Principiul de funcționare a instalațiilor cu turbine cu gaz

Fig.1. Schema unei unități de turbină cu gaz cu un motor cu turbină cu gaz cu un singur arbore de ciclu simplu

Aerul curat este furnizat compresorului (1) al unității de alimentare cu turbine cu gaz. La presiune ridicată, aerul din compresor este trimis în camera de ardere (2), unde este alimentat și combustibilul principal, gazul. Amestecul se aprinde. Când un amestec gaz-aer este ars, energia este generată sub forma unui flux de gaze fierbinți. Acest flux se repezi cu viteză mare către roata turbinei (3) și o rotește. Energia cinetică de rotație prin arborele turbinei antrenează compresorul și generatorul electric (4). De la bornele generatorului de energie electrica generata, de obicei printr-un transformator, este trimisa catre reteaua electrica, catre consumatorii de energie.

Turbinele cu gaz sunt descrise de ciclul termodinamic Brayton Ciclul Brayton/Joule este un ciclu termodinamic care descrie procesele de lucru ale motoarelor cu combustie internă cu turbine cu gaz, turboreactor și ramjet, precum și motoare cu ardere externă cu turbine cu gaz cu o buclă închisă a unui gaz. fluid de lucru (monofazat).

Ciclul este numit după inginerul american George Brighton, care a inventat motorul cu combustie internă alternativă care funcționa pe acest ciclu.

Uneori, acest ciclu este numit și ciclu Joule - în onoarea fizicianului englez James Joule, care a stabilit echivalentul mecanic al căldurii.

Fig.2. Diagrama P,V Ciclul Brighton

Ciclul ideal Brayton constă din procesele:

• 1-2 Compresie izoentropică.
• 2-3 Aport de căldură izobar.
• 3-4 Expansiune izoentropică.
• 4-1 Eliminarea căldurii izobară.

Luând în considerare diferențele dintre procesele adiabatice reale de expansiune și contracție față de cele isentropice, se construiește un ciclu Brayton real (1-2p-3-4p-1 pe diagrama T-S) (Fig. 3)

Fig.3. Diagrama ciclului T-S Brayton
Ideal (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Eficiența termică a unui ciclu Brayton ideal este de obicei exprimată prin formula:

• unde P = p2 / p1 - gradul de creștere a presiunii în procesul de compresie izoentropică (1-2);
• k - indice adiabatic (pentru aer egal cu 1,4)

Trebuie remarcat în special că acest mod general acceptat de calculare a eficienței ciclului ascunde esența procesului în desfășurare. Eficiența limitativă a ciclului termodinamic este calculată prin raportul de temperatură folosind formula Carnot:

• unde T1 este temperatura frigiderului;
• T2 - temperatura încălzitorului.

Exact același raport de temperatură poate fi exprimat în termeni de raporturi de presiune utilizate în ciclu și indicele adiabatic:

Astfel, eficiența ciclului Brayton depinde de temperaturile inițiale și finale ale ciclului exact în același mod ca eficiența ciclului Carnot. Cu o încălzire infinitezimală a fluidului de lucru de-a lungul liniei (2-3), procesul poate fi considerat izoterm și complet echivalent cu ciclul Carnot. Cantitatea de încălzire a fluidului de lucru T3 în procesul izobaric determină cantitatea de lucru legată de cantitatea de fluid de lucru utilizată în ciclu, dar nu afectează în niciun fel eficiența termică a ciclului. Cu toate acestea, în implementarea practică a ciclului, încălzirea se realizează de obicei la cele mai mari valori posibile limitate de rezistența la căldură a materialelor utilizate pentru a minimiza dimensiunea mecanismelor care comprimă și extind fluidul de lucru.

În practică, frecarea și turbulența provoacă:

• Compresie non-adiabatică: pentru un raport de presiune total dat, temperatura de descărcare a compresorului este mai mare decât cea ideală.
• Expansiune non-adiabatică: deși temperatura turbinei scade la nivelul necesar funcționării, compresorul nu este afectat, raportul de presiune este mai mare, ca urmare, dilatarea nu este suficientă pentru a oferi o muncă utilă.
• Pierderi de presiune în admisia aerului, camera de ardere și evacuarea: ca urmare, dilatarea nu este suficientă pentru a asigura o muncă utilă.

Ca și în cazul tuturor motoarelor termice ciclice, cu cât temperatura de ardere este mai mare, cu atât eficiența este mai mare. Factorul limitativ este capacitatea oțelului, nichelului, ceramicii sau a altor materiale care alcătuiesc motorul de a rezista la căldură și presiune. O mare parte a lucrărilor de inginerie se concentrează pe îndepărtarea căldurii din părți ale turbinei. Majoritatea turbinelor încearcă, de asemenea, să recupereze căldura din gazele de eșapament care altfel ar fi risipite.

Recuperatoarele sunt schimbătoare de căldură care transferă căldura de la gazele de evacuare la aer comprimat înainte de ardere. Într-un ciclu combinat, căldura este transferată către sistemele turbinelor cu abur. Iar în combinarea căldurii și energiei (CHP), căldura reziduală este folosită pentru a produce apă caldă.

Din punct de vedere mecanic, turbinele cu gaz pot fi considerabil mai simple decât motoarele cu combustie internă alternativă. Turbinele simple pot avea o singură parte mobilă: ansamblu arbore/compresor/turbină/rotor alternativ (vezi imaginea de mai jos), fără a include sistemul de alimentare.

Fig.4. Această mașină are un compresor radial cu o singură treaptă,
turbină, recuperator și rulmenți de aer.

Turbinele mai complexe (cele utilizate în motoarele cu reacție moderne) pot avea mai mulți arbori (bobine), sute de pale de turbină, pale de stator în mișcare și un sistem extins de conducte complexe, camere de ardere și schimbătoare de căldură.

Ca regulă generală, cu cât motorul este mai mic, cu atât este mai mare viteza arborelui (arborilor) necesară pentru a menține viteza liniară maximă a palelor.

Viteza maximă a palelor turbinei determină presiunea maximă care poate fi atinsă, rezultând putere maximă, indiferent de dimensiunea motorului. Motorul cu reacție se rotește la aproximativ 10.000 rpm și micro-turbina la aproximativ 100.000 rpm.

O turbină cu gaz este un motor în care, în procesul de funcționare continuă, organul principal al dispozitivului (rotorul) transformă (în alte cazuri, abur sau apă) în lucru mecanic. În acest caz, jetul de substanță de lucru acționează asupra palelor fixate în jurul circumferinței rotorului, punându-le în mișcare. Pe direcția fluxului de gaz, turbinele sunt împărțite în axiale (gazul se mișcă paralel cu axa turbinei) sau radiale (mișcare perpendiculară față de aceeași axă). Există atât mecanisme cu o singură etapă, cât și cu mai multe etape.

O turbină cu gaz poate acționa asupra palelor în două moduri. În primul rând, este un proces activ, când gazul este furnizat în zona de lucru la viteze mari. În acest caz, fluxul de gaz tinde să se miște în linie dreaptă, iar partea curbată a lamei care îi stă în cale îl deviază, rotindu-se singură. În al doilea rând, este un proces de tip reactiv, când debitul de alimentare cu gaz este scăzut, dar se folosesc presiuni mari. tipul în forma sa pură nu se găsește aproape niciodată, deoarece în turbinele lor este prezent care acționează asupra palelor împreună cu forța de reacție.

Unde se folosește turbina cu gaz astăzi? Principiul de funcționare al dispozitivului permite să fie utilizat pentru acționarea generatoarelor de curent electric, compresoarelor etc. Turbinele de acest tip sunt utilizate pe scară largă în transport (instalații de turbine cu gaz de nave). În comparație cu omologii cu abur, au o greutate și dimensiuni relativ mici, nu necesită amenajarea unei camere de cazane, a unei unități de condensare.

Turbina cu gaz este gata de funcționare destul de repede după pornire, dezvoltă puterea maximă în aproximativ 10 minute, este ușor de întreținut, necesită o cantitate mică de apă pentru răcire. Spre deosebire de motoarele cu ardere internă, acesta nu are efecte inerțiale de la mecanismul manivelei. de o ori și jumătate mai scurt decât motoarele diesel și de peste două ori mai ușor. Dispozitivele au capacitatea de a funcționa cu combustibil de calitate scăzută. Calitățile de mai sus fac posibilă luarea în considerare a motoarelor de acest tip de interes special pentru nave și hidrofoile.

