Газотурбинные установки
Газотурбинная установка (ГТУ) состоитиз двух основных частей — это силовая турбина и генератор, которые размещаютсяв одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовойтурбины (создает крутящий момент). Утилизация тепла посредством теплообменникаили котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.
ГТУ может работать как нажидком, так и на газообразном топливе. В обычном рабочем режиме — на газе, а врезервном (аварийном) — автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальнымрежимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработкатепловой и электрической энергии. ГТУ может работать как в базовом режиме, таки для покрытия пиковых нагрузок.Простая газотурбинная установка непрерывного горения и устройство еёосновных элементов
Принципиальная схема простойгазотурбинной установки показана на рисунке 1.
/>
Рисунок 1. Принципиальнасхема ГТУ: 1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — газовая турбина; 4 – электрогенератор
Компрессор 1 засасывает воздухиз атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгораниетоплива при такой схеме происходит непрерывно, при постоянном давлении, поэтомутакие ГТУ называются газотурбинными установками непрерывного сгорания или ГТУсо сгоранием при постоянном давлении.
Горячие газы, образовавшиеся вкамере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбинегаз расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшиегазы выходят из турбины в окружающую среду (в атмосферу).
Часть мощности, развиваемойгазовой турбиной, затрачивается на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезнаямощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором,относительно велика и в простых схемах при умеренной температуре рабочей средыможет в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полнаямощность собственно газовой турбины долгий быть значительно больше полезноймощности ГТУ.
Так как газовая турбина можетработать только при наличии сжатого воздуха, получаемого только от компрессора,приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ должен осуществлятьсяот постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которогокомпрессор вращается до тех пор, пока из камеры сгорания не начнет поступатьгаз определённых параметров и в количестве, достаточном для начала работыгазовой турбины.
Из приведенного описания ясно,что газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовойтурбины, компрессора и камеры сгорания. Рассмотрим принцип действия и устройствоэтих элементов.
Турбина. На рисунке 2 показанасхема простой одноступенчатой турбины. Основными частями её являются; корпус (цилиндр.)турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатка 3,установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Валтурбины вращается в подшипниках 6. В местах выход вала из корпуса установленыконцевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин. Всевращающиеся части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпусс неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Дискс лопатками образует рабочее колесо.
/>
Рисунок 2. Схемаодноступенчатой турбины
Совокупность ряда направлявших ирабочих лопаток называется турбинной ступенью. На рисунке 3 вверху изображенасхема такой турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабочихлопаток цилиндрической поверхности а-а, развернутой затем на плоскость чертежа.
/>
Рисунок 3. Схематурбинной ступени
Направляющие лопатки 1 образуютв сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованныерабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.
Горячий газ при повышенномдавлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение исоответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура газападают. Таким образом, в соплах турбины совершается преобразованиепотенциальной энергии газа в кинетическую энергии. После выхода из сопел газпопадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление.При обтекании газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхностиоказывается большим, чем на выпуклой, и под влиянием этой разности давленийпроисходит вращение рабочего колеса (направление вращение на рисунке 3 показанострелкой u). Таким образом, часть кинетической энергии газа преобразуется нарабочих лопатках в механическую оказаться недопустимей по соображениямпрочности рабочих лопаток или диска турбины. В таких случаях турбинывыполняются многоступенчатыми. Схема многоступенчатой турбины показана нарисунке 4.
/>
Рисунок 4. Схемамногоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входнойпатрубок; 4-корпус; 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходнойпатрубок турбины
Турбина состоит из ряда последовательнорасположенных отдельных ступеней, в которых происходит постепенное расширениегаза. Падение давления, приходящееся на каждую ступень, а, следовательно, искорость с1 в каждой ступени такой турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Числоступеней может быть выбрано таким, чтобы при заданной окружной скорости и былополучено желаемое отношение />.
Компрессор. Схемамногоступенчатого осевого компрессора изображена на рисунке 5.
/>
Рисунок 5. Схемамногоступенчатого осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевыеуплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющиелопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок; 11-ротор.
Его основными составными частямиявляются: ротор 2 с закрепленными на нем рабочими лопатками 5, корпус 7 (цилиндр.),к которому крепятся направляющие лопатки 6 и концевые уплотнения 2, иподшипники 3. Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и одногоряда расположенных за ними неподвижных направляющих лопаток называется ступеньюкомпрессора. Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит черезследующие элементы компрессора, показанные на рисунке 5: входной патрубок 1, входнойнаправляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат 8, диффузор 9и выходной патрубок 10.
