Unitate de turbină cu gaz (GTU sau GPA). Turbina de gaz

Principalele caracteristici de proiectare ale turbinelor cu gaz în comparație cu turbinele cu abur sunt determinate de următorii factori principali:

1. Într-o turbină cu gaz, se realizează procesul de extindere a unui mediu de lucru la temperatură înaltă, care necesită utilizarea de materiale speciale rezistente la căldură (oțeluri, aliaje, ceramică și acoperiri de protecție termică), precum și organizarea de răcire a elementelor sale (aparate cu pale, rotor cu discuri, piese de carcasă, rulmenți etc.).

2. Numărul de trepte într-o turbină cu gaz este semnificativ mai mic decât într-o turbină cu abur. în care GT funcționează la o presiune inițială scăzută a mediului de lucru, al cărui volum specific crește de 5-25 de ori în timpul expansiunii (într-o turbină cu abur, volumul specific de vapori de apă crește de sute de ori). Prin urmare, diferența dintre lungimea palelor primei trepte și a ultimei este mult mai mică decât la o turbină cu abur. Diametre medii ale treptelor turbinei GT mai mult decât pentru etapele HPC PT(diametrele discului GT până la 2 m), iar puterea lor internă este semnificativ mai mare în comparație cu puterea treptelor turbinei cu abur.

3. Componenta axială a vitezei curgerii în spatele ultimei trepte a turbinei cu gaz este de 100-230 m/s. Prin urmare, pentru a reduce pierderea de energie, conducta de evacuare GT realizat axial pe baza unui canal difuzor foarte eficient.

4. Datorită rolului mare al eficienţei GT Eficiența turbinelor cu gaz din turbinele cu gaz nu include supapele de control, treptele parțiale și alte elemente care reduc randamentul instalațiilor.

Rotoare de turbine cu gazÎn funcție de tipurile lor, acestea sunt realizate sub formă de disc, tambur și disc-tambur (Fig. 29.10 - 29.12), iar după metoda de fabricație - solid forjat și sudat:

a) Mai frecvente sunt modelele de rotor cu disc care nu au o gaură centrală, ceea ce reduce caracteristicile de rezistență.

b) Modelele de rotoare forjate solide sunt limitate în diametru datorită limitărilor tehnologice în fabricarea lor. Prin urmare, ele sunt utilizate în GT putere redusă.

c) Rotoarele sudate nu au aceste dezavantaje, dar sunt mai scumpe de fabricat.

Orez. 29.10 Proiectări ale rotoarelor turbinelor cu gaz

A) rotor solid forjat cu tambur; b) rotor solid forjat de tip cantilever;

c, d) rotoare sudate; d, rotor prefabricat cu discuri legate prin șuruburi de cuplare

În modelele de rotoare prefabricate, discurile sunt trase hidraulic împreună de o tijă centrală, transformând rotorul într-o singură structură rigidă. Înainte de asamblare, discurile individuale ale turbinei cu gaz cu aparatul cu palete (și ale compresorului) sunt echilibrate cu grijă. Fiecare dintre discuri are două coliere inelare (centuri), pe care se fac hirts - dinți radiali cu profil triunghiular. La calitate bună Fabricarea unei conexiuni Hirth asigură alinierea absolută a discurilor adiacente. Acest design este utilizat, de exemplu, în unitatea de turbină cu gaz V94.2 " Siemens" și GTE-180. În turbinele cu gaz din seria G de la " Westinghouse» discurile se strâng cu 12 șuruburi. În turbina cu gaz de putere GT13E " ABB» se foloseste un rotor sudat. În fig. 29.12 afișat aspect rotoare compresoare și turbină cu gaz turbină cu gaz GT 13E.

Orez. 29.12 GT 13E design rotor

Carcasa turbinei cu gaz spre deosebire de carcasele turbinelor cu abur, aceasta este operată în condiții de temperaturi mai ridicate, dar cu o cădere de presiune mai mică care acționează asupra pereților carcasei. Elementele carenei GT realizate din oteluri perlitice. În majoritatea modelelor, carcasa are un conector orizontal. Cerințe de bază pentru incinte GT– rigiditatea proiectării acestora, asigurând o grosime uniformă a peretelui pentru eliminarea formării tensiunilor de temperatură și a deformațiilor corespunzătoare, simetrie în secțiuni transversale pentru a organiza goluri egale între lamele de lucru și corp. Pentru a reduce scurgerile, aceste goluri sunt menținute la minim în direcția radială. În labirint suprabandă și etanșare cu diafragmă de trepte GT(precum și compresoare) se folosesc inserții de tip fagure care se uzează la atingere, ceea ce previne dezvoltarea situațiilor de urgență. Pentru a reduce temperatura pereților carcasei, acesta este uneori acoperit din interior cu un ecran rezistent la căldură realizat dintr-o tablă de oțel austenitic cu pereți subțiri. Materialul termoizolant este așezat între ele. În unele cazuri, în partea inițială GT Se folosește un design cu cocă dublă, atunci când mișcarea aerului de răcire este organizată între pereții corespunzători.