Turbina cu gaz ca componentă principală a motorului are o serie de dezavantaje semnificative. Printre acestea, ei remarcă zgomot ridicat, mai puțin decât motoarele diesel, eficiență, durată scurtă de viață la temperaturi ridicate (dacă mediul de gaz utilizat are o temperatură de aproximativ 1100 ° C, atunci turbina poate fi folosită în medie până la 750 de ore).

Eficiența unei turbine cu gaz depinde de sistemul în care este utilizată. De exemplu, dispozitivele utilizate în industria energetică cu o temperatură inițială a gazelor peste 1300 de grade Celsius, din aerul din compresor nu mai mult de 23 și nu mai puțin de 17, au un coeficient de aproximativ 38,5% în timpul operațiunilor autonome. Astfel de turbine nu sunt foarte răspândite și sunt utilizate în principal pentru acoperirea vârfurilor de sarcină în sistemele electrice. Astăzi, la o serie de centrale termice din Rusia funcționează aproximativ 15 turbine cu gaz cu o capacitate de până la 30 MW. La instalațiile cu mai multe etape, se obține un indice de eficiență mult mai mare (aproximativ 0,93) datorită eficienței ridicate a elementelor structurale.

O instalație tradițională de turbină cu gaz (GTP) modernă este o combinație între un compresor de aer, o cameră de ardere și o turbină cu gaz, precum și sisteme auxiliare care asigură funcționarea acesteia. Combinația dintre o turbină cu gaz și un generator electric se numește unitate de turbină cu gaz.

Este necesar să subliniem o diferență importantă între GTU și PTU. Compoziția PTU-ului nu include un cazan, mai exact, cazanul este considerat ca o sursă separată de căldură; Cu această considerație, cazanul este o „cutie neagră”: apa de alimentare intră în el cu o temperatură de $t_(p.w)$, iar aburul iese cu parametrii $p_0$, $t_0$. O instalație de turbină cu abur nu poate funcționa fără un cazan ca obiect fizic. Într-o turbină cu gaz, camera de ardere este elementul integral al acesteia. În acest sens, GTU este autosuficient.

Instalațiile cu turbine cu gaz sunt extrem de diverse, poate chiar mai mult decât turbinele cu abur. Mai jos vom lua în considerare cele mai promițătoare și mai utilizate turbine cu gaz dintr-un ciclu simplu în industria energetică.

schema circuitului o astfel de turbină cu gaz este prezentată în figură. Aerul din atmosferă intră în admisia unui compresor de aer, care este o turbomașină rotativă cu o cale de curgere constând din grătare rotative și fixe. Raportul presiunii compresorului p b la presiunea din fata lui p a se numește raportul de compresie al unui compresor de aer și este de obicei notat ca p la (p la = pb/p a). Rotorul compresorului este antrenat de o turbină cu gaz. Fluxul de aer comprimat este alimentat într-una, două sau mai multe camere de ardere. În acest caz, în cele mai multe cazuri, debitul de aer care vine de la compresor este împărțit în două fluxuri. Primul debit este trimis către arzătoare, unde este alimentat și combustibil (gaz sau combustibil lichid). Când combustibilul este ars, se formează produse de ardere la temperatură înaltă. Aerul relativ rece al celui de-al doilea flux este amestecat cu acestea pentru a obține gaze (de obicei se numesc gaze de lucru) cu o temperatură acceptabilă pentru părțile unei turbine cu gaz.

Gaze de lucru cu presiune r s (r s < p b datorită rezistenței hidraulice a camerei de ardere) sunt introduse în calea de curgere a turbinei cu gaz, al cărei principiu de funcționare nu este diferit de principiul de funcționare turbină cu abur(singura diferență este că turbina cu gaz funcționează pe produsele arderii combustibilului, și nu pe abur). Într-o turbină cu gaz, gazele de lucru se extind până la presiunea aproape atmosferică. p d, introduceți difuzorul de ieșire 14 și din acesta - fie imediat în coș, fie anterior în orice schimbător de căldură care utilizează căldura gazelor de evacuare ale turbinei cu gaz.

Datorită expansiunii gazelor în turbina cu gaz, aceasta din urmă generează energie. O parte foarte semnificativă din ea (aproximativ jumătate) este cheltuită pentru acționarea compresorului, iar restul - pentru acționarea generatorului electric. Aceasta este puterea netă a turbinei cu gaz, care este indicată atunci când este marcată.

Pentru a reprezenta diagramele turbinelor cu gaz, sunt folosite simboluri similare cu cele utilizate pentru PTU.

Nu poate exista o turbină cu gaz mai simplă, deoarece conține un minim de componente necesare care asigură procese secvențiale de compresie, încălzire și dilatare a fluidului de lucru: un compresor, una sau mai multe camere de ardere care funcționează în aceleasi conditii, și o turbină cu gaz. Alături de turbinele cu gaz cu ciclu simplu, există turbine cu gaz cu ciclu complex care pot conține mai multe compresoare, turbine și camere de ardere. În special, GT-100-750, construit în URSS în anii 70, aparțin acestui tip de turbină cu gaz.

Se face dublu. Compresor de înaltă presiune pe un arbore KVDși turbina de înaltă presiune care o conduce TVD; acest arbore are o viteză variabilă. Turbina de joasă presiune este situată pe al doilea arbore TND, antrenând compresorul de joasă presiune KND si generator electric DE EXEMPLU; prin urmare, acest arbore are o viteză de rotație constantă de 50 s -1. Aerul în cantitate de 447 kg/s intră din atmosferă în KNDși este comprimat în el la o presiune de aproximativ 430 kPa (4,3 atm) și apoi introdus în răcitorul de aer ÎN, unde se răcește cu apă de la 176 la 35 °C. Acest lucru reduce munca necesară comprimarii aerului din compresorul de înaltă presiune. KVD(raportul de compresie p k = 6,3). De acolo, aerul intră în camera de ardere de înaltă presiune. KSVD iar produsele de ardere cu o temperatură de 750 ° C sunt trimise către TVD. Din TVD gazele care conțin o cantitate semnificativă de oxigen intră în camera de ardere de joasă presiune KSND, în care se arde combustibil suplimentar, iar din acesta - în TND. Gazele de evacuare cu o temperatură de 390 ° C ajung fie în coș, fie într-un schimbător de căldură pentru a utiliza căldura gazelor de eșapament.

GTU nu este foarte economic din cauza temperaturii ridicate a gazelor de ardere. Complicația circuitului face posibilă creșterea eficienței acestuia, dar în același timp necesită o creștere a investițiilor de capital și complică funcționarea.

Figura prezintă GTU V94.3 de la Siemens. Aerul atmosferic de la dispozitivul complex de curățare a aerului (KVOU) intră în mină 4 , și de la ea - la partea de flux 16 compresor de aer. Aerul este comprimat în compresor. Raportul de compresie în compresoarele tipice este p k = 13-17 și astfel presiunea în tractul turbinei cu gaz nu depășește 1,3-1,7 MPa (13-17 atm). Aceasta este o altă diferență majoră între o turbină cu gaz și o turbină cu abur, în care presiunea aburului este de 10-15 ori mai mare decât presiunea gazului din turbina cu gaz. Presiune mică mediu de lucru determina grosimea mica a peretilor cladirilor si usurinta incalzirii acestora. Acesta este ceea ce face ca turbina cu gaz să fie foarte manevrabilă, adică. capabil de porniri și opriri rapide. Dacă este nevoie de 1 oră până la câteva ore pentru a porni o turbină cu abur, în funcție de starea sa de temperatură inițială, atunci turbina cu gaz poate fi pusă în funcțiune în 10-15 minute.