Рассмотрим назначение этихэлементов. Входной патрубок предназначен для равномерного подвода воздуха изатмосферы к входному направляющему аппарату, который должен придать необходимоенаправление потоку перед входом в первую степень. В ступенях воздух сжимаетсяза счет передачи механической энергии потоку воздуха от вращающихся лопаток. Изпоследней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат, предназначенный дляпридания потоку осевого направления перед входом в диффузор. В диффузорепродолжается сжатие газа за счет понижения его кинетической энергии. Выходнойпатрубок предназначен для подачи воздуха от диффузора к перепускномутрубопроводу. Лопатки компрессора 1 (рисунок 6) образуют ряд расширяющихсяканалов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в межлопаточные каналыс большой относительной скоростью (скорость движения воздуха, наблюдаемая сдвижущихся лопаток). При движении воздуха по этим каналам его давлениеповышается в результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихсяканалах, образованных не-подвижными направляющими лопатками 2, происходитдальнейшее повышение давления воздуха, сопровождающееся соответствующим уменьшениемего кинетической энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступеникомпрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в обратном направлении.
/>
Рисунок 6. Схема ступениосевого компрессора
Камера сгорания
Назначение камеры сгораниязаключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива всреде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рисунке 7.
/>
Рисунок 7. Камерасгорания
Сгорание топлива, впрыскиваемогочерез форсунку 1, происходит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необходимо дляполного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).
Поступающий в зону горениявоздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошемуперемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает1300… 2000°С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температуранедопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газыразбавляются холодным воздухом, который называется вторичным. Вторичный воздухпротекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Частьэтого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная частьсмешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессордолжен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чемнеобходимо для сжигания топлива, а поступающие в турбину продукты сгоранияполучаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.
Простая газотурбинная установка прерывистого горения
Схема установка прерывистогогорения (со сгоранием при постоянном объеме) такая же, что и для установки сизобарным подводом теплоты, и показана на рисунке 1. Эта ГТУ отличается от установинепрерывного горения устройством камеры сгорания (рисунок 8).
/>
Рисунок 8. Камерапрерывистого горения: 1-воздушный клапан; 2-топливный клапан; 3-свеча зажигания;4-сопловой (газовый) клапан.
Камера сгорания ГТУ прерывистогогорения имеет клапаны 1, 2 и 4, которые управляются особым распределительныммеханизмом,
Представим себе, что в некоторыймомент времена все клапаны закрыты, и камера заполнена смесью воздуха и топлива.При помощи свечи зажигания 3 смесь воспламеняется и давление в камереповышается, так как сгорание происходит при постоянном объеме. При достиженииопределенного давления открывается клапан 4 и продукты сгорания поступают ксоплам турбины, в которых происходит расширение газа. Давление в камересгорания падает. После того, как давление в камере упадет до определеннойвеличины, автоматически открывается воздушный клапан 1 и происходит продувкакамеры свежим воздухом. Этот воздух проходит также через турбину и охлаждает еёлопаточный аппарат.
В конце продувки сопловой клапан4 закрывается и камера сгорания заполняется сжатым воздухом из компрессора. Приработе на газообразном топливе в это же время через клапан 2 подается горючийгаз. Этот процесс называется зарядкой камеры. По окончании зарядки закрываютсявсе клапаны и происходит вспышка. Далее цикл повторяется.
Процесс изменения с течениемвремени давления в камере за весь цикл показан на рисунке 9.
/>
Рисунок 9. Изменениедавления в зависимости от времени в камере сгорания
Здесь АВ — вспышка; ВС — расширение;СД — продувка и ДА — зарядка. По данным Хольцварта весь цикл совершаетсяприблизительно за 1,5 с. В этих опытах давление в начале вспышки (т. А) былоравно (3...4) × 105 Па, а в конце вспышки (т. В) оно возрасталоприблизительно до 15 × 105 Па.
Способы повышения экономичностиГТУ:
Существует рад способовповышения экономичности ГТУ:
1) за счет применениярегенерации тепла отработавших в турбине газов;
2) путем ступенчатого сжатиявоздуха с промежуточным его охлаждением;
3) путем применения ступенчатогорасширения с промежуточным подогревом рабочего газа;
4) путем создания сложных имноговальных установок, что дает возможность повысить экономичность ГТУособенно при работе на частичных нагрузках;
5) путем созданиякомбинированных установок работающих по парогазовому циклу в с поршневымикамерами сгорания;
Список использованных источников
1. Гительман Л. Д, Ратников Б.Е. Энергетический бизнес. — М.: Дело,2006. — 600 с.
2. Основы энергосбережения: Учеб. пособие / М.В. Самойлов, В.В. Паневчик,А.Н. Ковалев.2-е изд., стереотип. — Мн.: БГЭУ, 2002. — 198 с.
3. Стандартизация энергопотребления — основа энергосбережения / П.П.Безруков, Е.В. Пашков, Ю.А. Церерин, М.Б. Плущевский // Стандарты и качество,1993.
4. gtu. narod.ru
5. www.open. by