Принцип работы гту

Общее устройство и принцип действия ГТУ

Общее устройство и принцип действия ГТУ - фотография 1 - изображение 1

1910

Общее устройство и принцип действия ГТУ

Газотурбинным двигателем называется такой двигатель, в ко­тором в качестве рабочего тела используется неконденсирующийся газ (воздух и продукты сгорания топлива или нейтральные газы), а в качестве тягового двигателя применяется газовая турбина.

Термин турбина происходит от латинских слов turbineus – вихреобразный, или turbo – волчок. Турбина и есть двигатель, в котором механическая работа на валу машины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, которая, в свою очередь, получается в результате преобразования потенциаль­ной энергии – энергии сгоревшего топлива в потоке воздуха. В ос­нове современных представлений о превращении теплоты в работу лежат два важнейших положения термодинамики: невозможность создания вечного двигателя первого рода (следствие первого на­чала термодинамики) и невозможность создания вечного двига­теля второго рода, в котором бы теплота полностью превращалась в работу (следствие второго начала термодинамики).

Непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды – рабочего тела и, по мень­шей мере, двух тепловых источников – источника высокой темпе­ратуры (нагреватель), от которого получаем теплоту для преобра­зования части ее в работу, и источника низкой температуры, кото­рому отдаем часть неиспользованной в двигателе теплоты.

Следовательно, всякий тепловой двигатель должен состоять из «нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрес­сорной машины. Причем, если мы хотим непрерывно превращать теплоту в работу, то должны непрерывно наряду с расширением, непрерывно и сжимать рабочее тело, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была меньше работы расширения, т. е. ра­бочее тело должно совершать круговой процесс. Получаемая в теп­ловом двигателе работа определяется как разность работ расшире­ния и сжатия рабочего тела, а с другой стороны (по закону сохра­нения энергии), как разность абсолютных количеств подведенной и отведенной теплоты.

Основным термодинамическим признаком различия поршневых и турбинных двигателей внутреннего сгорания являются особен­ности осуществления круговых процессов: в поршневых двигате­лях основные процессы цикла (сжатие, подвод теплоты, расшире­ние) последовательно сменяют друг друга в одном и том же зам­кнутом пространстве (система цилиндр – поршень), а в турбин­ных двигателях те же процессы непрерывно осуществляются в не­зависимых элементах двигателя, последовательно расположен­ных в общем потоке рабочего тела (например, компрессор – ка­мера сгорания – турбина в простейшем газотурбинном двигате­ле).

Принципиальная схема простейшей ГТУ приведена на рис. 1.1.

Газотурбинные установки электростанций - фото 2 - изображение 2

Рис 1.1 Принципиальная схема простейшей ГТУ.

1 – осевой компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина;

4 – полезная нагрузка.

Принцип действия установки сводится к следующему.

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в атмосферу.

Рассмотрим цикл такой ГТУ в T-S диаграмме (рис. 1.2).

Устройство и описание - фотография 3 - изображение 3

Атмосферный воздух (P=Pa, T=Ta ) через входное устройство поступает к компрессор (изотерма 0-1); его давление и температуры становятся равными P1 и T1 .

Далее в компрессоре воздух сжимается до давления P2 его температура при этом повышается до T2 (адиабата 1-2). Отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению на его входе называется степенью сжатия в компрессоре(1.1).

История создания - фото 4 - изображение 4

, (1.1)

где πк – степень повышения давления в компрессоре; Р2 – давление воздуха за компрессором; Р1 – давление перед компрессором.

В камере сгорания (изобара 2-3) температура рабочего тела повышается до T3 при постоянном давлении (P2 = P3).

Затем в турбине смесь воздуха и газа расширяется (адиабата 3-4), ее давление снижается до P4 , а температура до T4 . Отношение давления газа на входе в турбину к давлению газа на ее выходе называется степенью расширения в турбине (1.2).

, (1.2)

где πт – степень расширения в турбине; Р3 – давление воздуха перед турбиной; Р4 – давление за турбиной.

После расширения в турбине отработавшие газы выбрасываются в атмосферу (изотерма 4-5).

Далее цикл условно замыкается по изобаре 5-0.

Рассмотренный выше цикл является обратимым, так как в нем не учитываются какие-либо потери в процессах сжатия, расширения, подвода теплоты и т.д. В реальных условиях процессы во всех узлах установки отличаются от обратимых, поэтому определение показателей ГТУ на основе обратимых эталонных циклов не представляет практического интереса и может быть оправдано только при сравнительном анализе циклов различных установок. Поэтому на практике оперируют полными параметрами (параметрами заторможенного потока).

Полная температура:

, (1.3)

где Т* – полная температура; Т – статическая температура; с - абсолютная скорость потока; ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Полное давление

Принцип работы ГТУ - изображение 5 - изображение 5

, (1.4)

где Р* – полное давление; Р – статическое давление; Т* – полная температура; Т – статическая температура; k – показатель адиабаты.

При параметрах торможения потока получим диаграмму реального цикла ГТУ (рис. 1.3).

Аналогично (1.1) и (1.2) для реального цикла:

и . (1.5)

Давления в других узлах рассчитываются как:

, (1.6)

где Р*вых – давление на выходе узла; Р*вх – давление на входе в узел, σ –коэффициент потерь для данного узла.

Значения коэффициентов потерь для различных узлов ГТУ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Значения коэффициентов потерь для различных узлов ГТУ

№ п/п Величина Обозначение Ориентировочные значения
Коэффициент потерь давления во входном устройстве. σвх 0,98÷0,99
Коэффициент потерь давления в камере сгорания. σкс 0,96÷0,97
Коэффициент потерь давления в выхлопном устройстве. σвых 0,99÷0,995
Коэффициент потерь давления в регенераторе (по воздушной стороне). σрв 0,97÷0,99
Коэффициент потерь давления в регенераторе (по газовой стороне). σрг 0,95÷0,98

Классификация ГТУ

Существуют следующие классификации ГТУ:

· По области применения:

Ö Авиационные ГТД.

­ турбореактивные;

­ турбовинтовые;

­ 2-х контурные ГТД;

­ турбовентиляторные;

­ вертолетные ГТД;

­ вспомогательные установки.

Ö Стационарные ГТУ для выработки электроэнергии.

Ö Приводные ГТУ (для привода нагнетателей природного газа).

Ö Транспортные ГТУ.

­ судовые;

­ локомотивные;

­ автомобильные;

­ танковые.

Ö Космические ГТУ (источником топлива для них являются атомные реакторы).

Ö Технологические ГТУ (стационарные ГТУ, включенные в технологический цикл произ­водства, например для привода воздуходу­вок в доменном производстве и на нефте­перегонных заводах).

Ö ГТУ в составе комбинированных установок (паро-газовые, газо-паровые, газо-дизельные установки).

· По типу цикла:

Ö Открытый цикл (рис. 1.1).

Ö Замкнутый цикл (рис. 1.4).

Отработавший в турбине 3 газ после регенератора 6 не удаляется в атмосферу, как в ГТУ откры­того типа, а направляется в охладитель 5. Там он охлаж­дается до температуры Т3, при этом давление его снижа­ется до P2. Охладитель представляет собой теплообмен­ник поверхностного типа, в котором охлаждающей средой служит обычная вода. С точки зрения термодинамики, охлади­тель 5 выполняет роль теплоприёмника (холодного источни­ка). Охлажденный газ поступа­ет в компрессор 4, где сжимается от P2 до P1, за счет че­го температура его повышается от Т3 до Т4. После компрессора газ направляется в регенератор 6, в котором подогревается за счёт газов, выходящих из турбины 3. В замкнутых ГТУ вместо камеры сгорания устанавливается нагреватель 1, в котором рабочее тело (газ или воздух) пропускается внутри трубок. Снаружи эти трубки нагреваются за счет тепла, выделяющего при сгорании топлива в топке, которая по принципу работы схожа с топкой паровых котлов. Поэтому нагреватель ГТУ иногда называют "воздушным котлом". В нагревателе 1, температура рабочего газа резко возрастает до Т1, далее газ поступает в тур­бину 3, где расширяется, совершая работу. Температура при этом падает до T2. Турбина вращает компрессор 4, а избыточную часть своей мощности отдает потребителю 2. Далее отработавший газ, имея достаточно высокую температуру, направляется в регенератор, где отдает часть своего тепла на подогрев газа, движущегося из компрессора 4 в нагреватель 1.

Затем цикл снова повторяется.

В замкнутой ГТУ циркулирует одно и то же массовое количество рабочего тела, за исключением незна­чительной по величине утечки газа из контура через различные неплотности, которая автоматически восполняется из специального устройства (на рисунке не показано). Мощность установки регулируется изменением давления газа в её контуре за счет изменения массового расхода рабочего газа при сохранении практически неизменными степени повышения давления p, а также Т1 и Т3 (максимальной и минимальной температур цикла) с помощью специ­ального центробежного регулятора (на рисунке не показан).

Замкнутые ГТУ по сравнению с открытыми обладают следующими преимуществами:

­ благодаря отсутствию в циркулирующем газе веществ, вы­зывающих коррозию и эрозию лопаточного аппарата, значительно повышается надёжность и долговечность турбины;

­ замкнутые ГТУ могут работать на любых видах топлива, в том числе на твердом и тяжелых сортах жидкого топлива (мазутах);

­ замкнутые ГТУ могут работать на атомной энергии;

­ путем повышения начального давления газа перед компрессором можно в широких пределах увеличивать его весовой расход в ГТУ, а это дает возможность либо в соответствующее число раз увеличить единичную мощность установки, либо при неизменной мощности значительно снизить её вес за счёт уменьшения поверхности теплообменников, размеров ГТУ и диаметров трубопроводов;

­ в замкнутых ГТУ мощность регулируется изменением давления газа в контуре, поэтому к.п.д. установки при раз­личных режимах нагрузки и в широком диапазоне рабочих параметров остаётся не­изменным;

­ в качестве рабочего тела можно использовать любые газообразные вещества, либо обладающие лучшими теплофизическими свойствами, либо позволяющие сделать цикл установки более совершенным и выгодным с термодинамической точки зре­ния, либо имеющие какие-то другие преимущества.

Ö Полузамкнутый цикл.

При таком цикле часть продуктов сгорания отбирается за турбиной и направляется в промежуточную ступень компрессора.

· По количеству валов:

Ö Одновальные ГТУ (рис 1.1).

Преимущества одновальных установок - конструктивная простота, минимальное число турбомашин и подшипников. Так же важным достоинством данных ГТУ является то, что при регенеративном цикле они сохраняют по­стоянный КПД ГТУ при уменьшении нагрузки до 70% и ниже.

Такие ГТУ имеют и не менее существенные недостатки. Жесткая связь осевого компрессора и приводимого нагнетателя существенно ограничивает возможности регулирования агрегата. Мощ­ность в установке данного типа регулируется только изменением расхода топлива. Если нагрузка уменьшается, уменьшают расход топлива, а при этом расход воздуха остается постоянным, поскольку компрессор, газовая турбина и нагрузка жестко связаны одним валом. Уменьшение расхода топлива, таким образом, ведет к уменьшению температуры за камерой сгорания, что уменьшает к.п.д. ГТУ.

Ö Двухвальные ГТУ.

В таких установках выделяют газогенераторную часть (компрессор и приводящая его турбина) иблок свободной силовой турбины.

Рис. 1.8. Принципиальная схема двухвальной ГТУ.

1-компрессор; 2-турбина высокого давления; 3-турбина низкого давления (силовая); 4-нагрузка (нагнетатель); 5-камера сгорания.

В такой установке турбина разделена на 2 ча­сти (рис 1.8).

Одна часть, обычно высокого давления 2, служит приводом компрессора 1 и может работать с переменным числом оборотов. Вторая часть, силовая турбина 3, работает со строго постоянным числом оборотов, если она предназначена для привода электрогенератора, и может иметь практически любую скорость вращения, ес­ли она предназначена для привода нагнетателя. Регулирование в ГТУ этого типа осуществляется не только путем изменения расхо­да топлива, но и за счет изменения расхода воздуха, подаваемого компрессором 1.

Такой метод позволяет значительно меньше снижать или вооб­ще не снижать температуру рабочего тела за камерой сгорания при работе на частичных нагрузках и тем самым поддерживать к.п.д. цикла на более высоком уровне.

Ö Трехвальные ГТУ.

Рис. 1.9. Принципиальная схема трехвальной ГТУ.

1-компрессор низкого давления; 2-компрессор высокого давления; 3-камера сгорания; 4- турбина высокого давления; 5-турбина низкого давления;

6-свободная турбина; 7-нагнетатель.

При больших степенях сжатия наблюдается различие расходов воздуха в начале и в конце проточной части компрессора, что может привести к помпажу. Для устранения этого явления компрессор делят на 2 и более частей, называемых каскадами. Каждый каскад имеет свою частоту вращения, за счет чего расход воздуха через них выравнивается. Каждый каскад приводится отдельной турбиной.

В любом случае на каждом валу должно быть не менее двух подшипниковых узлов: один – опорный, второй – опорно-упорный. При меняются подшипники качения и скольжения.

· По сложности термодинамического цикла:

Ö Простейший термодинамический цикл.

Ö

Рис 1.11. Схема двухступенчатого компрессора

с промежуточным охладителем.

1 – компрессор низкого давления; 2 – компрессор высокого давления;

3 – охладитель.

Работа, затрачиваемая на сжатие, при прочих равных условиях будет наименьшей, если процесс осуществляется изотермически, но для этого необходимо постоянно отводить теплоту от рабочего тела, что конструктивно практически невозможно осуществить.

Чтобы приблизить процесс к изотермическому и уменьшить затрачиваемую работу, променяют ступенчатое сжатие с охлаждением воздуха после каждой ступени в промежуточных холодильниках.