Una dintre principalele unități de turbine cu gaz, pe baza căruia este planificată crearea PGU-325 și altele, este GTE-110 cu o capacitate de 110 MW (Fig. 29.13). Are un nivel relativ ridicat de eficiență (eficiență 36%) la o temperatură inițială a gazului de 1210°C, dar cu o temperatură scăzută a gazelor de ardere (517°C), ceea ce face dificilă obținerea unui nivel ridicat de eficiență. centrale pe gaz cu ciclu combinat. Puterea nominală a turbinei cu gaz în condiții de proiectare este de 114,5 MW (eficiență 36,5%), iar puterea de vârf este de 120 MW (eficiență 36%). Putere maxima la temperatura exterioara t a =–15 о С N E = 129,4 MW. Gradul de creștere a presiunii în compresor la puterea nominală a turbinei cu gaz este p k = 14,75. Debitul de gaz de ieșire din turbină este de 365 kg/s.

Rotorul designului tambur-disc este format din cinci părți conectate între ele prin conexiuni cu știfturi și șuruburi. Discurile compresorului și turbinei în secțiuni sunt conectate prin sudare cu fascicul de electroni. Rulmentii radiali cu diametrul de 400 mm sunt realizati cu blocuri autoaliniante. Între segmente există duze pentru alimentarea cu ulei pentru lubrifiere și răcire. Rulmentul axial oferă percepția în două sensuri a sarcinii axiale. Este instalat pe partea compresorului în partea sa rece. Există 28 de plăcuțe instalate în rulmentul axial față de creastă, câte 14 pe fiecare parte.

Orez. 29.13. Unitate turbină cu gaz GTE-110

1 – VNU; 2 – compresor; 3 – camera de ardere; 4 – turbină cu gaz; 5 – cadru

Sistemul de răcire a turbinei cu gaz este convectiv. Turbina răcește paletele de lucru ale primelor două trepte și paletele duzei celor trei. Consumul total de aer pentru răcire este de 13%. Compresorul are 15 trepte, carcasa sa sudata este din otel EP609Sh. Deasupra lamelor de lucru ale etapei 1 și 2, dispozitivele anti-supratensiuni sunt proiectate sub formă de camere inelare în care aerul pătrunde prin fante. Lamele de lucru ale primelor patru trepte sunt realizate din aliaj de titan VTZ-1, de la a 5-a la a 12-a etapă - din oțel EI 479Sh, iar de la a 13-a la a 15-a - EI 696Sh. Discurile compresoarelor sunt fabricate din oțel EP609. Aerisirea din spatele treptei a 7-a este destinată răcirii discurilor compresorului, iar în spatele treptei a 10-a - să răcească rotorul turbinei cu gaz.

O cameră de ardere cu inel tubular cu 20 de tuburi de flacără este situată deasupra compresorului, ceea ce reduce lungimea liniei arborelui și o face mai rigidă. Dispozitivele de duză ale treptelor turbinei unei turbine cu gaz sunt instalate în carcasele lor exterioare. Carcasa turbinei are doar conectori verticali. Aparatul de duză din prima etapă este alcătuit din 40 de lame turnate individuale cu răcire cu peliculă convectivă cu aer secundar. Aparatul cu duză de treapta a 2-a constă din 24 de pachete de lame, turnate în blocuri de două lame, a treia - din 18 pachete de trei lame, iar a 4-a - din 16 pachete de trei lame (gol, nerăcit). Toate pachetele au suprafețe cu diafragmă turnată.

Unitatea de turbină cu gaz este asigurată de un suport frontal și două suporturi spate. Suportul frontal este fix și constă dintr-o foaie rigidă cu nervuri care este atașată de flanșa carcasei compresorului frontal. Suporturile din spate sunt atașate de axa jantei de susținere a turbinei și constau din foi flexibile instalate pe două niveluri în direcții reciproc perpendiculare. Carcasa turbinei cu gaz este realizată pe baza unei structuri panou-cadru cu o grosime a panoului de 80 mm. Unitatea de turbină cu gaz este pornită de la un generator electric printr-un convertor de frecvență cu tiristor.

Unitățile cu turbine cu gaz (GTU) sunt solicitate în industrie, transport și sunt utilizate pe scară largă în industria energetică. Acest echipament nu are un design foarte complex, are o eficiență ridicată și este economic de utilizat.

Turbinele cu gaz sunt în multe privințe similare cu motoarele care funcționează pe motorină sau pe benzină: ca și în motoarele cu ardere internă, energie termală, obținut în timpul arderii combustibilului, se transformă în mecanic. Totodata, in instalatiile de tip deschis se folosesc produse de ardere, in sisteme închise- gaz sau aer obișnuit. Ambele sunt la fel de solicitate. Pe lângă cele deschise și închise, există turbine cu turbocompresoare și instalații cu generatoare de gaz cu piston liber.

Cel mai simplu mod este de a lua în considerare proiectarea și principiul de funcționare a unei turbine cu gaz într-o instalație de tip turbocompresor, care funcționează la presiune constantă.

Proiectarea turbinei cu gaz

O turbină cu gaz constă dintr-un compresor, o conductă de aer, o cameră de ardere, o duză, o cale de curgere, lame staționare și de lucru, o conductă de gaz de eșapament, o cutie de viteze, o elice și un motor de pornire.

Motorul de pornire este responsabil pentru pornirea turbinei. Acesta antrenează compresorul, care se rotește până la viteza dorită. Apoi:

• compresorul preia aer din atmosferă și îl comprimă;
• aerul este trimis în camera de ardere printr-o conductă de aer;
• combustibilul intră în aceeași cameră prin duză;
• gazul și aerul se amestecă și ard la presiune constantă, rezultând formarea de produse de ardere;
• produsele de ardere sunt răcite cu aer, după care intră în partea de curgere;
• în lamele staționare, amestecul de gaze se extinde și accelerează, apoi este direcționat către lamele de lucru și le pune în mișcare;
• amestecul uzat părăsește turbina prin conductă;
• turbina transferă energie cinetică către compresor și elice printr-o cutie de viteze.