Când este comprimat într-un compresor, aerul se încălzește. Această încălzire poate fi estimată printr-o relație aproximativă simplă:

$$T_a/T_b = \pi_k^(0,25)$$

în care T bși T a- temperaturi absolute ale aerului în spatele și înaintea compresorului. Dacă, de exemplu, T a= 300 K, adică temperatura ambiantă este de 27 ° C și p k \u003d 16, atunci T b= 600 K și, în consecință, aerul este încălzit de

$$\Delta t = (600-273)-(300-273) = 300°C.$$

Astfel, temperatura aerului din spatele compresorului este de 300-350 °C. Aerul dintre pereții tubului de flacără și corpul camerei de ardere se deplasează către arzător, la care este alimentat gazul combustibil. Deoarece combustibilul trebuie să intre în camera de ardere, unde presiunea este de 1,3-1,7 MPa, presiunea gazului trebuie să fie ridicată. Pentru a putea controla debitul în camera de ardere, presiunea gazului este de aproximativ de două ori mai mare decât presiunea din cameră. Dacă există o astfel de presiune în conducta de alimentare cu gaz, atunci gazul este furnizat în camera de ardere direct din punctul de distribuție a gazului (GDP). Dacă presiunea gazului este insuficientă, atunci este instalat un compresor de gaz de rapel între fracturarea hidraulică și cameră.

Consumul de gaz combustibil este de doar aproximativ 1-1,5% din debitul de aer din compresor, astfel încât crearea unui compresor de gaz de rapel extrem de economic prezintă anumite dificultăți tehnice.

În interiorul tubului de flacără 10 se formează produse de ardere la temperatură înaltă. După amestecarea aerului secundar la ieșirea din camera de ardere, acesta scade oarecum, dar ajunge totuși la 1350-1400 °C în turbinele cu gaz moderne tipice.

Gazele fierbinți din camera de ardere intră pe calea curgerii 7 turbina de gaz. În ea, gazele se extind până la presiunea aproape atmosferică, deoarece spațiul din spatele turbinei cu gaz comunică fie cu un coș de fum, fie cu un schimbător de căldură, a cărui rezistență hidraulică este mică.

Când gazele se extind într-o turbină cu gaz, puterea este generată pe arborele acesteia. Această putere este utilizată parțial pentru a antrena compresorul de aer, iar excesul său este folosit pentru a antrena rotorul 1 generator. Unul dintre trasaturi caracteristice GTP este că compresorul necesită aproximativ jumătate din puterea dezvoltată de turbina cu gaz. De exemplu, într-o unitate de turbină cu gaz cu o capacitate de 180 MW (aceasta este puterea netă) creată în Rusia, capacitatea compresorului este de 196 MW. Aceasta este una dintre diferențele fundamentale dintre o turbină cu gaz și o turbină cu abur: în cea din urmă, puterea utilizată pentru a comprima apa de alimentare chiar și până la o presiune de 23,5 MPa (240 atm) este doar câteva procente din puterea turbinei cu abur. . Acest lucru se datorează faptului că apa este un lichid slab compresibil, iar aerul necesită multă energie pentru a se comprima.

În prima aproximare, destul de aproximativă, temperatura gazului din spatele turbinei poate fi estimată dintr-o relație simplă similară cu:

$$T_c/T_d = \pi_k^(0,25).$$

Prin urmare, dacă $\pi_k = 16$, iar temperatura din fața turbinei T s\u003d 1400 ° С \u003d 1673 K, atunci temperatura din spatele acesteia este de aproximativ, K:

$$T_d=T_c/\pi_k^(0,25) = 1673/16^(0,25) = 836.$$

Astfel, temperatura gazului din spatele turbinei cu gaz este destul de ridicată, iar o cantitate semnificativă de căldură obținută din arderea combustibilului intră literalmente în coș. Prin urmare, în timpul funcționării autonome a unei turbine cu gaz, eficiența acesteia este scăzută: pentru turbinele cu gaz tipice, este de 35-36%, adică. semnificativ mai mică decât eficiența școlilor profesionale. Problema, însă, se schimbă drastic atunci când pe „coada” turbinei cu gaz este instalat un schimbător de căldură (un încălzitor de rețea sau un cazan de căldură reziduală pentru un ciclu combinat).

Un difuzor este instalat în spatele turbinei cu gaz - un canal cu expansiune lină, în timpul fluxului în care presiunea de viteză a gazelor este parțial convertită în presiune. Acest lucru face posibilă existența unei presiuni în spatele turbinei cu gaz mai mică decât presiunea atmosferică, ceea ce crește eficiența a 1 kg de gaze în turbină și, în consecință, crește puterea acesteia.

Dispozitiv compresor de aer. După cum sa menționat deja, un compresor de aer este o turbomașină, la arborele căreia este furnizată energie de la o turbină cu gaz; această putere este transferată aerului care curge prin calea de curgere a compresorului, drept urmare presiunea aerului crește până la presiunea din camera de ardere.

Figura prezintă un rotor de turbină cu gaz plasat în rulmenți axiali; în prim plan, rotorul compresorului și elementele statorului sunt clar vizibile.

Din a mea 4 aerul pătrunde în canalele formate de paletele rotative 2 paletă de ghidare de admisie nerotativă (VNA). Sarcina principală a VNA este de a informa fluxul care se mișcă în direcția axială (sau radial-axială) a mișcării de rotație. Canalele VNA nu diferă fundamental de canalele duzei unei turbine cu abur: sunt confuze (se conicesc), iar fluxul din ele accelerează, dobândind simultan o componentă de viteză circumferențială.

În turbinele cu gaz moderne, paleta de ghidare a admisiei este făcută rotativă. Necesitatea unui VNA rotativ este cauzată de dorința de a preveni o scădere a eficienței atunci când sarcina GTU este redusă. Ideea este că arborii compresorului și ai generatorului electric au aceeași viteză de rotație, egală cu frecvența rețelei. Prin urmare, dacă nu se utilizează VNA, atunci cantitatea de aer furnizată de compresor în camera de ardere este constantă și nu depinde de sarcina turbinei. Și puteți schimba puterea turbinei cu gaz doar schimbând debitul de combustibil în camera de ardere. Prin urmare, cu o scădere a consumului de combustibil și o cantitate constantă de aer furnizată de compresor, temperatura gazelor de lucru scade atât înainte, cât și după turbina cu gaz. Acest lucru duce la o reducere foarte semnificativă a eficienței turbinei cu gaz. Rotirea lamelor cu scăderea sarcinii în jurul axei 1 cu 25 - 30° permite îngustarea secțiunilor de curgere ale canalelor VNA și reducerea fluxului de aer în camera de ardere, menținând un raport constant între consumul de aer și combustibil. Instalarea paletei de ghidare de admisie face posibilă menținerea constantă a temperaturii gazului în fața turbinei cu gaz și în spatele acesteia în domeniul de putere de aproximativ 100-80%.

Figura prezintă unitatea lamei VNA. O pârghie rotativă este atașată de axele fiecărei lame 2 , care prin pârghie 4 asociat cu un inel pivotant 1 . Dacă este necesar, schimbați inelul fluxului de aer 1 se rotește cu ajutorul tijelor și a unui motor electric cu cutie de viteze; în timp ce rotind toate pârghiile în același timp 2 și, în consecință, lamele VNA 5 .

Aerul care se vârtejește cu ajutorul VNA intră în prima treaptă a compresorului de aer, care constă din două grătare: rotativă și staționară. Ambele grătare, spre deosebire de grătarele de turbine, au canale de expansiune (difuzor), adică. zona de trecere a aerului de admisie F 1 mai putin decat F 2 la ieșire.

Când aerul se deplasează într-un astfel de canal, viteza acestuia scade ( w 2 < w 1), iar presiunea crește ( R 2 > R unu). Din păcate, pentru a face grătarul difuzorului economic, adică. astfel încât debitul w 1 la gradul maxim ar fi transformat în presiune, și nu în căldură, posibil doar cu un grad mic de compresie R 2 /R 1 (de obicei 1,2 - 1,3), ceea ce duce la un număr mare de trepte de compresor (14 - 16 cu un raport de compresie p k \u003d 13 - 16).