Ö

1 – камера сгорания; 2 – турбина высокого давления; 3 – камера сгорания промежуточного подогрева газа; 4 – силовая турбина.

Воздух из компрессо­ра , пройдя регенератор , поступает в КС 1, после которой рабочий газ с температурой Т*3Т*31

Ö Парогазовые установки (ПГУ).

1 – компрессор; 2 – парогенератор; 3 – газовая турбина; 4 – паровая турбина;

5 – нагрузка; 6 – конденсатор; 7 – насос; 8 – система теплообменников

Установка, работает следующим образом.

Атмосферный воздух снимается в компрессоре 1 и направляется в парогенератор (паровой котел) 2. Тут же подается топливо. На выходе из парогенератора температура продуктов сгорания снижается за счет передачи теплоты на нагрев воды и производство пара.

Полученный перегретый пар с давлением поступает в паровую турбину 4, где расширяясь до глубокого вакуума, совершает работу, и далее конденсируется в конденсаторе 6, Конденсат (питательная вода) подается насосом 7 в систему теплообменников 6, где нагревается до температуры кипения, и далее в парогенератор 2, таким образом, паровой цикл замыкается.

Цикл комбинированной парогазовой установки (рис. 1.16) строится для 1 кг водяного пара и соответствующего количества газа, приходящегося на 1 кг вода.

LЦГЦП

Теплота, затрачиваемая на образование пара в котле, умень­шается на количество, равное заштрихованной площадке в-8-9-д, а эффективность комбинированного цикла увеличивается, поскольку суммарная полезная работа обоих циклов LЦГ + LЦП одинакова при совместном и раздельном их осуществлении.

Ö

2016-12-062762

Газотурбинные установки электростанций

Когенерация - изображение 6 - изображение 6

Газотурбинные установки (ГТУ) – тепловые машины, в которых тепловая энергия газообразного рабочего тела преобразуется в механическую энергию. Основными компонентами являются: компрессор, камера сгорания и газовая турбина. Для обеспечения работы и управления в установке присутствует комплекс объединенных между собой вспомогательных систем. ГТУ в совокупности с электрическим генератором называют газотурбинным агрегатом. Вырабатываемая мощность одного устройства составляет от двадцати киловатт до десятков мегаватт. Это классические газотурбинные установки. Производство электроэнергии на электростанции осуществляется при помощи одной или нескольких ГТУ.

Устройство и описание

Газотурбинные установки состоят из двух основных частей, расположенных в одном корпусе, – газогенератора и силовой турбины. В газогенераторе, включающем в себя камеру сгорания и турбокомпрессор, создается поток газа высокой температуры, воздействующего на лопатки силовой турбины. При помощи теплообменника производится утилизация выхлопных газов и одновременное производство тепла через водогрейный или паровой котел. Работа газотурбинных установок предусматривает использование двух видов топлива – газообразного и жидкого.

В обычном режиме ГТУ работает на газе. В аварийном или резервном при прекращении подачи газа осуществляется автоматический переход на жидкое (дизельное) топливо. В оптимальном режиме газотурбинные установки комбинированно производят электрическую и тепловую энергию. По количеству вырабатываемой тепловой энергии ГТУ значительно превосходят газопоршневые устройства. Турбоагрегаты используются на электростанциях как для работы в базовом режиме, так и для компенсирования пиковых нагрузок.

История создания

Идея использовать энергию горячего газового потока была известна еще с древних времен. Первый патент на устройство, в котором были представлены те же основные составляющие, что и в современных ГТУ, был выдан англичанину Джону Барберу в 1791 году. Газотурбинная установка включала в себя компрессоры (воздушный и газовый), камеру сгорания и активное турбинное колесо, но так и не получила практического применения.

Управление - изображение 7 - изображение 7

В 19-м и начале 20-го века многие ученые и изобретатели всего мира разрабатывали установку, пригодную для практического применения, но все попытки были безуспешными ввиду низкого развития науки и техники тех времен. Полезная мощность, выдаваемая опытными образцами, не превышала 14% при низкой эксплуатационной надежности и конструктивной сложности.

Впервые газотурбинные установки электростанций были использованы в 1939 году в Швейцарии. В эксплуатацию была введена электростанция с турбогенератором, выполненным по простейшей схеме мощностью 5000 кВт. В 50-х годах эта схема была доработана и усложнена, что позволило увеличить КПД и мощность до 25 МВт. Производство газотурбинных установок в промышленно развитых странах сформировалось в единый уровень и направление развития по мощностям и параметрам турбоагрегатов. Суммарная мощность выпущенных в Советском Союзе и России газотурбинных установок исчисляется миллионами кВт.

Принцип работы ГТУ

Атмосферный воздух поступает в компрессор, сжимается и под высоким давлением через воздухоподогреватель и воздухораспределительный клапан направляется в камеру сгорания. Одновременно через форсунки в камеру сгорания подается газ, который сжигается в воздушном потоке. Сгорание газовоздушной смеси образует поток раскаленных газов, который с высокой скоростью воздействует на лопасти газовой турбины, заставляя их вращаться. Тепловая энергия потока горячего газа преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины, который приводит в действие компрессор и электрогенератор. Электроэнергия с клемм генератора через трансформатор направляется в потребительскую электросеть.

Применение в энергетике - изображение 8 - изображение 8

Горячие газы через регенератор поступают в водогрейный котел и далее через утилизатор в дымовую трубу. Между водогрейным котлом и центральным тепловым пунктом (ЦТП) при помощи сетевых насосов организована циркуляция воды. Нагретая в котле жидкость поступает в ЦТП, к которому осуществляется подключение потребителей. Термодинамический цикл газотурбинной установки состоит из адиабатного сжатия воздуха в компрессоре, изобарного подвода теплоты в камере сгорания, адиабатного расширения рабочего тела в газовой турбине, изобарного отвода теплоты.

В качестве топлива для ГТУ используется природный газ – метан. В аварийном режиме, в случае прекращения подачи газа, ГТУ переводится на частичную нагрузку, а в качестве резервного топлива используются дизельное топливо или сжиженные газы (пропан-бутан). Возможные варианты работы газотурбинной установки: отпуск электроэнергии или совмещенный отпуск электричества и тепловой энергии.

Когенерация

Производство электричества с одновременной выработкой сопутствующей тепловой энергии называется когенерацией. Эта технология позволяет значительно повысить экономическую эффективность использования топлива. В зависимости от нужд газотурбинная установка дополнительно может оснащаться водогрейными или паровыми котлами. Это дает возможность получать горячую воду или пар различного давления.

КПД - изображение 9 - изображение 9

При оптимальном использовании двух видов энергии достигается максимальный экономический эффект когенерации, а коэффициент использования топлива (КИТ) достигает 90%. В этом случае тепло выхлопных газов и тепловая энергия из системы охлаждения агрегатов, вращающих электрогенераторы (по сути, бросовая энергия), используется по назначению. При необходимости утилизируемое тепло может использоваться для производства холода в абсорбционных машинах (тригенерация). Система когенерации состоит из четырех ключевых частей: первичный двигатель (газовая турбина), электрогенератор, система теплоутилизации, система управления и контроля.

Управление

Выделяют два основных режима работы, при которых эксплуатируются газотурбинные установки:

  • Стационарный. В этом режиме турбина работает при фиксированной номинальной или неполной нагрузке. До недавнего времени стационарный режим был основным для ГТУ. Остановка турбины проводилась несколько раз в год для плановых ремонтов или в случае неполадок.
  • Переменный режим предусматривает возможность изменения мощности ГТУ. Необходимость изменять режим работы турбины может быть вызвана одной из двух причин: если изменилась потребляемая электрогенератором мощность ввиду изменения подключенной к нему нагрузки потребителей, и если изменилось атмосферное давление и температура забираемого компрессором воздуха. К нестационарным режимам, причем наиболее сложным, относится остановка и пуск газотурбинной установки. При последнем машинист газотурбинных установок должен выполнить многочисленные операции перед первым толчком ротора. Перед полноценным пуском установки осуществляется предварительная раскрутка ротора.

Достоинства и недостатки - изображение 10 - изображение 10

Изменение режима работы установки осуществляется регулировкой подачи горючего в камеру сгорания. Главной задачей управления ГТУ является обеспечение нужной мощности. Исключением является газотурбинная энергетическая установка, для которой основная задача управления – постоянство частоты ращения, связанного с турбиной электрического генератора.

Применение в энергетике

В стационарной энергетике применяются ГТУ разного назначения. В качестве основных приводных двигателей электрогенераторов на тепловых электростанциях газотурбинные установки используются в основном в районах с достаточным количеством природного газа. Благодаря возможности быстрого пуска ГТУ широко применяются для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах в периоды максимального потребления энергии. Резервные газотурбинные агрегаты обеспечивают внутренние нужды ТЭС во время остановки основного оборудования.

КПД

В целом электрический КПД газовых турбин ниже, чем у других силовых агрегатов. Но при полной реализации теплового потенциала газотурбинного агрегата значимость этого показателя становится менее актуальной. Для мощных газотурбинных установок существует инженерный подход, предполагающий комбинированное использование двух видов турбин за счет высокой температуры выхлопных газов.

Экология - фотография 11 - изображение 11

Вырабатываемая тепловая энергия идет на производство пара для паровой турбины, которая используется параллельно с газовой. Это повышает электрический КПД до 59% и существенно увеличивает эффективность использования топлива. Недостатком такого подхода является конструктивное усложнение и удорожание проекта. Соотношение производимой ГТУ электрической и тепловой энергии примерно 1:2, то есть на 10 МВт электроэнергии выдается 20 МВт энергии тепловой.

Достоинства и недостатки

К преимуществам газовых турбин относятся:

  • Простота устройства. Ввиду отсутствия котельного блока, сложной системы трубопроводов и множества вспомогательных механизмов металлозатраты на единицу мощности у газотурбинных установок значительно меньше.
  • Минимальный расход воды, которая в ГТУ требуется только для охлаждения подаваемого к подшипникам масла.
  • Быстрый ввод в работу. Для газовых турбоагрегатов время пуска из холодного состояния до принятия нагрузки не превышает 20 минут. Для паросиловой установки ТЭС пуск занимает несколько часов.

Экономика ГТУ - фотография 12 - изображение 12

Недостатки:

  • В работе газовых турбоагрегатов используется газ с весьма высокой начальной температурой – более 550 градусов. Это вызывает трудности при практическом исполнении газовых турбин, так как требуются специальные жаростойкие материалы и особые системы охлаждения для наиболее нагреваемых частей.
  • Около половины развиваемой турбиной мощности расходуется на привод компрессора.
  • ГТУ ограничены по топливу, используется природный газ или качественное жидкое топливо.
  • Мощность одной газотурбинной установки ограничена 150 МВт.

Экология

Позитивным фактором использования ГТУ является минимальное содержание вредных веществ в выбросах. По этому критерию газовые турбины опережают ближайшего конкурента – поршневые электростанции. Благодаря своей экологичности газотурбинные агрегаты без проблем можно размещать в непосредственной близости от мест проживания людей. Низкое содержание вредных выбросов при эксплуатации ГТУ позволяет экономить средства при строительстве дымовых труб и приобретении катализаторов.

Энергетические газотурбинные установки. Циклы газотурбинных установок - фото 13 - изображение 13

Экономика ГТУ

На первый взгляд, цены на газотурбинные установки довольно высоки, но при объективной оценке возможностей этого энергетического оборудования все аспекты встают на свои места. Высокие капиталовложения на старте энергетического проекта полностью компенсируются незначительными расходами при последующей эксплуатации. Кроме того, значительно снижаются экологические платежи, уменьшаются затраты на покупку электрической и тепловой энергии, снижается влияние на окружающую среду и население. Вследствие перечисленных причин ежегодно приобретаются и устанавливаются сотни новых газотурбинных установок.

Энергетические газотурбинные установки. Циклы газотурбинных установок

На острие прогресса - фотография 14 - изображение 14

Газотурбинные установки (ГТУ) представляют собой единый, относительно компактный энергетический комплекс, в котором спаренно работают силовая турбина и генератор. Система получила широкое распространение в так называемой малой энергетике. Отлично подходит для электро- и теплоснабжения крупных предприятий, отдаленных населенных пунктов и прочих потребителей. Как правило, ГТУ работают на жидком топливе либо газе.

Историческая справка - фото 15 - изображение 15

На острие прогресса

В наращивании энергетических мощностей электростанций главенствующая роль переходит к газотурбинным установкам и их дальнейшей эволюции – парогазовым установкам (ПГУ). Так, на электростанциях США с начала 1990-х более 60 % вводимых и модернизируемых мощностей уже составляют ГТУ и ПГУ, а в некоторых странах в отдельные годы их доля достигала 90 %.

В большом количестве строятся также простые ГТУ. Газотурбинная установка – мобильная, экономичная в эксплуатации и легкая в ремонте – оказалась оптимальным решением для покрытия пиковых нагрузок. На рубеже веков (1999-2000 годы) суммарная мощность газотурбинных установок достигла 120 000 МВт. Для сравнения: в 80-е годы суммарная мощность систем этого типа составляла 8000-10 000 МВт. Значительная часть ГТУ (более 60 %) предназначались для работы в составе крупных бинарных парогазовых установок со средней мощностью порядка 350 МВт.

Сравнение паротурбинных и парогазовых установок - фото 16 - изображение 16

Историческая справка

Теоретические основы применения парогазовых технологий были достаточно подробно изучены у нас в стране еще в начале 60-х годов. Уже в ту пору стало ясно: генеральный путь развития теплоэнергетики связан именно с парогазовыми технологиями. Однако для их успешной реализации были необходимы надежные и высокоэффективные газотурбинные установки.

