ГТУ. Устройство и принцип действия

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 , а выходит пар с параметрами , . 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.

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 к давлению перед ним называется степенью сжатия воздушного компрессора и обычно обозначается как . 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 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 , 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).

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).

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 ). 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.

Рис. 4.10.4

На рис. 4.10.4, а, б изображен термодинамический цикл газотурбинной установки, на и диаграммах. Рабочее тело вначале сжимается в компрессоре по адиабате 1-2, затем к нему подводится теплота 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 . Формула получает вид

Но параметр может быть преобразован. Действительно,

Так как ; ; ; ; то .

Термический кпд цикла можно также определить по -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 и удельная работа рас­сматриваемого цикла может быть подсчитана по формуле

, (4.10.1)

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

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.

Рис. 4.10.6

На рис. 4.10.6.6 а, б дан сам цикл на и диаграммах.

В рассматриваемом цикле и . Так как в этом случае, кроме того,

(4.10.2)

с увеличением степени повышения давления и степени сжатия термический кпд цикла ГТУ с изохорным подводом теплоты увеличивается.

Термический кпд цикла можно определить, если воспользоваться изображением цикла на диаграмме в виде отношения площади 12351 к площади под процессом 2-3 (рис. 46.3, б).

Определяем работу рассматриваемого цикла. При ; и ,

(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.