Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливом и происходит возгорание смеси. В результате сгорания возрастает температура, скорость и объём потока газа. Далее энергия горячего газа преобразуется в работу. При входе в сопловую часть турбины горячие газы расширяются, и их тепловая энергия преобразуется вкинетическую. Затем, в роторной части турбины, кинетическая энергия газов заставляет вращаться ротор турбины. Часть мощности турбины расходуется на работу компрессора, а оставшаяся часть является полезной выходной мощностью. Газотурбинный двигатель приводит во вращение находящийся с ним на одном валу высокоскоростной генератор. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Энергия турбины используется в самолётах , поездах , кораблях и танках .
История
- 60: Первая паровая турбина Герона Александрийского (эолипил ) - на протяжении столетий рассматривалась как игрушка и её полный потенциал не был изучен.
- 1500: В чертежах Леонардо да Винчи встречается «дымовой зонт». Горячий воздух от огня поднимается через ряд лопастей, которые соединены между собой и вращают вертел для жарки.
- 1551: Таги-аль-Дин придумал паровую турбину , которая использовалась для питания самовращающегося вертела.
- 1629: Сильная струя пара вращала турбину, которая затем вращала ведомый механизм, позволяющий работать мельнице Джованни Бранка.
- 1678: Фердинанд Вербейст построил модель повозки на основе паровой машины.
- 1791: Англичанин Джон Барбер получил патент на первую настоящую газовую турбину. Его изобретение имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах. Турбина была разработана для приведения в действие безлошадной повозки.
- 1872: Франц Столц разработал первый настоящий газотурбинный двигатель.
- 1894: Сэр Чарльз Парсонс запатентовал идею корабля, приводимого в действие паровой турбиной и построил демонстрационное судно (Турбиния). Этот принцип тяги используется до сих пор.
- 1895: Три четырёхтонных 100 кВт генераторов радиального потока Парсонса были установлены на электростанции в Кэмбридже и использовались для электрического освещения улиц города.
- 1903: Норвежец, Эджидиус Эллинг, смог построить первую газовую турбину, которая могла произвести больше энергии, чем требовалось для её работы, что рассматривалось как значительное достижение в те времена, когда знания о термодинамике были ограничены. Используя вращающиеся компрессоры и турбины, она производила 11 hp (существенно для того времени).
Его работа впоследствии была использована сэром Фрэнком Уиттлом .
- 1913: Никола Тесла запатентовал турбину Тесла, основанную на эффекте граничного слоя.
- 1918: General Electric , один из ведущих производителей турбин в настоящее время, запустил своё подразделение газовых турбин.
- 1920: Практическая теория протекания газового потока через каналы была переработана в более формализованную (и применяемую к турбинам) теорию течения газа вдоль аэродинамической поверхности доктором Аланом Арнольдом Грифицем.
- 1930: Сэр Фрэнк Уиттл запатентовал газовую турбину для реактивного движения. Впервые этот двигатель был успешно использован в апреле 1937.
- 1934: Рауль Патерас Пескара запатентовал поршневой двигатель в качестве генератора для газовой турбины.
- 1936: Ханс фон Охайн and Макс Хан в Германии разработали собственный патентованный двигатель в то же самое время, когда сэр Фрэнк Уиттл разрабатывал его в Англии.
Теория работы
Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона , в котором сначала происходит адиабатическое сжатие воздуха, затем сжигание при постоянном давлении, а после этого осуществляется адиабатическое расширение обратно до стартового давления.
На практике, трение и турбулентность вызывают:
- Неадиабатическое сжатие: для данного общего коэффициента давления температура нагнетания компрессора выше идеальной.
- Неадиабатическое расширение: хотя температура турбины падает до уровня, необходимого для работы, на компрессор это не влияет, коэффициент давления выше, в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
- Потери давления в воздухозаборнике , камере сгорания и на выходе: в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
цикл Брайтона
Типы газовых турбин
Авиационные и реактивные двигатели
Диаграмма реактивного двигателя газовой турбины
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.
Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины. Они также используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 - две характерных модели этого типа машин.
Любительские газовые турбины
Существует популярное хобби - конструировать газовые турбины из автомобильных турбокомпрессоров. Камера сгорания собирается из отдельных частей и устанавливается вертикально между компрессором и турбиной. Как и многие хобби, основанные на технологии, время от времени они перерастают в производство. Несколько мелких компаний производят маленькие турбины и запасные части для любителей.
Вспомогательная силовая установка
Вспомогательная силовая установка - небольшая газовая турбина, являющаяся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом (в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.
Промышленные газовые турбины для генерации 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 ниже, 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 этом теплота выхлопа газовой турбины используется в рекуперативном генераторе пара для работы паровой турбины. Они также могут работать в когенераторных конфигурациях: выхлоп используется для обогрева или нагрева воды или в абсорбционных холодильниках. Коэффициент использования топлива в когенераторном режиме может превышать 90 %.Турбины в больших промышленных газовых турбинах работают на синхронных с электросетью скоростях - 3000 или 3600 оборотов в минуту (об./мин.). Газовые турбины простого цикла в индустрии электропитания требуют меньших капитальных затрат, чем угольные или ядерные энергоустановки, и могут выпускаться как для большой, так и для малой мощности. Весь процесс монтажных работ может быть выполнен за нескольких недель (нескольких месяцев), в сравнении с годами, требуемыми для создания паровых электростанций базовой мощности. Другое их главное преимущество - способность включаться/выключаться в течение нескольких минут, поставляя добавочную 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 пары дюжин часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии и генерирующей емкости региона. 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 дня и даже вечером. Типичная большая турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40 %. КПД лучших турбин достигает 64 %.