Figura arată debitul de aer în treapta compresorului. Din aparatul cu duză rotativă de intrare (fixă), aerul iese cu o viteză c 1 (vezi triunghiul vitezei superioare), având răsucirea circumferențială necesară (a 1< 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u 1, apoi viteza relativă de intrare în el w 1 va fi egal cu diferența de vectori c 1 și u 1, iar această diferență va fi mai mare decât c 1 adică w 1 > c unu . Când vă deplasați în canal, viteza aerului scade la valoare w 2 si iese sub un unghi b 2 determinat de inclinarea profilelor. Cu toate acestea, datorită rotației și furnizării de energie a aerului de la paletele rotorului, viteza acestuia cu 2 în mișcare absolută va fi mai mare decât c unu . Lamele rețelei fixe sunt instalate astfel încât intrarea aerului în canal să fie fără șocuri. Deoarece canalele acestui rețele se extind, viteza în el scade la valoare c„ 1 , iar presiunea crește de la R 1 la R 2. Grila este concepută astfel încât c" 1 = c 1, a a "1 = a 1. Prin urmare, în a doua etapă și etapele ulterioare, procesul de comprimare se va desfășura într-un mod similar. În acest caz, înălțimea grătarelor acestora va scădea în funcție de densitatea crescută a aerului din cauza compresiei. .

Uneori, paletele de ghidare ale primelor trepte ale compresorului sunt făcute rotative în același mod ca paletele VNA. Acest lucru face posibilă extinderea gamei de putere a turbinei cu gaz, în care temperatura gazelor din fața și din spatele turbinei cu gaz rămâne neschimbată. În consecință, și economia crește. Utilizarea mai multor palete de ghidare rotative vă permite să lucrați economic în intervalul 100 - 50% din putere.

Ultima treaptă a compresorului este dispusă în același mod ca și precedentele, cu singura diferență că sarcina ultimei palete de ghidare 1 nu este doar de a crește presiunea, ci și de a asigura ieșirea axială a fluxului de aer. Aerul intră în difuzorul inelar de ieșire 23 unde presiunea se ridică la valoarea sa maximă. Cu această presiune, aerul intră în zona de ardere 9 .

Aerul este preluat din carcasa compresorului de aer pentru a răci elementele turbinei cu gaz. Pentru a face acest lucru, în corpul său sunt realizate camere inelare, comunicând cu spațiul din spatele etapei corespunzătoare. Aerul din camere este eliminat prin conducte.

În plus, compresorul are așa-numitele supape anti-supratensiuni și conducte de bypass. 6 , ocolind aerul din treptele intermediare ale compresorului în difuzorul de ieșire al turbinei cu gaz atunci când este pornit și oprit. Acest lucru elimină funcționarea instabilă a compresorului la debite scăzute de aer (acest fenomen se numește supratensiune), care se exprimă prin vibrații intense ale întregii mașini.

Crearea de compresoare de aer extrem de economice este o sarcină extrem de complexă, care, spre deosebire de turbine, nu poate fi rezolvată doar prin calcul și proiectare. Deoarece puterea compresorului este aproximativ egală cu puterea turbinei cu gaz, o deteriorare a randamentului compresorului cu 1% duce la o scădere a randamentului întregii turbine cu gaz cu 2-2,5%. Prin urmare, crearea unui compresor bun este una dintre problemele cheie în crearea turbinelor cu gaz. De obicei, compresoarele sunt create prin modelare (scalare) folosind un model de compresor creat prin rafinament experimental îndelungat.

Camerele de ardere ale turbinelor cu gaz sunt foarte diverse. Deasupra este o turbină cu gaz cu două camere exterioare. Figura prezintă un GTU tip 13E cu o capacitate de 140 MW de la ABB cu o cameră de ardere la distanță, al cărei dispozitiv este similar cu dispozitivul camerei prezentat în figură. Aerul din compresor din difuzorul inelar pătrunde în spațiul dintre corpul camerei și tubul de flacără și este apoi folosit pentru arderea gazului și pentru răcirea tubului de flacără.

Principalul dezavantaj al camerelor de ardere la distanță este dimensiunile lor mari, care sunt clar vizibile din figură. În dreapta camerei este o turbină cu gaz, în stânga - un compresor. Trei găuri sunt vizibile de sus în corp pentru găzduirea supapelor anti-supratensiuni și apoi - unitatea VNA. În turbinele cu gaz moderne se folosesc în principal camere de ardere încorporate: inelare și tubular-anulare.

Figura prezintă o cameră de ardere inelară integrată. Spațiul inelar pentru ardere este format din interior 17 și în aer liber 11 țevi de foc. Din interior, țevile sunt căptușite cu inserții speciale 13 și 16 având un înveliș de barieră termică pe partea îndreptată către flacără; pe partea opusă, inserțiile sunt nervurate, ceea ce le îmbunătățește răcirea prin intrarea aerului prin golurile inelare dintre inserțiile din interiorul tubului de flacără. Astfel, temperatura tubului de flacără este de 750-800 °C în zona de ardere. Dispozitivul de arzător frontal cu microflare al camerei este format din câteva sute de arzătoare 10 , la care se alimentează gazul de la patru colectoare 5 -8 . Oprind colectoarele la rândul lor, puteți schimba puterea turbinei cu gaz.

Dispozitivul arzător este prezentat în figură. Din colector, gazul intră prin găurire în tijă 3 la cavitatea interioară a omoplaţilor 6 învârtitor. Acesta din urmă este o lame drepte radiale goale care provoacă răsucirea și rotirea aerului care vine din camera de ardere în jurul axei tijei. Acest vârtej de aer rotativ primește gaz natural din cavitatea interioară a paletelor turbionare. 6 prin găuri mici 7 . În acest caz, se formează un amestec omogen combustibil-aer, care iese sub forma unui jet învolburat din zonă. 5 . Un vortex rotativ inelar asigură arderea stabilă a gazului.

Figura prezintă o cameră de ardere tubulară-inelară GTE-180. În spațiul inelar 24 între ieșirea compresorului de aer și intrarea turbinei cu gaz folosind conuri perforate 3 puneți 12 tuburi de flacără 10 . Tubul de flacara contine numeroase gauri cu diametrul de 1 mm, dispuse in randuri inelare la o distanta de 6 mm intre ele; distanta intre randurile de gauri 23 mm. Prin aceste deschideri, aerul „rece” intră din exterior, asigurând răcirea filmului convectiv, iar temperatura tubului de flacără nu este mai mare de 850 °C. Pe suprafața interioară a tubului de flacără se aplică un strat de barieră termică de 0,4 mm grosime.

Pe placa frontală 8 tub de flacără, se instalează un dispozitiv de arzător, format dintr-un arzător pilot central 6 aprinderea combustibilului la pornire folosind o lumânare 5 , și cinci module principale, dintre care unul este prezentat în figură. Modulul vă permite să ardeți gaz și motorină. Gaz prin fiting 1 dupa filtru 6 intră în colectorul inelar de gaz combustibil 5 , și din acesta în cavități care conțin găuri mici (diametru 0,7 mm, pas 8 mm). Prin aceste orificii, gazul intră în spațiul inelar. Există șase șanțuri tangențiale în pereții modulului 9 , prin care intră cantitatea principală de aer furnizată pentru ardere de la compresorul de aer. În fantele tangențiale, aerul este răsucit și, astfel, în interiorul cavității 8 se formează un vârtej rotativ, care se deplasează spre ieșirea arzătorului. Până la periferia vortexului prin găuri 3 gazul intră, se amestecă cu aerul, iar amestecul omogen rezultat iese din arzător, unde se aprinde și arde. Produsele de ardere intră în aparatul duzei din prima etapă a turbinei cu gaz.

Turbina cu gaz este cel mai complex element al turbinei cu gaz, care se datorează în primul rând temperaturii foarte ridicate a gazelor de lucru care curg prin calea de curgere: temperatura gazului în fața turbinei de 1350 ° C este în prezent considerată „standard” , și companii de top, în primul rând General Electric, lucrează la stăpânirea temperaturii inițiale de 1500 °C. Amintiți-vă că temperatura inițială „standard” pentru turbinele cu abur este de 540 °C, iar în viitor - o temperatură de 600-620 °C.