Astfel, gazul amestecat cu aerul, ardend, formează un mediu de lucru, care, extinzându-se, accelerează și învârte paletele, iar în spatele lor elicea. Ulterior, energia cinetică este convertită în electricitate sau folosită pentru a deplasa nava.

Puteți economisi combustibil folosind principiul recuperării căldurii. În acest caz, aerul care intră în turbină este încălzit de gazele de evacuare. Ca rezultat, unitatea folosește mai puțin combustibil și generează mai multă energie cinetică. Regeneratorul, unde aerul este încălzit, servește simultan la răcirea gazelor de eșapament.

Caracteristicile turbinelor cu gaz închise

O turbină cu gaz de tip deschis preia aer din atmosferă și evacuează gazele de eșapament în exterior. Acest lucru nu este foarte eficient și este periculos dacă instalația este amplasată într-o zonă închisă în care lucrează oamenii. În acest caz, se utilizează o unitate de turbină cu gaz de tip închis. Astfel de turbine nu eliberează fluidul de lucru uzat în atmosferă, ci îl direcționează către compresor. Nu se amestecă cu produsele de ardere. Ca urmare, mediul de lucru care circulă în turbină rămâne curat, ceea ce crește durata de viață a instalației și reduce numărul de avarii.

Cu toate acestea, turbinele închise sunt prea mari. Gazele care nu scapă trebuie răcite suficient de eficient. Acest lucru este posibil numai în schimbătoarele de căldură mari. Prin urmare, instalațiile sunt folosite pe nave mari unde există suficient spațiu.

Turbinele cu gaz închise pot avea și un reactor nuclear. Ei folosesc dioxid de carbon, heliu sau azot ca lichid de răcire. Gazul este încălzit într-un reactor și trimis la o turbină.

Turbinele cu gaz și diferențele lor față de turbinele cu abur și motoarele cu ardere internă

Turbinele cu gaz diferă de motoarele cu ardere internă datorită designului lor mai simplu și ușurinței de reparare. De asemenea, este important ca acestea să nu aibă mecanism de manivelă, ceea ce face ca motorul cu ardere internă să fie voluminos și greu. Turbina este de aproximativ două ori mai ușoară și mai mică decât un motor de putere similară. În plus, poate funcționa cu combustibil de calitate scăzută.

Turbinele cu gaz diferă de turbinele cu abur prin dimensiunile lor mici și pornirea ușoară. Sunt mai ușor de întreținut decât unitățile alimentate cu abur.

Turbinele au și dezavantaje: nu sunt la fel de economice în comparație cu motoarele cu ardere internă, fac mai mult zgomot și se deteriorează mai repede. Cu toate acestea, acest lucru nu împiedică utilizarea turbinelor cu gaz în transport, industrie și chiar în viața de zi cu zi. Turbinele sunt instalate pe nave maritime și fluviale, utilizate în centrale electrice, echipamente de pompare si multe alte domenii. Sunt convenabile și mobile, așa că sunt folosite destul de des.

„Turboalimentare”, „turbojet”, „turboprop” - acești termeni au intrat ferm în vocabularul inginerilor secolului XX implicați în proiectarea și întreținerea vehiculelor și a instalațiilor electrice staționare. Sunt folosite chiar și în domenii conexe și în publicitate, atunci când doresc să dea numelui produsului un indiciu de putere și eficiență deosebită. Turbina cu gaz este folosită cel mai adesea în aviație, rachete, nave și centrale electrice. Cum este structurat? Funcționează cu gaz natural (cum ați putea crede din nume) și ce tipuri de gaze sunt? Cum diferă o turbină de alte tipuri de motor cu ardere internă? Care sunt avantajele și dezavantajele sale? O încercare de a răspunde la aceste întrebări cât mai complet posibil este făcută în acest articol.

Liderul ingineriei ruse UEC

Rusia, spre deosebire de multe alte state independente formate după prăbușirea URSS, a reușit să păstreze în mare măsură industria construcțiilor de mașini. În special, compania Saturn este angajată în producția de centrale electrice cu destinații speciale. Turbinele cu gaz ale companiei sunt utilizate în construcțiile navale, industria materiilor prime și sectorul energetic. Produsele sunt de înaltă tehnologie, necesită o abordare specială în timpul instalării, depanării și funcționării, precum și cunoștințe speciale și echipamente costisitoare pentru întreținerea de rutină. Toate aceste servicii sunt disponibile clienților companiei „UEC – Turbine cu gaz”, așa cum se numește astăzi. Nu există atât de multe astfel de întreprinderi în lume, deși principiul produsului principal este simplu la prima vedere. Are de mare valoare experiență acumulată, care ne permite să ținem cont de multe subtilități tehnologice, fără de care putem obține durabilitate și funcţionare fiabilă unitate nu este posibilă. Iată doar o parte din gama de produse UEC: turbine cu gaz, centrale electrice, unități de pompare cu gaz. Printre clienți se numără Rosatom, Gazprom și alte „balene” din industria chimică și energie.

Producția unor astfel de mașini complexe necesită o abordare individuală în fiecare caz. Calculul unei turbine cu gaz este în prezent complet automatizat, dar materialele și caracteristicile diagramelor de instalare contează în fiecare caz individual.

Și totul a început atât de simplu...