Хранилища сжатого воздуха
Одна из современных разработок для повышения КПД заключается в том, чтобы разделить компрессор и турбину хранилищем сжатого воздуха. В традиционной турбине, до половины генерируемой мощности используется для привода компрессора. В конфигурации с хранилищем сжатого воздуха для привода компрессора используется мощность, к примеру, ветровой электростанции или купленная на открытом рынке по низкой цене, а сжатый воздух освобождается для работы турбины, по мере необходимости.
Турбовальные двигатели
Микротурбина имеет компрессор, одноступенчатую радиальную турбину, инвертор и рекуператор . Тепло дымовых газов может быть использовано для подогрева воды, воздуха, процессов осушения или в абсорбционно-холодильных машинах - АБХМ, которые создают холод для кондиционированния воздуха, используя бесплатную тепловую энергию, вместо электрической энергии.
КПД типовых микротурбин массового производства достигает 35 %. В режиме комбинированной генерации электричества и тепловой энергии - когенерации, может достигаться высокий коэффициент использования топлива - КИТ, выше 85 %.
Преимущества микротурбин:
Эластичность и адаптивность к восприятию электрических нагрузок в диапазоне от 1 до 100% возможность длительной работы микротурбины на предельно низкой мощности - 1%, низкий уровень эмиссий, отсутствие дымовых труб, отсутствие в микротурбинах моторного масла, смазки отсутствие охлаждающих жидкостей, быстрое и технологичное подключение к топливным магистралям, электрическим коммуникациям и тепловым сетям, сервисное обслуживание микротурбины – 1 день, 1 раз в году, низкий уровень шума, предельно малый уровень вибраций микротурбины, система дистанционного контроля, компактные размеры микротурбины, возможность размещения микротурбинной электростанции на крышах зданий, высокое качество производимой электроэнергии ввиду наличия инвертора, комбинированное производство электроэнергии и тепла (когенерация).
При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.
Использование в транспортных средствах
The 1950 Rover JET1
A 1968 Howmet TX - единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.
Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах, вертолетах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.
В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине , парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.
Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость - 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость - 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке
Главные особенности конструкций газовых турбин по сравнению с паровыми определяются следующими основными факторами:
1. В газовой турбине осуществляется процесс расширения высокотемпературной рабочей среды, что требует использования специальных жаростойких материалов (сталей, сплавов, керамики и теплозащитных покрытий), а также организации охлаждения ее элементов (лопаточного аппарата, ротора с дисками, корпусных деталей, подшипников и пр.).
2. В газовой турбине существенно меньше число ступеней, чем в паровой. При этом ГТ работает при невысоком начальном давлении рабочей среды, удельный объем которой при расширении увеличивается в 5-25 раз (в паровой турбине удельный объем водяного пара растет в сотни раз). Поэтому разница между длиной лопаток первой ступени и последней много меньше, чем для паровой турбины. Средние диаметры турбинных ступеней ГТ больше, чем для ступеней ЦВД ПТ (диаметры дисков ГТ до 2 м), а их внутренняя мощность существенно больше в сравнении с мощностью ступеней паровой турбины.
3. Осевая составляющая скорости потока за последней ступенью газовой турбины составляет 100-230 м/с. Поэтому для снижения потерь энергии выходной патрубок ГТ выполняют осевым на основе высокоэффективного диффузорного канала.
4. Из-за большой роли КПД ГТ в экономичности ГТУ в газовых турбинах нет регулирующих клапанов, парциальных ступеней и прочих элементов, снижающих экономичность установок.
Роторы газовых турбин выполняют в зависимости от их типов дисковыми, барабанными и дискобарабанными (рис. 29.10 - 29.12), а по способу изготовления – цельноковаными и сварными:
а) Более распространены дисковые конструкции роторов, у которых нет центрального отверстия, сокращающего прочностные характеристики.
б) Цельнокованые конструкции роторов ограничены в диаметре из-за технологических ограничений при их изготовлении. Поэтому они применяются в ГТ малой мощности.
в) Сварные роторы лишены этих недостатков, но они дороже при изготовлении.
