Газотурбинные установки

1. Газотурбинные установки

Традиционная современная ГТУ – это совокупность осевого компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, а также вспомогательных систем, обеспечивающих работу установки.

Газотурбинная установка приведена на рисунке 1.

[pic 1][pic 2]

Рисунок 1 – ГТУ [2]:

1 – осевой компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – газовая турбина; 4, 8 – опоры; 5,6 – роторы турбины и компрессора; 7 – рама

В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации.

ГТУ являются тепловыми двигателями, в которых тепло за счёт сгорания смеси топлива с воздухом в камере сгорания преобразуется в работу вращения вала установки. Поток газа, образованный в результате сгорания топлива, воздействуя на лопатки газовой турбины, создает крутящий момент и вращает ротор, который в свою очередь соединен с центробежным нагнетателем.

   ГТУ могут работать на органическом топливе различного вида, что позволяет их использовать в стационарном (тепловые электрические станции, компрессорные станции и т.д.) и в транспортном варианте (морские суда, железнодорожный транспорт и т.д.) [1].

Основная особенность ГТУ заключается в существенной зависимости эксплуатационных характеристик от параметров термодинамического процесса горения топливной смеси, которые в свою очередь зависят от качественного состава топлива, условий его подготовки и сгорания. Данная особенность, с одной стороны, выгодно отличает ГТУ от других двигателей с точки зрения возможности регулирования в широком диапазоне эксплуатационных параметров (скорость вращения, мощность, КПД и т. д.), с другой стороны, требует подготовки специалистов высокого уровня по их эксплуатации [1].

ГТУ работают по открытому и закрытому циклам.

В установках первого типа рабочим агентом являются продукты сгорания топлива (газы), которые после совершения работы выпускаются в атмосферу.

В установках второго типа продукты сгорания топлива служат только для нагрева рабочего агента за счет теплообмена в специальных аппаратах. Рабочим агентом может быть воздух или какой-либо газ, непрерывно циркулирующий в системе.

В современных ГТУ сгорание топлива (подвод теплоты) происходит при постоянном давлении и при постоянном объеме.

Схема простейшей ГТУ, работающей по открытому циклу, с подводом теплоты при постоянном давлении приведена на рисунке 2.[pic 3]

[pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11][pic 12]

Рисунок 2 – Схема простейшей ГТУ открытого цикла [3]

Рабочий процесс ГТУ простейшей схемы осуществляется следующим образом: атмосферный воздух, пройдя систему воздушных фильтров, поступает на вход осевого компрессора, где сжимается до давления 0,6-1,8 МПа. После  сжатия в компрессоре, воздух с температурой 170-340oC поступает в камеру сгорания, где за счет сжигания подводимого извне топлива температура рабочего тела доводится до величины, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков  силовой турбины: порядка 850-1000oC в стационарных ГТУ; в авиационных – порядка 1200-1300oC. Мощность, развиваемая силовой турбиной, идет на привод осевого компрессора и на привод центробежного нагнетателя. КПД таких установок в настоящее время может находиться на уровне 28-32%. Следует отметить, что ГТУ на базе авиационных имеют повышенный КПД [4].

Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении представлен на рисунке 3.

[pic 13]

Рисунок 3 – Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении на а) PV-диаграмме; б) TS-диаграмме [1]

Рабочее тело вначале сжимается в компрессоре (адиабата 3-4), затем к нему подводится теплота при постоянном давлении (изобара 4-1), после чего рабочее тело расширяется в турбине без теплообмена с внешней средой (адиабата 1-2) до давления окружающей среды. Изобарный процесс 2-3 является процессом отдачи теплоты холодному источнику теплоты [1].