condensare cu turbine cu abur ajung la doar aproximativ 40%.

Puterea centralelor moderne de boiler-turbină-generator ajunge la kW. Următoarea linie în cel de-al 10-lea Plan cincinal este construcția de unități de putere cu o capacitate de până la kW.

Motoarele cu turbine cu abur sunt utilizate pe scară largă în transportul pe apă. Cu toate acestea, utilizarea lor în transportul terestru și mai ales în aviație este îngreunată de necesitatea de a avea un focar și un cazan pentru generarea aburului, precum și o cantitate mare de apă pentru utilizare ca fluid de lucru.

Turbine cu gaz. Ideea de a elimina cuptorul și cazanul într-un motor termic cu o turbină prin mutarea locului de ardere a combustibilului în fluidul de lucru în sine i-a ocupat de mult pe proiectanți. Dar dezvoltarea unor astfel de turbine cu ardere internă, în care fluidul de lucru nu este abur, ci aer care se extinde din încălzire, a fost împiedicată de lipsa materialelor capabile să funcționeze mult timp la temperaturi ridicate și sarcini mecanice ridicate.

Instalaţia turbinei cu gaz este formată dintr-un compresor de aer 1, camere de ardere 2 şi o turbină cu gaz 3 (Fig. 38). Compresorul este format dintr-un rotor montat pe aceeași axă cu turbina și o paletă de ghidare fixă.

Când turbina funcționează, rotorul compresorului se rotește. Paletele rotorului sunt astfel formate incat atunci cand se rotesc presiunea in fata compresorului scade si in spatele acestuia creste. Aerul este aspirat în compresor, iar presiunea acestuia în spatele primului rând de pale ale rotorului crește. În spatele primului rând de pale de rotor se află un rând de palete ale unei palete fixe de ghidare a compresorului, cu ajutorul căreia se schimbă direcția de mișcare a aerului și se asigură posibilitatea comprimării ulterioare a acestuia folosind paletele din a doua treaptă. ale rotorului etc. Mai multe trepte ale paletelor compresorului asigură o presiune a aerului crescută de 5-7 ori.

Procesul de compresie are loc adiabatic, astfel încât temperatura aerului crește semnificativ, ajungând la 200 °C sau mai mult.

Orez. 38. Construcția unei unități de turbină cu gaz

Aerul comprimat intră în camera de ardere (Fig. 39). În același timp, combustibil lichid - kerosen, păcură - este injectat în el printr-o duză sub presiune înaltă.

Când combustibilul arde, aerul, care servește drept fluid de lucru, primește o anumită cantitate de căldură și se încălzește până la o temperatură de 1500-2200 °C. Încălzirea aerului are loc la presiune constantă, astfel încât aerul se extinde și viteza acestuia crește.

Aerul și produsele de ardere care se deplasează cu viteză mare sunt direcționate în turbină. Trecând de la o etapă la alta, ei renunță la energia lor cinetică la paletele turbinei. O parte din energia primită de turbină este cheltuită pentru rotirea compresorului, iar restul este folosită, de exemplu, pentru a roti elicea unui avion sau rotorul unui generator electric.

Pentru a proteja palele turbinei de efectul distructiv al unui jet de gaz fierbinte și de mare viteză în camera de ardere

Orez. 39. Camera de ardere

Compresorul pompează mult mai mult aer decât este necesar pentru arderea completă a combustibilului. Aerul care intră în camera de ardere din spatele zonei de ardere a combustibilului (Fig. 38) reduce temperatura jetului de gaz direcționat către paletele turbinei. O scădere a temperaturii gazului într-o turbină duce la o scădere a eficienței, așa că oamenii de știință și proiectanții caută modalități de a crește limita superioară a temperaturii de funcționare a unei turbine cu gaz. În unele motoare moderne cu turbină cu gaz de aviație, temperatura gazului în fața turbinei ajunge la 1330 °C.

Aerul evacuat împreună cu produsele de ardere la o presiune apropiată de cea atmosferică și o temperatură mai mare de 500 °C la o viteză mai mare de 500 m/s este de obicei evacuat în atmosferă sau, pentru a crește eficiența, este trimis la un schimbător de căldură. , unde transferă o parte din căldură pentru a încălzi aerul care intră în camera de ardere .

Ciclul de funcționare al unei unități cu turbină cu gaz este diagramat în Figura 40. Procesul de comprimare a aerului în compresor corespunde adiabat AB, procesul de încălzire și expansiune în camera de ardere - izobarul BC. Procesul adiabatic de expansiune a gazului fierbinte într-o turbină este reprezentat de secțiunea CD, procesul de răcire și reducere a volumului fluidului de lucru este reprezentat de izobara DA.

Eficiența unităților cu turbine cu gaz ajunge la 25-30%. Motoarele cu turbină cu gaz nu au cazane de abur voluminoase, cum ar fi motoarele cu abur și turbinele cu abur și nu au pistoane și mecanisme care transformă mișcarea alternativă în mișcare de rotație, cum ar fi motoarele cu abur și motoarele cu ardere internă. Prin urmare, un motor cu turbină cu gaz ocupă de trei ori mai puțin spațiu decât un motor diesel de aceeași putere, iar masa sa specifică (raportul masă/putere) este de 6 până la 9 ori mai mică decât cea a unui motor cu piston cu combustie internă de avion. Compactitatea și viteza, combinate cu puterea mare pe unitate de greutate, au determinat primul domeniu practic important de aplicare a motoarelor cu turbină cu gaz - aviația.

Avioanele cu o elice montată pe arborele unui motor cu turbină cu gaz au apărut în 1944. Avioane renumite precum AN-24, TU-114, IL-18, AN-22 - „Antey” au motoare turbopropulsoare.

Greutatea maximă a „Antey” la decolare este de 250 de tone, capacitatea de transport este de 80 de tone sau 720 de pasageri,

Orez. 40. Schema ciclului de funcționare al unei instalații cu turbine cu gaz

viteza 740 km/h, puterea fiecăruia dintre cele patru motoare kW.

Motoarele cu turbine cu gaz încep să înlocuiască motoarele cu turbine cu abur în transportul pe apă, în special pe navele navale. Trecerea de la motoarele diesel la motoarele cu turbină cu gaz a făcut posibilă creșterea capacității de transport a navelor cu hidrofoil de patru ori, de la 50 la 200 de tone.

Motoarele cu turbină cu gaz cu o putere de 220-440 kW sunt instalate pe vehicule grele. BelAZ-549V de 120 de tone cu un motor cu turbină cu gaz este testat în industria minieră.

Turbinele cu gaz sunt prezente în multe modele de rachete cu combustibil lichid, precum și în turbopompe, ceea ce permite acestora din urmă să fie utilizate în rezervoare ușoare, de joasă presiune, care conțin o masă uscată considerabilă.

Tipuri de turbine cu gaz

Să ne uităm la ce tipuri de turbine cu gaz există

Industrial - pentru generarea de energie electrică

Diferența lor față de cele de aviație este dimensiunile lor semnificativ mai mari. Cadrul, rulmenții și sistemul de lame din turbinele industriale cu gaz sunt mult mai masive. Dimensiunile turbinelor industriale variază foarte mult - de la unități mobile compacte montate pe camioane până la complexe uriașe de turbine cu gaz.

• Turbinele cu ciclu combinat au o eficiență de până la 60% - dacă evacuarea este utilizată într-un generator de abur recuperator. Funcționarea în configurații de cogenerator crește eficiența, atunci când evacuarea este utilizată pentru încălzire sau, în mașinile frigorifice, pentru a produce frig. De asemenea, este posibil să se producă căldură și frig în același timp - acest proces se numește trigenerare.
• Turbinele cu gaz cu ciclu simplu au puteri diferite. Este nevoie de doar câteva minute pentru a intra în modul de funcționare, ceea ce vă permite să îl utilizați în timpul sarcinilor de vârf. Datorită eficienței sale mai mici în comparație cu centralele combinate, acest tip de turbină este utilizat rar - de la câteva ore la câteva zeci de ore pe an, mai des la sarcini de vârf. În zonele cu o sarcină de bază scăzută și unde energia electrică depinde de sarcină, o turbină cu gaz ca aceasta funcționează cea mai mare parte a zilei.