Рис. 29.10 Конструкции роторов газовых турбин
а ) цельнокованый ротор барабанной конструкции; б ) цельнокованый ротор консольного типа;
в, г ) сварные роторы; д, сборный ротор с дисками, соединенными стяжными болтами
В сборных конструкциях роторов диски стягиваются с помощью гидравлического устройства центральным стержнем, превращающим ротор в единую жесткую конструкцию. Перед сборкой отдельные диски газовой турбины с лопаточным аппаратом (также и компрессора) подвергаются тщательной балансировке. Каждый из дисков имеет два кольцевых воротника (пояса), на котором выполнены хирты - радиальные зубья треугольного профиля. При хорошем качестве изготовления хиртового соединения обеспечивается абсолютная центровка смежных дисков. Такая конструкция применяется, например, в ГТУ V94.2 «Siemens » и ГТЭ-180. В газовых турбинах серии G фирмы «Westinghouse » диски стягиваются 12 сквозными болтами. В энергетической ГТУ GT13E «АВВ » применяется сварной ротор. На рис. 29.12 показан внешний вид роторов компрессора и газовой турбины ГТУ GT 13E .
Рис. 29.12 Конструкция ротора GT 13E
Корпус газовой турбины в отличие от корпусов паровой турбины эксплуатируется в условиях более высоких температур, но при меньшем перепаде давлений, действующих на стенки корпуса. Корпусные элементы ГТ изготавливают из перлитных сталей. В большинстве конструкций корпус имеет горизонтальный разъем. Основное требование к корпусам ГТ – жесткость их конструкции, обеспечение равномерной толщины стенок для исключения формирования температурных напряжений и соответствующих деформаций, симметричность в поперечных сечениях с целью организации одинаковых зазоров между рабочими лопатками и корпусом. Эти зазоры для уменьшения протечек выполняются минимальными в радиальном направлении. В лабиринтовых надбандажных и диафрагменных уплотнениях ступеней ГТ (а также компрессоров) применяются сотовые вставки, истирающиеся при задеваниях, что предотвращает развитие аварийных ситуаций. Для уменьшения температуры стенок корпуса его иногда изнутри закрывают жароупорным экраном из тонкостенного листа аустенитной стали. Между ними закладывают теплоизоляционный материал. В ряде случаев в начальной части ГТ применяется двухкорпусное исполнение, когда между соответствующими стенками организуется движение охлаждающего воздуха.
Одной из основных ГТУ , на базе которой планируется создание ПГУ-325 и других, является ГТЭ-110 мощностью 110 МВт (рис. 29.13). Она имеет относительно высокий уровень экономичности (КПД 36%) при уровне начальной температуры газов 1210°С, но с низкой температурой уходящих газов (517°С), что затрудняет получить высокий уровень экономичности парогазовых установок. Номинальная мощность ГТУ при расчетных условиях 114,5 МВт (КПД 36,5%), а пиковая – 120 МВт (КПД 36%). Максимальная мощность при температуре наружного воздуха t а =–15 о С N Э =129,4 МВт. Степень повышения давления в компрессоре при номинальной мощности ГТУ p к =14,75. Расход выходных из турбины газов 365 кг/с.
Ротор барабанно-дисковой конструкции состоит из пяти частей, соединяемых между собой штифтовыми и болтовыми соединениями. Диски компрессора и турбины в секциях соединяются электронно-лучевой сваркой. Радиальные подшипники диаметром 400 мм выполнены с самоустанавливающимися колодками. Между сегментами расположены форсунки для подачи масла на смазку и охлаждения. Осевой подшипник обеспечивает двухстороннее восприятие осевой нагрузки. Он установлен со стороны компрессора в его холодной части. В осевом подшипнике относительно гребня установлены 28 колодок по 14 с каждой стороны.
Рис. 29.13. Газотурбинная установка ГТЭ-110
1 – ВНУ; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – газовая турбина; 5 – рама
Система охлаждения газовой турбины - конвективная. В турбине охлаждаются рабочие лопатки первых двух ступеней и сопловые – трех. Суммарный расход воздуха на охлаждение 13%. Компрессор имеет 15 ступеней, его сварной корпус выполнен из стали ЭП609Ш. Над рабочими лопатками 1-й и 2-й ступеней сконструированы антипомпажные устройства в форме кольцевых камер, в которые воздух попадает через щели. Рабочие лопатки первых четырех ступеней изготовлены из титанового сплава ВТЗ-1, с 5-й по 12-ю ступень - из стали ЭИ 479Ш, а с 13-й по 15-ю – ЭИ 696Ш. Диски компрессора выполнены из стали ЭП609. Отбор воздуха за 7-й ступенью предназначен для охлаждения дисков компрессора, а за 10-й – для охлаждения ротора газовой турбины.
Трубчато-кольцевая камера сгорания с 20 жаровыми трубами располагается над компрессором, что сокращает длину валопровода и делает его более жестким. Сопловые аппараты турбинных ступеней газовой турбины устанавливаются в своих наружных корпусах. Корпус турбины имеет только вертикальные разъемы. Сопловой аппарат 1-й ступени состоит их 40 отдельных литых лопаток с конвективно-пленочным охлаждением вторичным воздухом. Сопловой аппарат 2-й ступени состоит из 24 пакетов лопаток, отлитых блоками по две лопатки, 3-й – из 18 пакетов по три лопатки, а 4-й – из 16 пакетов по три лопатки (полые, неохлаждаемые). Все пакеты имеют в отливке диафрагменные поверхности.