Căutări și perechi

Omenirea a efectuat primele experimente de conversie a energiei de translație a unui flux în forță de rotație în antichitate, folosind o roată de apă obișnuită. Totul este extrem de simplu, lichidul curge de sus în jos, iar lamele sunt plasate în curgerea lui. Roata, echipată cu ele în jurul perimetrului, se învârte. O moară de vânt funcționează la fel. Apoi a venit epoca aburului, iar rotația roții s-a accelerat. Apropo, așa-numitul „aeolipil”, inventat de stârcul grec antic cu aproximativ 130 de ani înainte de nașterea lui Hristos, era o mașină cu abur care funcționează exact pe acest principiu. În esență, a fost prima turbină cu gaz cunoscută științei istorice (la urma urmei, aburul este un gaz starea de agregare apă). Astăzi se obișnuiește să se separe aceste două concepte. În acel moment, în Alexandria, au reacționat la invenția lui Heron fără prea mult entuziasm, deși cu curiozitate. Echipamentele industriale de tip turbină au apărut abia la sfârșitul secolului al XIX-lea, după crearea de către suedezul Gustaf Laval a primei unități de putere activă din lume echipată cu duză. Inginerul Parsons a lucrat în aproximativ aceeași direcție, echipând mașina sa cu mai multe etape legate funcțional.

Nașterea turbinelor cu gaz

Cu un secol mai devreme, unui anume John Barber a venit cu o idee genială. De ce trebuie să încălziți mai întâi aburul, nu este mai ușor să utilizați direct gazele de eșapament generate în timpul arderii combustibilului și, prin urmare, să eliminați medierea inutilă în procesul de conversie a energiei? Așa a rezultat prima turbină cu gaz adevărată. Brevetul din 1791 conturează ideea de bază pentru utilizarea într-o trăsură fără cai, dar elementele sale sunt astăzi folosite în motoarele moderne de rachete, tancuri de avioane și de automobile. Procesul de construcție a motoarelor cu reacție a fost început în 1930 de Frank Whittle. I-a venit ideea de a folosi o turbină pentru a propulsa un avion. Ulterior, a fost dezvoltat în numeroase proiecte cu turbopropulsoare și turborreactor.

Turbina cu gaz Nikola Tesla

Celebrul om de știință-inventator a abordat întotdeauna problemele pe care le-a studiat într-un mod non-standard. Pentru toată lumea părea evident că roțile cu palete sau palete „prind” mișcarea mediului mai bine decât obiectele plate. Tesla, în maniera sa caracteristică, a demonstrat că, dacă asamblați un sistem rotor din discuri dispuse secvenţial pe axă, atunci datorită fluxului de gaz care preia straturile limită, acesta nu se va roti mai rău, și în unele cazuri chiar mai bine, decât un elice cu mai multe pale. Adevărat, direcția mediului în mișcare trebuie să fie tangențială, ceea ce nu este întotdeauna posibil sau de dorit în unitățile moderne, dar designul este simplificat semnificativ - nu necesită deloc lame. O turbină cu gaz conform schemei Tesla nu este încă construită, dar poate că ideea așteaptă doar timpul.

Diagramă schematică

Acum despre structura fundamentala mașini. Este o combinație între un sistem rotativ montat pe o axă (rotor) și o parte staționară (stator). Un disc cu palete de lucru este plasat pe arbore, formând o rețea concentrică, acestea sunt expuse la gaz furnizat sub presiune prin duze speciale. Gazul expandat intră apoi în rotor, care este, de asemenea, echipat cu lame numite muncitori. Pentru admisia amestecului aer-combustibil și pentru evacuarea (eșapament) se folosesc țevi speciale. Un compresor este, de asemenea, implicat în schema generală. Se poate realiza dupa diferite principii, in functie de presiunea de lucru ceruta. Pentru a-l opera, o parte din energie este preluată de pe axă și utilizată pentru a comprima aerul. O turbină cu gaz funcționează prin procesul de ardere a unui amestec aer-combustibil, însoțit de o creștere semnificativă a volumului. Arborele se rotește, energia sa poate fi folosită util. Un astfel de circuit se numește un singur circuit, dar dacă se repetă, atunci este considerat cu mai multe etape.

Avantajele turbinelor aeronavei

Pe la mijlocul anilor cincizeci, a apărut o nouă generație de aeronave, inclusiv avioane de pasageri (în URSS acestea erau Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 etc.), în proiecte în care motoarele cu piston ale aeronavelor au fost înlocuite în final și irevocabil de motoare cu turbină. Acest lucru indică eficiența mai mare a acestui tip de centrale electrice. Caracteristicile unei turbine cu gaz sunt superioare celor ale motoarelor cu carburator în multe privințe, în special în raportul putere/greutate, care este de o importanță capitală pentru aviație, precum și în indicatorii de fiabilitate la fel de importanți. Consum mai mic de combustibil, mai puține piese în mișcare, parametri de mediu mai buni, zgomot și vibrații reduse. Turbinele sunt mai puțin critice pentru calitatea combustibilului (despre care nu se poate spune sisteme de combustibil), sunt mai ușor de întreținut și nu necesită la fel de mult ulei lubrifiant. În general, la prima vedere pare că nu sunt din metal, ci au avantaje solide. Din păcate, acest lucru nu este adevărat.

Motoarele cu turbină cu gaz au și dezavantaje.

Turbina cu gaz se încălzește în timpul funcționării și transferă căldură elementelor structurale din jur. Acest lucru este deosebit de critic, din nou, în aviație, atunci când se utilizează o schemă de aspect modificată care implică spălarea părții inferioare a unității de coadă cu un curent cu jet. Și carcasa motorului în sine necesită izolație termică specială și utilizarea unor materiale refractare speciale care pot rezista la temperaturi ridicate.