Microturbine

Succesul lor se datorează parțial răspândirii rapide a electronicii, care a preluat unele dintre funcțiile oamenilor. Microturbinele sunt utilizate în cele mai complexe sisteme autonome de alimentare cu energie. Să le aruncăm o privire mai atentă.

Microturbinele sunt preferabile centralelor electrice autonome cu piston într-o serie de parametri. Deci, au o suprafață de putere sporită, emisii extrem de scăzute și doar una sau câteva părți mobile. Unele modele au rulmenți cu aer și un sistem de răcire cu aer care nu necesită ulei de motor sau lichide de răcire.

Un alt avantaj al microturbinelor este că cea mai mare parte a căldurii generate este concentrată în sistemul de evacuare la o temperatură destul de ridicată, în timp ce căldura generată de motoarele cu piston este dispersată între sistemul de răcire și evacuare.

Microturbinele funcționează cu diverse tipuri de combustibil industrial: gaz natural, propan, kerosen, motorină și gaz petrolier asociat. Este posibil să se utilizeze combustibili regenerabili: biogaz, biodiesel, E85.

Microturbina este formată dintr-un compresor, un tub radial cu o singură treaptă, un invertor și un recuperator. Căldura gazelor de ardere de evacuare încălzește apa și aerul; De asemenea, este folosit pentru a dezumidifica sau produce frig pentru aer condiționat în mașinile frigorifice. Astfel, se folosește energia termică gratuită în locul energiei electrice.

Eficiența microturbinelor standard ajunge la 35%; în modul de cogenerare, rata de utilizare a combustibilului ajunge la 85%.

Să rezumăm principalele avantaje ale microturbinelor:

• Capacitate de a rezista la sarcini electrice în intervalul 1-100%;
• Posibilitate de functionare pe termen lung la putere ultra-scazuta - 1%;
• Emisii reduse;
• Fara cosuri de fum;
• Nu necesită lubrifianți sau lichide de răcire;
• Posibilitate de conectare rapida la retelele electrice si termice, linii de combustibil;
• Întreținerea durează 1 zi pe an;
• Niveluri reduse de zgomot și vibrații;
• Posibilitate de control de la distanta;
• Compactitate - o centrală electrică cu microturbină poate fi amplasată pe acoperișurile clădirilor;
• Datorită invertorului, se generează energie electrică de înaltă calitate;
• Cogenerare - producerea în comun de energie electrică și căldură;
• Posibilitate de funcționare în condiții climatice extreme (în Arctica, Nordul îndepărtat).

Caracteristicile și avantajele microturbinelor determină domeniul de aplicare al acestora. Acest:

• Aprovizionarea cu energie a mall-urilor, centrelor de date, șantierelor, depozitelor farmaceutice, facilităților din sectorul agricol;
• Alimentarea cu energie a zonelor cu condiții climatice dificile (Nordul îndepărtat);
• În sectorul petrolului și gazelor - utilizarea APG;
• Alimentare descentralizată cu energie.

Acestea sunt principalele tipuri de turbine cu gaz

Turbina de gaz

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă verificată de participanții cu experiență și poate diferi semnificativ de versiunea verificată pe 22 martie 2012; verificările necesită 13 modificări.

Turbina industriala cu gaz dezasamblata.

Turbina de gaz(fr. turbină din lat. turbo vortex, rotație) este un motor continuu, în aparatul cu palete al căruia energia gazului comprimat și/sau încălzit este transformată în lucru mecanic asupra arborelui. Arderea combustibilului poate avea loc atât în ​​afara turbinei, cât și în interiorul turbinei în sine. [ sursa nespecificata 380 de zile] Principalele elemente structurale sunt rotorul (lamele de lucru montate pe discuri) si statorul, realizate sub forma unui dispozitiv de nivelare (panele de ghidare fixate in carcasa).

Turbinele cu gaz sunt utilizate ca parte a motoarelor cu turbine cu gaz, a unităților staționare cu turbine cu gaz (GTU) și a unităților cu gaz cu ciclu combinat (CCGT).

Poveste

Articolul principal: Istoria turbinelor

Încercările de a crea mecanisme similare cu turbinele au fost făcute de foarte mult timp. Există o descriere cunoscută a unei turbine cu abur primitive realizate de Heron din Alexandria (secolul I î.Hr.). În secolul al XVIII-lea, englezul John Barber a primit un brevet pentru un dispozitiv care avea majoritatea elementelor găsite în turbinele cu gaz moderne. În 1872, Franz Stolz a dezvoltat motorul cu turbină cu gaz. [ sursa nespecificata 380 de zile] Cu toate acestea, abia la sfârșitul secolului al XIX-lea, când termodinamica, ingineria mecanică și metalurgia atinseseră un nivel suficient, Gustaf Laval (Suedia) și Charles Parsons (Marea Britanie) au creat independent turbine cu abur adecvate utilizării industriale.

Principiul de funcționare

Gazul de înaltă presiune curge prin duza turbinei în zona de joasă presiune, extinzându-se și accelerând. În continuare, fluxul de gaz lovește paletele turbinei, oferindu-le o parte din energia sa cinetică și oferind cuplu paletelor. Paletele rotorului transmit cuplul prin discurile turbinei către arbore. Turbina cu gaz este folosită cel mai adesea pentru a antrena generatoare.

Din punct de vedere mecanic, turbinele cu gaz pot fi mult mai simple decât motoarele cu ardere internă cu piston. Turbinele mai complexe (așa cum sunt utilizate în motoarele moderne cu turboreacție) pot avea mai mulți arbori, sute de pale de turbină și stator și un sistem extins de conducte complexe, camere de ardere și schimbătoare de căldură.

Lagărele axiali și lagărele radiali sunt elemente critice de proiectare. În mod tradițional, au fost rulmenți cu bile hidrodinamici sau răciți cu ulei. Au fost depășiți de rulmenții de aer, care sunt utilizați cu succes în microturbine și unități de putere auxiliare.

Tipuri de turbine cu gaz

Turbinele cu gaz sunt adesea folosite în multe rachete cu combustibil lichid și, de asemenea, pentru a alimenta turbopompe, permițându-le să fie utilizate în rezervoare ușoare, de joasă presiune, care stochează o masă uscată semnificativă.

O turbină este orice dispozitiv rotativ care utilizează energia unui fluid de lucru în mișcare (fluid) pentru a produce lucru. Fluidele tipice ale turbinelor sunt: ​​vânt, apă, abur și heliu. Morile de vânt și barajele hidroelectrice au folosit turbine de zeci de ani pentru a învârti generatoarele electrice și pentru a produce energie pentru industrie și locuințe. Turbinele simple există de mult mai mult timp; primele dintre ele au apărut în Grecia antică.

În istoria producerii de energie, însă, turbinele cu gaz în sine au apărut nu cu mult timp în urmă. Prima turbină cu gaz practic utilă a început să genereze electricitate în Neuchatel, Elveția, în 1939. A fost dezvoltat de compania Brown Boveri. Prima turbină cu gaz care a alimentat o aeronavă a intrat în funcțiune și în 1939 în Germania, folosind o turbină cu gaz proiectată de Hans P. von Ogein. În Anglia, în anii 1930, invenția și proiectarea turbinei cu gaz de către Frank Whittle au condus la primul zbor cu turbină în 1941.

