Особенности конструкций газовых турбин. Устройство и принцип действия газовой турбины Паровая и газовая турбины определение

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

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

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

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

Типы газовых турбин

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

Промышленные газовые турбины для производства электричества

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

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

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

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

Микротурбины

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

Преимущества и недостатки газотурбинных двигателей

Преимущества газотурбинных двигателей

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

Недостатки газотурбинных двигателей

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

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

Примечания

Литература

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

См. также

Ссылки

• Газовая турбина - статья из Большой советской энциклопедии

То и дело в новостях говорят, что, к примеру, на такой то ГРЭС полным ходом идет строительство ПГУ -400 МВт, а на другой ТЭЦ-2 включена в работу установка ГТУ-столько то МВт. О таких событиях пишут, их освещают, поскольку включение таких мощных и эффективных агрегатов — это не только «галочка» в выполнении государственной программы, но и реальное повышение эффективности работы электростанций, областной энергосистемы и даже объединенной энергосистемы.

Но довести до сведения хочется не о выполнении госпрограмм или прогнозных показателей, а именно о ПГУ и ГТУ. В этих двух терминах может запутаться не только обыватель, но и начинающий энергетик.

Начнем с того, что проще.

ГТУ — газотурбинная установка — это газовая турбина и электрический генератор, объединенные в одном корпусе. Ее выгодно устанавливать на ТЭЦ. Это эффективно, и многие реконструкции ТЭЦ направлены на установку именно таких турбин.

Вот упрощенный цикл работы тепловой станции:

Газ (топливо) поступает в котел, где сгорает и передает тепло воде, которая выходит из котла в виде пара и крутит паровую турбину. А паровая турбина крутит генератор. Из генератора мы получаем электроэнергию, а пар для промышленных нужд (отопление, подогрев) забираем из турбины при необходимости.

А в газотурбиной установке газ сгорает и крутит газовую турбину, которая вырабатывают электроэнергию, а выходящие газы превращают воду в пар в котле-утилизаторе, т.е. газ работает с двойной пользой: сначала сгорает и крутит турбину, затем нагревает воду в котле.

А если саму газотурбинную установку показать еще более развернуто, то будет выглядеть так:

На этом видео наглядно показано какие процессы происходят в газотурбинной установке.

Но еще больше пользы будет в том случае, если и полученный пар заставить работать — пустить его в паровую турбину, чтобы работал еще один генератор! Вот тогда наша ГТУ станет ПАРО-ГАЗОВОЙ УСАНОВКОЙ (ПГУ).

В итоге ПГУ — это более широкое понятие. Эта установка – самостоятельный энергоблок, где топливо используется один раз, а электроэнергия вырабатывается дважды: в газотурбинной установке и в паровой турбине. Этот цикл очень эффективный, и имеет КПД порядка 57 %! Это очень хороший результат, который позволяет значительно снизить расход топлива на получение киловатт-часа электроэнергии!

В Беларуси для повышения эффективности работы электростанций применяют ГТУ как «надстройку» к существующей схеме ТЭЦ, а ПГУ возводят на ГРЭСах, как самостоятельные энергоблоки. Работая на электростанциях, эти газовые турбины не только повышают «прогнозные технико-экономические показатели», но и улучшают управление генерацией, так как имеют высокую маневренность: быстроту пуска и набора мощности.

Вот какие полезные эти газовые турбины!

Рис. 6. Регенеративный цикл, одновальная

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

4 - турбина; 5 - нагнетатель (нагрузка)

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

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

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

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

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

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

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

Наиболее широкое применение в турбореактивных двига­телях получили одноступенчатые и двухступенчатые осевые реактивные газовые турбины.

Одноступенчатой турбиной называется такая, которая имеет сопловой аппарат и один ряд рабочих паток. Термин “осевая” показывает, что поток газов подводится к лопаткам турбины параллельно оси вращения колеса.

Реактивная газовая турби­на - это такая турбина, в кото­рой расширение газов происхо­дит не только в сопловом аппа­рате, но продолжается и в кана­лах рабочего колеса турбины, и которой расширение газов полностью заканчивается в сопловом аппарате, называется активной газовой турбиной. В активной турбине давление газов до и после колеса турбины одинаковы.

Рабочим телом в газовой турбине являются газы, образующиеся от сгорания керосина или какого-либо другого топлива в потоке сжатого воздуха.

Познакомимся с конструкцией одноступенчатой осевой газовой турбины. Схема турбины приведена па рис. 26. Тур­бина состоит изсоплового аппарата, диска турбины с рабо­чими лопатками и вала с подшипниками.

Рис. 26. Схема осевой газовой турбины. Рис. 27. Детали соплового аппарата.

Сопловой аппарат (рис. 27) имеет внешний и внутренний венцы, между которыми свободно вставлены лопатки соплового аппарата. Такая посадка лопаток обеспечивает свободное удлинение их при нагревании (лопатки находятся в потоке газов, имеющих температуру 850 - 900° С, и при работе нагреваются до светло-красного цвета). Чтобы лопатки со­плового аппарата могли длительное время работать при вы­сокой температуре, они отлиты из жаростойкого сплава.