Răcirea turbinelor cu gaz este o provocare tehnică complexă. Nu este o glumă, aceștia funcționează într-un mod de explozie aproape permanentă care are loc în organism. Eficiența în unele moduri este mai mică decât cea a motoarelor cu carburator, totuși, atunci când se utilizează un circuit cu dublu circuit, acest dezavantaj este eliminat, deși designul devine mai complicat, așa cum este cazul când compresoarele „boosting” sunt incluse în circuit. Accelerarea turbinelor și atingerea modului de funcționare durează ceva timp. Cu cât unitatea pornește și se oprește mai des, cu atât se uzează mai repede.

Aplicarea corectă

Ei bine, niciun sistem nu este lipsit de deficiențele sale. Este important să găsim o utilizare pentru fiecare dintre ele în care avantajele sale să fie mai clar demonstrate. De exemplu, tancuri precum americanul Abrams, a cărui centrală electrică se bazează pe o turbină cu gaz. Poate fi umplut cu orice arde, de la benzină cu octan mare până la whisky, și produce o mare putere. Exemplul poate să nu aibă prea mult succes, deoarece experiența din Irak și Afganistan a arătat vulnerabilitatea palelor compresorului la nisip. Turbinele cu gaz trebuie reparate în SUA, la uzina de producție. Pentru a duce rezervorul acolo, apoi înapoi, și costul întreținerii în sine plus componente...

Elicopterele, țările rusești, americane și din alte țări, precum și bărcile cu motor puternice, suferă mai puțin de blocaje. Rachetele lichide nu se pot descurca fără ele.

Navele de război moderne și navele civile au, de asemenea, motoare cu turbină cu gaz. Și, de asemenea, energie.

Centrale electrice trigeneratoare

Problemele cu care se confruntă producătorii de avioane sunt mai puțin îngrijorătoare pentru cei care produc echipamente industriale pentru generarea de energie electrică. În acest caz, greutatea nu mai este atât de importantă și vă puteți concentra pe parametri precum eficiența și eficiența generală. Unitățile generatoare cu turbine cu gaz au un cadru masiv, un cadru de încredere și lame mai groase. Este foarte posibil să se utilizeze căldura generată, folosind-o pentru o varietate de nevoi - de la reciclarea secundară în sistemul în sine, până la încălzirea spațiilor casnice și alimentarea termică a unităților frigorifice de tip absorbție. Această abordare se numește trigenerator, iar eficiența în acest mod se apropie de 90%.

Centrale nucleare

Pentru o turbină cu gaz, nu are nicio diferență fundamentală care este sursa mediului încălzit care dă energie palelor sale. Poate fi un amestec aer-combustibil ars sau pur și simplu abur supraîncălzit (nu neapărat apă), principalul lucru este că îl oferă sursă de alimentare neîntreruptibilă. La baza lor, centralele electrice ale tuturor centralelor nucleare, submarinelor, portavionului, spărgătoarelor de gheață și ale unor nave militare de suprafață (de exemplu, crucișătorul cu rachete Petru cel Mare) se bazează pe o turbină cu gaz (GTU) rotită de abur. Problemele de siguranță și de mediu dictează un circuit primar închis. Aceasta înseamnă că agentul termic primar (în primele probe acest rol a fost jucat de plumb, acum a fost înlocuit cu parafină) nu părăsește zona reactorului, curgând în jurul elementelor de combustibil într-un cerc. Substanța de lucru este încălzită în circuitele ulterioare, iar dioxidul de carbon, heliul sau azotul evaporat rotește roata turbinei.

Aplicație largă

Instalațiile complexe și mari sunt aproape întotdeauna unice; Cel mai adesea, unitățile produse în cantități mari sunt folosite în sectoare pașnice ale economiei, de exemplu, pentru pomparea materiilor prime de hidrocarburi prin conducte. Acestea sunt exact cele produse de compania ODK sub marca Saturn. Turbinele cu gaz ale stațiilor de pompare corespund pe deplin denumirii lor. Ei pompează de fapt gazul natural, folosind energia acestuia pentru munca lor.

O turbină termică continuă în care energia termică a gazului comprimat și încălzit (de obicei, produse de ardere) este transformată în lucru mecanic de rotație pe un arbore; este un element structural al unui motor cu turbină cu gaz.

Încălzirea gazului comprimat are loc de obicei în camera de ardere. De asemenea, este posibil să se efectueze încălzirea într-un reactor nuclear etc. Turbinele cu gaz au apărut pentru prima dată la sfârșitul secolului al XIX-lea. ca motor cu turbină cu gaz și ca proiectare erau aproape de o turbină cu abur. O turbină cu gaz este din punct de vedere structural o serie de jante staționare ale paletelor dispuse ordonat ale aparatului de duză și jante rotative ale rotorului, care, ca rezultat, formează partea de curgere. Etapa turbinei este un aparat cu duză combinat cu un rotor. Etapa constă dintr-un stator, care include părți staționare (carcasă, lame de duză, inele de bandaj) și un rotor, care este un set de părți rotative (cum ar fi lamele rotative, discuri, arbore).