Dorința de a crește temperatura inițială este asociată, în primul rând, cu câștigul de eficiență pe care îl dă. Acest lucru se vede clar din figura care rezumă nivelul atins de construcție a turbinei cu gaz: o creștere a temperaturii inițiale de la 1100 la 1450 °C dă o creștere a eficienței absolute de la 32 la 40%, adică. duce la economii de combustibil de 25%. Desigur, o parte din aceste economii este asociată nu numai cu creșterea temperaturii, ci și cu îmbunătățirea altor elemente ale turbinei cu gaz, iar temperatura inițială este încă factorul determinant.

Pentru a asigura funcționarea pe termen lung a unei turbine cu gaz, se utilizează o combinație de două mijloace. Primul mijloc este utilizarea materialelor rezistente la căldură pentru piesele cele mai încărcate, care pot rezista la acțiunea sarcinilor mecanice și a temperaturilor ridicate (în primul rând pentru duzele și paletele rotorului). Dacă oțelurile (adică aliaje pe bază de fier) ​​cu un conținut de crom de 12-13% sunt utilizate pentru paletele turbinei cu abur și alte elemente, atunci aliajele pe bază de nichel (nimonice) sunt utilizate pentru paletele turbinei cu gaz, care sunt capabile să funcționeze în condiții reale. sarcinile mecanice și durata de viață necesară pentru a rezista la temperaturi de 800-850 °C. Prin urmare, împreună cu primul, se utilizează un al doilea mijloc - răcirea celor mai fierbinți părți.

Cele mai multe turbine cu gaz moderne sunt răcite folosind aerul de purjare din diferite etape ale unui compresor de aer. Sunt deja în funcțiune turbinele cu gaz, care folosesc vapori de apă pentru răcire, care este un agent de răcire mai bun decât aerul. Aerul de răcire după încălzire în partea răcită este evacuat în calea de curgere a turbinei cu gaz. Un astfel de sistem de răcire se numește deschis. Există sisteme de răcire închise în care lichidul de răcire încălzit în piesă este trimis la frigider și apoi returnat din nou pentru a răci piesa. Un astfel de sistem nu este doar foarte complicat, dar necesită și utilizarea căldurii preluate de la frigider.

Sistemul de răcire cu turbină cu gaz este cel mai un sistem complexîn GTU, care determină durata de viață a acestuia. Asigură nu numai menținerea unui nivel acceptabil al lamelor de lucru și a duzei, ci și a elementelor de caroserie, a discurilor care poartă lamele de lucru, a etanșărilor lagărelor de blocare în care circulă uleiul etc. Acest sistem este extrem de ramificat si organizat astfel incat fiecare element racit sa primeasca aer de racire a parametrilor si in cantitatea necesara pentru a-si mentine temperatura optima. Răcirea excesivă a pieselor este la fel de dăunătoare pe cât și insuficientă, deoarece duce la costuri crescute de răcire a aerului, care necesită puterea turbinei pentru a se comprima în compresor. În plus, un consum crescut de aer pentru răcire duce la o scădere a temperaturii gazelor din spatele turbinei, ceea ce are un efect foarte semnificativ asupra funcționării echipamentelor instalate în spatele turbinei cu gaz (de exemplu, o unitate de turbină cu abur care funcționează ca parte). a unei turbine cu abur). În sfârșit, sistemul de răcire trebuie să asigure nu numai nivelul de temperatură necesar al pieselor, ci și uniformitatea încălzirii acestora, ceea ce exclude apariția unor solicitări termice periculoase, a căror acțiune ciclică duce la apariția fisurilor.

Figura prezintă un exemplu de circuit tipic de răcire a unei turbine cu gaz. Valorile temperaturilor gazului sunt date în cadre dreptunghiulare. În fața aparatului de duză din prima etapă 1 atinge 1350 °C. În spatele lui, adică. în fața grătarului de lucru al primei trepte, este 1130 °C. Chiar și în fața lamei de lucru din ultima etapă, este la nivelul de 600 °C. Gazele la această temperatură spală duza și lamele de lucru, iar dacă nu ar fi răcite, atunci temperatura lor ar fi egală cu temperatura gazelor și durata lor de viață ar fi limitată la câteva ore.

Pentru răcirea elementelor unei turbine cu gaz se folosește aer care este preluat de la compresor în acea etapă în care presiunea acestuia este puțin mai mare decât presiunea gazelor de lucru din acea zonă a turbinei cu gaz în care este alimentat aer. De exemplu, pentru răcirea paletelor duzei din prima etapă, aerul de răcire în cantitate de 4,5% din debitul de aer la intrarea compresorului este preluat din difuzorul de ieșire a compresorului, iar pentru răcirea paletelor duzei din ultima treaptă și a celui alăturat. secțiunea carcasei - din a 5-a treaptă a compresorului. Uneori, pentru a răci cele mai fierbinți elemente ale unei turbine cu gaz, aerul preluat din difuzorul de ieșire a compresorului este mai întâi trimis la un răcitor de aer, unde este răcit (de obicei cu apă) la 180–200 °C și apoi trimis pentru răcire. În acest caz, este necesar mai puțin aer pentru răcire, dar, în același timp, apare și costul unui răcitor de aer, turbina cu gaz devine mai complicată și o parte din căldura îndepărtată de apa de răcire se pierde.

O turbină cu gaz are de obicei 3-4 trepte, adică. 6-8 jante de grătare, iar cel mai adesea lamele tuturor jantelor sunt răcite, cu excepția lamelor de lucru din ultima etapă. Aerul de răcire a paletelor duzei este alimentat în interior prin capetele acestora și evacuat prin numeroase (600-700 găuri cu diametrul de 0,5-0,6 mm) găuri situate în zonele corespunzătoare ale profilului. Aerul de răcire este furnizat lamelor de lucru prin găurile făcute în capetele tijei.

Pentru a înțelege cum sunt aranjate lamele răcite, este necesar cel puțin in termeni generali luați în considerare tehnologia fabricării lor. Datorită dificultății excepționale de prelucrare a aliajelor de nichel, turnarea cu investiții este folosită în principal pentru a produce lame. Pentru a-l implementa, în primul rând, miezurile de turnare sunt realizate din materiale pe bază de ceramică, folosind o tehnologie specială de turnare și tratament termic. Miezul de turnare este o copie exactă a cavității din interiorul viitoarei lame, în care aerul de răcire va curge și curge în direcția necesară. Miezul de turnare este plasat într-o matriță, a cărei cavitate internă corespunde în totalitate cu lama ce urmează a fi obținută. Spațiul liber rezultat dintre tijă și peretele matriței este umplut cu o masă încălzită cu punct de topire scăzut (de exemplu, plastic), care se solidifică. Tija, împreună cu masa de întărire care o învăluie, repetând forma exterioară a lamei, este un model de investiție. Se pune intr-o matrita in care se alimenteaza topitura nimonica. Acesta din urmă topește plasticul, îi ia locul și, ca urmare, apare o lamă turnată cu o cavitate internă umplută cu o tijă. Tija este îndepărtată prin gravare cu soluții chimice speciale. Paletele duzei obținute practic nu necesită prelucrare suplimentară (cu excepția producerii a numeroase găuri pentru ieșirea aerului de răcire). Lamele turnate de lucru necesită prelucrarea tijei cu o unealtă abrazivă specială.

Tehnologia descrisă pe scurt este împrumutată din tehnologia aeronautică, unde temperaturile realizate sunt mult mai mari decât la turbinele cu abur staționare. Dificultatea de a stăpâni aceste tehnologii este asociată cu dimensiuni mult mai mari ale palelor pentru turbinele cu gaz staționare, care cresc proporțional cu debitul de gaz, adică. putere GTU.

Utilizarea așa-numitelor lame monocristal, care sunt realizate dintr-un singur cristal, pare foarte promițătoare. Acest lucru se datorează faptului că prezența granițelor în timpul unei șederi lungi la o temperatură ridicată duce la o deteriorare a proprietăților metalului.

Rotorul turbinei cu gaz este o structură prefabricată unică. Înainte de asamblarea discurilor individuale 5 compresor și disc 7 turbinele cu gaz sunt cu pale și echilibrate, părțile de capăt sunt fabricate 1 și 8 , distanțier 11 și știftul central 6 . Fiecare dintre discuri are două gulere inelare, pe care sunt realizate hirts (numit după inventator - Hirth) - dinți strict radiali cu profil triunghiular. Piesele adiacente au exact aceleași gulere, cu exact aceleași căptușeli. Cu o bună calitate de fabricație a conexiunii hirt, se asigură centrarea absolută a discurilor adiacente (aceasta asigură radialitatea hirts) și repetabilitatea asamblarii după dezasamblarea rotorului.