Крепление ГТУ осуществляется одной передней и двумя задними опорами. Передняя опора неподвижная и представляет собой жесткий лист с ребрами, который крепится к фланцу переднего корпуса компрессора. Задние опоры крепятся к цапфе опорного венца турбины и состоят из гибких листов, установленных в два яруса во взаимно перпендикулярных направлениях. Кожух ГТУ выполняется на основе панельно-каркасной конструкции с толщиной панели 80 мм. Пуск ГТУ осуществляется от электрогенератора через тиристорный преобразователь частоты тока.
«Турбонаддув», «турбореактивные», «турбовинтовые», - эти термины прочно вошли в лексикон инженеров XX века, занимающихся проектированием и обслуживанием транспортных средств и стационарных электрических установок. Их применяют даже в смежных областях и рекламе, когда хотят придать названию продукта какой-то намек на особую мощность и эффективность. В авиации, ракетах, кораблях и на электростанциях чаще всего применяется газовая турбина. Как она устроена? Работает ли на природном газе (как можно подумать из названия), и какими вообще они бывают? Чем турбина отличается от других типов двигателя внутреннего сгорания? В чем ее преимущества и недостатки? Попытка как можно полнее ответить на эти вопросы предпринята в этой статье.
Российский машиностроительный лидер ОДК
России, в отличие от многих других независимых государств, образовавшихся после распада СССР, удалось в значительной мере сохранить машиностроительную промышленность. В частности, производством силовых установок особого назначения занимается фирма «Сатурн». Газовые турбины этой компании находят применение в судостроении, сырьевой отрасли и энергетики. Продукция высокотехнологична, она требует особого подхода при монтаже, отладке и эксплуатации, а также специальных знаний и дорогостоящей оснастки при плановом обслуживании. Все эти услуги доступны заказчикам фирмы «ОДК - Газовые турбины», так сегодня она называется. Таких предприятий в мире не так уж много, хотя принцип устройства главной продукции на первый взгляд несложен. Имеет огромное значение накопленный опыт, позволяющий учитывать многие технологические тонкости, без чего добиться долговечной и надежной работы агрегата невозможно. Вот лишь часть ассортимента продукции ОДК: газовые турбины, электростанции, агрегаты для перекачки газа. Среди заказчиков - "Росатом", "Газпром" и другие «киты» химической промышленности и энергетики.
Изготовление таких сложных машин требует в каждом случае индивидуального подхода. Расчет газовой турбины в настоящее время полностью автоматизирован, но имеют значение материалы и особенности монтажных схем в каждом отдельном случае.
А начиналось все так просто…
Поиски и пар
Первые опыты преобразования поступательной энергии потока во вращательную силу человечество провело еще в глубокой древности, применив обычное водяное колесо. Все предельно просто, сверху вниз течет жидкость, в ее поток помещаются лопатки. Колесо, снабженное ими по периметру, крутится. Так же работает и ветряная мельница. Затем настал век пара, и вращение колеса убыстрилось. Кстати, так называемый «эолипил», изобретённый древним греком Героном примерно за 130 лет до Рождества Христова, представлял собой паровой двигатель, работающий именно по такому принципу. В сущности, это была первая известная исторической науке газовая турбина (ведь пар - это газообразное агрегатное состояние воды). Сегодня все же принято разделять эти два понятия. К изобретению Герона тогда в Александрии отнеслись без особого восторга, хотя и с любопытством. Промышленное оборудование турбинного типа появилось только в конце XIX века, после создания шведом Густафом Лавалем первого в мире активного силового агрегата, оснащенного соплом. Примерно в том же направлении работал инженер Парсонс, снабдив свою машину несколькими функционально связанными ступенями.
Рождение газовых турбин
Столетием ранее некоему Джону Барберу пришла в голову гениальная мысль. Зачем нужно сначала нагревать пар, не проще ли использовать непосредственно выхлопной газ, образующийся при сгорании горючего, и тем самым устранить ненужное посредничество в процессе преобразования энергии? Так получилась первая настоящая газовая турбина. Патент 1791 года излагает основную идею использования в безлошадной повозке, но его элементы сегодня применяются в современных ракетных, авиационных танковых и автомобильных моторах. Начало процессу реактивного двигателестроения дал в 1930 году Фрэнк Уиттл. Ему пришла идея использовать турбину для приведения в движение самолета. В дальнейшем она нашла развитие в многочисленных турбовинтовых и турбореактивных проектах.
Газовая турбина Николы Тесла
Знаменитый ученый-изобретатель всегда подходил к изучаемым вопросам нестандартно. Для всех казался очевидным тот факт, что колеса с лопатками или лопастями «улавливают» движение среды лучше, чем плоские предметы. Тесла, в свойственной ему манере, доказал, что если собрать роторную систему из дисков, расположениях на оси последовательно, то за счет подхватывания пограничных слоев потоком газа, она будет вращаться не хуже, а в некоторых случаях даже лучше, чем многолопастный пропеллер. Правда, направленность подвижной среды должна быть тангенциальной, что в современных агрегатах не всегда возможно или желательно, но зато существенно упрощается конструкция, - в ней совершенно не нужны лопатки. Газовой турбины по схеме Тесла пока не строят, но возможно, идея лишь ждет своего времени.