Диск турбины (рис. 28) для прочности изготавливается сплошным, без отверстия в центре; он утолщается к центру и к ободу, где крепятся лопатки.

Рис. 28. Ротор турбины.

Рабочие лопатки изготавливаются из жаропрочного сплава, крепятся к ободу “елочным” замком, который обес­печивает свободную посадку лопатки - лопатка может ка­чаться {рис. 29). Замок называется елочным потому, что вид его имеет форму елки.

Рис. 29. Замок лопатки турбины.

К фланцу диска крепится вал турбины, передающий кру­тящий момент компрессору и агрегатам двигателя.

Для уменьшения утечки горячих газов по ободу диска проточены канавки лабиринтного уплотнения.

Диск турбины с лопатками и валом называют ротором. Лопатки соплового аппарата и диска имеют в сечении вид изогнутых аэродинамических профилей (крылышек).

Во время работы турбореактивного двигателя к турбине подходят горячие газы из камер сгорания; газы имеют давле­ние порядка 4 - 7 кг/см 2 , температуру 850 - 900° С и скорость 170 - 180 м/сек.

Рассмотрим, как изменяются давление, температура и скорость газов при протекании их по каналам турбины и как энергия газов преобразуется в механическую работу. Характерные сечения газового потока, движущегося по каналам турбины, приведены на рис. 26:

3-3 - на входе газов в тур­бину;

а -а - на выходе газов из соплового аппарата;

4-4 - на выходе газов из ко­леса турбины.

Как было указано выше, к ло­паткам соплового аппарата подхо­дят горячие газы со скоростью по­рядка 170 - 180 м/сек. В сопловом аппарате на участке 3 - а газы, двигаясь в сужающемся канале, увеличивают свою скорость движе­ния (за счет паления давления и температуры) до с а =580 - 600 м/сек. Одновременно с расши­рением поток газа поворачивается сопловым аппаратом и направ­ляется на лопатки колеса под углом а =20 - 28° {рис. 30). Лопатки колеса движутся с окружной скоростью и. Вычтем из абсолютной скорости газа с а окружную скорость вращения колеса и, получим относительную скорость газа w а , с которой газ входит в каналы рабочего колеса. В канале между лопатками колеса газ продолжает расширяться - его давление падает, температура уменьшается. Работа расши­рения расходуется на ускорение струйки газа, движущейся в канале.

Абсолютная скорость газа на выходе из колеса с 4 опреде­лится как сумма окружной скорости колеса и и относитель­ной скорости выхода газа из колеса w а. Для турбин турбо­реактивных двигателей с 4 = 350 - 400 м/сек и направлена по оси двигателя. Скорость выхода газов из колеса турбины меньше скорости входа газа в колесо на 150 - 200 м/сек.

Профили лопаток колеса подобраны так, что между ними образуются изогнутые сужающиеся каналы. При протекании газовой струйки по каналу происходит поворот ее, благодаря чему у частиц газа появляются центробежные силы, которые давят на вогнутую поверхность лопатки – “корытце”.

На вогнутой поверхности лопаток создается повышенноt давление, а на выпуклой стороне лопаток (па спинке) обра­зуется пониженное давление (разрежение).

Результирующая сила направлена под некоторым углом к плоскости вращения колеса (см. рис. 30). Эту силу можно разложить на две составляющие. Одна сила направлена по оси колеса - это осевое усилие, оно нагружает упорный под­шипник. Другая сила действует в плоскости вращения колеса; эта сила называется окружным усилием.

В реактивной турбине при движении струйки газа в су­жающемся канале между лопатками колеса происходит ускорение этой струйки газа.

Относительная скорость струйки на выходе из колеса w 4 больше относительной скорости струйки на входе в колесо w а, что хорошо видно на рис. 30.

За счет ускорения струйки газа возникает сила реакции, которая гоже дает окружное усилие.

Таким образом, в реактивной газовой турбине окружное усилие получается в результате поворота струйки газов в ло­паточном канале и ускорения этой же струйки газа в этом же канале.

Рис. 30. Возникновение окружного усилия от поворота струйки газа в канале между лопатками колеса

Если сложить все окружные усилия, получающиеся на каждой лопатке колеса, то получим общее, суммарное окружное усилие, которое вращает диск турбины.

Подсчитаем мощность турбины на основе учета работы расширения газов в турбине.

Работу расширения 1 кг газа, протекающего через тур­бину, определим по уравнению энергии потока газов:

где G ce к - секундный расход газов через турбину; L расш - действительная работа расширения 1 кг газов.

Принимая С гек - 60 кг/сек и L расш = 20900 кгм/кг, получим N ТУРБ = 13900 л.с.

Мощность, развиваемая турбиной, должна быть на 1,5 - 2% больше мощности, потребляемой компрессором. Этот избыток мощности расходуется на привод вспомогательных агрегатов (насосов, генераторов, автоматов) и на преодоле­ние сил трения в подшипниках и передачах.

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.