Rotorul este asamblat pe un suport special, care este un ascensor cu o platformă inelară pentru personalul de asamblare, în interiorul căruia se realizează asamblarea. În primul rând, partea de capăt a rotorului este asamblată pe filet 1 și tirant 6 . Tija este așezată vertical în interiorul platformei inelare și discul treptei I a compresorului este coborât deasupra acesteia cu ajutorul unei macarale. Centrarea discului și a părții de capăt se realizează prin hirts. Deplasându-se în sus pe un elevator special, personalul de instalare disc cu disc [întâi a compresorului, apoi a distanțierului, apoi a turbinei și a capătului din dreapta 8 ] colectează întregul rotor. O piuliță este înșurubată la capătul drept 9 , iar pe partea rămasă a părții filetate a tirantului este instalat un dispozitiv hidraulic, strângând discurile și trăgând tirantul. După tragerea tijei, piulița 9 este înșurubat până la opritor, iar dispozitivul hidraulic este scos. Tija întinsă strânge în siguranță discurile împreună și transformă rotorul într-o singură structură rigidă. Rotorul asamblat este scos de pe suportul de asamblare și este gata de instalare în turbina cu gaz.

Principalul avantaj al turbinei cu gaz este compactitatea acesteia. Într-adevăr, în primul rând, nu există un cazan de abur în turbina cu gaz - o structură care atinge o înălțime mare și necesită o cameră separată pentru instalare. Această împrejurare este legată, în primul rând, de presiunea ridicată din camera de ardere (1,2-2 MPa); în cazan arderea are loc la presiunea atmosferică și, în consecință, volumul de gaze fierbinți format este de 12-20 de ori mai mare. Mai mult, într-o turbină cu gaz, procesul de expansiune a gazului are loc într-o turbină cu gaz formată din doar 3-5 trepte, în timp ce o turbină cu abur cu aceeași putere este formată din 3-4 cilindri care conțin 25-30 de trepte. Chiar și luând în considerare atât camera de ardere, cât și compresorul de aer, o turbină cu gaz de 150 MW are o lungime de 8-12 m, iar lungimea unei turbine cu abur de aceeași putere cu un design cu trei cilindri este de 1,5 ori mai mare. În același timp, pentru turbina cu abur, pe lângă cazan, este necesar să se prevadă instalarea unui condensator cu pompe de circulație și condens, un sistem de regenerare de 7-9 încălzitoare, turbopompe de alimentare (de la unu la trei) , și un dezaerator. Ca urmare, unitatea turbinei cu gaz poate fi instalată pe o bază de beton la nivelul zero al halei de turbine, iar STU necesită o fundație cadru înaltă de 9-16 m cu turbina cu abur așezată pe placa de fundație superioară și echipamente auxiliare în camera de condensare.

Compactitatea turbinei cu gaz permite asamblarea acesteia la instalația de turbine, livrată în sala mașinilor pe calea ferată sau rutieră pentru instalare pe o fundație simplă. Deci, în special, turbinele cu gaz cu camere de ardere încorporate sunt transportate. La transportul turbinelor cu gaz cu camere la distanță, acestea din urmă sunt transportate separat, dar se atașează ușor și rapid la modulul compresor-turbină cu gaz folosind flanșe. Turbina cu abur este furnizată cu numeroase ansambluri și piese, instalarea atât a acesteia, cât și a numeroaselor echipamente auxiliare și conexiunile între ele durează de câteva ori mai mult decât o turbină cu gaz.

GTU nu necesită apă de răcire. Ca urmare, turbina cu gaz nu are un condensator și un sistem de alimentare cu apă de proces cu unitate de pompare si turnuri de racire (cu alimentare cu apa circulanta). Drept urmare, toate acestea duc la faptul că costul de 1 kW de capacitate instalată a unei centrale electrice cu turbină cu gaz este mult mai mic. În același timp, costul GTU-ului în sine (compresor + cameră de ardere + turbină cu gaz), datorită complexității sale, se dovedește a fi de 3-4 ori mai mare decât costul unei turbine cu abur de aceeași putere.

Un avantaj important al unei turbine cu gaz este manevrabilitatea sa ridicată, determinată de un nivel scăzut de presiune (comparativ cu presiunea dintr-o turbină cu abur) și, în consecință, încălzirea și răcirea ușoară fără solicitări și deformații termice periculoase.

Turbinele cu gaz au însă și dezavantaje semnificative, dintre care, în primul rând, trebuie remarcat faptul că sunt mai puțin economice decât cele ale unei centrale electrice cu abur. Eficiența medie a turbinelor cu gaz suficient de bune este de 37-38%, iar pentru unitățile de putere cu turbine cu abur - 42-43%. Plafonul pentru turbinele cu gaz puternice, așa cum se vede în prezent, este o eficiență de 41-42% (și poate chiar mai mare, având în vedere rezervele mari pentru creșterea temperaturii inițiale). Eficiența mai scăzută a turbinei cu gaz este asociată cu temperatura ridicată a gazelor de eșapament.

Un alt dezavantaj al turbinelor cu gaz este imposibilitatea de a folosi combustibili de calitate scăzută în ele, cel puțin în prezent. Poate funcționa bine doar pe gaz sau combustibili lichizi buni, cum ar fi motorina. Unitățile de alimentare cu abur pot funcționa cu orice combustibil, inclusiv cu cea mai slabă calitate.

Costul inițial scăzut al centralelor termice cu turbine cu gaz și, în același timp, eficiența relativ scăzută și costul ridicat al combustibilului utilizat și manevrabilitatea determină domeniul principal de utilizare individuală a turbinelor cu gaz: acestea ar trebui utilizate în sistemele de energie ca vârf sau de rezervă. surse de alimentare care funcționează câteva ore pe zi.

În același timp, situația se schimbă dramatic atunci când căldura gazelor de evacuare a turbinei cu gaz este utilizată în centrale termice sau într-un ciclu combinat (abur și gaz).

O turbină este un motor în care energia potențială a unui fluid compresibil este convertită în energie cinetică în aparatul cu pale, iar aceasta din urmă în rotoare în lucru mecanic transmis unui arbore care se rotește continuu.

Turbinele cu abur prin proiectarea lor reprezintă un motor termic care funcționează în mod constant. În timpul funcționării, vaporii de apă supraîncălziți sau saturati intră pe calea curgerii și, datorită expansiunii sale, forțează rotorul să se rotească. Rotația are loc ca urmare a fluxului de abur care acționează asupra aparatului cu lame.

Turbina cu abur face parte din proiectarea turbinei cu abur, care este concepută pentru a genera energie. Există și instalații care, pe lângă energie electrică, pot genera energie termică - aburul care a trecut prin paletele de abur intră în boilerele din rețea. Acest tip de turbină se numește turbine de tip industrial-cogenerare sau de cogenerare. În primul caz, extragerea aburului este prevăzută în scopuri industriale în turbină. Complet cu un generator, o turbină cu abur este o unitate de turbină.

Tipuri de turbine cu abur

Turbinele sunt împărțite, în funcție de direcția în care se deplasează aburul, în turbine radiale și axiale. Fluxul de abur în turbinele radiale este direcționat perpendicular pe axă. Turbinele cu abur pot fi cu una, două și trei case. Turbina cu abur este echipată cu o varietate de dispozitive tehnice care împiedică pătrunderea aerului ambiental în carcasă. Acestea sunt o varietate de sigilii, care sunt furnizate cu vapori de apă într-o cantitate mică.

Un regulator de siguranță este situat pe secțiunea frontală a arborelui, conceput pentru a opri alimentarea cu abur atunci când viteza turbinei crește.

Caracteristicile parametrilor principali ai valorilor nominale

· Puterea nominală a turbinei- puterea maximă pe care turbina trebuie să o dezvolte timp îndelungat la bornele generatorului electric, cu valori normale ale parametrilor principali sau când se modifică în limitele specificate de standardele industriale și de stat. O turbină controlată de extracție a aburului poate dezvolta o putere peste puterea sa nominală dacă aceasta este în conformitate cu condițiile de rezistență ale pieselor sale.