Именно существенный прогресс газотурбостроения определил современный качественный скачок теплоэнергетики. Ряд зарубежных фирм успешно решили задачи создания эффективных стационарных ГТУ в ту пору, когда отечественные головные ведущие организации в условиях командной экономики занимались продвижением наименее перспективных паротурбинных технологий (ПТУ).

Если в 60-х годах коэффициент полезного действия газотурбинных установок находился на уровне 24-32 %, то в конце 80-х лучшие стационарные энергетические газотурбинные установки уже имели КПД (при автономном использовании) 36-37 %. Это позволяло на их основе создавать ПГУ, КПД которых достигал 50 %. К началу нового века данный показатель был равен 40 %, а в комплексе с парогазовыми – и вовсе 60 %.

Схема газотурбинной установки - фотография 17 - изображение 17

Сравнение паротурбинных и парогазовых установок

В парогазовых установках, базирующихся на ГТУ, ближайшей и реальной перспективой стало получение КПД 65 % и более. В то же время для паротурбинных установок (развиваемых в СССР), только в случае успешного решения ряда сложных научных проблем, связанных с генерацией и использованием пара сверхкритических параметров, можно надеяться на КПД не более 46-49 %. Таким образом, по экономичности паротурбинные системы безнадежно проигрывают парогазовым.

Существенно уступают паротурбинные электростанции также по стоимости и срокам строительства. В 2005 году на мировом энергетическом рынке цена 1 кВт на ПГУ мощностью 200 МВт и более составляла 500-600 $/кВт. Для ПГУ меньших мощностей стоимость была в пределах 600-900 $/кВт. Мощные газотурбинные установки соответствуют значениям 200-250 $/кВт. С уменьшением единичной мощности их цена растет, но не превышает обычно 500 $/кВт. Эти значения в разы меньше стоимости киловатта электроэнергии паротурбинных систем. Например, цена установленного киловатта у конденсационных паротурбинных электростанций колеблется в пределах 2000-3000 $/кВт.

Принцип работы - фотография 18 - изображение 18

Схема газотурбинной установки

Установка включает три базовых узла: газовую турбину, камеру сгорания и воздушный компрессор. Причем все агрегаты размещаются в сборном едином корпусе. Роторы компрессора и турбины соединяются друг с другом жестко, опираясь на подшипники.

Вокруг компрессора размещаются камеры сгорания (например, 14 шт.), каждая в своем отдельном корпусе. Для поступления в компрессор воздуха служит входной патрубок, из газовой турбины воздух уходит через выхлопной патрубок. Базируется корпус ГТУ на мощных опорах, размещенных симметрично на единой раме.

Принцип работы

В большинстве установок ГТУ используется принцип непрерывного горения, или открытого цикла:

  • Вначале рабочее тело (воздух) закачивается при атмосферном давлении соответствующим компрессором.
  • Далее воздух сжимается до большего давления и направляется в камеру сгорания.
  • В нее подается топливо, которое сгорает при постоянном давлении, обеспечивая постоянный подвод тепла. Благодаря сгоранию топлива температура рабочего тела увеличивается.
  • Далее рабочее тело (теперь это уже газ, представляющей собой смесь воздуха и продуктов сгорания) поступает в газовую турбину, где, расширяясь до атмосферного давления, совершает полезную работу (крутит турбину, вырабатывающую электроэнергию).
  • После турбины газы сбрасываются в атмосферу, через которую рабочий цикл и замыкается.
  • Разность работы турбины и компрессора воспринимается электрогенератором, расположенным на общем валу с турбиной и компрессором.

Установки прерывистого горения - фотография 19 - изображение 19

Установки прерывистого горения

В отличие от предыдущей конструктивной схемы, в установках прерывистого горения применяются два клапана вместо одного.

  • Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания через первый клапан при закрытом втором клапане.
  • Когда давление в камере сгорания поднимается, первый клапан закрывают. В результате объем камеры оказывается замкнутым.
  • При закрытых клапанах в камере сжигают топливо, естественно, его сгорание происходит при постоянном объеме. В результате давление рабочего тела дополнительно увеличивается.
  • Далее открывают второй клапан, и рабочее тело поступает в газовую турбину. При этом давление перед турбиной будет постепенно снижаться. Когда оно приблизится к атмосферному, второй клапан следует закрыть, а первый открыть и повторить последовательность действий.

Циклы газотурбинных установок

Переходя к практической реализации того или иного термодинамического цикла, конструкторам приходится сталкиваться с множеством непреодолимых технических препятствий. Наиболее характерный пример: при влажности пара более 8-12 % потери в проточной части паровой турбины резко возрастают, растут динамические нагрузки, возникает эрозия. Это в конечном счете приводит к разрушению проточной части турбины.

В результате указанных ограничений в энергетике (для получения работы) широкое применение пока находят только два базовых термодинамических цикла: цикл Ренкина и цикл Брайтона. Большинство энергетических установок строится на сочетании элементов указанных циклов.

Цикл Ренкина применяют для рабочих тел, которые в процессе реализации цикла совершают фазовый переход, по такому циклу работают паросиловые установки. Для рабочих тел, которые не могут быть сконденсированы в реальных условиях и которые мы называем газами, применяют цикл Брайтона. По этому циклу работают газотурбинные установки и двигатели ДВС.

Используемое топливо

Подавляющее большинство ГТУ рассчитаны на работу на природном газе. Иногда жидкое топливо используется в системах малой мощности (реже – средней, очень редко – большой мощности). Новым трендом становится переход компактных газотурбинных систем на применение твердых горючих материалов (уголь, реже торф и древесина). Указанные тенденции связаны с тем, что газ является ценным технологическим сырьем для химической промышленности, где его использование часто более рентабельно, чем в энергетике. Производство газотурбинных установок, способных эффективно работать на твердом топливе, активно набирает обороты.

Циклы газотурбинных установок - изображение 20 - изображение 20

Отличие ДВС от ГТУ

Принципиальное отличие двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных комплексов сводится к следующему. В ДВС процессы сжатия воздуха, сгорания топлива и расширения продуктов сгорания происходят в пределах одного конструктивного элемента, именуемого цилиндром двигателя. В ГТУ указанные процессы разнесены по отдельным конструктивным узлам:

  • сжатие осуществляется в компрессоре;
  • сгорание топлива, соответственно, в специальной камере;
  • расширение продуктов сгорания осуществляется в газовой турбине.

В результате конструктивно газотурбинные установки и ДВС мало похожи, хотя работают по схожим термодинамическим циклам.

Вывод

С развитием малой энергетики, повышением ее КПД системы ГТУ и ПТУ занимают все большую долю в общей энергосистеме мира. Соответственно, все более востребована перспективная профессия машинист газотурбинных установок. Вслед за западными партнерами ряд российских производителей освоили выпуск экономически эффективных установок газотурбинного типа. Первой парогазовой электростанцией нового поколения в РФ стала Северо-Западная ТЭЦ в Санкт-Петербурге.

Г1-01: недостатки одновальной газотурбинной установки(сложно-технический пост).

Используемое топливо - фото 21 - изображение 21

Г1 (Газотурбовоз, модель 1-я) — первый советский газотурбовоз, построенный Коломенским тепловозостроительным заводом в 1959 году в единственном экземпляре (Г1-01).

Отличие ДВС от ГТУ - изображение 22 - изображение 22

На Коломенском паровозостроительном заводе им. В. В. Куйбышева проводилось начатое в 1954 г. эскизное проектирование односекционного восьмиосного газотурбовоза с полезной мощностью газовой турбины 4500 л.с.

Однако во второй половине 1955 г. эта работа была прекращена, и началось проектирование двухсекционного газотурбовоза с газотурбинными установками мощностью по 3500 л.с.

К концу года был закончен технический проект, а в середине 1956 г. началось изготовление газотурбинной установки, которая была готова в декабре 1957 г.

Эта установка (ГТУ № 1) имела подшипники скольжения.

В ноябре 1958 г. началось испытание второй газотурбинной установки (ГТУ № 2), которая была разработана с учетом опыта работы первой установки и, в частности, имела подшипники качения.

После получения изготовленных харьковским заводом «Электротяжмаш» генераторов эта установка с июля 1959 г. испытывалась под нагрузкой. Испытания выявили ряд недостатков установки, и её конструкция вновь подверглась переработке; появилась ГТУ № 3.

В конце 1959 г. завод построил одну секцию грузового газотурбовоза Г1-01.

Вывод - фото 23 - изображение 23

На газотурбовозе была применена одновальная газотурбинная установка ГТ-3,5 с открытым циклом без регенерации мощностью 3500 л. с. Она состояла из 12-ти ступенчатого компрессора, шести прямоточных камер сгорания и 4-х ступенчатой турбины.Атмосферный воздух сжимался в компрессоре до давления 5,5 — 6 атм. и поступал в камеру сгорания.При сгорании топлива воздух нагревался до температуры 727 °С, и рабочая смесь поступала в газовую турбину.Примерно 2/3 мощности турбины затрачивалось на вращение компрессора, остальная часть шла на вращение трёх тяговых генераторов постоянного тока.

Г1-01: недостатки одновальной газотурбинной установки(сложно-технический пост). - изображение 24 - изображение 24

ГТУ. Устройство и принцип действия - фото 25 - изображение 25

1 — холодильник; 2 — компрессор; 3 — камеры сгорания; 4 — турбина; 5 — редуктор; 6 — главные генераторы; 7 — вспомогательный генератор; 8 — возбудитель; 9 — высоковольтная камера; 10 — тормозной компрессор; 11 — маневровый генератор; 12 — вспомогательный дизель; 13 — бак дизельного топлива; 14— котел-подогреватель; 15 — бак тяжелого топлива

Газотурбинная установка с редуктором, генераторами и элементами вспомогательного оборудования была смонтирована на отдельной раме, размещенной в средней части кузова. Каждый тяговый генератор питал два параллельно включенных тяговых электродвигателя ЭДТ-340 мощностью по 340 кВт.Источником электроэнергии при одиночном следовании локомотива служила вспомогательная силовая установка, состоявшая из 6-цилиндрового дизеля 1Д6 мощностью 150 л.с. и двухмашинного агрегата.

Конструкция газовых турбин - изображение 26 - изображение 26

Весьма важно, особенно для работы на железнодорожном транспорте, что в камере сгорания возможно сжигание низкосортного жидкого топлива (моторные топлива, дистилляты, облегченные мазуты, сырая нефть и т. д.).

Одним из основных условий для сжигания того или иного сорта топлива, как известно, является время, которое отводится в процессе работы двигателя на воспламенение и сгорание топлива.В ГТД в отличие от поршневых сгорание топлива отделено от процессов сжатия и расширения рабочего тела, происходит в камерах сгорания непрерывно и не зависит от скорости вращения турбины.Поэтому в быстроходном ГТД время, в течение которого жидкое топливо сгорает в камере, примерно в 20 раз больше, чем, например, в цилиндре дизеля тепловоза.

В связи с высокой вязкостью тяжелых жидких топлив для хорошего распыливания форсунками топливо приходится подогревать до 80—120°C.Но даже и в этих условиях пуск двигателя оказывается трудным.Поэтому в начале запуска используют более легкое дизельное топливо и зажигают его от электрической свечи; в последующем распыленное основное топливо подается непосредственно в горящий факел.

Камеры сгорания работают очень напряженно — теплосъем с единицы объема камеры примерно в 10—20 раз выше, чем в топке парового котла.Температура стенок жаровой трубы достигает 800—900°C, и поэтому жаровая труба, хотя и изготовляется из жароупорной, химически стойкой стали, является наиболее часто сменяемым (2000—3000 ч.) элементом ГТД.

Возможности однокорпусного компрессора с дозвуковыми скоростями течения воздуха в проточной части ограничены.Для того чтобы сжимать воздух до 12—15 кГ/см2, нужно либо переходить к сверхзвуковым компрессорам с очень сложной организацией рабочего процесса, как это делают в авиации, либо к двухкомпрессорным схемам.Последний случай наиболее приемлем для наземных транспортных двигателей, работающих при резко переменных нагрузках.

Вместе с тем переход к двухкомпрессорным схемам не есть простое разделение одного компрессора на два.Есть необходимость разделения валов компрессора, каждый из которых в качестве привода должен иметь собственную газовую турбину.Возникает двухвальный двигатель (рис. 25), состоящий из двух турбокомпрессоров: низкого и высокого давления. Воздух последовательно сжимается в компрессоре низкого и высокого давления, нагревается в камере сгорания, а затем расширяется в турбинах.Свободная мощность в принципе может сниматься с любого вала турбокомпрессоров.

Конструкция газовой турбины - фото 27 - изображение 27

В одновальном ГТД при неподвижной турбине неподвижен и компрессор.Следовательно, в этих условиях совершенно отсутствует сжатый и нагретый воздух, и турбина не может развивать ни мощности, ни момента.В тяговом отношении одновальный двигатель имеет даже худшие характеристики, чем дизель. Он не может работать в жесткой связи, например, с колесами локомотива или другого транспортного средства.

Разделим газовую турбину одновального двигателя на две — компрессорную, жестко связанную валом с компрессором, и свободную тяговую турбину, сидящую на отдельном валу (рис. 26).

Турбокомпрессор превращается в генератор газа, не связанный валом с тяговой турбиной.В полученном таким образом двухвальном двигателе тяговая турбина уже может быть жестко связана с потребителем мощности, например, с колесами локомотива.