Figura 1. Diagrama unei turbine de avion (a) și a unei turbine cu gaz pentru utilizare la sol (b)

Termenul „turbină cu gaz” este ușor înșelător, deoarece pentru mulți înseamnă un motor cu turbină care folosește gaz drept combustibil. De fapt, o turbină cu gaz (prezentată schematic în Fig. 1) are un compresor care furnizează și comprimă gaz (de obicei aer); camera de ardere, unde arderea combustibilului încălzește gazul comprimat și turbina însăși, care extrage energie din fluxul de gaze fierbinți, comprimate. Această energie este suficientă pentru a alimenta compresorul și rămâne pentru aplicații utile. O turbină cu gaz este un motor cu ardere internă (ICE) care utilizează arderea continuă a combustibilului pentru a produce muncă utilă. Aceasta distinge turbina de motoarele cu carburator sau diesel cu ardere internă, unde procesul de ardere este intermitent.

De când utilizarea turbinelor cu gaz a început atât în ​​sectorul energiei, cât și în cel al aviației în 1939, diferite denumiri sunt folosite pentru aviație și turbinele cu gaz de la sol. Turbinele cu gaz din aviație sunt numite motoare cu turboreacție sau cu reacție, iar alte turbine cu gaz sunt numite motoare cu turbină cu gaz. În engleză există și mai multe nume pentru aceste motoare în general similare.

Utilizarea turbinelor cu gaz

Într-un motor cu turboreacție de avion, energia din turbină antrenează un compresor, care atrage aer în motor. Gazul fierbinte care părăsește turbina este eliberat în atmosferă prin duza de evacuare, care creează forță. În fig. 1a prezintă o diagramă a unui motor turborreactor.

Figura 2. Reprezentarea schematică a unui turboreactor de avion.

Un motor turboreactor tipic este prezentat în Fig. 2. Astfel de motoare creează o tracțiune de la 45 kgf la 45000 kgf cu o greutate proprie de la 13 kg la 9000 kg. Cele mai mici motoare propulsează rachete de croazieră, cele mai mari propulsează avioane uriașe. Turbina cu gaz din fig. 2 este un motor turboventilator cu un compresor de diametru mare. Impingerea este creata atat de aerul care este aspirat de compresor, cat si de aerul care trece prin turbina in sine. Motorul este mare și capabil să producă tracțiune mare la viteză mică în timpul decolării, ceea ce îl face cel mai potrivit pentru aeronavele comerciale. Un motor turboreactor nu are ventilator și creează tracțiune cu aer care trece complet prin calea gazului. Motoarele turboreactor au dimensiuni frontale mici și produc cea mai mare tracțiune la viteze mari, făcându-le cele mai potrivite pentru utilizarea în avioanele de luptă.

În turbinele cu gaz non-aviație, o parte din energia turbinei este utilizată pentru a antrena compresorul. Energia rămasă - „energie utilă” - este îndepărtată din arborele turbinei la un dispozitiv de utilizare a energiei, cum ar fi un generator electric sau elicea unei nave.

O turbină cu gaz tipică pentru utilizarea terenului este prezentată în Fig. 3. Astfel de instalații pot genera energie de la 0,05 MW până la 240 MW. Instalația prezentată în fig. 3 este o turbină cu gaz, derivată dintr-una de avion, dar mai uşoară. Unitățile mai grele sunt proiectate special pentru utilizarea terenurilor și se numesc turbine industriale. Deși turbinele derivate din aeronave sunt din ce în ce mai folosite ca generatoare de energie primară, ele sunt încă utilizate cel mai frecvent ca compresoare pentru pomparea gazului natural, alimentarea navelor și sunt folosite ca generatoare de energie auxiliare în perioadele de sarcină de vârf. Generatoarele cu turbine cu gaz pot intra rapid în funcțiune, furnizând energie în momentele de cea mai mare nevoie.

Figura 3. Cea mai simplă turbină cu gaz într-o singură treaptă pentru utilizarea terenului. De exemplu, în sectorul energetic. 1 – compresor, 2 – camera de ardere, 3 – turbina.

Cele mai importante avantaje ale unei turbine cu gaz sunt:

1. Este capabil să producă multă energie cu o dimensiune și o greutate relativ mici.
2. O turbină cu gaz funcționează într-un mod de rotație constantă, spre deosebire de motoarele cu piston care funcționează cu sarcini în continuă schimbare. Prin urmare, turbinele durează mult timp și necesită întreținere relativ mică.
3. Deși o turbină cu gaz este pornită folosind echipamente auxiliare, cum ar fi motoare electrice sau altă turbină cu gaz, pornirea durează câteva minute. Pentru comparație, timpul de pornire al unei turbine cu abur este măsurat în ore.
4. O turbină cu gaz poate folosi o varietate de combustibili. Turbinele mari de pe uscat folosesc de obicei gaz natural, în timp ce turbinele aeronavelor folosesc de obicei distilate ușoare (kerosen). Se poate folosi și motorină sau păcură tratată special. De asemenea, este posibil să se utilizeze gaze inflamabile din procesul de piroliză, gazeificare și rafinare a petrolului, precum și biogaz.
5. De obicei, turbinele cu gaz folosesc aerul atmosferic ca fluid de lucru. Când se generează energie electrică, o turbină cu gaz nu necesită lichid de răcire (cum ar fi apa).

În trecut, unul dintre principalele dezavantaje ale turbinelor cu gaz era eficiența lor scăzută în comparație cu alte motoare cu ardere internă sau turbine cu abur din centralele electrice. Cu toate acestea, în ultimii 50 de ani, îmbunătățirile în proiectarea lor au crescut eficiența termică de la 18% în 1939 la turbina cu gaz Neuchatel la eficiența actuală de 40% în funcționarea cu ciclu simplu și aproximativ 55% în funcționarea cu ciclu combinat (mai multe despre aceasta mai jos. ). În viitor, eficiența turbinelor cu gaz va crește și mai mult, eficiența ciclului simplu de așteptat să crească la 45-47% și eficiența ciclului combinat la 60%. Aceste eficiențe așteptate sunt semnificativ mai mari decât cele ale altor motoare comune, cum ar fi turbinele cu abur.

Cicluri ale turbinei cu gaz

Ciclograma arată ce se întâmplă când aerul intră, trece prin calea gazului și iese din turbina cu gaz. De obicei, o ciclogramă arată relația dintre volumul de aer și presiune dintr-un sistem. În fig. Figura 4a prezintă ciclul Brayton, care arată modificarea proprietăților unui volum fix de aer care trece printr-o turbină cu gaz în timpul funcționării acesteia. Zonele cheie ale acestei ciclograme sunt prezentate și în reprezentarea schematică a unei turbine cu gaz din Fig. 4b.

Figura 4a. Diagrama ciclului Brayton în coordonatele P-V pentru un fluid de lucru, care arată fluxurile de lucru (W) și căldură (Q).

Figura 4b. Reprezentare schematică a unei turbine cu gaz, arătând puncte din diagrama ciclului Brayton.

Aerul este comprimat din punctul 1 în punctul 2. În același timp, presiunea gazului crește, iar volumul gazului scade. Aerul este apoi încălzit la presiune constantă de la punctul 2 până la punctul 3. Această căldură este produsă de combustibilul introdus în camera de ardere și arderea sa continuă.

Aerul comprimat fierbinte de la punctul 3 începe să se extindă între punctele 3 și 4. Presiunea și temperatura în acest interval scad, iar volumul de gaz crește. În motorul din fig. 4b aceasta este reprezentată de fluxul de gaz de la punctul 3 prin turbină la punctul 4. Aceasta produce energie, care poate fi apoi utilizată. În fig. 1a, fluxul este direcționat de la punctul 3" la punctul 4 prin duza de ieșire și produce forță. "Lucrare utilă" din Fig. 4a este prezentată de curba 3'-4. Aceasta este energia capabilă să antreneze arborele de antrenare al unui turbina de la sol sau crearea de tracțiune pentru un motor de aeronavă Ciclul Brighton este finalizat în Fig. 4 printr-un proces în care volumul și temperatura aerului scad pe măsură ce căldura este eliberată în atmosferă.