· Puterea economică a turbinei- puterea la care turbina functioneaza cu cel mai mare randament. În funcție de parametrii aburului viu și de scopul turbinei, puterea nominală poate fi egală cu puterea economică sau mai mare cu 10-25%.

· Temperatura nominală a încălzirii apei de alimentare regenerativă- temperatura apei de alimentare în aval de ultimul încălzitor în direcția apei.

· Temperatura nominală a apei de răcire- temperatura apei de racire la intrarea in condensator.

turbina de gaz(fr. turbină din lat. turbo vârtej, rotire) este un motor termic continuu, în aparatul cu palete al căruia energia gazului comprimat și încălzit este transformată în lucru mecanic asupra arborelui. Este alcătuit dintr-un rotor (lamele fixate pe discuri) și un stator (pale de ghidare fixate în carcasă).

Gazul având o temperatură și o presiune ridicate intră prin aparatul duzei turbinei în zona de joasă presiune din spatele părții duzei, extinzându-se și accelerând simultan. În plus, fluxul de gaz intră în palele turbinei, dându-le o parte din energia sa cinetică și conferind cuplu paletelor. Paletele rotorului transmit cuplul prin discurile turbinei către arbore. Caracteristici benefice turbină cu gaz: o turbină cu gaz, de exemplu, antrenează un generator situat pe același arbore cu acesta, care este munca utilă a unei turbine cu gaz.

Turbinele cu gaz sunt utilizate ca parte a motoarelor cu turbine cu gaz (utilizate pentru transport) și a unităților cu turbine cu gaz (utilizate la centralele termice ca parte a GTU-urilor staționare, CCGT-uri). Turbinele cu gaz sunt descrise de ciclul termodinamic Brayton, în care aerul este mai întâi comprimat adiabatic, apoi ars la presiune constantă și apoi expandat adiabatic înapoi la presiunea de pornire.

Tipuri de turbine cu gaz

- Avioane și motoare cu reacție

- Unitate auxiliară de putere

- Turbine industriale cu gaz pentru producerea energiei electrice

- Motoare cu turboax

- Turbine cu gaz radiale

- Microturbine

Din punct de vedere mecanic, turbinele cu gaz pot fi considerabil mai simple decât motoarele cu combustie internă alternativă. Turbinele simple pot avea o singură parte mobilă: ansamblu arbore/compresor/turbină/rotor alternativ (vezi imaginea de mai sus), fără a include sistemul de combustibil.

Turbinele mai complexe (cele utilizate în motoarele cu reacție moderne) pot avea mai mulți arbori (bobine), sute de pale de turbină, pale de stator în mișcare și un sistem extins de conducte complexe, camere de ardere și schimbătoare de căldură.

Ca regulă generală, cu cât motorul este mai mic, cu atât este mai mare viteza arborelui (arborilor) necesară pentru a menține viteza liniară maximă a palelor. Viteza maximă a palelor turbinei determină presiunea maximă care poate fi atinsă, rezultând putere maximă, indiferent de dimensiunea motorului. Motorul cu reacție se rotește la aproximativ 10.000 rpm și micro-turbina la aproximativ 100.000 rpm.

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 centralele hidroelectrice au folosit turbine de zeci de ani pentru a transforma generatoarele electrice și pentru a produce energie pentru industrie și locuințe. Turbinele simple sunt cunoscute de mult timp, prima dintre ele a 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 practică cu gaz a început să genereze electricitate în Neuchatel, Elveția, în 1939. A fost dezvoltat de compania Brown Boveri. Prima turbină cu gaz care a alimentat un avion a funcționat și în 1939 în Germania, folosind o turbină cu gaz proiectată de Hans P. von Ohain. 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. Schema 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 Figura 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. Prin aceasta, turbina diferă de motoarele cu carburator sau diesel cu ardere internă, unde procesul de ardere este intermitent.

Deoarece utilizarea turbinelor cu gaz a început în 1939 în același timp în industria energetică și în aviație, diferite denumiri sunt folosite pentru aviație și turbinele cu gaz terestre. 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. LA Limba engleză există și mai multe nume pentru aceste motoare similare în general.

Utilizarea turbinelor cu gaz

Într-un turbojet de avion, energia din turbină antrenează un compresor care atrage aer în motor. Gazul fierbinte care iese din turbină este expulzat în atmosferă prin duza de evacuare, care creează forță. Pe 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 tracțiune de la 45 kgf la 45.000 kgf cu o greutate proprie de 13 kg la 9.000 kg. Cele mai mici motoare conduc rachete de croazieră, cele mai mari - avioane uriașe. Turbina cu gaz din fig. 2 este un motor turboventilator cu un compresor de diametru mare. Impingerea este creată atât de aerul care este aspirat de compresor, cât și de aerul care trece prin turbină în sine. Motorul este mare și capabil să genereze tracțiune mare la viteze mici de decolare, ceea ce îl face cel mai potrivit pentru aeronavele comerciale. Motorul turboreactor nu are ventilator și creează tracțiune cu aer care trece complet prin calea gazului. Turboreacțiile au dimensiuni frontale mici și produc cea mai mare tracțiune la viteze mari, ceea ce le face cele mai potrivite pentru utilizarea în avioanele de luptă.

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

În fig. 3. Astfel de instalații pot genera energie de la 0,05 MW până la 240 MW. Configurația prezentată în fig. 3 este o turbină cu gaz derivată din avion, dar mai ușoară. Unitățile mai grele sunt proiectate special pentru utilizare la sol 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 utilizate ca generatoare de energie suplimentare în perioadele de cerere de vârf. Generatoarele cu turbine cu gaz se pot porni rapid, furnizând energie atunci când este cea mai necesară.

Figura 3. Cea mai simplă turbină cu gaz, cu o singură treaptă, de pe uscat. De exemplu, în energie. 1 - compresor, 2 - camera de ardere, 3 - turbina.

Cele mai importante avantaje ale unei turbine cu gaz sunt:

1. Este capabil să genereze multă putere cu o dimensiune și o greutate relativ mici.
2. Turbina 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 turbina 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 de aviație tind să utilizeze distilate ușoare (kerosen). Se poate folosi și motorină sau păcură tratată special. De asemenea, este posibil să se utilizeze gaze combustibile 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 generează energie electrică, o turbină cu gaz nu are nevoie de 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 o turbină cu gaz Neuchatel la eficiența actuală de 40% în funcționarea cu ciclu simplu și aproximativ 55% în ciclul combinat (mai multe despre asta mai jos) . În viitor, eficiența turbinelor cu gaz va crește și mai mult, eficiența fiind așteptată să crească la 45-47% în ciclul simplu și până la 60% în ciclul combinat. Aceste eficiențe așteptate sunt substanțial mai mari decât alte motoare comune, cum ar fi turbinele cu abur.

Cicluri ale turbinei cu gaz

Diagrama secvenței 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 presiunea sistemului. Pe fig. 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 turbinei cu gaz din fig. 4b.

Figura 4a. Diagrama ciclului Brayton în coordonatele P-V pentru fluidul de lucru, arătând fluxurile de lucru (W) și căldură (Q).

Figura 4b. Ilustrație schematică a unei turbine cu gaz care arată puncte din diagrama ciclului Brayton.

Aerul este comprimat din punctul 1 în punctul 2. Presiunea gazului crește în timp ce volumul gazului scade. Aerul este apoi încălzit la presiune constantă de la punctul 2 până la punctul 3. Această căldură este produsă de combustibilul care este introdus în camera de ardere și arde continuu.