Clasificarea turbinelor cu gaz se realizează în funcție de mulți caracteristici de proiectare: în funcție de direcția fluxului de gaz, numărul de trepte, metoda de utilizare a diferenței de căldură și metoda de alimentare cu gaz la rotor. Pe baza direcției fluxului de gaz, turbinele cu gaz pot fi distinse între axiale (cele mai frecvente) și radiale, precum și diagonale și tangențiale. La turbinele axiale cu gaz, fluxul în secțiunea meridională este transportat în primul rând de-a lungul întregii axe a turbinei; la turbinele radiale, dimpotriva, este perpendiculara pe axa. Turbinele radiale sunt împărțite în centripete și centrifuge. Într-o turbină diagonală, gazul curge la un anumit unghi față de axa de rotație a turbinei. Rotorul unei turbine tangenţiale nu are palete, astfel de turbine sunt utilizate pentru debitul de gaz foarte scăzut, de obicei la instrumentele de măsură. Turbinele cu gaz vin în tipuri simple, duble și cu mai multe trepte.

Numărul de etape este determinat de mulți factori: scopul turbinei, ea diagrama de proiectare, puterea totală dezvoltată de o treaptă, precum și diferența de presiune declanșată. După metoda de utilizare a diferenței de căldură disponibilă, se face distincția între turbinele cu trepte de viteză, în care doar debitul se rotește în rotor, fără modificarea presiunii (turbine active), și turbinele cu trepte de presiune, în care presiunea scade atat in aparatul duzei cat si pe paletele rotorului (turbine cu jet). În turbinele parțiale cu gaz, gazul este furnizat rotorului de-a lungul unei părți a circumferinței aparatului cu duză sau de-a lungul întregii sale circumferințe.

Într-o turbină cu mai multe etape, procesul de conversie a energiei constă dintr-un număr de procese secvenţiale în etape individuale. Gazul comprimat și încălzit este furnizat canalelor interlame ale aparatului duzei la o viteză inițială, unde, în timpul procesului de expansiune, o parte din diferența de căldură disponibilă este convertită în energia cinetică a jetului de ieșire. O expansiune suplimentară a gazului și conversia transferului de căldură în lucru util are loc în canalele inter-lame ale rotorului. Fluxul de gaz, care acționează asupra palelor rotorului, creează cuplu pe arborele principal al turbinei. În acest caz, viteza absolută a gazului scade. Cu cât această viteză este mai mică, cu atât energia gazului este transformată în lucru mecanic asupra arborelui turbinei.

Eficiența caracterizează eficiența turbinelor cu gaz, care este raportul dintre munca îndepărtată de pe arbore și energia gazului disponibil în fața turbinei. Eficiența efectivă a turbinelor moderne cu mai multe trepte este destul de mare și ajunge la 92-94%.

Principiul de funcționare al unei turbine cu gaz este următorul: gazul este pompat în camera de ardere de către un compresor, amestecat cu aer, formează un amestec de combustibil și este aprins. Produsele de ardere rezultate cu o temperatură ridicată (900-1200 ° C) trec prin mai multe rânduri de pale montate pe arborele turbinei și duc la rotația turbinei. Energia mecanică rezultată a arborelui este transmisă printr-o cutie de viteze către un generator care generează electricitate.

Energie termală Gazele care ies din turbina intră în schimbătorul de căldură. De asemenea, în loc de a produce energie electrică, energia mecanică a turbinei poate fi folosită pentru a acționa diverse pompe, compresoare etc. Cel mai des folosit combustibil pentru turbinele cu gaz este gazul natural, deși acest lucru nu poate exclude posibilitatea utilizării altor combustibili gazoși. Dar, în același timp, turbinele cu gaz sunt foarte capricioase și impun cerințe sporite asupra calității pregătirii sale (sunt necesare anumite incluziuni mecanice și umiditate).

Temperatura gazelor emanate din turbină este de 450-550 °C. Raportul cantitativ dintre energia termică și energia electrică pentru turbinele cu gaz variază de la 1,5: 1 la 2,5: 1, ceea ce face posibilă construirea de sisteme de cogenerare care diferă prin tipul de lichid de răcire:

1) utilizarea directă (directă) a gazelor de evacuare fierbinți;
2) producerea de abur de joasă sau medie presiune (8-18 kg/cm2) într-un cazan extern;
3) producerea de apă caldă (mai bună când temperatura necesară depășește 140 °C);
4) producție de abur de înaltă presiune.

Oamenii de știință sovietici B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov și alții au avut o mare contribuție la dezvoltarea turbinelor cu gaz. Crearea de turbine cu gaz pentru unități de turbine cu gaz staționare și mobile a fost realizată de companii străine (. Swiss Brown-Boveri, unde a lucrat celebrul om de știință slovac A. Stodola, și Sulzer, American General Electric etc.).

Dezvoltarea ulterioară a turbinelor cu gaz depinde de posibilitatea creșterii temperaturii gazului în fața turbinei. Acest lucru se datorează creării de noi materiale rezistente la căldură și sisteme de răcire fiabile pentru lamele de lucru, cu îmbunătățiri semnificative în partea de curgere etc.

Datorită tranziției pe scară largă din anii 1990. pentru utilizare gaz natural Ca principal combustibil pentru industria energiei electrice, turbinele cu gaz au ocupat un segment semnificativ de piață. În ciuda faptului că eficiența maximă a echipamentelor este atinsă la puteri de 5 MW și peste (până la 300 MW), unii producători produc modele în intervalul 1-5 MW.

Turbinele cu gaz sunt folosite în aviație și centrale electrice.