ГТУ и их отличия от паровых турбин и ДВС - фотография 28 - изображение 28

Когда локомотив стоит и тяговая турбина неподвижна, турбокомпрессор может развивать обороты вплоть до реализации полной мощности и максимального вращающего момента на венце тяговой турбины, необходимого для трогания состава с места.По мере увеличения числа оборотов тяговой турбины (независимо от числа оборотов турбокомпрессора) тяговое усилие будет снижаться.

В простейшем одновальном двигателе воздух в процессе сжатия в компрессоре нагревается до 200—250°C.В то же время газы, покидающие турбину, имеют достаточно высокую температуру (400—450°C).Совершенно естественно, что в этих условиях часть тепла газов можно полезно использовать или, как говорят, регенерировать, отдав его воздуху, покидающему компрессор и идущему в камеру сгорания.Для этого нужно между компрессором и камерой поставить теплообменник (рис. 27), в котором теплопередающую поверхность с одной стороны омывали бы газы, а с другой — сжатый воздух.

Принцип действия и схемы газотурбинных установок - фото 29 - изображение 29

В двигателе, состоящем из двух турбокомпрессоров (см. рис. 25), можно осуществить и еще одно теплотехническое мероприятие — дополнительный подвод тепла в процессе расширения.Для этого нужно между турбинами высокого и низкого давления поставить вторую камеру сгорания (рис. 31).Обычно во второй камере газы нагреваются до той же температуры, что и в первой.Следует отметить, что возможность сжигания топлива во второй камере определяется тем, что в подходящем к ней воздухе содержится мало продуктов сгорания топлива, сожженного в первой камере, т. е. кислорода оказывается достаточно для полного сжигания топлива.Дополнительный подогрев рабочего тела заметно повышает к. п. д. двигателя и величину удельной работы.

Вопрос 15 Что такое газотурбинная установка? Объясните принцип - изображение 30 - изображение 30

1 — компрессор низкого давления; 2 — компрессор высокого давления; 3 — камера сгорания высокого давления; 4 — газовая турбина высокого давления; 5 — камера сгорания низкого давления; 6 — газовая турбина низкого давления

На рис. 34 показана схема трехвального двигателя с регенерацией тепла, промежуточным охлаждением воздуха, дополнительным подводом тепла и со свободной тяговой турбиной среднего давления (тяговая турбина может быть и низкого давления).При кажущейся сложности такой двигатель весьма компактен и может быть с успехом размещен в кузове локомотива. Отмеченное выше повышение удельной работы приводит к таким интересным результатам: если в простейшем одновальном двигателе мощностью 3 000 л. с. необходимо, чтобы в цикле участвовало 21—22 кг/сек воздуха, то в двигателе рассматриваемой сложной схемы мощностью 6 000 л. с., т. е. вдвое большей, расход воздуха равен только 18—19 кг/сек.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ - фото 31 - изображение 31

1 — компрессор низкого давления; 2 — холодильник; 3 — компрессор высокого давления; 4 — регенератор; 5 — камера сгорания высокого давления; 6 — газовая турбина высокого давления; 7 — камера сгорания среднего давления: 8 — тяговая газовая турбина среднего давления: 9 — газовая турбина низкого давления

Но, пожалуй, самым важным является то, что рассматриваемый трехвальный двигатель решает одну из самых сложных и важных проблем применения газотурбинных двигателей на локомотивах — проблему экономичности двигателя на переменном режиме работы. Одновальный ГТД имеет совершенно неудовлетворительные показатели в этом отношении — его к. п. д. на частичных нагрузках резко падает , что приводит к низкому эксплуатационному к. п. д. локомотива.

Трехвальный двигатель с теплотехническими мероприятиями позволяет не только получить более высокий к. п. д. на расчетной мощности, но и удерживать его до 50—60% нагрузки.

Создание первых газотурбинных локомотивов относится к ранним послевоенным годам, т. е. к начальной стадии развития газотурбостроения вообще.Поэтому естественно, что почти на всех газотурбовозах использован простейший одновальный ГТД.Хотя,в 1957—1959 гг. завод им В. И. Ленина в ЧССР построил два опытных газотурбовоза мощностью 3 200 л. с. Силовые установки локомотивов состояли из двухвальных регенеративных ГТД и механической передачи.

Принцип работы гту - фотография 32 - изображение 32

1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — компрессорная турбина; 4 — тяговая турбина; 5 — сцепление; 6 — главный редуктор и реверс-редуктор; 7 — карданный вал; 8 — осевой редуктор; 9 — ведущая колесная пара

Газотурбовоз ГТ1 (2007)(позднее ГТ1h) — российский опытный газотурбовоз (тепловоз с газотурбинным двигателем). На нём используется электрическая передача: газотурбинный двигатель, работающий на сжиженном природном газе, соединён с генератором переменного тока, а вырабатываемый последним ток выпрямляется и подаётся на тяговые электродвигатели, которые и приводят локомотив в движение.

Принцип работы гту - фотография 33 - изображение 33

НК-361, входящий в силовой блок ГТЭ-8,3/НК, выполнен по двухвальной схеме со свободной силовой турбиной.

Толковой схемы ГТД  ГТ1 в интернете не нашёл,поэтому верю журналистам.Почему не трёхвальная сказать не могу,если есть специалисты,подскажите.

Полная максимальная мощность ГТЭ составляет 8300 кВт при к.п.д. 30 %.ГТД приводит в действие тяговый электрогенератор мощностью 7370 кВт и вспомогательный генератор мощностью 600 кВт.

Принцип работы гту - фотография 34 - изображение 34

Принцип работы гту - фото 35 - изображение 35

2012 год — ГТ1-001 модернизирован с заменой дизельной силовой установки собственных нужд на тяговую аккумуляторную батарею (для маневровых передвижений с заглушенным ГТД), получив индекс "h" (hybrid — гибрид).

Я не специалист в области ГТД, позитивной критике буду только рад.)

Источник.

ГТУ. Устройство и принцип действия

Принцип работы гту - фотография 36 - изображение 36

Основные технические требования к паровым турбинам и их характеристики

К турбине предъявляется ряд требований, которые мож­но охватить одним термином – надежность. Надежность технического объекта – это его свойство выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Применительно к паровой турбине надежность – это бесперебойная выработка мощности при предусмотренных затратах топлива и установленной системе эксплуатации, технического обслуживания и ремонтов, а также недопущения ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

Важно подчеркнуть, что понятие надежности включает в себя и понятие экономичности. Бесперебойно работающая турбина, работающая с низкой экономичностью из-за износа или с ограничением мощности из-за внутренних неполадок, не может считаться надежной. Надежность – это комплексное свойство, характеризуемое такими подсвойствами, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, управляемость, живучесть, безопасность. Не вдаваясь в строгие определения этих подсвойств, отметим главные из них.

Безотказность – это свойство турбины непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторой наработки. Средняя наработка на отказ для турбин ТЭС мощностью 500 МВт и более должна быть не менее 6250 ч, а меньшей мощности – не менее 7000 ч, а для турбин АЭС – не менее 6000 ч. Если учесть, что в календарном году 8760 ч и что какое-то время турбина не работает (например, по указанию диспетчера энергосистемы), то это означает, что отказы по вине турбины в среднем должны происходить не чаще 1 раза в год.

Полный установленный срок службы турбины ТЭС должен быть не менее 40 лет, а турбин АЭС – не менее 30 лет. При этом оговаривается два важных обстоятельства. Первое: этот срок службы не относится к быстро­изнашивающимся деталям, например, рабочим лопаткам, уплотнениям, крепежным деталям. Для таких деталей важен средний срок службы до капитального ремонта (межремонтный период). В соответствии с ГОСТ он должен быть не менее 6 лет (кроме того, на ТЭС и АЭС реализуется плановая система текущих и планово-предупредительных ремонтов).

Для турбин ТЭС, а точнее для их деталей, работающих при температуре свыше 450 °С, кроме такого показателя долговечности, как срок службы, вводится другой показатель – ресурс – суммарная наработка турбины от начала эксплуатации до достижения предельного состояния. На этапе проектирования предельное состояние определяется как назначенный ресурс. По определению – это ресурс, при достижении которого эксплуатация турбины должна быть прекращена независимо от ее технического состояния. На самом деле при достижении назначенного ресурса турбина может сохранить значительную дополнительную работоспособность (остаточный ресурс) и, учитывая ее высокую стоимость, срок работы турбины продляют. Учитывая нелогичность применительно к турбине термина «назначенный ресурс», стали употреблять термин «расчетный ресурс». Таким образом, расчетный (назначенный) ресурс – это наработка турбины, которая гарантируется заводом-изготовителем; при ее достижении должен быть рассмотрен вопрос о ее дальнейшей эксплуатации.

ГОСТ не регламентирует расчетного ресурса (он должен быть установлен в технических условиях или техническом задании на ее проектирование в каждом конкретном случае). Долгие годы расчетный ресурс составлял 100 тыс. ч, сейчас – как правило, 200 тыс. ч. Подробнее вопрос о ресурсе рассматривается в лекции 15.

Важнейшим требованием к турбине является высокая экономичность. Коэффициент полезного действия турбины оценивается по КПД ее цилиндров.

Коэффициент полезного действия цилиндра характеризуется той долей работоспособности пара, которую удалось преобразовать в механическую энергию. Наивысшую экономичность имеет ЦСД: в хороших турбинах он составляет 90–94 %. Коэффициент полезного действия ЦВД и ЦНД существенно меньше и в среднем составляет 84–86 %. Это уменьшение обусловлено существенно более сложным характером течения пара в решетках очень малой (несколько десятков миллиметров в первых ступенях ЦВД) и очень большой (1 м и более) в последних ступенях ЦНД высотой решеток. Рассчитать это течение и подобрать под него профили лопаток затруднительно даже при современных вычислительных средствах. Кроме того, значительная часть проточной части ЦНД работает влажным паром, капли влаги имеют скорость существенно меньшую, чем пар, и оказывают на вращающиеся рабочие лопатки тормозящее действие.

Кроме приведенных технических требований ГОСТ содержит многочисленные другие требования, в частности, к системе защиты турбины при возникновении аварийных ситуаций, к маневренности (диапазон длительной работы – обычно 30–100 % номинальной мощности; продолжительности пуска и остановки, число возможных пусков и т.д.), к системе регулирования и управления турбиной, к ремонтопригодности и безопасности (пожаробезопасности, уровня вибрации, шума и т.д.), методов контроля параметров рабочих сред (пара, масла, конденсата), транспортирования и хранения.

Традиционная современная газотурбинная установка (ГТУ) – это совокупность воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих ее работу. Совокупность ГТУ и электрического генератора называют газотурбинным агрегатом.

Необходимо подчеркнуть одно важное отличие ГТУ от ПТУ. В состав ПТУ не входит котел, точнее котел рассматривается как отдельный ис­точник тепла; при таком рассмотрении котел – это «черный ящик»: в него входит питательная вода с температурой

Принцип работы гту - фотография 37 - изображение 37

, а выходит пар с параметрами

Принцип работы гту - фотография 38 - изображение 38

,

Принцип работы гту - изображение 39 - изображение 39

. Паротурбинная установка без котла как физического объекта работать не может. В ГТУ камера сгорания – это ее неотъемлемый элемент. В этом смысле ГТУ – самодостаточна.

Газотурбинные установки отличаются чрезвычайно большим разнообразием, пожалуй, даже большим, чем паротурбинные. Ниже рассмотрим наиболее перспективные и наиболее используемые в энергетике ГТУ простого цикла.

Принцип работы гту - фото 40 - изображение 40

Рис. 4.10.1

Принципиальная схема такой ГТУ показана на рис. 4.46.1. Воздух из атмосферы поступает на вход воздушного компрессора, который представляет собой роторную турбомашину с проточной частью, состоящей из вращающихся и неподвижных решеток. Отношение давления за компрессором

Принцип работы гту - фотография 41 - изображение 41

к давлению перед ним

Принцип работы гту - фотография 42 - изображение 42

называется степенью сжатия воздушного компрессора и обычно обозначается как

Принцип работы гту - фото 43 - изображение 43

. Ротор компрессора приводится газовой турбиной. Поток сжатого воздуха подается в одну, две (как на рис. 4.10.1) или более камер сгорания. При этом в большинстве случаев поток воздуха, идущий из компрессора, разделяется на два потока. Первый поток направляется к горелочным устройствам, куда также подается топливо (газ или жидкое топливо). При сжигании топлива образуются продукты сгорания топлива высокой температуры. К ним подмешивается относительно холодный воздух второго потока с тем, чтобы получить газы (их обычно называют рабочими газами) с допустимой для деталей газовой турбины температурой.

Рабочие газы с давлением

Принцип работы гту - фото 44 - изображение 44

из-за гидравлического сопротивления камеры сгорания, подаются в проточную часть газовой турбины, принцип действия которой ничем не отличается от принципа действия паровой турбины (отличие состоит только в том, что газовая турбина работает на продуктах сгорания топлива, а не на паре). В газовой турбине рабочие газы расширяются практически до атмосферного давления

Принцип работы гту - фотография 45 - изображение 45

, поступают в выходной диффузор 14, и из него – либо сразу в дымовую трубу, либо предварительно в какой-либо теплообменник, использующий теплоту уходящих газов ГТУ.

Вследствие расширения газов в газовой турбине, последняя вырабатывает мощность. Весьма значительная ее часть (примерно половина) тратится на привод компрессора, а оставшаяся часть – на привод электрогенератора. Это и есть полезная мощность ГТУ, которая указывается при ее маркировке.

Для изображения схем ГТУ применяют условные обозначения, подоб­ные тем, которые используют для ПТУ (рис. 4.46.2).