Aerul comprimat cald 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 sol sau crearea de tracțiune pentru un motor de aeronavă.Ciclo Brighton se termină în Fig. 4 cu 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 circuit deschis, aerul este preluat din atmosferă (punctul 1 din Fig. 4a și 4b) și expulzat înapoi în atmosferă la punctul 4, astfel încât gazul fierbinte este răcit în atmosferă după ce este expulzat din motor. Într-o turbină cu gaz care funcționează în ciclu închis, fluidul de lucru (lichid sau gaz) este utilizat în mod constant pentru răcirea gazelor de eșapament (la punctul 4) în schimbătorul de căldură (reprezentat schematic în Fig. 5) și este trimis la admisia compresorului. . Deoarece se utilizează 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, de ex. reactor nuclear, cuptor cu pat fluidizat cu cărbune 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 (Figura 4) se numește turbină cu gaz cu ciclu simplu. Majoritatea turbinelor cu gaz de pe aeronave funcționează pe un ciclu simplu pentru a menține greutatea și dimensiunea frontală a motorului cât mai mici posibil. Cu toate acestea, pentru utilizarea pe uscat sau pe mare, devine posibilă adăugarea de echipamente suplimentare turbinei cu ciclu simplu pentru a crește eficiența și/sau puterea motorului. Sunt utilizate trei tipuri de modificări: regenerare, răcire intermediară și încălzire dublă.

Regenerare prevede instalarea unui schimbător de căldură (recuperator) pe calea gazelor de evacuare (punctul 4 din fig. 4b). Aer comprimat de la punctul 2 din fig. 4b este preîncălzit pe schimbătorul 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, iar căderea de presiune în acesta este mică, eficiența va fi mai mare decât în ​​cazul unui ciclu simplu de turbină. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare și costul regeneratorului. Regeneratoarele au fost folosite în motoarele cu turbină cu gaz din tancurile Abrams M1 - principalul tanc de luptă al Operațiunii Desert Storm - și în motoarele experimentale cu turbine cu gaz ale vehiculelor. Turbinele cu gaz cu regenerare cresc randamentul cu 5-6% iar randamentul lor este chiar mai mare atunci cand functioneaza sub sarcina partiala.

Intercooling implică și utilizarea schimbătoarelor de căldură. Un intercooler (intercooler) răcește gazul în timpul comprimării acestuia. De exemplu, dacă compresorul este format din două module, de înaltă și de joasă presiune, între ele ar trebui instalat un intercooler pentru a răci debitul de gaz și a reduce cantitatea de muncă necesară comprimarii 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 este crescută.

incalzire dubla este utilizat în turbine și reprezintă 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 turbina cu gaz are două module, de înaltă și de joasă presiune, atunci se folosește un supraîncălzitor (de obicei un alt arzător) pentru a reîncălzi fluxul de gaz dintre turbinele de înaltă și joasă presiune (Fig. 6c). Poate crește puterea de ieșire cu 1-3%. Încălzirea duală în turbinele aeronavelor este realizată prin adăugarea unui post-ardere la duza turbinei. Acest lucru crește tracțiunea, dar crește semnificativ consumul de combustibil.

Centrala electrică cu turbină cu gaz cu ciclu combinat este adesea abreviată ca CCGT. 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 ale turbinei sunt folosite pentru a produce abur într-un schimbător de căldură, acest abur antrenează o turbină cu abur care produce și energie electrică. Dacă pentru încălzire se folosește aburul, instalația se numește centrală de cogenerare. Cu alte cuvinte, în Rusia abrevierea CHP (Heat and Power Plant) este folosită în mod obișnuit. Dar la centralele CHP, de regulă, nu funcționează turbinele cu gaz, ci turbinele obișnuite cu abur. Iar aburul folosit este folosit pentru încălzire, deci CHP și CHP nu sunt sinonime. Pe 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 unei centrale electrice 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, este suma eficienței fiecăreia dintre etape minus munca lor. Această ecuație arată de ce cogenerarea este atât de eficientă. Să presupunem că \(\nu_B = 40%\) 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 pe ciclul Rankine la a doua etapă de cogenerare este \(\nu_R = 30% \). Înlocuind 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 limita superioară a eficienței unei centrale electrice de cogenerare. Eficiența practică va fi mai mică din cauza pierderii inevitabile de energie între etape. Practic in sistemele de cogenerare puse in functiune in ultimii ani s-a atins o eficienta de 52-58%.

Componentele turbinei cu gaz

Funcționarea unei turbine cu gaz este cel mai bine împărțită în trei subsisteme: compresor, cameră de ardere și turbină, așa cum se arată în Fig. 1. În continuare, vom trece în revistă pe scurt fiecare dintre aceste subsisteme.

Compresoare si turbine

Compresorul este conectat la turbină printr-un arbore comun, astfel încât turbina să poată întoarce 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 un compresor de joasă presiune și o turbină 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 compresorului 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 o combinație. Compresorul centrifugal, în care aerul comprimat iese 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 figurile 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 pale fixe (statoare). Secțiunile sunt dispuse în așa fel încât aerul comprimat să treacă secvenţial prin fiecare secțiune, dând o parte din energia sa fiecăreia dintre ele.

Turbinele au un design mai simplu decât un compresor, deoarece este mai dificil să comprimați fluxul de gaz decât să îl determinați să se extindă înapoi. Turbinele axiale ca cele prezentate în fig. 2 și 3 au mai puține secțiuni decât un compresor centrifugal. Există mici turbine cu gaz care folosesc turbine centrifuge (cu injecție radială de gaz), dar cele mai frecvente sunt turbinele axiale.

Proiectarea și fabricarea unei turbine este dificilă deoarece este necesară creșterea duratei de viață a componentelor din fluxul de gaz fierbinte. Problema fiabilității proiectării este cea mai critică în prima etapă a turbinei, unde temperaturile sunt cele mai ridicate. Materiale speciale și un sistem de răcire sofisticat sunt folosite pentru a face palete de turbină care se topesc la o temperatură de 980-1040 de grade Celsius într-un flux de gaz a cărui temperatură ajunge la 1650 de grade Celsius.

Camera de ardere

Un proiect de succes al camerei de ardere trebuie să îndeplinească multe cerințe, iar proiectarea sa corectă a fost o provocare încă de pe vremea turbinelor Whittle și von Ohin. Importanța relativă a fiecăreia dintre cerințele pentru camera de ardere depinde de aplicarea turbinei și, desigur, unele cerințe sunt în conflict între ele. Atunci când proiectați o cameră de ardere, compromisurile sunt inevitabile. Majoritatea cerințelor de proiectare sunt legate de prețul, eficiența și compatibilitatea cu mediul motorului. Iată o listă de cerințe de bază pentru o cameră de ardere:

1. Eficiență ridicată a arderii combustibilului în toate condițiile de funcționare.
2. Emisii scăzute de combustibil și de monoxid de carbon (monoxid de carbon), emisii scăzute de oxizi de azot sub sarcină grea și nu există emisii vizibile de fum (minimizarea poluării mediului).
3. Scădere mică 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 mare altitudine (pentru motoarele de aeronave).
6. Arderea ar trebui să fie uniformă, fără pulsații sau întreruperi.
7. Temperatura trebuie să fie stabilă.
8. Durată lungă de viață (mii de ore), în special pentru turbinele industriale.
9. Utilizabilitate tipuri diferite 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 se potrivească cu dimensiunea ansamblului motor.
11. Costul total al deținerii unei camere de ardere ar trebui menținut la minimum (aceasta include costul inițial, costurile de operare și de întreținere).
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: carcasă, tub de flacără și sistem de injecție a combustibilului. Carcasa trebuie să reziste la presiunea de funcționare și poate face parte din proiectarea turbinei cu gaz. Carcasa închide 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 motoare alternative, turbinele cu gaz produc cea mai mică cantitate de poluanți ai aerului pe unitate de putere. Dintre emisiile de turbine cu gaz, combustibilul nears, monoxidul de carbon (monoxidul de carbon), oxizii de azot (NOx) și fumul reprezintă cea mai mare îngrijorare. Deși contribuția turbinelor aeronavelor la emisiile totale de poluanți este mai mică de 1%, emisiile direct în troposferă s-au dublat între 40 și 60 de grade latitudine nordică, determinând o creștere cu 20% a concentrațiilor de ozon. În stratosfera unde zboară aeronavele supersonice, emisiile de NOx provoacă epuizarea stratului de ozon. Ambele efecte dăunează mediului, astfel încât reducerea oxizilor de azot (NOx) din emisiile motoarelor aeronavelor este ceea 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, fără a se baza 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 sări peste capitolele legate de specificul utilizării turbinelor pe calea ferată, cartea este încă foarte de înțeles, dar mult mai detaliată.