• Anterior: ANALIZOR DE GAZ
• Ca urmare a: MOTOR PE GAZ

Turbină cu abur.Încercările de a proiecta o turbină cu abur capabilă să concureze cu un motor cu abur până la mijlocul secolului al XIX-lea. nu au avut succes, deoarece doar o mică parte din energia cinetică a jetului de abur a putut fi convertită în energie mecanică de rotație a turbinei. Ideea este că inventatorii

nu a luat în considerare dependența randamentului turbinei de raportul dintre viteza aburului și viteza liniară a palelor turbinei.

Să aflăm în ce raport dintre viteza curentului de gaz și viteza liniară a paletei turbinei va avea loc cel mai complet transfer al energiei cinetice a curentului de gaz către paleta turbinei (Fig. 36). Când energia cinetică a aburului este complet transferată către paleta turbinei, viteza jetului în raport cu Pământul ar trebui să fie egală cu zero, adică.

Într-un cadru de referință care se mișcă cu viteza, viteza jetului este egală cu: .

Deoarece în acest cadru de referință lama este nemișcată în momentul interacțiunii cu jetul, viteza jetului după reflexia elastică rămâne neschimbată în mărime, dar își schimbă direcția în sens opus:

Trecând din nou la cadrul de referință asociat Pământului, obținem viteza jetului după reflexie:

De atunci

Am constatat că transferul complet al energiei cinetice a jetului către turbină va avea loc cu condiția ca viteza liniară de mișcare a palelor turbinei să fie jumătate din viteza jetului inginerul suedez Gustav Laval în 1889. Puterea sa era mai mică la viteza de rotație rpm

Orez. 36. Transferul energiei cinetice a unui jet de abur la paleta unei turbine

Debitul mare de gaz chiar și la căderi medii de presiune, în valoare de aproximativ 1200 m/s, necesită ca paletele turbinei să aibă o viteză liniară de aproximativ 600 m/s pentru o funcționare eficientă. În consecință, pentru a obține valori de eficiență ridicate, turbina trebuie să fie de mare viteză. Este ușor de calculat forța de inerție care acționează asupra unei pale de turbină cu greutatea de 1 kg, situată pe janta rotorului cu raza de 1 m, la o viteză a palelor de 600 m/s:

Apare o contradicție fundamentală: pentru ca turbina să funcționeze economic, sunt necesare viteze supersonice ale rotorului, dar la astfel de viteze turbina va fi distrusă de forțele inerțiale. Pentru a rezolva această contradicție, este necesar să se proiecteze turbine care se rotesc cu o viteză mai mică decât optimă, dar pentru a utiliza pe deplin energia cinetică a jetului de abur, să le facă în mai multe etape, plasând mai multe rotoare cu diametrul crescător pe un arbore comun. Datorită vitezei de rotație insuficient de mare a turbinei, aburul transferă doar o parte din energia sa cinetică rotorului cu diametrul mai mic. Apoi, aburul evacuat în prima etapă este direcționat către al doilea rotor cu un diametru mai mare, oferind palelor sale o parte din energia cinetică rămasă etc. Aburul evacuat este condensat în răcitor-condensator, iar apa caldă este trimisă la cazan. .

Ciclul unei instalații de turbină cu abur este prezentat în coordonate în Figura 37. În cazan, fluidul de lucru primește o cantitate de căldură, se încălzește și se extinde la presiune constantă (izobar AB). În turbină, aburul se extinde adiabatic (adiabat BC), efectuând lucrări de rotire a rotorului. Într-un condensator-răcitor, spălat, de exemplu, de apa râului, aburul transferă căldură apei și condensează la presiune constantă. Acest proces corespunde unei izobare. Apa caldă din condensator este pompată în cazan. Acest proces corespunde unui izocor După cum se poate observa, ciclul instalației cu turbine cu abur este închis. Munca efectuată de abur într-un ciclu este numeric egală cu aria figurii ABCD.

Turbinele moderne cu abur au Eficiență ridicată transformarea cinetică

Orez. 37. Schema ciclului de funcționare al unei instalații cu turbine cu abur

energia jetului de abur în energie mecanică, depășind ușor 90%. Prin urmare, generatoarele electrice ale aproape tuturor centralelor termice și nucleare din lume, care furnizează mai mult de 80% din toată energia electrică generată, sunt antrenate de turbine cu abur.

Deoarece temperatura aburului utilizat în instalațiile moderne cu turbine cu abur nu depășește 580 C (temperatura încălzitorului), iar temperatura aburului la ieșirea turbinei nu este de obicei mai mică de 30 ° C (temperatura frigiderului), valoarea maximă a eficienței de o instalație de turbină cu abur ca motor termic este:

iar valorile efective de eficiență ale centralelor electrice de condensare cu turbine cu abur ajung la doar aproximativ 40%.

Puterea centralelor moderne de boiler-turbină-generator ajunge la kW. Următoarea linie în cel de-al 10-lea Plan cincinal este construcția de unități de putere cu o capacitate de până la kW.

Motoarele cu turbine cu abur sunt utilizate pe scară largă în transportul pe apă. Cu toate acestea, utilizarea lor în transportul terestru și mai ales în aviație este îngreunată de necesitatea de a avea un focar și un cazan pentru generarea aburului, precum și o cantitate mare de apă pentru utilizare ca fluid de lucru.

Turbine cu gaz. Ideea de a elimina cuptorul și cazanul într-un motor termic cu o turbină prin mutarea locului de ardere a combustibilului în fluidul de lucru în sine i-a ocupat de mult pe proiectanți. Dar dezvoltarea unor astfel de turbine cu ardere internă, în care fluidul de lucru nu este abur, ci aer care se extinde din încălzire, a fost împiedicată de lipsa materialelor capabile să funcționeze mult timp la temperaturi ridicate și sarcini mecanice ridicate.