Принципиальная схема
Теперь о принципиальном устройстве машины. Она представляет собой совокупность вращающейся системы, насаженной на ось (ротора) и неподвижной части (статора). На валу размещен диск с рабочими лопатками, образующими концентрическую решетку, на них воздействует газ, подаваемый под давлением через специальные сопла. Затем расширившийся газ поступает на крыльчатку, также оборудованную лопатками, называемыми рабочими. Для впуска воздушно-топливной смеси и выпуска (выхлопа) служат особые патрубки. Также в общей схеме участвует компрессор. Он может быть выполнен по различному принципу, в зависимости от требуемого рабочего давления. Для его работы от оси отбирается часть энергии, идущая на сжатие воздуха. Газовая турбина работает за счет процесса сгорания воздушно-топливной смеси, сопровождающегося значительным увеличением объема. Вал вращается, его энергию можно использовать полезно. Такая схема называется одноконтурной, если же она повторяется, то ее считают многоступенчатой.
Достоинства авиационных турбин
Примерно с середины пятидесятых годов появилось новое поколение самолетов, в том числе и пассажирских (в СССР это Ил-18, Ан-24, Ан-10, Ту-104, Ту-114, Ту-124 и т. д.), в конструкции которых авиационные поршневые двигатели окончательно и бесповоротно были вытеснены турбинными. Это свидетельствует о большей эффективности такого типа силовой установки. Характеристики газовой турбины превосходят параметры карбюраторных моторов по многим пунктам, в частности, по отношению мощность/вес, которое для авиации имеет первостепенное значение, а также по не менее важным показателям надежности. Ниже расход топлива, меньше подвижных деталей, лучше экологические параметры, снижен шум и вибрации. Турбины менее критичны к качеству горючего (чего нельзя сказать о топливных системах), их легче обслуживать, они требуют не так много смазочного масла. В общем, на первый взгляд кажется, что состоят они не из металла, а из сплошных достоинств. Увы, это не так.
Есть у газотурбинных двигателей и недостатки
Газовая турбина во время работы нагревается, и передает тепло окружающим ее элементам конструкции. Особенно это критично опять же в авиации, при использовании реданной схемы компоновки, предполагающей омывание реактивной струей нижней части хвостового оперения. Да и сам корпус двигателя требует особой теплоизоляции и применения особых тугоплавких материалов, выдерживающих высокие температуры.
Охлаждение газовых турбин - сложная техническая задача. Шутка ли, они работают в режиме фактически перманентного взрыва, происходящего в корпусе. КПД в некоторых режимах ниже, чем у карбюраторных моторов, впрочем, при использовании двухконтурной схемы этот недостаток устраняется, хотя усложняется конструкция, как и в случае включения в схему компрессоров «дожима». Разгон турбин и выход на рабочий режим требует некоторого времени. Чем чаще происходит запуск и остановка агрегата, тем быстрей он изнашивается.
Правильное применение
Что же, без недостатков ни одна система не обходится. Важно найти такое применение каждой из них, при котором ярче проявятся ее достоинства. Например, танки, такие как американский «Абрамс», в основе силовой установки которого - газовая турбина. Его можно заправлять всем, что горит, от высокооктанового бензина до виски, и он выдает большую мощность. Пример, возможно, не очень удачный, так как опыт применения в Ираке и Афганистане показал уязвимость лопаток компрессора к воздействию песка. Ремонт газовых турбин приходится производить в США, на заводе-изготовителе. Отвести танк туда, потом обратно, да и стоимость самого обслуживания плюс комплектующие…
Вертолеты, российские, американские и других стран, а также мощные быстроходные катера в меньшей степени страдают от засорений. В жидкостных ракетах без них не обойтись.
Современные боевые корабли и гражданские суда также имеют газотурбинные двигатели. А еще энергетика.
Тригенераторные электростанции
Проблемы, с которыми сталкивались авиастроители, не так волнуют тех, кто производит промышленное оборудование для производства электроэнергии. Вес в этом случае уже не так важен, и можно сосредоточиться на таких параметрах, как КПД и общая эффективность. Генераторные газотурбинные агрегаты имеют массивный каркас, надежную станину и более толстые лопасти. Выделяемое тепло вполне возможно утилизировать, используя для самых различных нужд, - от вторичного рециклинга в самой системе, до отопления бытовых помещений и термального питания холодильных установок абсорбционного типа. Такой подход называется тригенераторным, и КПД в этом режиме приближается к 90 %.
Ядерные энергоустановки
Для газовой турбины не имеет принципиальной разницы, каков источник разогретой среды, отдающей свою энергию ее лопаткам. Это может быть и сгоревшая воздушно-топливная смесь, и просто перегретый пар (не обязательно водяной), главное, чтобы он обеспечивал ее бесперебойное питание. По своей сути энергетические установки всех атомных электростанций, подводных лодок, авианосцев, ледоколов и некоторых военных надводных кораблей (ракетный крейсер «Петр Великий», например) имеют в своей основе газовую турбину (ГТУ), вращаемую паром. Вопросы безопасности и экологии диктуют закрытый цикл первого контура. Это означает, что первичный тепловой агент (в первых образцах эту роль выполнял свинец, сейчас его заменили парафином), не покидает приреакторной зоны, обтекая тепловыделяющие элементы по кругу. Нагрев рабочего вещества осуществляется в последующих контурах, и испаренный углекислый газ, гелий или азот вращает колесо турбины.