Принцип работы гту - фото 46 - изображение 46

Рис. 4.10.2

Из рассмотрения рис. 4.10.1 и 4.10.2 становится ясным, почему описанная ГТУ называется ГТУ простого термодинамического цикла. Более простой ГТУ быть не может, так как она содержит минимум необходимых компонентов, обеспечивающих последовательные процессы сжатия, нагрева и расширения рабочего тела: один компрессор, одну или несколько камер сгорания, работающих в одинаковых условиях, и одну газовую турбину. Наряду с ГТУ простого цикла, существуют ГТУ сложного цикла, которые могут содержать несколько компрессоров, турбин и камер сгорания. В частности, к ГТУ этого типа относятся ГТ-100-750, строив­шиеся в СССР в 70-е годы (рис. 4.10.3).

Принцип работы гту - фотография 47 - изображение 47

Рис. 4.10.3

Она выполнена двухвальной. На одном валу расположены компрессор высокого давления КВД и приводящая его турбина высокого давления ТВД; этот вал имеет переменную частоту вращения. На втором валу расположены турбина низкого давления ТНД, приводящая компрессор низкого давления КНД и электрический генератор ЭГ; поэтому этот вал имеет постоянную частоту вращения 50 с-1. Воздух в количестве 447 кг/с поступает из атмосферы в КНД и сжимается в нем до давления примерно 430 кПа (4,3 ат) и затем подается в воздухоохладитель ВО, где охлаждается водой с 176 до 35 °С. Это позволяет уменьшить работу, затрачиваемую на сжатие воздуха в компрессоре высокого давления КВД (степень сжатия

Принцип работы гту - изображение 48 - изображение 48

). Из него воздух поступает в камеру сгорания высокого давления КСВД и продукты сгорания с температурой 750 °С направляются в ТВД. Из ТВД газы, содержащие значительное количество кислорода, поступают в камеру сгорания низкого давления КСНД, в которой сжигается дополнительное топливо, а из нее – в ТНД. Отработавшие газы с температурой 390 °С выходят либо в дымовую трубу, либо в теплообменник для использования теплоты уходящих газов.

Принцип работы гту - фото 49 - изображение 49

Рис. 4.10.4

На рис. 4.10.4, а, б изображен термодинамический цикл газотурбинной установки, на

Принцип работы гту - фото 50 - изображение 50

и

Принцип работы гту - изображение 51 - изображение 51

диаграммах. Рабочее тело вначале сжимается в компрессоре по адиабате 1-2, затем к нему подводится теплота

Принцип работы гту - изображение 52 - изображение 52

при постоянном давле­нии (изобара 3-4), после чего рабочее тело расширяется без теплообмена с внешней средой (адиабата 4-5) до давления окружающей среды. Изобарный процесс 6-1 яв­ляется процессом отдачи теплоты холодному источнику теплоты (окружающей среде).

В рас­сматриваемом цикле

Принцип работы гту - фотография 53 - изображение 53

. Формула получает вид

Принцип работы гту - фото 54 - изображение 54

Но параметр

Принцип работы гту - изображение 55 - изображение 55

может быть преобразован. Действительно,

Принцип работы гту - изображение 56 - изображение 56

Так как

Принцип работы гту - фото 57 - изображение 57

;

Принцип работы гту - фотография 58 - изображение 58

;

Принцип работы гту - изображение 59 - изображение 59

;

Принцип работы гту - фотография 60 - изображение 60

; то

Принцип работы гту - изображение 61 - изображение 61

.

Термический кпд цикла можно также определить по

Принцип работы гту - фотография 62 - изображение 62

-диаграмме в виде отноше­ния площади 1245 к площади под процессом 2-4 (рис. 4.10.4). При изменении нагрузки ГТУ, т. е. при изменении подводимого количества теплоты к рабочему телу (например, при уменьшении), процесс расширения новых циклов показан пунктирными кривыми на рис. 46.4, а, б. Степень сжатия и показатель адиабаты при этом не изменяются. Это свидетельствует о том, что изменение нагрузки на термический кпд цикла не влияет.

При

Принцип работы гту - фото 63 - изображение 63

и

Принцип работы гту - фотография 64 - изображение 64

удельная работа рас­сматриваемого цикла может быть подсчитана по формуле

Принцип работы гту - изображение 65 - изображение 65

, (4.10.1)

Схема ГТУ, имеющей цикл с изохорным подводом теплоты, показана на рис. 4.м46.5.

Принцип работы гту - фотография 66 - изображение 66

Рис. 4.10.5.

Рабочая смесь (топливо с воздухом) воспламеняется с помощью электрической свечи зажигания 14, а газ из камеры сгорания периодически выпускается клапаном 13.

Принцип работы гту - фотография 67 - изображение 67

Рис. 4.10.6

На рис. 4.10.6.6 а, б дан сам цикл на

Принцип работы гту - фотография 68 - изображение 68

и

Принцип работы гту - фото 69 - изображение 69

диаграммах.

В рассматриваемом цикле

Принцип работы гту - изображение 70 - изображение 70

и

Принцип работы гту - изображение 71 - изображение 71

. Так как в этом случае, кроме того,

Принцип работы гту - изображение 72 - изображение 72

Принцип работы гту - фото 73 - изображение 73

(4.10.2)

с увеличением степени повышения давления

Принцип работы гту - изображение 74 - изображение 74

и степени сжатия

Принцип работы гту - изображение 75 - изображение 75

термический кпд цикла ГТУ с изохорным подводом теплоты увеличивается.

Термический кпд цикла можно определить, если воспользоваться изображением цикла на

Принцип работы гту - фото 76 - изображение 76

диаграмме в виде отношения площади 12351 к площади под процессом 2-3 (рис. 46.3, б).

Определяем работу рассматриваемого цикла. При

Принцип работы гту - фотография 77 - изображение 77

;

Принцип работы гту - фотография 78 - изображение 78

и

Принцип работы гту - изображение 79 - изображение 79

,

Принцип работы гту - изображение 80 - изображение 80

(4.10.3)

Основным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давле­ния. Эти недостатки отсутствуют в газотурбинных установках, где рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газо­образного топлива. Рабочее тело, имеющее высокие температуру и давление, из камеры сгорания направляется в сопло, в котором оно расширяется и с большой скоростью поступает на лопатки газовой турбины, где используется его кинетическая энергия для получения механической работы.

ГТУ обладают многими важными преимуществами перед порш­невыми двигателями. Газовые турбины имеют относительно малую массу и небольшие габариты, в них нет деталей с возвратно-посту­пательным движением, они могут выполняться с большими единичными мощностями.

Однако при создании крупных стационарных ГТУ еще нужно решить ряд важных задач. Прежде всего необходимо существен­но повысить начальную температуру газа перед турбиной, чтобы увеличить термический КПД цикла установки. Это потребует соз­дания новых жаропрочных сталей, способных устойчиво и дли­тельно работать при максимальных температурах. Применяемое в настоящее время водяное или газовое охлаждение элементов газовой турбины, работающих в области высоких температур, является недостаточно надежным и конструктивно сложным.

Необходимо также решить проблему создания компактного ре­генеративного газовоздушного теплообменника, который, как это будет ясно из дальнейшего изложения, должен являться неотъем­лемой частью современной экономичной ГТУ.

Большое значение для экономичности газотурбинной установ­ки имеет повышение эффективного КПД компрессора, входящего в систему установки. Дело в том, что примерно 75 % мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора и поэтому общий эффективный КПД ГТУ главным образом определяется совершенством работы компрессора. Вообще же газовая турбина является перспективным двигателем, и широкое внедрение ее в промышленность – одна из важных задач развития энергетики СССР.

ГТУ могут работать со сгоранием топлива при постоянном дав­лении и при постоянном объеме. Соответствующие им идеальные циклы делятся на циклы с подводом количества теплоты в про­цессе при постоянном давлении и постоянном объеме.

Конструкция газовых турбин

Принцип работы гту - фотография 81 - изображение 81

Газотурбинные установки (ГТУ) востребованы в промышленности, транспортной сфере, широко используются в энергетической отрасли. Это не очень сложное по конструкции оборудование, которые имеет высокий КПД и экономично в использовании.

Газовые турбины во многом схожи с двигателями, работающими на дизеле или бензине: как и в ДВС, тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива, переходит в механическую. При этом в установках открытого типа используются продукты сгорания, в закрытых системах - газ или обычный воздух. Одинаково востребованы и те, и другие. Кроме открытых и закрытых, различают турбокомпрессорные турбины и установки со свободно-поршневыми газогенераторами.

Проще всего рассмотреть конструкцию и принцип работы газовой турбины на установке турбокомпрессорного типа, которая работает при постоянном давлении.

Конструкция газовой турбины

Газовая турбина состоит из компрессора, воздухопровода, камеры сгорания, форсунки, проточной части, неподвижных и рабочих лопаток, патрубка для отработанных газов, редуктора, гребного винта и пускового двигателя.

За запуск турбины отвечает пусковой двигатель. Он приводит в движение компрессор, который раскручивается до нужной частоты вращения. Затем:

  • компрессор захватывает воздух из атмосферы и сжимает его;
  • воздух отправляется в камеру сгорания через воздухопровод;
  • через форсунку в ту же камеру входит топливо;
  • газ и воздух смешиваются и сгорают при постоянном давлении, в результате образуются продукты сгорания;
  • продукты сгорания охлаждают с помощью воздуха, после чего они поступают в проточную часть;
  • в неподвижных лопатках смесь газов расширяется и ускоряется, затем направляется на рабочие лопатки и приводит их в движение;
  • отработанная смесь выходит из турбины, по патрубку;
  • турбина передает кинетическую энергию компрессору и гребному винту посредством редуктора.

Принцип работы гту - фото 82 - изображение 82

Таким образом, газ в смеси с воздухом, сгорая, образует рабочую среду, которая, расширяясь, ускоряется и раскручивает лопатки, а за ними - и гребной винт. В последующем кинетическая энергия превращается в электричество или используется для передвижения морского судна.

Сэкономить на топливе можно, используя принцип регенерации тепла. В этом случае воздух, поступающий в турбину, согревается за счет отработанных газов. В результате установка расходует меньше топлива и происходит больше кинетической энергии. Регенератор, где подогревается воздух, одновременно служит для охлаждения отработанных газов.

Особенности ГТУ закрытого типа

Газовая турбина открытого типа забирает воздух из атмосферы и выводит отработанный газ наружу. Это не очень эффективно и опасно, если установка стоит в закрытом помещении, где работают люди. В этом случае используют ГТУ закрытого типа. Такие турбины не выпускают отработанные рабочее тело в атмосферу, а направляют его в компрессор. Оно не перемешивается с продуктами сгорания. Как результат, рабочая среда, циркулирующая в турбине, остается чистой, что увеличивает ресурс установки и сокращает количество поломок.

Однако закрытые турбины имеют слишком большие габариты. Газы, которые не выходят наружу, должны быть достаточно эффективно охлаждены. Это возможно только в больших теплообменниках. Поэтому установки используют на крупных судах, где достаточно места.

Закрытые ГТУ могут иметь и ядерный реактор. В качестве теплоносителя в них используют углекислый газ, гелий или азот. Газ нагревают в реакторе и направляют в турбину.

ГТУ и их отличия от паровых турбин и ДВС

Газовые турбины отличаются от ДВС более простой конструкцией и легкостью ремонта. Важно и то, что в них не предусмотрен кривошипно-шатунный механизм, который делает ДВС громоздким и тяжелым. Турбина легче и меньше двигателя аналогичной мощности приблизительно в два раза. Кроме того, она может работать на топливе низкого сорта.

Принцип работы гту - изображение 83 - изображение 83

От паровых газовые турбины отличаются небольшими габаритами и простым запуском. Обслуживать их легче, чем установки, работающие на пару.

Имеют турбины и недостатки: они не настолько экономичны по сравнению с ДВС, сильнее шумят, быстрее приходят в негодность. Впрочем, это не мешает использовать ГТУ в транспорте, промышленности и даже быту. Турбины устанавливают на морских и речных судах, используют в электростанциях, насосном оборудовании и многих других сферах. Они удобны и мобильны, поэтому применяются достаточно часто.

Принцип действия и схемы газотурбинных установок

Принцип работы гту - фото 84 - изображение 84

По определению Д. И. Менделеева «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла». Топливо представляет из себя смесь (механическую) горючего и окислителя (как правило кислород). В широком смысле понятие топлива более общее, нежели горючее или горючее ископаемое. Например, строго говоря, древесину нельзя назвать топливом, древесина - горючее, так как для её горения нужен окислитель (кислород). В широком смысле - один из видов потенциальной энергии, энергоноситель.

По своему состоянию топлива делятся на твердые, жидкие и газообразные, а по способу получения- на естественные и искусственные.

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве
источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках. Целесообразность применения тех или иных горючих веществ в качестве топлива должна обосновываться технико-экономическими факторами, которые учитывают имеющиеся запасы, стоимость добычи и
транспортировки к потребителю, тепловую ценность топлива, (т. е.
тепловыделение на единицу массы или объема), реакционную способность (активность соединения с окислителем), отсутствие вредных газов в продуктах сгорания, содержание негорючих примесей (золы, воды), доступность для широкого использования и т, д.Основным источником получения электрической, механической и
тепловой энергии является органическое топливо. В настоящее время
около 70 % энергии, вырабатываемой и потребляемой на земном шаре, получают за счет химической энергии органического топлива и
только 30 % — путем использования энергии воды, ветра и солнца,
а также ядерной энергии.

Наряду с широким использованием органического топлива быстрыми темпами возрастают масштабы промышленного освоения нового источника энергии — ядерного горючего.

В промышленности строительных материалов используют природный газ, мазут и различные виды каменных углей.

Билет 7.1.

Принцип работы гту - изображение 85 - изображение 85

Линия АЕ характеризует процесс сжатия воды с температурой ниже температуры кипения.