Instalaţia turbinei cu gaz este formată dintr-un compresor de aer 1, camere de ardere 2 şi o turbină cu gaz 3 (Fig. 38). Compresorul este format dintr-un rotor montat pe aceeași axă cu turbina și o paletă de ghidare fixă.

Când turbina funcționează, rotorul compresorului se rotește. Paletele rotorului sunt astfel formate incat atunci cand se rotesc presiunea in fata compresorului scade si in spatele acestuia creste. Aerul este aspirat în compresor, iar presiunea acestuia în spatele primului rând de pale ale rotorului crește. În spatele primului rând de pale de rotor se află un rând de palete ale unei palete fixe de ghidare a compresorului, cu ajutorul căreia se schimbă direcția de mișcare a aerului și se asigură posibilitatea comprimării ulterioare a acestuia folosind paletele din a doua treaptă. ale rotorului etc. Mai multe trepte ale paletelor compresorului asigură o presiune a aerului crescută de 5-7 ori.

Procesul de compresie are loc adiabatic, astfel încât temperatura aerului crește semnificativ, ajungând la 200 °C sau mai mult.

Orez. 38. Construcția unei unități de turbină cu gaz

Aerul comprimat intră în camera de ardere (Fig. 39). În același timp, lichidul este injectat în el prin duză. presiune ridicata combustibil lichid- kerosen, păcură.

Când combustibilul arde, aerul, care servește ca fluid de lucru, primește o anumită cantitate de căldură și se încălzește până la o temperatură de 1500-2200 °C. Încălzirea aerului are loc la presiune constantă, astfel că aerul se extinde și viteza acestuia crește.

Aerul și produsele de ardere care se deplasează cu viteză mare sunt direcționate în turbină. Trecând de la o etapă la alta, ei renunță la energia lor cinetică la paletele turbinei. O parte din energia primită de turbină este cheltuită pentru rotirea compresorului, iar restul este folosită, de exemplu, pentru a roti elicea unui avion sau rotorul unui generator electric.

Pentru a proteja palele turbinei de efectul distructiv al unui jet de gaz fierbinte și de mare viteză în camera de ardere

Orez. 39. Camera de ardere

Compresorul pompează mult mai mult aer decât este necesar pentru arderea completă a combustibilului. Aerul care intră în camera de ardere din spatele zonei de ardere a combustibilului (Fig. 38) reduce temperatura jetului de gaz direcționat către paletele turbinei. O scădere a temperaturii gazului într-o turbină duce la o scădere a eficienței, așa că oamenii de știință și proiectanții caută modalități de a crește limita superioară a temperaturii de funcționare a unei turbine cu gaz. În unele motoare moderne cu turbină cu gaz de aviație, temperatura gazului în fața turbinei ajunge la 1330 °C.

Aerul evacuat împreună cu produsele de ardere la o presiune apropiată de cea atmosferică și o temperatură mai mare de 500 °C la o viteză mai mare de 500 m/s este de obicei evacuat în atmosferă sau, pentru a crește eficiența, este trimis la un schimbător de căldură. , unde transferă o parte din căldură pentru a încălzi aerul care intră în camera de ardere .

Ciclul de funcționare al unei unități cu turbină cu gaz este diagramat în Figura 40. Procesul de comprimare a aerului în compresor corespunde adiabat AB, procesul de încălzire și expansiune în camera de ardere - izobarul BC. Procesul adiabatic de expansiune a gazului fierbinte într-o turbină este reprezentat de secțiunea CD, procesul de răcire și reducere a volumului fluidului de lucru este reprezentat de izobara DA.

Eficiența unităților cu turbine cu gaz ajunge la 25-30%. Motoarele cu turbine cu gaz nu au cazane de abur voluminoase, cum ar fi motoarele cu abur și turbinele cu abur și nu au pistoane și mecanisme care transformă mișcarea alternativă în mișcare de rotație, cum ar fi motoarele cu abur și motoarele cu ardere internă. Prin urmare, un motor cu turbină cu gaz durează de trei ori mai putin spatiu decât un motor diesel de aceeași putere, iar masa sa specifică (raportul dintre masă și putere) este de 6 - 9 ori mai mică decât cea a unui motor cu combustie internă cu piston de aviație. Compactitatea și viteza, combinate cu puterea mare pe unitate de greutate, au determinat primul domeniu practic important de aplicare a motoarelor cu turbină cu gaz - aviația.

Avioanele cu o elice montată pe arborele unui motor cu turbină cu gaz au apărut în 1944. Avioane renumite precum AN-24, TU-114, IL-18, AN-22 - „Antey” au motoare turbopropulsoare.

Greutatea maximă a „Antey” la decolare este de 250 de tone, capacitatea de transport este de 80 de tone sau 720 de pasageri,

Orez. 40. Schema ciclului de funcționare al unei instalații cu turbine cu gaz

viteza 740 km/h, puterea fiecăruia dintre cele patru motoare kW.

Motoarele cu turbine cu gaz încep să înlocuiască motoarele cu turbine cu abur în transportul pe apă, în special pe nave marina. Trecerea de la motoarele diesel la motoarele cu turbină cu gaz a făcut posibilă creșterea capacității de transport a navelor cu hidrofoil de patru ori, de la 50 la 200 de tone.

Motoarele cu turbină cu gaz cu o putere de 220-440 kW sunt instalate pe vehicule grele. BelAZ-549V de 120 de tone cu un motor cu turbină cu gaz este testat în industria minieră.