Широкое применение
Сложные и большие установки практически всегда уникальны, их производство ведется малыми сериями или вообще изготовляются единичные экземпляры. Чаще всего агрегаты, выпускаемые в больших количествах, находят применение в мирных отраслях хозяйства, например, для перекачки углеводородного сырья по трубопроводам. Именно такие и производятся компанией ОДК под маркой «Сатурн». Газовые турбины насосных станций полностью соответствуют по назначению своему названию. Они действительно качают природный газ, используя для своей работы его же энергию.
Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из газотурбинного двигателя (ГТД) и вспомогательных устройств.В состав двигателя входят: газовая турбина, камера сгорания, компрессор, воздухоохладитель, регенеративные теплообменники. К вспомогательным устройствам, в зависимости от назначения ГТУ, можно отнести: газоотводящие устройства (газоходы, борова, трубы), пусковые устройства, масляные системы, элементы водоснабжения и т. п.ГТУ предназначена либо для выработки электроэнергии, либо для привода механизмов. Принцип работы газовой турбины аналогичен паровой. Однако рабочим телом здесь являются продукты сгорания топлива. Основное различие связано со свойствами рабочих тел и их параметрами: давление продуктов сгорания ниже, а температура выше, чем у пара. ГТУ намного проще, т.к. нет парциального подвода газа, регулирующей ступени, и отборов промежуточных ступеней. Относительно небольшой располагаемый теплоперепад определяет небольшое количество ступеней, и к тому же разница между высотами лопаток1й и последней ступеней меньше, чем у паровой. Почти все современные газовые турбины работают по такой схеме, при которой продукты сгорания проходят через ее проточную часть. Поэтому в газовых турбинах топливо должно содержать очень малое количество золы и других вредных примесей. К такому топливу можно отнести природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (доменный, коксовый, генераторный) и специальное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное моторное, соляровое масло).
В связи с высокой температурой газов (1100 0 К) детали проточной части (сопла, диски, валы, рабочие лопатки) изготавливают из высококачественных легированных сталей. У большинства турбин предусмотрено интенсивное воздушное охлаждение наиболее нагретых деталей. Подготовка рабочей смеси производится в камере сгорания. Тепловой КПД КС КС = 0,970,99 устанавливают,в основном, цилиндрические камеры. Объём камеры разделяется на зону горения, где происходит сгорание топлива при Т = 2000 0 С и зону смешения, где к продуктам сгорания подмешивают воздух для снижения температуры. В камерах устанавливают несколько форсунок, что позволяет регулировать тепловую мощность изменением числа работающих форсунок. Тепловая мощность камеры доходит до 40 МВт при давлении 0,4 – 0,45 МПа. Расход топлива до 3000кг/ч, расход воздуха 2,5*10 5 м 3 /ч. В ГТУ применяют осевые и реже центробежные компрессоры. Осевые конструируют на расход воздуха 100 – 200 м 3 /с; степень повышения давления до 1,35. Т.о. для обеспечения необходимого давления число ступеней делают более 10. КПД осевого компрессора 83 – 90%. Центробежные применяют небольшой мощности – до 400кВт; КПД одноступенчатых - 7585%. Жаропрочность материалов деталей ГТ не позволяет иметь температуру свыше 1100 К и только в авиационных турбинах, которые имеют ограниченный моторесурс, температура может достигать 1500 0 К. Снижение температуры на входе в компрессор Т 1 значительно влияет на внутренний КПД i , т.к. Т 1 значительно зависит от климата района. Поэтому ГТУ экономичнее работают в районах с более низкой среднегодовой температурой воздуха.
КПД простейших ГТУ не превышает 14 – 18% и для его повышения используют регенеративный подогрев сжатого воздуха отработавшими газами после газовой турбины, т.е. используют теплоту выхлопных газов для предварительного подогрева воздуха перед камерой сгорания.
Подогрев производят в регенераторах, которые представляют собой трубчатый теплообменник, где для получения высоких коэффициентов теплоотдачи от газа и воздуха применяют высокие скорости потока, а это снижает КПД реального цикла из-за увеличения сопротивления газовоздушного тракта.
ГТУ с промежуточным охлаждением и подогревом рабочего тела уменьшает работу сжатия в компрессоре и увеличивает работу расширения в ГТ.
Атмосферный воздух сжимается в компрессоре низкого давления КНД, затем охлаждается в водяном теплообменнике ВО, далее снова сжимается в компрессоре высокого давления КВД и поступает в камеру сгорания высокого давления КСВ, продукты сгорания расширяются в газовой турбине высокого давления ТВД, подогреваются в камере сгорания низкого давления КСН, затем снова расширяются в турбине низкого давления ТНД. Чем больше промежуточных ступеней подогрева и охлаждения, тем выше КПД установки, но это усложняет конструкцию, поэтому в современных ГТУ применяют не более 2 промежуточных охладителей воздуха и одного промежуточного подогревателя.
Для ГТУ характерно высокое количество отходящих газов и достаточно высокая температура – 400 – 500 0 С. Эту теплоту можно использовать для получения пара и горячей воды в обычных теплообменниках. Так установки ГТ-25-700 ЛМЗ снабжены сетевыми подогревателями, обеспечивающими подогрев воды до 150-160 0 С. Сочетание преимуществ парового и газотурбинного цикла привел к созданию парогазовых установок ПГУ (до 200МВт). Работают на параметрах до 14МПа (паровая часть) и 570 0 С, а газовый агрегат 0,65 МПа и 770 0 С. Паровая турбина работает в комплекте с электрогенератором мощностью 165 МВт, а газовая турбина 33 МВт. ГТУ применяют в энергетике для покрытия пиковых нагрузок и в качестве аварийного резерва.
25.Схема ДВС. Принцип работы .
Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называется тепловая машина в рабочем цилиндре которой происходит сжигание топлива и преобразование теплоты в работу.
Принципиальная схема ДВС показана на рис.28.1. основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр 4 с поршнем 5, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр монтируется на верхней части картера 1 ; он сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпускной 3 клапаны и электрическая свеча зажигания (в карбюраторном или газовом двигателях) или форсунка (в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждающая жидкость.
В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7, который шарнирно соединен с шатуном 6. Верхняя головка шатуна сочленена с поршнем, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре. Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива, смазки, для охлаждения и другие устройства, необходимые для его обслуживания.
Крайнее положение поршня называют верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Ход поршня от ВМТ до НМТ называют ходом (тактом поршня). Объем, описываемый поршнем за 1 ход, является рабочим объемом цилиндра.
Анализ рабочего цикла обычно производят с помощью индикаторной диаграммы, на которой графически изображена зависимость давления в цилиндре от объема, занятого газом, или положения поршня.
Различается 2 типа поршневых ДВС –четырехтактные и двухтактные.
Рисунок 28.2а. Отдельным процессам соответствуют: 0-1 – всасывание топливной смеси (1-й такт); 1-2- сжатие смеси (2-й такт); 2-3 – сгорание; 3-4 – расширение продуктов сгорания; 4-5 – выхлоп (3-й такт); 5-0 – выталкивание продуктов сгорания (4- й такт).
Из всех 4-х тактов составляющих цикл только в 3-м получается полезная работа, в остальных 3-х тактах работа затрачивается.
Рисунок 28.2б. : 0-1 – введение новой порции смеси; 1-2 – сжатие -1-й такт; 2-3 – сгорание; 3-4 – расширение; 4-0 – выхлоп (2-й такт).
Двигатели с «мгновенным сгоранием» топлива (карбюраторные и газовые). В цилиндр такого двигателя всасывается горючая смесь, которая в нужный момент поджигается от внешнего источника. Время сгорания готовой смеси очень мало, в связи с чем допустимо считать, что процесс сгорания осуществляется при (почти) постоянном объеме.
Двигатели со сгоранием топлива при (почти) постоянном давлении (компрессорные дизельные двигатели. В цилиндре двигателя сжимается чистый воздух. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое в процессе смешения с горячим воздухом воспламеняется и сгорает при постоянном давлении.
Двигатели со смешанным сгоранием топлива (бескомпрессорные дизельные двигатели). В цилиндре двигателя тоже сжимается чистый воздух, а жидкое топливо подается форсункой в мелко-распыленном виде в цилиндр в конце такта сжатия.
Все типы двигателей могут выполняться как 4-х тактными, так и 2-х тактными.
В автономной генерации - малой энергетике в последнее время значительное внимание уделяется газовым турбинам различной мощности. Электростанции на базе газовых турбин используются как основной или резервный источник электричества и тепловой энергии для объектов производственного или бытового назначения. Газовые турбины в составе электростанций предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях России. Области применения газовых турбин практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, структуры ЖКХ.
Положительным фактором использования газовых турбин в сфере ЖКХ является то, что содержание вредных выбросов в выхлопных газах NO х и CO находится на уровне 25 и 150 ppm соответственно (у поршневых установок эти значения гораздо больше), что позволяет устанавливать электростанцию рядом с жилой застройкой. Использование газовых турбин в качестве силовых агрегатов электростанций позволяет избежать строительства высоких дымовых труб.
В зависимости от потребностей газовые турбины комплектуется паровыми или водогрейными котлами–утилизаторами, что позволяет получать от электростанции либо пар (низкого, среднего, высокого давления) для технологических нужд, либо горячую воду (ГВС) со стандартными температурными значениями. Можно получать пар и горячую воду одновременно. Мощность тепловой энергии, производимой электростанцией на базе газовых турбин, как правило, в два раза превышает электрическую.
На электростанции с газовыми турбинами в такой конфигурации коэффициент использования топлива возрастает до 90%. Высокая эффективность использования газовых турбин в качестве силовых агрегатов обеспечивается при длительной работе с максимальной электрической нагрузкой. При достаточно высокой мощности газовых турбин существует возможность совокупного использования паровых турбин. Эта мера позволяет существенно повысить эффективность использования электростанции, увеличивая электрический КПД до 53%.