V0 – удельный объем жидкости до кипения.

По мере подвода тепла к поверхности контакта с жидкостью при температуре кипения образуются паровые пузырьки с тонкой и толстой ножками. Размер ножки парового пузырька зависит от чистоты поверхности контакта.

По мере образования паровых пузырьков, которые перемещаются к поверхности жидкости, объем кипящей жидкости возрастает и становится равным V/ (основные и тепловые параметры с 1 штрихом).

Точка A/ характеризует состояние кипящей жидкости при заданном давлении.

При дальнейшем подводе тепла к кипящей жидкости всё большее количество паровых пузырьков будет покидать поверхность жидкости и над поверхностью жидкости образуется влажный пар – смесь пара и мелкодисперсной капельной жидкости.

При дальнейшем подводе тепла к кипящей жидкости всё большее количество мелкодисперсных капель превращается в пар.

Точка В// характеризует состояние сухого насыщенного пара когда вся капельная жидкость превращается в пар. Все тепловые параметры в состоянии сухого насыщенного пара обозначаются с 2 штрихами.

Степень сухости Х водяного пара:

Х= масса сухого пара во влажном / масса влажного пара

Х=0 –состояние кипящей жидкости

Х=1 –состояние сухого насыщенного пара

АК – Х = 0

КВ – Х = 0

А/ – В// ---характеризует процесс парообразования при постоянной температуре и давлении

При дальнейшем подводе тепла к сухому насыщенному пару при р=const приводят к состоянию перегретого пара.

Точка D – характеризует состояние перегретого пара.

Перегретый пар определяется основными и тепловыми параметрами без штрихов.

Точка А – характеризует тройное состояние воды

Точка В – характеризует состояние близкое к состоянию сухого насыщенного пара.

Принцип работы гту - фото 86 - изображение 86

q' –количество тепла, необходимое для превращения 1 кг жидкости в кипящую жидкость при 00С.

r – скрытая теплота парообразования, характеризующая количество тепла, необходимое для превращения 1 кг кипящей жидкости в сухой насыщенный пар.

qsur –теплота перегрева, характеризующая количество тепла необходимое для превращения 1 кг сухого пара в перегретый.

Из рисунка видно ,что площадь под процес­сом парообразования be (T=const, p=const) при повыше­нии давления делается меньше. В пределе при Т=ТК (и р=рк) г=0.

Нижняя пограничная кри­вая в sT— диаграмме слева начинается от температуры тройной точки (Т0=273,16 К), принятой за начало отсчета энтропии.В расположенной изобары проходят близко к пограничной кривой и друг к другу.

Чем выше давление, тем выше располагается изобара, поэтому при невысоких давлениях в качестве изображения теплоты жидкости q' вместо площади под изобарой можно рассматривать площадь под нижней пограничной кривой. С приближением давления к рк разли­чие между этими площадями увеличивается.Справа от области влажного пара, т.е. начиная от верхней погра­ничной кривой, изобары представляют собой восходящие кривые, обращенные выпуклостью вниз. По мере удаления от пограничной кривой их вид все больше напоминает свойственный изобарам иде­ального газа.

Линии постоянной сухости (x=const) в sT- и vp— диаграммах строят с использованием отношения: Х = be/bc = sx – s//s// - s/ = vx – v//v// - v/

2.Принципиальная схема паросиловой установки

Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 8.1.

Принцип работы гту - фото 87 - изображение 87

Рис. 8.1. Принципиальная тепловая схема паросиловой установки

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p1, t1, i1, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p2 с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.

В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р2 и температуре t2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.

На рис. 8.2 приведена схема паровой турбины. Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве двигателей электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, насосов.

Принцип работы гту - изображение 88 - изображение 88

Рис. 8.2. Схема одноступенчатой турбины активного типа

Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору.

Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловый аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловый аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа - проточную часть турбины.

Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов.

В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных - в соплах и в каналах рабочих лопаток.

Принцип действия и схемы газотурбинных установок

Существенным недостатком д. в. с. является возвратно-поступательное движение поршня и наличие больших инерционных усилий, что не позволяет создавать поршневые двигатели больших мощностей с малыми размерами и весом. В газотурбинной установке (рис. 7.5), как и в д. в. с., рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно-поступательный принцип заменен вращательным движением рабочего колеса турбины под действием струи газа. Кроме этого, в турбинах осуществимо полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы.

Рис. 7.5. Схема газотурбинной установки

Принцип работы гту - изображение 89 - изображение 89

Как видно из схемы, воздух окружающей среды засасывается нагнетателем 2 через подогреватель воздуха 8. В нагнетателе воздух сжимается адиабатно до требуемого давления и подаётся в камеру сгорания 5.

В неё же топливным насосом 6 из топливного бака 7 подаётся топливо. В камере сгорания в результате воспламенения топлива образуются продукты сгорания, температура которых регулируется количеством подаваемого воздуха. Воздух подаётся с большим избытком, чтобы обеспечить приемлемую температуру горения топлива. Продукты сгорания поступают в сопла газовой турбины 1, где их потенциальная энергия в процессе адиабатного расширения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопатки турбины и их кинетическая энергия расходуется на вращение вала установки и передаётся электрическому генератору 3 и нагнетателю 2. Отходящие из турбины газы направляются в подогреватель воздуха 8, где отдают своё тепло воздуху, засасываемому нагнетателем 2.

Для пуска установки используют пусковой электродвигатель 4.

С целью обеспечения работы компрессора и турбины на внешнюю нагрузку в наивыгоднейших режимах с высоким к. п. д. применяют двухвальные схемы турбоустановок. В одних схемах компрессор приводится в движение турбиной высокого давления, находящейся с ним на одном валу, а в других – турбиной низкого давления. Тогда главная турбина, работающая на другом валу на внешнюю нагрузку, в первом случае будет состоять из ступеней низкого давления, а во втором – из ступеней высокого давления. Выбор частоты вращения ротора главной турбины определяется нагрузкой, частота же вращения компрессорного агрегата может изменяться в широких пределах, обеспечивая изменение расхода воздуха в соответствии с потребностью.

Билет 8.1. В ряде технических установок применяется смесь воздуха с водяным паром. Эту смесь называют влажным воздухом. Если пар, входящий в состав смеси, находится в перегретом состоянии (т, е. когда его температура выше конденсации при данном парциальном давлении пара), то такая смесь называется ненасыщенным влажным воздухом. Смесь, состоящую из воздуха и насыщенного водяного пара, называют насыщенным влажным воздухом. Смесь влажного пара с воздухом, т. е. когда имеются частицы сконденсированного пара, находящиеся во взвешенном состоянии и выпадающие в виде росы, называют пересыщенным влажным воздухом. воздуха будет равна -ре конденсации находящегося в нем пара.Эту называют температурой т.росы.

Принцип работы гту - фотография 90 - изображение 90

Парциальное давление пара будет равным давлению насыщения , соответствующему

Если. парциальное давление окажется ,точасть пара сконденсируется и выпадет в виде капель влаги (росы). Если же парциальное давление пара в воздухе рП рН, то пар находится в перегретом состоянии.

Количество водяного пара в смеси в граммах, приходящееся на 1 кг сухого воздуха называется влагосодержанием (d г/кг).

Масса водяного пара, отнесенная к 1 м3 влажного воздуха, называется абс. влажностью.

Отношение абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности рН при той же температуре воздуха называется относительной влажностью .

j = = ,где rн – плотность сухого насыщенного пара, рп – парциальное давление пара

Если пар в воздухе влажный насыщенный, то j = 1, если пар в воздухе перегрет, тоj < 1.

Параметры влажного воздуха. Основными показателями, характеризующими состояние влажного воздуха, являются: влагосодержание d, относительная влажность j, энтальпия i (относимая обычно к 1 кг сухого воздуха) и плотность р.

Пусть имеется V м3 влажного воздуха с общим барометрическим давлением В и Т.

Парциальное давление пара обозначим через рП, а парциальное давление сухого воздуха — через. Тогда рП + рВ = В.

Запишем уравнение Клапейрона отдельно для пара и сухого воздуха:

рП VП = и рВ VВ = где VП = VВ= V(2). Разделив (1) на (2) и учитывая, что отношение массы пара к массе сухого воздуха равно d, получим:

= d , рВ = В – рП , получим: . d = 0,622 , кг/кг

где В— давление влажного воздуха; рП — парциальное давление пара.

Плотность влажного воздуха представляет собой сумму плотностей пара исухого воздуха

где - плотность водяного пара при температуре, равной температуре влажного воздуха Т и давлении рП; – плотность сухого воздуха при давлении рВи температуре Т.

Т.к. d = , получим: (1 + d )

Энтальпия влажного воздуха определяется как сумма энтальпии 1 кг сухого воздуха и энтальпии d кг водяного пара, т. е. I = , кдж/кг сухого воздуха,

где - энтальпия 1 кг водяного пара при давлении и температуре смеси;

- энтальпия 1 кг сухого воздуха при температуре смеси Т.

В приближенных термодинамических расчетах можно энтальпию влажного воздуха подсчитывать по ф.: Н = t + (2500 + 1,96 t)d (кДж/кг).

Газовая постоянная и плотность влажного воздуха могут быть вычислены по ф.:

R = 8314/(8,96 – 10,94рН /р),= (28,96 р – 10,94 рп)/8314 ∙ Т. Газовая постоянная влажного воздуха всегда газовой постоянной сухого воздуха и плотность влаж. воздуха всегда плотности сухого воздуха.

2.Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень.Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок (бензо-болгарок), газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий.

Мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах от нескольких ватт (двигатели авиа-, мото- и судомоделей) до 75 000 кВт(судовые двигатели).

В качестве топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания используются:жидкости бензин, дизельное топливо, спирты, биодизель;газы — сжиженный газ, природный газ, водород, газообразные продукты крекинга нефти, биогаз;монооксид углерода, вырабатываемый в газогенераторе, входящем в состав топливной системы двигателя, из твёрдого топлива (угля, торфа, древесины).

Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные ичетырёхтактные двигатели. Число цилиндров в разных поршневых двигателях колеблется от 1-го до 24-х. Объём цилиндра — это произведение площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня. Суммарный объём всех цилиндров обычно называют объёмом двигателя. По способу смесеобразования делятся:

Двигатели с внешним смесеобразованием. Воспламенение воздушно-топливной смеси может выполняться электроискровым разрядом, вырабатываемымсистемой зажигания (например, автомобильный Бензиновый двигатель внутреннего сгорания). Двигатели с внешним смесеобразованием могут работать на газообразном топливе (природный газ, био и другие условно-бесплатные газы);

Двигатели с внутренним смесеобразованием (воспламенение от сжатия рабочего тела). Эти двигатели, в свою очередь, подразделяются на:

Дизельные, работающие на дизельном топливе или природном газе (с добавлением 5 % дизельного топлива для обеспечения воспламенения топливной смеси). В этих двигателях сжатию подвергается только воздух, а при достижении поршнем точки максимального сжатия в камеру сгорания впрыскиваеся топливо, которое воспламеняется при контакте с воздухом, нагретым при сжатии до температуры в несколько сотен градусов Цельсия.

Компрессионные двигатели. В них, в отличие от дизельных, топливо подается вместе с воздухом (как в бензиновых двигателях). Такие двигатели требуют особого состава топлива (обычно в его основе — диэтиловый эфир) и точной регулировки степени сжатия, так как от нее зависит момент воспламенения смеси. Компрессионные двигатели используются главным образом в авиа- и автомоделях;

Калильные двигатели. Схожи по принципу действия с компрессионными, но имеют калильную свечу, накал которой поддерживается за счёт сгорания топлива на предыдущем такте.Такие двигатели также требуют особого состава топлива (обычно в его основе — метанол, касторовое масло и нитрометан). Используются главным образом в авиа- и автомоделях;

Воспламенение от горячих частей двигателя (калоризаторные), обычно — днища поршня. Приводные двигатели прокатных станов (топливо-мартеновский газ).

Двигатели с внутренним смесеобразованием имеют (как в теории, так и на практике) более высокий КПД и вращающий момент за счёт более высокой степени сжатия.

В рамках технической термодинамики работа поршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от особенностей их циклограмм описывается термодинамическими циклами Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.

Эффективный КПД поршневого ДВС не превышает 60%. Остальная тепловая энергия распределяется, в основном, между теплом выхлопных газов и нагревом конструкции двигателя. Поскольку последняя доля весьма существенна, поршневые ДВС нуждаются в системе интенсивного охлаждения. Различают системы охлаждения:воздушные, отдающие избыточное тепло окружающему воздуху через ребристую внешнюю поверхность цилиндров; используются в двигателях сравнительно небольшой мощности (десятки л.с.), или в более мощных авиационных двигателях, работающих в быстром потоке воздуха; жидкостные, в которых охлаждающая жидкость (вода, масло или антифриз) прокачивается через рубашку охлаждения (каналы, созданные в стенках блока цилиндров), и затем поступает в радиатор охлаждения, в котором теплоноситель охлаждается потоком воздуха, созданным вентилятором. Иногда в жидкостных системах в качестве теплоносителя используется металлический натрий, расплавляемый теплом двигателя при его прогреве.

Билет 9.1. Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.

Содержание пара во влажном воздухе характеризуется такими параметрами, как абсолютная и относительная влажность, влагосодержание.

· Под абсолютной влажностьюρппонимается масса водяного пара, содержащаяся в 1 м3 влажного воздуха.Абсолютной влажностью также является парциальное давление пара рп. Численно эти две величины, если они измеряются в г/м3 или мм.рт.ст. почти равны, а при температуре 16,5 ° С равны между собой.