Figura 5. Sistem în buclă închisă.

Majoritatea turbinelor cu gaz funcționează în regim de ciclu deschis. Într-un ciclu deschis, aerul este preluat din atmosferă (punctul 1 din Fig. 4a și 4b) și eliberat înapoi în atmosferă la punctul 4, astfel gazul fierbinte este răcit în atmosferă după ce a fost eliberat din motor. Într-o turbină cu gaz care funcționează în ciclu închis, fluidul de lucru (lichid sau gaz) este utilizat în mod constant pentru a răci gazele de eșapament (la punctul 4) într-un schimbător de căldură (prezentat schematic în Fig. 5) și este trimis la admisia compresorului. . Deoarece folosește un volum închis cu o cantitate limitată de gaz, o turbină cu ciclu închis nu este un motor cu ardere internă. Într-un sistem cu ciclu închis, arderea nu poate fi susținută, iar camera de ardere convențională este înlocuită cu un schimbător de căldură secundar care încălzește aerul comprimat înainte de a intra în turbină. Căldura este furnizată de o sursă externă, cum ar fi un reactor nuclear, un cuptor cu cărbune cu pat fluidizat sau altă sursă de căldură. S-a propus utilizarea turbinelor cu gaz cu ciclu închis în zborurile către Marte și în alte zboruri spațiale pe termen lung.

O turbină cu gaz care este proiectată și operată conform ciclului Bryson (Fig. 4) se numește turbină cu gaz cu ciclu simplu. Majoritatea turbinelor cu gaz aeronavelor funcționează pe un ciclu simplu, deoarece este necesar să se mențină greutatea și dimensiunea frontală a motorului cât mai mici posibil. Cu toate acestea, pentru aplicații onshore sau offshore, devine posibilă adăugarea de echipamente suplimentare la o turbină cu ciclu simplu pentru a crește eficiența și/sau puterea motorului. Sunt utilizate trei tipuri de modificări: regenerare, intercooling și dublă încălzire.

Regenerare prevede instalarea unui schimbător de căldură (recuperator) pe traseul gazelor de eșapament (punctul 4 din fig. 4b). Aerul comprimat de la punctul 2 din Fig. 4b este preîncălzit pe un schimbător de căldură de către gazele de evacuare înainte de a intra în camera de ardere (Fig. 6a).

Dacă regenerarea este bine implementată, adică eficiența schimbătorului de căldură este mare și căderea de presiune în acesta este mică, eficiența va fi mai mare decât în ​​cazul unui ciclu simplu de funcționare a turbinei. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare și costul regeneratorului. Regeneratoarele au fost folosite la motoarele cu turbine cu gaz din tancul M1 Abrams, principalul tanc de luptă al Operațiunii Desert Storm și în motoarele experimentale cu turbine cu gaz pentru automobile. Turbinele cu gaz cu regenerare îmbunătățesc eficiența cu 5-6% și sunt și mai eficiente atunci când funcționează la sarcină parțială.

Intercooling implică și utilizarea schimbătoarelor de căldură. Un intercooler (intercooler) răcește gazul pe măsură ce este comprimat. De exemplu, dacă compresorul este format din două module, de înaltă și de joasă presiune, între ele trebuie instalat un intercooler pentru a răci debitul de gaz și a reduce volumul de lucru necesar pentru compresia în compresorul de înaltă presiune (Fig. 6b). Agentul de răcire poate fi aerul atmosferic (așa-numitele răcitoare de aer) sau apă (de exemplu, apa de mare din turbina unei nave). Este ușor de demonstrat că puterea unei turbine cu gaz cu un intercooler bine proiectat crește.

Incalzire dubla utilizat în turbine și este o modalitate de a crește puterea de ieșire a unei turbine fără a modifica funcționarea compresorului sau a crește temperatura de funcționare a turbinei. Dacă o turbină cu gaz are două module, presiune înaltă și presiune joasă, atunci se folosește un supraîncălzitor (de obicei o altă cameră de ardere) pentru a reîncălzi fluxul de gaz dintre turbinele de înaltă și joasă presiune (Fig. 6c). Acest lucru poate crește puterea de ieșire cu 1-3%. Încălzirea duală în turbinele aeronavelor se realizează prin adăugarea unei camere de post-ardere la duza turbinei. Acest lucru crește tracțiunea, dar crește semnificativ consumul de combustibil.

O centrală electrică cu turbină cu gaz cu ciclu combinat este adesea abreviată ca CGC. Ciclu combinat înseamnă o centrală electrică în care o turbină cu gaz și o turbină cu abur sunt utilizate împreună pentru a obține o eficiență mai mare decât atunci când sunt utilizate separat. Turbina cu gaz antrenează un generator electric. Gazele de evacuare din turbină sunt folosite pentru a produce abur într-un schimbător de căldură, acest abur antrenează turbina cu abur, care produce și energie electrică. Dacă pentru încălzire se folosește abur, instalația se numește centrală de cogenerare. În plus, în Rusia se folosește de obicei abrevierea TETs (centrală termică și electrică). Dar la centralele termice, de regulă, nu funcționează turbinele cu gaz, ci turbinele obișnuite cu abur. Iar aburul folosit este folosit pentru încălzire, astfel încât centralele de cogenerare și cogenerare nu sunt sinonime. În fig. 7 este o diagramă simplificată a unei centrale electrice de cogenerare, prezentând două motoare termice instalate în serie. Motorul de sus este o turbină cu gaz. Transferă energie către motorul inferior - turbina cu abur. Turbina cu abur transferă apoi căldura la condensator.

Figura 7. Diagrama centralei cu ciclu combinat.

Eficiența ciclului combinat \(\nu_(cc) \) poate fi reprezentată printr-o expresie destul de simplă: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) Cu alte cuvinte, aceasta este suma eficienței fiecărei etape minus munca lor. Această ecuație arată de ce cogenerarea este atât de eficientă. Presupunând \(\nu_B = 40%\), aceasta este o limită superioară rezonabilă pentru eficiența unei turbine cu gaz cu ciclu Brayton. O estimare rezonabilă a eficienței unei turbine cu abur care funcționează conform ciclului Rankine la a doua etapă de cogenerare este \(\nu_R = 30%\). Substituind aceste valori în ecuație obținem: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58\). Adică, eficiența unui astfel de sistem va fi de 58%.

Aceasta este estimarea superioară a eficienței unei centrale de cogenerare. Eficiența practică va fi mai mică din cauza pierderii inevitabile de energie între etape. În practică, sistemele de cogenerare energetică puse în funcțiune în ultimii ani au atins o eficiență de 52-58%.

Componentele turbinei cu gaz

Funcționarea unei turbine cu gaz este cel mai bine împărțită prin împărțirea acesteia în trei subsisteme: compresorul, camera de ardere și turbina, așa cum se arată în Fig. 1. În continuare ne vom uita pe scurt la fiecare dintre aceste subsisteme.

Compresoare și turbine

Compresorul este conectat la turbină printr-un arbore comun, astfel încât turbina să poată roti compresorul. O turbină cu gaz cu un singur arbore are un singur arbore care conectează turbina și compresorul. O turbină cu gaz cu doi arbori (Fig. 6b și 6c) are doi arbori conici. Cel mai lung este conectat la compresorul de joasă presiune și turbina de joasă presiune. Se rotește în interiorul unui arbore tubular mai scurt care conectează compresorul de înaltă presiune la turbina de înaltă presiune. Arborele care conectează turbina și compresorul de înaltă presiune se rotește mai repede decât arborele turbinei și compresorul de joasă presiune. O turbină cu gaz cu trei arbori are un al treilea arbore care conectează turbina și compresorul de medie presiune.