Сколько стоит электростанция на базе газовых турбин? Какова её полная цена? Что входит в стоимость «под ключ»?
Автономная тепловая электростанция на базе газовых турбин имеет массу дополнительного дорогостоящего, но зачастую, просто необходимого оборудования (пример из жизни – реализованный проект). С использованием первоклассного оборудования стоимость электростанции подобного уровня, «под ключ», не превышает 45000 - 55000 рублей за 1 кВт установленной электрической мощности. Конечная цена электростанции на основе газовых турбин зависит от конкретных задач и нужд потребителя. В стоимость входят проектные, строительные и пусконаладочные работы. Сами газовые турбины, как силовые агрегаты, без дополнительного оборудования, в зависимости от компании-производителя и мощности, стоят от 400 до 800 долларов за 1 кВт.
Для получения информации о стоимости строительства электростанции или ТЭС в конкретном Вашем случае, необходимо отправить в нашу компанию заполненный опросный лист . После этого, по истечении 2–3 дней заказчик-клиент получает предварительное технико-коммерческое предложение - ТКП (краткий пример). На основании ТКП заказчиком принимается окончательное решение о строительстве электростанции на базе газовых турбин. Как правило, до принятия решения клиент посещает уже существующий объект, чтобы воочию увидеть современную электростанцию и «потрогать всё руками». Непосредственно на объекте заказчик получает ответы на имеющиеся вопросы.
За основу строительства электростанций на базе газовых турбин часто берется концепция блочно–модульного построения. Блочно-модульное исполнение обеспечивает высокий уровень заводской готовности газотурбинных электростанций и уменьшает сроки строительства объектов энергетики.
Газовые турбины – немного арифметики по себестоимости производимой энергии
Для производства 1 кВт электричества газовые турбины потребляют всего 0,29–0,37 м³/час газового топлива. При сжигании одного кубического метра газа, газовые турбины вырабатывают 3 кВт электричества и 4–6 кВт тепловой энергии. С ценой (усредненной) на природный газ в 2011 году 3 руб. за 1 м³, себестоимость 1 кВт электроэнергии полученной от газовой турбины, равна, приблизительно, 1 рублю. Дополнительно к этому потребитель получает 1,5–2 кВт бесплатной тепловой энергии!
При автономном энергоснабжении от электростанции на основе газовых турбин себестоимость производимой электроэнергии и тепла в 3–4 раза ниже действующих по стране тарифов, и это без учета высокой стоимости подключения к государственным электросетям (60 000 рублей за 1 кВт в Московской области, 2011 год).
Строительство автономных электростанций на основе газовых турбин
позволяет получить значительную экономию денежных средств за счет исключения издержек на строительство и эксплуатацию дорогостоящих линий электропередач (ЛЭП), Электростанции на базе газовых турбин могут значительно повысить надежность электрического, теплового снабжения как отдельных предприятий или организаций, так и регионов в целом.
Степень автоматизации электростанции на основе газовых турбин позволяет отказаться от большого количества обслуживающего персонала. Во время эксплуатации газовой электростанции ее работу обеспечивают всего три человека: оператор, дежурный электрик, дежурный механик. При возникновении аварийных ситуаций для обеспечения безопасности персонала, сохранности систем и агрегатов газовой турбины предусмотрены надежные системы защиты.
Атмосферный воздух через воздухозаборник, оборудованный системой фильтров (на схеме не показаны) подается на вход многоступенчатого осевого компрессора. Компрессор сжимает атмосферный воздух, и подает его под высоким давлением в камеру сгорания. В это же время в камеру сгорания турбины через форсунки подается и определенное количество газового топлива. Топливо и воздух перемешиваются и воспламеняются. Топливовоздушная смесь сгорает, выделяя большое количество энергии. Энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струями раскаленного газа лопаток турбины. Часть полученной энергии расходуется на сжатие воздуха в компрессоре турбины. Остальная часть работы передаётся на электрический генератор через ось привода. Эта работа является полезной работой газовой турбины. Продукты сгорания, которые имеют температуру порядка 500-550 °С, выводятся через выхлопной тракт и диффузор турбины, и могут быть далее использованы, например, в теплоутилизаторе, для получения тепловой энергии.
Газовые турбины, как двигатели, имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.
В качестве топлива газовой турбины могут использоваться: керосин, дизельное топливо, газ .
Одними из преимуществ современных газовых турбин является длительный жизненный цикл - моторесурс (полный до 200 000 часов, до капитального ремонта 25000–60000 часов).
Современные газовые турбины отличаются высокой надежностью. Есть данные о непрерывной работе некоторых агрегатов в течение нескольких лет.
Многие поставщики газовых турбин производят капитальный ремонт оборудования на месте, производя замену отдельных узлов без транспортировки на завод-изготовитель, что существенно снижает временные затраты.
Возможность длительной работы в любом диапазоне мощностей от 0 до 100%, отсутствие водяного охлаждения, работа на двух видах топлива, - все это делает газовые турбины востребованными силовыми агрегатами для современных автономных электростанций.
Наиболее эффективно применение газовых турбин при средних мощностях электростанций, а на мощностях свыше 30 МВт - выбор очевиден.