· Относительной влажностьφ называется отношение парциального давления пара, содержащегося во влажном воздухе, к давлению насыщения пара при данной температуре, т.е. φ= рп / рs , где рs- давление насыщенного пара, Па. Для сухого воздуха φ=0%, для насыщенного-100%. В диапазоне 0< φ<100% находится влажный ненасыщенный воздух. Относительная влажность воздуха замеряется с помощью гигрометра и психрометра.

· Влагосодержаниех равно отношению массы пара к массе газа. Отношение масс можно заменить отношением плотномтей газа и пара: х=mп/mг= ρп/ ρг

2.Компрессор (от лат. compressio — сжатие) — устройство для сжатия и подачи газов под давлением (воздуха, паров хладагента и т. д.).

Компрессоры называются дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное. Производительность компрессоров обычно выражают в единицах объёма газа, приведённого к нормальным условиям. При этом различают производительность по входу и по выходу. Эти величины практически равны при маленькой разнице давлений между входом и выходом. При большой разнице у, скажем, поршневых компрессоров, выходная производительность может при тех же оборотах падать более чем в два раза по сравнению с входной производительностью, измеренной при нулевом перепаде давления между входом и выходом.

Классификация

Общепринятая классификация механических компрессоров по принципу действия. Под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора.Объёмные компрессорыЭто машины, в которых процесс сжатия происходит в рабочих камерах, изменяющих свой объём периодически, попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора. Объёмные машины по геометрической форме рабочих органов и способу изменения объёма рабочих камер можно разделить на поршневые, мембранные и роторные (винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые, с катящимся ротором, газодувки Рутс (насос Рутса), спиральные) компрессоры.

Поршневые компрессорыМогут быть одностороннего или двухстороннего действия, крейцкопфные и бескрейцкопфные, смазываемые и без применения смазки (сухого трения или сухого сжатия), (при высоких давлениях сжатия применяются также плунжерные).

Роторные компрессорыК объёмным машинам с вращающим сжимающим элементом (роторным машинам) относятся: винтовые компрессоры, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые и другие конструкции компрессорных машин.

Лопастные компрессорыМашины динамического действия, в которых сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с вращающейся и неподвижной решётками лопастей. Характерной особенностью лопастных машин является отсутствие пульсации развиваемого ими давления. К лопастным относятся осерадиальные, осевые и вихревые машины, лопастные компрессоры также называюттурбокомпрессорами.

Поршнево́й компре́ссор — тип компрессора, энергетическая машина для сжатия и подачи воздуха или жидкостей (масла, хладагента и др.) под давлением. Компрессоры данного типа широко применяются в машиностроении, текстильном производстве, в химической, холодильной промышленности и криогенной технике. Многообразны по конструктивному выполнению, схемам и компоновкам.

По числу ступеней сжатия компрессоры различаются одно-, двух- и многоступенчатые. Многоступенчатое сжатие вызывается необходимостью ограничить температуру сжимаемого газа. В воздушных компрессорах возникает опасность воспламенения и взрыва масляного нагара, накапливающегося в трубопроводах, на крышках компрессоров и поверхностях клапанов, поэтому температура нагнетаемого воздуха не должна превышать 453К

Билет 10.1.

Принцип работы гту - фотография 91 - изображение 91

В hd – диаграмме (рис.) по оси абсцисс откладывается влагосодержание d, г/кг сухого воздуха, а по оси ординат - удельная энтальпия влажного воздуха h, кДж/кг сухого воздуха. Для более удобного расположения отдельных линий, наносимых на hd - диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к к оси ординат.

При таком расположении осей координат линии h=const, которые должны быть параллельны оси абсцисс, идут наклонно. Для удобства расчетов значения d сносят на горизонтальную ось координат.

Линии d=const идут в виде прямых параллельных оси ординат, т.е. вертикально. Кроме того, на hd.-диаграмме наносят изотермы tС=const, tM=const (штриховые линии на диаграмме) в линии постоянных значений относительной влажности . Линии постоянных значений относительной влажности φ =const строят только до изотермы 100° , т. е. до тех пор, пока парциальное давление пара в воздухе РП меньше атмосферного давления Р. В тот момент, когда РП станет равным Р, эти линии теряют физический смысл, что видно из уравнения (10), в котором при РП=Р влагосодержание d=const.

Кривая постоянной относительной влажности φ =100% делит всю диаграмму на две части. Та ее часть, которая расположена выше этой линии –область ненасыщенного влажного воздуха, в котором пар находятся в перегретом состоянии. Часть диаграммы ниже линии φ =100% - область насыщенного влажного воздуха.

Так как при φ =100% показания сухого и мокрого термометров одинаковы, tC=tM, то изотермы tC=tM=const пересекаются на линии φ =100%..

Чтобы найти на диаграмме точку, соответствующую состоянию данного влажного воздуха, достаточно знать два его параметра из числа изображенных на диаграмме. При проведении эксперимента целесообразно использовать те параметры, которые проще и точнее измеряются в опыте. В нашем случае такими параметрами являются температура сухого и мокрого термометров.

Зная эти температуры, можно найти на диаграмме точку пересечения соответствующих изотерм. Найденная таким образом точка определит состояние влажного воздуха и по hd - диаграмме можно определить все остальные параметры воздуха: влагосодержание - d; относительную влажность - φ , энтальпию воздуха - h; парциальное давление пара – РП, температуру точки росы – tМ.

2. Процесс дросселирования протекает без теплообмена с окружающей средой, т. е. адиабатно. В узком отверстии дросселя (например, диафрагмы) скорость пара при постепенном сужении потока достигает максимальной величины. При выходе из узкого сечения скорость его вновь уменьшается и достигает почти первоначального значения. Давление пара, определяемое величиной потенциальной энергии, при прохождении через дроссель падает от piдо Р2благодаря увеличению кинетической энергии. Давление пара за дросселем вследствие последующего уменьшения кинетической энергии будет возрастать, но пар частично затратит свою энергию на преодоление трения и завихрений потока, а выделившаяся при этом теплота компенсирует падение энтальпии пара в узком сечении дросселя; энтальпия пара до и после дросселя не изменится.

Приведенные рассуждения подтверждаются преобразованием уравнения энергетического баланса.

Конечное состояние пара при дросселировании зависит от его начальных параметров и отношения площади отверстия дросселя к площади сечения трубопровода. Чем меньше отношение этих площадей, тем больше перепад давлений. Пары ведут себя при дросселировании но-разному: влажный пар давлением 4,0— 5,0 МПа при дросселировании может быть превращен в сухой насыщенный или даже перегретый. При дросселировании перегретого пара может произойти снижение его перегрева или переход в насыщенное и вновь перегретое состояние. Все эти превращения легко установить, пользуясь графическим методом расчета с помощью is-диаграммы.

Дросселированием пользуются при регулировании мощности в паровых двигателях, для снижения давления пара в паропроводах в случае использования его движущей силы.

На процессе дросселирования основан принцип работы диафрагм как приборов для измерения расхода газа или пара, проходящих через трубопровод.

Билет 11.1. Существуют три основных вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Конвекция осуществляется путем перемещения в пространстве не­равномерно нагретых объемов среды. При этом перенос теплоты не­разрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение характеризуется переносом энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами.

Часто все способы переноса теплоты осуществляются совместно. Например, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом неизбежно соприкосновение частиц, имеющих различные температуры.

Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Частным случаем конвективного теплообмена является теплоотдача — конвективный теплообмен между твердой стенкой и движущейся средой. Теплоотдача может сопровождаться тепловым излучением. В этом случае перенос теплоты осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества — массообменном, который проявляется в установлении равновесной концентрации вещества.

Совместное протекание процессов теплообмена и массообменна называется тепломассообменном.

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела. В чистом виде явление теплопроводности наблюдается в твердых телах, неподвижных газах и жидкостях при условии невозможности возникновения в них конвективных токов.

2.

Принцип работы гту - изображение 92 - изображение 92

В том случае, когда β< β кр, полное использование располагаемого перепада давлений и, соответственно, располагаемой работы дости­гается применением сопла Лаваля, в котором происходит полное расширение газа с понижением его давления до давления среды. В узком сечении сопла параметры газового потока равны критическим,

скорость газа равна местной скорости звука (wKp=cKp). На срезе сопла р2=ро, скорость газа больше скорости звука (w2>C2).

Характер изменения параметров газового потока по длине сопла Лаваля показан на рис.

Скорость газа в узком сечении определя­ется по уравнению

Принцип работы гту - фото 93 - изображение 93

а на выходе из сопла по уравнению

Принцип работы гту - фото 94 - изображение 94

В КОТОРОМ Р2=Ро

Максимальная скорость на выходе из сопла Лаваля достигается при истечении газа в абсолютный вакуум, когда р0/рi* =0:

Принцип работы гту - фотография 95 - изображение 95

Отношение максимальной скорости на выходе из сопла Лаваля к ритической скорости определяется по выражению

Принцип работы гту - изображение 96 - изображение 96

Для двухатомного газа при к=1,4

Принцип работы гту - фотография 97 - изображение 97

Параметры газа на выходе из сопла Лаваля определяются по равнениям соотношения параметров в адиабатном процессе:

Принцип работы гту - изображение 98 - изображение 98

или по уравнению состояния

Принцип работы гту - фотография 99 - изображение 99

Массовый расход газа G через сопло Лаваля определяется по равнениям (3.20) или (3.20а) по параметрам либо в критическом (узком) сечении, либо в выходном сечении сопла. При определнии G

о параметрам узкого сечения принимаются А=Акр , р= ркр – р1* βкр ,

по параметрам выходного сечения А=А2, р=р2=ро-Характер зависимости массового расхода газа через сопло Лаваля

г отношения давлений β = р0 / р1* такой же, как и через суживающееся сопло.

Принцип работы гту - изображение 100 - изображение 100

Билет 12.1.Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики

Теплоотдача в технике, теплообмен между поверхностью твёрдого тела и соприкасающейся с ней средой — теплоносителем (жидкостью, газом и т. д.). Т. происходит конвекцией, теплопроводностью, лучистым теплообменом. Различают Т. при свободном и вынужденном движении теплоносителя, а также при изменении его агрегатного состояния.

2. Атмосферный воздух, в основном состоящий из кислорода, азота, углекислого газа, содержит всегда некоторое количество водяного пара.

Смесь сухого воздуха и водяного пара называется влажным воздухом.

Содержание пара во влажном воздухе характеризуется такими параметрами, как абсолютная и относительная влажность, влагосодержание.

· Под абсолютной влажностьюρппонимается масса водяного пара, содержащаяся в 1 м3 влажного воздуха.Абсолютной влажностью также является парциальное давление пара рп. Численно эти две величины, если они измеряются в г/м3 или мм.рт.ст. почти равны, а при температуре 16,5 ° С равны между собой.

· Относительной влажностьφ называется отношение парциального давления пара, содержащегося во влажном воздухе, к давлению насыщения пара при данной температуре, т.е. φ= рп / рs , где рs- давление насыщенного пара, Па. Для сухого воздуха φ=0%, для насыщенного-100%. В диапазоне 0< φ<100% находится влажный ненасыщенный воздух. Относительная влажность воздуха замеряется с помощью гигрометра и психрометра.

· Влагосодержаниех равно отношению массы пара к массе газа. Отношение масс можно заменить отношением плотномтей газа и пара: х=mп/mг= ρп/ ρг

Принцип работы гту - фотография 101 - изображение 101

Билет 13.1.Цикл Ренкина с насыщенным паром показан в vp- и sT- диаграм­мах. Из котла пар, находящийся под давлением, направляется в турбину, в которой адиабатно расширяясь (процесс zb), совершает техническую работу. В процессе Ьаотвода теплоты в конденсато­ре пар полностью конденсируется и образуется вода с давлением и температурой ниже, чем в паровом котле. Образовавшаяся вода пода­ется питательным насосом под давлением в котел (процесс ас).На вы­ходе из насоса температура воды остается практически неизменной, ниже температуры кипения при давлении pc = pz . Поэтому в цикле Рен­кина добавляется еще один процесс - изобарный процесс, czдополнительного подвода теплоты q1/ для нагревания питательной воды до температуры кипения Tz. Этот процесс происходит в трубах водяно­го экономайзера, обогреваемого выходящими из топки газами.

Таким образом, в цикле Ренкина увеличивается количество теп­лоты q1необходимое для превращения одного килограмма воды в сухой насыщенный пар, оно равно сумме количеств теплоты q1/, под­водимой в изобарном процессе для нагревания питательной воды и повышения ее температуры от Тс до температуры кипения Tz, и теп­лоты q1//, подводимой в изобарно-изотермическом процессе парооб­разования для получения сухого насыщенного пара. Одновременно увеличивается и количество теплоты q2, отводимой от рабочего тела в конденсаторе в изобарно-изотермическом процессе.

Так как теплота q1 подводится при температурах, меньших мак­симальной, то и средняя температура, при которой подводится вся теплота q1 = q1/ + q1//, будет ниже максимальной. Поэтому при оди­наковом диапазоне изменения температур термический КПД цикла Ренкина меньше чем цикла Карно. Однако в реальных процессах за­траты механической энергии на подачу насосом практически несжи­маемой воды значительно меньше затрат на привод компрессора сжимающего влажный пар до состояния воды. В конечном итоге цикл Ренкина оказывается более экономичным. Кроме этого габарит­ные размеры водяного насоса заметно меньше размеров компрессора.

Вопрос 15 Что такое газотурбинная установка? Объясните принцип

Принцип работы гту - фото 102 - изображение 102

Действия. Назовите ее свойства и область применения. Объясните

Преимущества и ее роль в энергосистеме.