Turbinele cu gaz pot fi centrifuge sau axiale sau de tip combinat. Compresorul centrifugal, în care aerul comprimat este evacuat în jurul perimetrului exterior al mașinii, este fiabil, costă de obicei mai puțin, dar este limitat la un raport de compresie de 6-7 la 1. Au fost utilizate pe scară largă în trecut și sunt încă folosite. astăzi în mici turbine cu gaz.

La compresoarele axiale mai eficiente și mai productive, aerul comprimat iese de-a lungul axei mecanismului. Acesta este cel mai comun tip de compresor de gaz (vezi Fig. 2 și 3). Compresoarele centrifuge constau dintr-un număr mare de secțiuni identice. Fiecare secțiune conține o roată rotativă cu palete de turbină și o roată cu palete staționare (statori). Secțiunile sunt dispuse astfel încât aerul comprimat să treacă secvenţial prin fiecare secțiune, eliberând o parte din energia sa fiecăreia dintre ele.

Turbinele au un design mai simplu în comparație cu un compresor, deoarece este mai dificil să comprimați un flux de gaz decât să îl faceți să se extindă din nou. Turbinele axiale similare cu cele prezentate în Fig. 2 și 3 au mai puține secțiuni decât un compresor centrifugal. Există turbine cu gaz mici care folosesc turbine centrifuge (cu intrare radială de gaz), dar cele mai frecvente sunt turbinele axiale.

Proiectarea și fabricarea turbinei sunt complexe din cauza necesității de a prelungi durata de viață a componentelor din fluxul de gaz fierbinte. Problema cu fiabilitatea proiectării este cea mai critică în prima etapă a turbinei, unde temperaturile sunt cele mai ridicate. Se folosesc materiale speciale si un sistem de racire sofisticat pentru a asigura ca paletele turbinei, care se topesc la o temperatura de 980-1040 grade Celsius, intr-un flux de gaz a carui temperatura ajunge la 1650 grade Celsius.

Camera de ardere

Un proiect de succes al camerei de ardere trebuie să satisfacă multe cerințe, iar realizarea corectă a fost o provocare încă de pe vremea turbinelor Whittle și von Ohain. Importanța relativă a cerințelor fiecărei camere de ardere depinde de aplicarea turbinei și, desigur, unele cerințe sunt în conflict între ele. Compromisurile sunt inevitabile la proiectarea unei camere de ardere. Majoritatea cerințelor de proiectare se referă la cost, eficiență și compatibilitatea cu mediul motorului. Iată o listă de cerințe de bază pentru camera de ardere:

1. Eficiență ridicată a arderii combustibilului în toate condițiile de funcționare.
2. Niveluri scăzute de combustibil nears și monoxid de carbon (monoxid de carbon), emisii scăzute de oxizi de azot la sarcină grea și nu există emisii vizibile de fum (minimizează poluarea mediului).
3. Cădere scăzută de presiune atunci când gazul trece prin camera de ardere. Pierderea de presiune de 3-4% este o cădere tipică de presiune.
4. Arderea trebuie să fie stabilă în toate modurile de funcționare.
5. Arderea trebuie să fie stabilă la temperaturi foarte scăzute și presiune scăzută la altitudine mare (pentru motoarele de aeronave).
6. Arderea trebuie să fie lină, fără pulsații sau întreruperi.
7. Temperatura trebuie să fie stabilă.
8. Durată lungă de viață (mii de ore), în special pentru turbinele industriale.
9. Posibilitatea de a utiliza diferite tipuri de combustibil. Turbinele terestre folosesc de obicei gaz natural sau motorină. Pentru turbine cu kerosen de aviație.
10. Lungimea și diametrul camerei de ardere trebuie să corespundă mărimii ansamblului motor.
11. Costul total de proprietate al camerei de ardere ar trebui să fie menținut la minimum (aceasta include costul inițial, costurile de operare și reparații).
12. Camera de ardere pentru motoarele de aeronave trebuie să aibă o greutate minimă.

Camera de ardere este formată din cel puțin trei părți principale: o carcasă, un tub de flacără și un sistem de injecție de combustibil. Carcasa trebuie să reziste la presiunea de funcționare și poate face parte din structura turbinei cu gaz. Carcasa acoperă un tub de flacără cu pereți relativ subțiri în care au loc arderea și sistemul de injecție a combustibilului.

În comparație cu alte tipuri de motoare, cum ar fi motoarele diesel și cu piston, turbinele cu gaz produc cea mai mică cantitate de poluanți ai aerului pe unitate de putere. Dintre emisiile turbinelor cu gaz, cele mai mari preocupări sunt combustibilul nears, monoxidul de carbon (monoxid de carbon), oxizii de azot (NOx) și fumul. Deși turbinele aeronavelor contribuie cu mai puțin de 1% la emisiile totale de poluanți, emisiile produse direct în troposferă s-au dublat între 40 și 60 de grade latitudine nordică, determinând creșterea concentrațiilor de ozon cu 20%. În stratosferă, unde zboară aeronavele supersonice, emisiile de NOx provoacă distrugerea ozonului. Ambele efecte sunt dăunătoare mediului, astfel încât reducerea oxizilor de azot (NOx) din emisiile motoarelor aeronavelor este ceva ce trebuie să se întâmple în secolul XXI.

Acesta este un articol destul de scurt care încearcă să acopere toate aspectele aplicațiilor turbinelor, de la aviație la energie, și nu se bazează pe formule. Pentru a vă familiariza mai bine cu subiectul, vă pot recomanda cartea „Turbina cu gaz în transportul feroviar” http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html. Dacă omitem capitolele legate de specificul utilizării turbinelor pe căile ferate, cartea este totuși foarte clară, dar mult mai detaliată.

INFORMAȚII GENERALE DESPRE FUNCȚIONAREA GTU

Structura generală și principiul de funcționare al unității cu turbină cu gaz

Un motor cu turbină cu gaz este un motor în care un gaz necondensabil (aer și produse de ardere sau gaze neutre) este utilizat ca fluid de lucru, iar o turbină cu gaz este utilizată ca motor de tracțiune.

Termenul turbină provine din cuvintele latine turbineus - în formă de vortex, sau turbo - de sus. O turbină este un motor în care lucrul mecanic asupra arborelui mașinii este obținut prin conversia energiei cinetice a unui jet de gaz, care, la rândul său, este obținută ca urmare a conversiei energiei potențiale - energia combustibilului ars în fluxul de aer. Ideile moderne despre transformarea căldurii în muncă se bazează pe două principii cele mai importante ale termodinamicii: imposibilitatea creării unei mașini cu mișcare perpetuă de primul fel (o consecință a primei legi a termodinamicii) și imposibilitatea creării unei mașini cu mișcare perpetuă. de al doilea fel, în care căldura ar fi complet convertită în muncă (o consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii).

O condiție indispensabilă pentru crearea oricărui motor termic este prezența unui mediu material - un fluid de lucru și cel puțin două surse de căldură - o sursă de temperatură ridicată (încălzitor), de la care primim căldură pentru a transforma o parte din acesta în lucru și o sursă de temperatură scăzută, căreia îi dăm o parte din căldura neutilizată din motor.

În consecință, orice motor termic trebuie să fie format dintr-un încălzitor, o mașină de expansiune, un frigider și un compresor. Mai mult decât atât, dacă dorim să transformăm în mod continuu căldura în lucru, atunci trebuie să comprimăm continuu, împreună cu expansiunea, fluidul de lucru și în astfel de condiții încât munca de comprimare să fie mai mică decât cea de dilatare, adică fluidul de lucru trebuie să efectuează un proces circular. Lucrul obținut într-un motor termic este definit ca diferența dintre munca de dilatare și compresie a fluidului de lucru și, pe de altă parte (conform legii conservării energiei), ca diferența dintre cantitățile absolute de căldură furnizate. și îndepărtat.

Principala caracteristică termodinamică a diferenței dintre motoarele cu combustie internă cu piston și turbină este particularitățile implementării proceselor circulare: în motoarele cu piston, procesele principale ale ciclului (compresie, alimentare cu căldură, expansiune) se înlocuiesc succesiv între ele în același spațiu închis. (sistem cilindru-piston), iar în motoarele cu turbină, aceleași procese sunt efectuate continuu în elemente independente ale motorului, situate secvenţial în fluxul general al fluidului de lucru (de exemplu, un compresor - cameră de ardere - turbină în cel mai simplu gaz). motor cu turbină).

O diagramă schematică a celei mai simple unități de turbină cu gaz este prezentată în Fig. 1.1.

Fig 1.1 Schema schematică a celei mai simple unități de turbină cu gaz.

1 – compresor axial; 2 – camera de ardere; 3 – turbină;

Principiul de funcționare al instalației este următorul.

Compresorul 1 aspiră aer din atmosferă, îl comprimă la o anumită presiune și îl alimentează în camera de ardere 2. Aici este alimentat continuu și combustibil lichid sau gazos. Gazele fierbinți formate în camera de ardere ca urmare a arderii combustibilului intră în turbina 3. În turbină, gazul se dilată și energia sa internă este transformată în lucru mecanic. Gazele de eșapament ies din turbină în atmosferă.

Să luăm în considerare ciclul unei astfel de turbine cu gaz în diagrama T-S (Fig. 1.2).

Aerul atmosferic ( P=P a, T=T a) curge prin dispozitivul de intrare la compresor (izoterma 0-1); presiunea și temperatura acestuia devin egale P 1Și T 1 .

Apoi, compresorul comprimă aerul la o presiune P2 temperatura acestuia se ridică la T 2(adiabatic 1-2). Se numește raportul dintre presiunea aerului la ieșirea compresorului și presiunea la intrarea acestuia raportul de compresie al compresorului(1.1).

Unde π la– gradul de creștere a presiunii în compresor; R 2– presiunea aerului în spatele compresorului; P 1– presiunea in fata compresorului.

În camera de ardere (izobară 2-3), temperatura fluidului de lucru crește la T 3 la presiune constantă ( P2 = P 3).

Apoi în turbină amestecul de aer și gaz se extinde (adiabat 3-4), presiunea acestuia scade până la P 4, iar temperatura este de până la T 4. Se numește raportul dintre presiunea gazului la intrarea în turbină și presiunea gazului la ieșirea acesteia raportul de expansiune al turbinei (1.2).

Unde π t– gradul de expansiune în turbină; R 3– presiunea aerului în fața turbinei; R 4– presiunea din spatele turbinei.

După dilatarea în turbină, gazele de evacuare sunt eliberate în atmosferă (izoterma 4-5).

Ciclul discutat mai sus este reversibil, deoarece nu ia în considerare pierderile în procesele de compresie, expansiune, alimentare cu căldură etc. În condiții reale, procesele din toate unitățile instalației diferă de cele reversibile, prin urmare, determinarea performanței instalațiilor cu turbine cu gaz pe baza ciclurilor de referință reversibile nu prezintă interes practic și poate fi justificată doar printr-o analiză comparativă a ciclurilor diferitelor instalatii. Prin urmare, în practică, aceștia funcționează cu parametri completi (parametrii debitului întârziat).

Temperatura maxima:

, (1.3)

Unde T*– temperatura totală; T– temperatura statică; Cu- viteza de curgere absoluta; cu p– capacitatea termică specifică la presiune constantă.

Presiune totală

Unde R*– presiunea totală; R- presiune statica; T*– temperatura totală; T – temperatura statică; k– indicele adiabatic.

Cu parametrii de frânare în debit, obținem o diagramă a unui ciclu real de turbină cu gaz (Fig. 1.3).

Similar cu (1.1) și (1.2) pentru un ciclu real:

Presiunile din alte noduri sunt calculate ca:

, (1.6)

Unde P* afară– presiunea la iesirea din unitate; P*in este presiunea la intrarea în nod, σ este coeficientul de pierdere pentru acest nod.

Valorile coeficienților de pierdere pentru diferite unități de turbină cu gaz sunt date în Tabelul 1.1.

Tabelul 1.1

Valorile coeficienților de pierdere pentru diferite unități de turbină cu gaz

Clasificarea GTU

Există următoarele clasificări ale unităților cu turbine cu gaz:

· După domeniul de aplicare:

Ö Motoare de aviație cu turbină cu gaz.

turboreactor;

turbopropulsor;

motoare cu turbină cu gaz cu 2 circuite;

turboventilator;

motoare cu turbină cu gaz pentru elicopter;

instalatii auxiliare.

Ö Unități staționare cu turbine cu gaz pentru producerea de energie electrică.

Ö Acționarea turbinelor cu gaz (pentru antrenarea supraalimentatoarelor cu gaz natural).

Ö Transport turbine cu gaz .

navă;

locomotivă;

auto;

rezervor.

Ö Turbine cu gaz spațiale (sursa de combustibil pentru ei sunt reactoarele nucleare).

Ö Unități tehnologice de turbine cu gaz (unități staționare cu turbine cu gaz incluse în ciclul procesului de producție, de exemplu, pentru a antrena suflante în furnalele și rafinăriile de petrol).

Ö Turbine cu gaz ca parte a instalațiilor combinate (unități abur-gaz, gaz-abur, gaz-diesel).

· După tipul de ciclu:

Ö Buclă deschisă (Fig. 1.1).

Ö Buclă închisă (Fig. 1.4).

Gazul evacuat în turbina 3 după regeneratorul 6 nu este îndepărtat în atmosferă, ca într-o turbină cu gaz deschisă, ci este trimis la răcitorul 5. Acolo este răcit la o temperatură. T 3, în timp ce presiunea acestuia scade la P2. Răcitorul este un schimbător de căldură de tip suprafață în care apa obișnuită servește ca mediu de răcire. Din punct de vedere al termodinamicii, răcitorul 5 acționează ca un radiator (sursă rece). Gazul răcit intră în compresorul 4, de unde este comprimat P2 inainte de P 1, datorită căruia temperatura îi crește de la T 3 inainte de T 4. După compresor, gazul este trimis la regeneratorul 6, în care este încălzit de gazele care părăsesc turbina 3. În turbinele cu gaz închise, în locul unei camere de ardere, este instalat un încălzitor 1, în care fluidul de lucru (gaz sau aer) este trecută în interiorul tuburilor. Din exterior, aceste tuburi sunt încălzite de căldura degajată în timpul arderii combustibilului în cuptor, care este similar ca principiu de funcționare cu cuptorul cazanelor cu abur. Prin urmare, încălzitorul cu turbină cu gaz este uneori numit „cazan de aer”. În încălzitorul 1, temperatura gazului de lucru crește brusc la T 1, apoi gazul intră în turbina 3, unde se dilată, făcând lucru. Temperatura scade la T 2. Turbina rotește compresorul 4 și dă surplusul de putere consumatorului 2. În continuare, gazele de evacuare, având o temperatură suficient de ridicată, sunt trimise la regenerator, unde renunță la o parte din căldură pentru a încălzi gazul care se deplasează din compresorul 4 la încălzitorul 1.

Apoi ciclul se repetă din nou.

Într-o unitate de turbină cu gaz închisă, circulă aceeași cantitate de masă de fluid de lucru, cu excepția scurgerilor nesemnificative de gaz din circuit prin diferite scurgeri, care este completată automat printr-un dispozitiv special (neprezentat în figură). Puterea instalației este reglată prin modificarea presiunii gazului din circuitul său prin modificarea debitului masic al gazului de lucru menținând practic neschimbat gradul de creștere a presiunii p, și T 1Și T 3(temperaturi maxime și minime ale ciclului) folosind un regulator centrifugal special (nu este prezentat în figură).

Turbinele cu gaz închise au următoarele avantaje față de cele deschise:

din cauza absenței substanțelor din gazul circulant care provoacă coroziunea și eroziunea aparatului cu palete, fiabilitatea și durabilitatea turbinei este semnificativ crescută;

turbinele cu gaz închise pot funcționa cu orice tip de combustibil, inclusiv combustibili solizi și lichizi grei (pacură);

turbinele cu gaz închise pot funcționa cu energie nucleară;

Prin creșterea presiunii inițiale a gazului în fața compresorului, este posibil să se mărească pe scară largă debitul său de greutate în unitatea cu turbină cu gaz, ceea ce face posibilă fie creșterea puterii unității a instalației de un număr corespunzător de ori, fie, cu o putere constantă, își reduce semnificativ greutatea prin reducerea suprafeței schimbătoarelor de căldură, dimensiunile unității turbinei cu gaz și diametrele conductelor;

în instalațiile închise cu turbine cu gaz, puterea este reglată prin modificarea presiunii gazului în circuit, astfel încât eficiența este instalațiile în diferite condiții de sarcină și pe o gamă largă de parametri de funcționare rămân neschimbate;

orice substanță gazoasă poate fi folosită ca fluid de lucru, fie având proprietăți termofizice mai bune, fie făcând ciclul de instalare mai perfect și mai favorabil din punct de vedere termodinamic, fie având alte avantaje.

Ö Ciclu semi-închis.

Cu acest ciclu, o parte din produsele de ardere sunt preluate în spatele turbinei și trimise în treapta intermediară a compresorului.

· După numărul de arbori:

Ö Turbine cu gaz cu un singur arbore (Figura 1.1).

Avantajele unităților cu un singur arbore sunt simplitatea structurală, numărul minim de turbomașini și rulmenți. Un alt avantaj important al acestor instalații cu turbine cu gaz este că în timpul ciclului de regenerare ele mențin o eficiență constantă a turbinei cu gaz atunci când sarcina este redusă la 70% și mai jos.

Astfel de turbine cu gaz au, de asemenea, dezavantaje nu mai puțin semnificative. Conexiunea rigidă dintre compresorul axial și compresorul condus limitează semnificativ capacitățile de control ale unității. Puterea în acest tip de instalație este reglată doar de modificările consumului de combustibil. Dacă sarcina scade, consumul de combustibil este redus, dar consumul de aer rămâne constant, deoarece compresorul, turbina cu gaz și sarcina sunt conectate rigid printr-un singur arbore. Reducerea consumului de combustibil duce astfel la o scădere a temperaturii din spatele camerei de ardere, ceea ce reduce eficiența. GTU.

Ö Turbine cu gaz cu doi arbori .

În astfel de instalații, o parte a generatorului de gaz (un compresor și o turbină care o antrenează) și o unitate de turbină de putere liberă sunt separate.

Orez. 1.8. Schema schematică a unei turbine cu gaz cu doi arbori.

1-compresor; 2-turbina de inalta presiune; 3-turbina de joasa presiune (putere); 4-încărcare (supercharger); 5-camera de ardere.

Într-o astfel de instalație, turbina este împărțită în 2 părți (Figura 1.8).

O parte, de obicei de înaltă presiune 2, antrenează compresorul 1 și poate funcționa la o viteză variabilă. A doua parte, turbina de putere 3, funcționează la o viteză strict constantă dacă este destinată antrenării unui generator electric și poate avea aproape orice viteză de rotație dacă este destinată antrenării unui compresor. Reglarea într-o unitate de turbină cu gaz de acest tip se realizează nu numai prin modificarea debitului de combustibil, ci și prin schimbarea debitului de aer furnizat de compresorul 1.

Această metodă face posibilă reducerea semnificativă mai puțin sau deloc a temperaturii fluidului de lucru din spatele camerei de ardere atunci când funcționează la sarcini parțiale și, prin urmare, menținerea eficienței. ciclu la un nivel superior.

Ö Turbine cu gaz cu trei arbori .

Orez. 1.9. Schema schematică a unei turbine cu gaz cu trei arbori.

1-compresor de joasa presiune; 2-compresor de inalta presiune; 3-camera de ardere; 4- turbina de inalta presiune; 5-turbina de joasa presiune;

6-turbină liberă; 7-compresor.

La rapoarte mari de compresie, există o diferență în debitele de aer la începutul și la sfârșitul traseului debitului compresorului, ceea ce poate duce la supratensiune. Pentru a elimina acest fenomen, compresorul este împărțit în 2 sau mai multe părți numite cascade. Fiecare cascadă are propria sa viteză de rotație, datorită căreia fluxul de aer prin ele este egalizat. Fiecare cascadă este condusă de o turbină separată.

În orice caz, fiecare arbore trebuie să aibă cel puțin două unități de rulment: unul – suport, al doilea – rulment axial. Lagărele de rulare și de alunecare sunt înlocuite.

· După complexitatea ciclului termodinamic:

Ö Cel mai simplu ciclu termodinamic.

Orez. 1.10. Diagrama T-S a celui mai simplu ciclu termodinamic.

Acest ciclu este utilizat în 90% din toate turbinele cu gaz utilizate în lume.

Ö Ciclu cu răcire în timpul compresiei.

Figura 1.11. Diagrama compresorului în două trepte

cu intercooler.

1 – compresor de joasă presiune; 2 – compresor de înaltă presiune;

3 – mai rece.

Munca petrecută la compresie, celelalte lucruri fiind egale, va fi cea mai mică dacă procesul se desfășoară izotermic, dar pentru aceasta este necesară îndepărtarea constantă a căldurii din fluidul de lucru, ceea ce este practic imposibil de realizat structural.

Pentru a aduce procesul mai aproape de izoterm și a reduce munca necesară, compresia în trepte este înlocuită cu răcirea cu aer după fiecare etapă în frigiderele intermediare.

În practică, acest principiu este implementat folosind un compresor de etapă și un frigider (Fig. 1.11). Evident, cu cât mai multe astfel de etape cu frigidere, cu atât procesul de compresie va deveni mai aproape de izotermă. Diagrama T-S a unui astfel de ciclu este prezentată în Fig. 1.12.

Ö Ciclu încălzit în timpul procesului de expansiune.

Creșterea eficienței, reducerea consumului specific de aer și gaz și, în consecință, creșterea puterii unității pot fi, de asemenea, realizate utilizând expansiunea treptată cu alimentare intermediară de căldură în camerele de ardere situate secvenţial de-a lungul fluxului de gaz dintre turbine. În acest caz, procesul de expansiune se apropie de izotermă, ceea ce duce la o creștere a muncii disponibile a turbinei. Diagrama unei unități de turbină cu gaz cu expansiune în două trepte și încălzire intermediară a gazului de lucru este prezentată în Fig. 1.13.

Figura 1.13. Schema schematică a unei turbine cu gaz cu încălzire intermediară pe gaz.

1 – camera de ardere; 2 – turbină de înaltă presiune; 3 – camera de ardere pentru incalzire intermediara pe gaz; 4 – turbină de putere.

Aerul din compresor, după ce a trecut prin regenerator, intră în CS 1, după care gazul de lucru la o temperatură T*3 este trimis la teatru 2. Aici are loc expansiunea parțială a gazului. După HPT, gazul de lucru este evacuat în KSPPG 3, în care, datorită arderii suplimentare a combustibilului, temperatura acestuia crește la T*31. Datorită coeficientului mare de exces de aer după motorul cu ardere de înaltă presiune, arderea combustibilului în motorul cu ardere de înaltă presiune are loc intens, fără alimentare suplimentară cu aer. Din CSPPG, gazul de lucru intră în ST 4, după care este evacuat în atmosferă.

Ciclul unei unități cu turbină cu gaz cu încălzire intermediară este prezentat în Fig. 1.14.

Sunt prezentate aici următoarele procese: 3-41 – extinderea gazului de lucru în teatru; 41-31 – alimentarea cu căldură a CVSG; 31-4 – extinderea gazului de lucru în ST.

Ö Centrale cu ciclu combinat (CCGT).

Dorința de a îmbunătăți performanța tehnică și economică a centralelor electrice prin combinarea rațională a caracteristicilor ciclurilor turbinelor cu abur și cu gaz a condus la crearea centralelor cu ciclu combinat pe gaz (CCGT). O diagramă de circuit simplificată a unității CCGT este prezentată în Fig. 1.15.

Orez. 1.15. Schema schematică a PTU:

1 – compresor; 2 – generator de abur; 3 – turbină cu gaz; 4 – turbină cu abur;

5 – sarcina; 6 – condensator; 7 – pompa; 8 – sistem schimbător de căldură

Instalarea funcționează după cum urmează.

Aerul atmosferic este eliminat în compresorul 1 și trimis la generatorul de abur (cazanul de abur) 2. Se alimentează imediat combustibilul. La ieșirea din generatorul de abur, temperatura produselor de ardere este redusă datorită transferului de căldură pentru a încălzi apa și a produce abur.

Aburul supraîncălzit rezultat cu presiune intră în turbina de abur 4, unde se extinde la un vid profund, funcționează și apoi condensează în condensatorul 6. Condensul (apa de alimentare) este furnizat de pompa 7 către sistemul schimbător de căldură 6, unde este încălzit. la temperatura de fierbere și apoi la generatorul de abur 2, astfel ciclul de abur este închis.

Partea de turbină cu gaz a instalației funcționează pe principiul unei unități deschise de turbină cu gaz. Produsele de ardere intră în turbina cu gaz 3 și se extind acolo. După ce au lucrat în turbină, acestea sunt trecute printr-un sistem de schimbătoare de căldură 8, unde sunt răcite cu apă de alimentare și apoi îndepărtate în atmosferă.

Ciclul unei instalații combinate de abur și gaz (Fig. 1.16) este construit pentru 1 kg de abur de apă și cantitatea corespunzătoare de gaz la 1 kg de apă.

În ciclul unei instalații de turbină cu gaz, se furnizează căldură egală cu aria a-5-1-g și se obține muncă utilă L CG, egal cu zona 1-2-3-4-5. În ciclul instalației de abur, atunci când este efectuată separat, cantitatea de căldură furnizată este egală cu suprafața din -8-9-10-11-6, iar munca utilă L a CPU este egală cu suprafața 6-7- 8-9-10-11. Căldura gazelor evacuate în turbină, egală cu aria a-4-2-g, este eliberată în atmosferă atunci când ambele cicluri sunt efectuate separat. În ciclul abur-gaz, căldura eliberată în timpul răcirii gazelor de-a lungul liniei 2-3 și egală cu aria b-Z-2-g nu este eliberată în atmosferă, ci este folosită pentru a încălzi apa de alimentare de-a lungul liniei 8-9 în sistem schimbător de căldură 8.

Căldura consumată la formarea aburului în cazan este redusă cu o cantitate egală cu zona umbrită în-8-9-d, iar eficiența ciclului combinat crește, deoarece munca utilă totală a ambelor cicluri L CG + L CPU este același atunci când sunt implementate în comun și separat.

PTU-urile au o eficiență destul de ridicată. aproximativ 42%. Acest lucru este explicat după cum urmează. Ciclul abur-gaz considerat, din punct de vedere al termodinamicii, este un ciclu binar format din etape de gaz și abur. Treapta de gaz folosește o temperatură mai mare a fluidului de lucru decât în ​​instalațiile moderne de gaz cu ciclu combinat, de exemplu. temperatura medie de alimentare cu căldură în ciclul abur-gaz este mai mare decât în ​​ciclul cu abur. În același timp, etapa de abur vă permite să profitați de ciclul de abur, în care nivelul temperaturii de îndepărtare a căldurii către radiatorul este apropiat de temperatura mediului ambiant, iar în ciclul turbinei cu gaz este mult mai ridicat chiar și după regenerator. Prin urmare, E.P.D. instalația cu ciclu combinat va fi mai mare decât eficiența. GTU și PTU separat.

Ö GTU cu camere de ardere cu piston.

Centralele electrice în care o turbină cu gaz funcționează împreună cu un generator de gaz cu piston liber (LPGG) devin din ce în ce mai răspândite. Aceste instalații îmbină cu succes calitățile pozitive ale turbinei (greutate și dimensiuni mai puține, capacitatea de a funcționa la viteze mari etc.) cu randamentul relativ ridicat al motorului cu ardere internă.

O diagramă schematică a unei unități de turbină cu gaz cu SLNG este prezentată în Fig. 1.17.

Rolul unui compresor și, în același timp, al unei camere de ardere este îndeplinit de un LPGG, care, conform principiului său de funcționare, seamănă cu un motor diesel de înaltă presiune în doi timpi cu pistoane care se mișcă opus. Pistoanele 10 ale compresoarelor, atunci când se deplasează unul spre celălalt, comprimă aerul și îl deplasează din cavitățile 2 prin supapele 4 în recipientul de purjare 11, de acolo, prin fereastra de purjare 6, aerul intră în cilindrul „diesel”. 9, mai întâi pentru a-l curăța, apoi pentru a-l umple cu încărcătură proaspătă. Când pistoanele 5 se apropie și iau aproape poziția extremă unul față de celălalt, combustibilul este injectat în cilindrul 9 prin injectorul 7. La fel ca la diesel

Orez. 1.17. GTU cu o cameră de ardere cu piston:

1-cavitate tampon; 2-cavități compresoare; 3-supape de admisie; 4 supape bypass; 5-piston; 6-suflare geamuri; 7-duze; 8-geamuri prize; 9 cilindri („diesel”); compresoare cu 10 pistoane; 11-receptor de purjare; 12-receptor de egalizare; 13-turbina; 14-sarcina.

se autoaprinde sub compresie. Datorită expansiunii gazelor în cilindrul 9 în timpul arderii combustibilului, pistoanele 5 încep să diverge în direcții opuse. În acest caz, pistoanele 10, legate rigid la pistoanele 5, comprimă aerul din cavitățile tampon 1. În același timp, prin supapele 3, aerul atmosferic este aspirat în cavitățile compresorului 2. În continuare, de îndată ce pistonul 5 deschide ferestrele de evacuare 8, gazele din cilindrul de motorină sunt eliberate în receptorul de egalizare 12, iar din acesta amestecul de gaze cu aer de purjare este trimis la turbina 13. Puterea dezvoltată de turbină este aproape în întregime dată consumatorul 14. Pentru a deplasa din nou pistoanele unul spre celălalt se folosește energia aerului comprimat situat în cavitățile tampon 1 Apoi ciclul se repetă.

Eficienţă GTU cu GNL este de 30...35%, iar uneori mai mult de 40%. Eficiența lor ridicată se explică prin diferența mare de temperatură cu care se realizează procesul de lucru. Temperatura cea mai ridicată este temperatura de ardere a combustibilului într-un cilindru „diesel” (aproximativ 1800°C), iar cea mai scăzută este temperatura gazelor eliberate din turbină (200...300°C).

Turbinele cu gaz cu SGNG sunt folosite pe unele nave, locomotive și instalații staționare în diferite scopuri.

Principalul dezavantaj al turbinelor cu gaz cu SLNG este complexitatea și imperfecțiunea SLNG în sine. Acest lucru reduce semnificativ fiabilitatea și durabilitatea funcționării lor și, în cele din urmă, limitează ritmul și amploarea implementării lor.

Informații conexe.