Газотурбинная установка

Газотурбинная установка (ГТУ) — энергетическая установка: конструктивно объединённая совокупность газовой турбины, электрического генератора, газовоздушного тракта, системы управления и вспомогательных устройств (пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котёл-утилизатор для подогрева сетевой воды для промышленного снабжения).Содержание [показать]

Описание ГТУ

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

ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе[1]: в обычном рабочем режиме — на газе, а в резервном (аварийном) — автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ в энергетике работают как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

Применение ГТУ

В настоящее время газотурбинные установки начали широко применяться в малой энергетике[источник не указан 531 день].

ГТУ предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения. Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования.

Блочно-модульное исполнение ГТУ обеспечивает высокий уровень заводской готовности газотурбинных электростанций. Степень автоматизации газотурбинной электростанции позволяет отказаться от постоянного присутствия обслуживающего персонала в блоке управления. Контроль работы станции может осуществляться с главного щита управления, дистанционно.

……………………………………..

Газотурбинные установки — ГТУ — полезные сведения

Газотурбинные установки — ГТУ имеют единичную электрическую мощность от двадцати киловатт (микротурбины) до нескольких десятков мегаватт. Электрический КПД современных газотурбинных установок составляет 33–39%. С учетом высокой температуры выхлопных газов в мощных газотурбинных установках имеется возможность комбинированного использования газовых и паровых турбин. Такой инженерный подход позволяет существенно повысить эффективность использования топлива и увеличивает электрический КПД установок до 57–59%.

Соотношение производимой электрической энергии к тепловой энергии у газотурбинных установок — ГТУ составляет ~ 1:2. То есть газотурбинная установка с электрической мощностью 10 МВт способна выдать ~ 20 МВт тепловой энергии. Для перевода МВт в ГКал используется коэффициент 1,163 (1,163 МВт = 1163 кВт = 1 Гкал).

В зависимости от потребностей газотурбинные установки — ГТУ дополнительно оснащаются паровыми или водогрейными котлами, что дает возможность иметь пар различного давления для производственных потребностей, или горячую воду со стандартными температурами (ГВС). При комбинированном использовании энергии двух видов коэффициент использования топлива газотурбинной тепловой электростанции увеличивается до 90%.

Режим работы электростанции, с использованием сопутствующей тепловой энергии имеет свой технический термин — когенерация.

Возможность получения от газотурбинных установок больших количеств бесплатной тепловой энергии предполагает возврат более быстрый возврат.

Применение газотурбинных установок в качестве силового оборудования для мощных ТЭС и мини–ТЭЦ оправдано экономически, так как на сегодняшний день электростанции, работающие на газовом топливе, имеют наиболее привлекательную для потребителя удельную стоимость строительства и низкие затраты при последующей эксплуатации.

Избытки бесплатной тепловой энергии в любое время года дают возможность, посредством чиллеров — АБХМ, без затрат электричества, наладить полноценное кондиционирование помещений любого назначения. Охлажденный таким образом теплоноситель можно применять в промышленных целях, в различных производственных циклах. Эта технология называется тригенерация.

Эффективность использования газотурбинных установок обеспечивается в широком диапазоне электрических нагрузок от минимальных 1–3% до максимальных 110–115%. 

Позитивным фактором использования газотурбинных установок — ГТУ непосредственно в местах проживания людей, является то, что содержание вредных выбросов у них минимально и находится на уровне 9–25 ppm. Такие отличные экологические качества позволяют без проблем размещать газотурбинные установки в непосредственной близости от местонахождения людей.

Этот критерий газотурбинных установок — ГТУ значительно лучше, чем у ближайших конкурентов — поршневых электростанций.

При использовании газотурбинных установок потребитель получает ощутимую экономию денежных средств на дорогостоящих катализаторах и при строительстве дымовых труб.

Газотурбинные установки имеют незначительные вибрации и шумы в пределах 65–75 дБ (что соответствует по шкале уровня шума звуку пылесоса на расстоянии 1 метр). Как правило, специальная звуковая изоляция для подобного высокотехнологичного генерационного оборудования не нужна.

Газотурбинные установки обладают относительно компактными размерами и небольшим удельным весом. Допускается монтаж ГТУ на техническом этаже здания или крышное расположение маломощных газотурбинных установок. Это полезное свойство ГТУ является важным финансовым фактором в городской застройке, потому что оно позволяет экономить дорогостоящие дефицитные квадратные метры и во многих ситуациях дает больше технического простора инженерам для решения задачи размещения автономной электростанции.

Газотурбинные установки — ГТУ отличаются высокой надежностью и неприхотливостью. Имеются подтвержденные заводские данные о безостановочной работе некоторых газотурбинных установок — ГТУ в течение 5–7 лет.

Некоторые производители современных газовых турбин осуществляют ремонт узлов без транспортировки на завод–изготовитель, а другие производители заранее привозят сменную турбину или камеру сгорания, что существенно снижает сроки выполнения капитального ремонта до 4–6 рабочих дней. Эти меры снижают затраты на обслуживание установок.

Преимуществом газотурбинных установок — ГТУ является длительный ресурс (полный до 200 000 часов, до капитального ремонта 30000–60000 часов). В рабочем цикле газотурбинных установках моторное масло не применяется. Имеется небольшой объем редукторного масла, частота замены которого редка.

Отсутствие водяного охлаждения выгодно отличает газотурбинные установки от поршневых электростанций. Многие марки ГТУ надежно функционируют на различных видах газового топлива, включая попутный нефтяной газ (ПНГ). Но, как и для других видов электростанций, попутный газ с содержанием сероводорода требует специальной подготовки. Без современной установки — станции подготовки газа жизненный цикл электростанции любого типа сокращается в 4–5 раз. Последствия эксплуатации ГПЭС или ГТУ без станций подготовки ПНГ зачастую носят просто фатальный характер.

Газотурбинные установки подготовлены для эксплуатации в различных климатических условиях. Строительство газотурбинных установок в отдаленных районах позволяет получить экономию финансовых средств за счет исключения дорогостоящего строительства линий электропередач (ЛЭП). В местах с более развитой инфраструктурой газотурбинные установки повышают надежность электрического и теплового снабжения.

Одним из вариантов применения газотурбинных установок — ГТУ является концепция блочно-модульных систем (кластеров). Модульные газотурбинные установки — ГТУ состоят из унифицированных энергоблоков и общих управляющих систем, что позволяет за короткий период времени увеличивать электрическую мощность с наименьшими финансовыми и временными затратами.

Блочные вариации газотурбинных установок — ГТУ обеспечивают высокий уровень заводской готовности. Размеры модулей газотурбинных установок — ГТУ, как правило, стандартны. Существуют мобильные ГТУ, которые можно оперативно перемещать с одного объекта энергоснабжения на другой, но такие установки, как правило, не имеют возможности для производства тепловой энергии.

Автоматизированные системы управления газотурбинной электростанции позволяют отказаться от присутствия обслуживающего персонала. Мониторинг работы газотурбинных установок — ГТУ может осуществляться удаленно через различные телекоммуникационные каналы. При возникновении внештатных ситуаций предусмотрены комплексные системы автоматической защиты и пожаротушения.

Газотурбинные установки — ГТУ — принцип работы

В газотурбинных установках — ГТУ многоступенчатый компрессор сжимает атмосферный воздух, и подает его под высоким давлением в камеру сгорания. В камеру сгорания газотурбинных установок — ГТУ подается и определенное количество топлива. При столкновении на высокой скорости топливо и воздух воспламеняются. Топливовоздушная смесь сгорает, выделяя большое количество энергии. Затем, энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струями раскаленного газа лопаток турбины.

Некоторая часть полученной энергии расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на электрический генератор. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТУ. Отработавшие газы направляются в утилизатор для получения тепловой энергии.

Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива могут использоваться любое горючее: керосин, дизельное топливо, газ.

Вопрос 16 Что такое парогазовые установки? Объясните принцип дей-

ствия. Укажите их преимущества.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ

Принцип работы гту - изображение 103 - изображение 103

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

ВВЕДЕНИЕ

На первых этапах развития ГТУ для сжигания топлива применяли два типа камер сгорания. В камеру сгорания первого типа топливо и окислитель (воздух) подавались непрерывно, их горение также поддерживалось непрерывно, а давление не изме­нялось. В камеру сгорания, второго типа топливо и окислитель (воздух) подавались порциями. Смесь поджигалась и сгорала в замкнутом объеме, а затем продукты сгорания поступали в тур­бину. В такой камере сгорания температура и давление не посто­янны: они резко увеличиваются в момент сгорания топлива.

Со временем выявились несомненные преимущества камер сго­рания первого типа. Поэтому в современных ГТУ топливо в большинстве случаев сжигают при постоянном давлении в камере сгорания.

Первые ГТУ имели низкий КПД, так как газовые турбины и компрессоры были несовершенны. По мере совершенствования этих агрегатов увеличивался КПД газотурбинных установок, и они становились конкурентоспособными по отношению к другим видам тепловых двигателей.

В настоящее время газотурбинные установки являются основ­ным видом двигателей, используемых в авиации, что обусловлено простотой их конструкции, способностью быстро набирать нагруз­ку, большой мощностью при малой массе, возможностью полной автоматизации управления. Самолет с газотурбинным двигателем впервые совершил полет в 1941 г.

В энергетике ГТУ работают в основном в то время, когда резко увеличивается потребление электроэнергии, т. е. во время пиков нагрузки. Хотя КПД ГТУ ниже кпд паротурбинных установок (при мощности 20—100 МВт КПД ГТУ достигает 20—30%), исполь­зование их в пиковом режиме оказывается выгодным, так как пуск занимает гораздо меньше времени.

В некоторых пиковых ГТУ в качестве источников газа для турбины, вращающей электрический генератор, применяют авиа­ционные турбореактивные двигатели, отслужившие свой срок в авиации. Наряду с двигателями внут­реннего сгорания ГТУ применяют в качестве основных двигателей на передвижных электростанциях.

В технологических процессах нефтеперегонных и химических производств горючие отходы используются в качестве топлива для газовых турбин.

Газотурбинные установки находят также широкое применение на железнодорожном, морском, речном и автомобильном транс­порте. Так, на быстроходных судах на подводных крыльях и воз­душной подушке ГТУ являются двигателями. На большегрузных автомобилях они могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного двигателя, предназначенного для подачи воздуха в основной двигатель внутреннего сгорания и работаю­щего на его выхлопных газах.

Кроме того, ГТУ служат приводом нагнетателей природного газа на магистральных газопроводах, резервных электрогенераторов пожарных насосов.

! Основное направление, по которому развивается газотурбиностроение, это повышение экономичности ГТУ за счет увеличения температуры и давления газа перед газовой турбиной. С этой целью разрабатываются сложные системы охлаждения наиболее напряженных деталей турбин или применяются новые, высокопрочные материалы — жаропрочные на основе никеля, керамика и др.

Газотурбинные установки обычно надежны и просты в эксплуа­тации при условии строгого соблюдения установленных правил и режимов работы, отступление от которых может вызвать разру­шение турбин, поломку компрессоров, взрывы в камерах сгорания и др.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ

Газотурбинный двигатель (ГТД) — один из видов теплового двигателя, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камер сгорания и воздушного компрессора.

Превращение теплоты в работу осуществляется в нескольких агрегатах ГТД (рис.1)

Принцип работы гту - изображение 104 - изображение 104

Рис. 1. Схема газотурбинного двигателя:

ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; К – компрессор; Т – турбина; ЭГ – электрогенератор.

В камеру сгорания топливным насосом подаются топли­во и сжатый воздух после компрессора. Топливо перемешивается с воздухом, который служит окислителем, поджигается и сгорает. Чистые продукты сгорания также смешиваются с воздухом, что­бы температура газа, получившегося после смешения, не превы­шала заданного значения. Из камер сгорания газ поступает в га­зовую турбину, которая предназначена для преобразования его потенциальной энергии в механическую работу. Совершая работу, газ остывает и давление его уменьшается до атмосферного. Из газовой турбины газ выбрасывается в окружающую среду.

Из атмосферы в компрессор поступает чистый воздух. В ком­прессоре его давление увеличивается и температура растет. На привод компрессора приходится отбирать значительную часть мощности турбины.

Газотурбинные установки, работающие по такой схеме, назы­вают установками открытого цикла. Большинство современных ГТУ работает по этой схеме.

Принцип работы гту - фотография 105 - изображение 105

Рис. 2. Цикл газотурбинного двигателя.

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 2), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты (линия 1-4), получается цикл ГТД:

1-2 – сжатие рабочего тела от атмосферного давления до давления в двигателе;

2-3 – горение в камере;

3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела;

4-1 – отработанные газы выбрасываются в атмосферу

Кроме того, применяются замкнутые ГТУ (рис. 3). В замкну­тых ГТУ также имеются компрессор 3 и турбина 2. Вместо камеры сгорания используется источник теплоты 1, в котором теплота передается рабочему телу без перемешивания с топливом. В ка­честве рабочего тела может применяться воздух, углекислый газ, пары ртути или другие газы.

Рабочее тело, давление которого повышено в компрессоре, в источнике теплоты 1нагревается и поступает в турбину 2, в которой отдает свою энергию. После турбины газ поступает в промежуточный теплообменник 5 (регенератор), в котором он подогревает воз­дух, а затем охлаждается в ох­ладителе 4, поступает в компрессор 3, и цикл повторяется, В качестве источника теплоты могут использоваться специальные котлы для нагрева рабочего-тела энергией сжигаемого топлива или атомные реакторы.

Принцип работы гту - фото 106 - изображение 106

Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу: 1 — поверхностный нагреватель; 2 — турбина; 3 — компрессор; 4 — охладитель; 5 — регенератор; 6 — аккумулятор воздуха; 7 — вспомогательный компрессор.

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 193)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты