Hva betyr godkjenning av virkningsgraden til en gassturbin 40. Prinsippet for drift av gassturbinenheter (GTU)

Et tradisjonelt moderne gassturbinanlegg (GTP) er en kombinasjon av en luftkompressor, et forbrenningskammer og en gassturbin, samt hjelpesystemer som sikrer driften. Kombinasjonen av en gassturbin og en elektrisk generator kalles en gassturbinenhet.

Det er nødvendig å understreke en viktig forskjell mellom GTU og PTU. Sammensetningen av PTU inkluderer ikke en kjele, mer presist betraktes kjelen som en separat varmekilde; Med denne betraktningen er kjelen en "svart boks": fødevann kommer inn i den med en temperatur på $t_(p.w)$, og damp kommer ut med parametere $p_0$, $t_0$. Et dampturbinanlegg kan ikke fungere uten en kjele som fysisk objekt. I en gassturbin er forbrenningskammeret dets integrerte element. Slik sett er GTU selvforsynt.

Gassturbinanlegg er ekstremt mangfoldige, kanskje til og med mer enn dampturbiner. Nedenfor vil vi vurdere de mest lovende og mest brukte gassturbinene i en enkel syklus i kraftindustrien.

Et skjematisk diagram av en slik gassturbin er vist i figuren. Luft fra atmosfæren kommer inn i innløpet til en luftkompressor, som er en roterende turbomaskin med en strømningsbane bestående av roterende og faste gitter. Kompressor trykkforhold p b til presset foran ham p a kalles kompresjonsforholdet til en luftkompressor og betegnes vanligvis som p til (p til = pb/p a). Kompressorrotoren drives av en gassturbin. Trykkluftstrømmen mates inn i ett, to eller flere forbrenningskamre. I dette tilfellet, i de fleste tilfeller, er luftstrømmen som kommer fra kompressoren delt inn i to strømmer. Den første strømmen sendes til brennerne, hvor det også tilføres drivstoff (gass eller flytende drivstoff). Når drivstoff forbrennes, dannes høytemperaturforbrenningsprodukter. Den relativt kalde luften til den andre strømmen blandes med dem for å oppnå gasser (de kalles vanligvis arbeidsgasser) med en temperatur som er akseptabel for deler av en gassturbin.

Arbeidsgasser med trykk r s (r s < p b på grunn av den hydrauliske motstanden til forbrenningskammeret) mates inn i strømningsbanen til gassturbinen, hvis driftsprinsipp ikke er forskjellig fra prinsippet for drift av dampturbinen (den eneste forskjellen er at gassturbinen kjører på drivstoffforbrenningsprodukter, og ikke på damp). I en gassturbin utvider arbeidsgassene seg til nesten atmosfærisk trykk. p d, gå inn i utløpsdiffusoren 14, og fra den - enten umiddelbart inn i skorsteinen, eller tidligere inn i en hvilken som helst varmeveksler som bruker varmen fra gassturbinens eksosgasser.

På grunn av utvidelsen av gasser i gassturbinen, genererer sistnevnte kraft. En svært betydelig del av det (omtrent halvparten) brukes på kompressordriften, og resten - på den elektriske generatordriften. Dette er nettoeffekten til gassturbinen, som vises når den er merket.

For å avbilde gassturbindiagrammer brukes symboler som ligner de som brukes for PTU.

Det kan ikke være noen enklere gassturbin, siden den inneholder et minimum av nødvendige komponenter som gir sekvensielle prosesser for kompresjon, oppvarming og utvidelse av arbeidsfluidet: en kompressor, ett eller flere forbrenningskamre som opererer under samme forhold, og en gassturbin. Sammen med enkle syklusgassturbiner finnes det komplekse syklusgassturbiner som kan inneholde flere kompressorer, turbiner og forbrenningskamre. Spesielt GT-100-750, bygget i USSR på 70-tallet, tilhører denne typen gassturbin.

Den er laget dobbel. Høytrykkskompressor på en aksel KVD og høytrykksturbinen som driver den TVD; denne akselen har variabel hastighet. Lavtrykksturbinen er plassert på den andre akselen TND, som driver lavtrykkskompressoren KND og elektrisk generator EG; derfor har denne akselen en konstant rotasjonshastighet på 50 s -1. Luft i mengden 447 kg/s kommer inn fra atmosfæren KND og komprimeres i den til et trykk på omtrent 430 kPa (4,3 atm) og mates deretter inn i luftkjøleren I, hvor den avkjøles med vann fra 176 til 35 °C. Dette reduserer arbeidet som kreves for å komprimere luften i høytrykkskompressoren. KVD(kompresjonsforhold p k = 6,3). Derfra kommer luft inn i høytrykksforbrenningskammeret. KSVD og forbrenningsprodukter med en temperatur på 750 ° C sendes til TVD. Fra TVD gasser som inneholder en betydelig mengde oksygen kommer inn i lavtrykksforbrenningskammeret KSND, der ekstra drivstoff brennes, og fra det - inn TND. Eksosgasser med en temperatur på 390 ° C går ut enten i skorsteinen eller inn i en varmeveksler for å bruke varmen fra eksosgassene.

GTU er lite økonomisk på grunn av den høye temperaturen på røykgassene. Komplikasjonen av kretsen gjør det mulig å øke effektiviteten, men samtidig krever det en økning i kapitalinvesteringer og kompliserer driften.

Figuren viser GTU V94.3 fra Siemens. Atmosfærisk luft fra den komplekse luftrenseanordningen (KVOU) kommer inn i gruven 4 , og fra den - til strømningsdelen 16 luftkompressor. Luft komprimeres i kompressoren. Kompresjonsforholdet i typiske kompressorer er p k = 13-17, og dermed overstiger ikke trykket i gassturbinkanalen 1,3-1,7 MPa (13-17 atm). Dette er en annen stor forskjell mellom en gassturbin og en dampturbin, der damptrykket er 10-15 ganger større enn gasstrykket i gassturbinen. Det lave trykket til arbeidsmediet bestemmer den lille tykkelsen på veggene til husene og hvor lett de er oppvarming. Det er dette som gjør gassturbinen svært manøvrerbar, d.v.s. i stand til hurtigstart og stopp. Hvis det tar fra 1 time til flere timer å starte en dampturbin, avhengig av dens opprinnelige temperaturtilstand, kan gassturbinen settes i drift på 10-15 minutter.

Når den komprimeres i en kompressor, varmes luften opp. Denne oppvarmingen kan estimeres ved en enkel omtrentlig relasjon:

$$T_a/T_b = \pi_k^(0,25)$$

hvori T b og T a- absolutte lufttemperaturer bak og før kompressoren. Hvis f.eks. T a= 300 K, dvs. omgivelsestemperaturen er 27 ° C, og p k \u003d 16, da T b= 600 K og følgelig varmes luften opp av

$$\Delta t = (600-273)-(300-273) = 300°C.$$

Dermed er lufttemperaturen bak kompressoren 300-350 °C. Luften mellom veggene i flammerøret og forbrenningskammerets kropp beveger seg til brenneren, som drivstoffgassen tilføres. Siden drivstoffet skal inn i forbrenningskammeret, hvor trykket er 1,3-1,7 MPa, må gasstrykket være høyt. For å kunne kontrollere strømmen inn i forbrenningskammeret er gasstrykket omtrent dobbelt så høyt som trykket i kammeret. Hvis det er slikt trykk i tilførselsgassrørledningen, tilføres gassen til forbrenningskammeret direkte fra gassfordelingspunktet (BNP). Hvis gasstrykket er utilstrekkelig, installeres en boostergasskompressor mellom den hydrauliske fraktureringen og kammeret.

Drivstoffgassforbruket er bare ca. 1-1,5 % av luftstrømmen fra kompressoren, så etableringen av en svært økonomisk boostergasskompressor byr på visse tekniske vanskeligheter.

Inne i flammerøret 10 hødannes. Etter innblanding av sekundærluft ved utløpet av brennkammeret avtar den noe, men når likevel 1350-1400 °C i typiske moderne gassturbiner.

Varme gasser fra forbrenningskammeret kommer inn i strømningsbanen 7 gassturbin. I den utvider gasser seg til nesten atmosfærisk trykk, siden rommet bak gassturbinen kommuniserer enten med en skorstein eller med en varmeveksler, hvis hydrauliske motstand er liten.

Når gasser utvider seg i en gassturbin, genereres kraft på akselen. Denne kraften brukes delvis til å drive luftkompressoren, og overskuddet brukes til å drive rotoren 1 generator. En av de karakteristiske egenskapene til en gassturbin er at kompressoren krever omtrent halvparten av kraften som utvikles av gassturbinen. For eksempel, i en gassturbinenhet med en kapasitet på 180 MW (dette er nettoeffekten) som lages i Russland, er kompressorkapasiteten 196 MW. Dette er en av de grunnleggende forskjellene mellom en gassturbin og en dampturbin: i sistnevnte er kraften som brukes til å komprimere fødevannet selv opp til et trykk på 23,5 MPa (240 atm) bare noen få prosent av dampturbineffekten . Dette skyldes at vann er en lite komprimerbar væske, og luft krever mye energi for å komprimere.

I den første, ganske grove tilnærmingen, kan gasstemperaturen bak turbinen estimeres fra et enkelt forhold som ligner på:

$$T_c/T_d = \pi_k^(0.25).$$

Derfor, hvis $\pi_k = 16$, og temperaturen foran turbinen T s\u003d 1400 ° С \u003d 1673 K, så er temperaturen bak omtrent K:

$$T_d=T_c/\pi_k^(0.25) = 1673/16^(0.25) = 836.$$

Dermed er gasstemperaturen bak gassturbinen ganske høy, og en betydelig mengde varme oppnådd fra drivstoffforbrenning går bokstavelig talt inn i skorsteinen. Derfor, under autonom drift av en gassturbin, er effektiviteten lav: for typiske gassturbiner er den 35-36%, dvs. betydelig mindre enn effektiviteten til fagskolene. Saken endres imidlertid drastisk når en varmeveksler (en nettverksvarmer eller en spillvarmekjel for en kombinert syklus) installeres på "halen" av gassturbinen.

En diffusor er installert bak gassturbinen - en jevnt ekspanderende kanal, under strømmen der hastighetstrykket til gasser delvis omdannes til trykk. Dette gjør det mulig å ha et trykk bak gassturbinen som er mindre enn atmosfærisk trykk, noe som øker effektiviteten til 1 kg gasser i turbinen og dermed øker kraften.

Luftkompressorenhet. Som allerede nevnt er en luftkompressor en turbomaskin, til akselen som strøm tilføres fra en gassturbin; denne kraften overføres til luften som strømmer gjennom strømningsbanen til kompressoren, som et resultat av at lufttrykket stiger opp til trykket i forbrenningskammeret.

Figuren viser en gassturbinrotor plassert i trykklager; i forgrunnen er kompressorrotoren og statorelementene godt synlige.

Fra min 4 luft kommer inn i kanalene som dannes av rotasjonsvingene 2 ikke-roterende innløpsledevinge (VNA). Hovedoppgaven til VNA er å informere strømmen som beveger seg i aksial (eller radiell-aksial) retning av rotasjonsbevegelse. VNA-kanaler skiller seg ikke fundamentalt fra dysekanalene til en dampturbin: de er forvirrende (avsmalnende), og strømmen i dem akselererer, samtidig som den får en omkretshastighetskomponent.

I moderne gassturbiner er innløpsledevingen dreibar. Behovet for en roterende VNA er forårsaket av ønsket om å forhindre en reduksjon i effektiviteten når GTU-belastningen reduseres. Poenget er at akslene til kompressoren og den elektriske generatoren har samme rotasjonshastighet, lik frekvensen til nettverket. Derfor, hvis VNA ikke brukes, er mengden luft som tilføres av kompressoren til forbrenningskammeret konstant og avhenger ikke av turbinbelastningen. Og du kan endre kraften til gassturbinen bare ved å endre drivstoffstrømmen inn i forbrenningskammeret. Derfor, med en reduksjon i drivstofforbruket og en konstant mengde luft levert av kompressoren, synker temperaturen på arbeidsgassene både før og etter gassturbinen. Dette fører til en meget betydelig reduksjon i effektiviteten til gassturbinen. Rotasjon av bladene med redusert belastning rundt aksen 1 med 25 - 30° gjør det mulig å innsnevre strømningsseksjonene til VNA-kanalene og redusere luftstrømmen inn i forbrenningskammeret, og opprettholde et konstant forhold mellom luft- og drivstofforbruk. Installasjonen av innløpsledevingen gjør det mulig å holde gasstemperaturen foran og bak gassturbinen konstant i effektområdet på ca. 100-80%.

Figuren viser VNA-bladdriften. En roterende spak er festet til aksene til hvert blad 2 , som gjennom spaken 4 knyttet til en dreibar ring 1 . Bytt om nødvendig luftstrømringen 1 roterer ved hjelp av stenger og en elektrisk motor med en girkasse; mens du dreier alle spakene samtidig 2 og følgelig VNA-bladene 5 .

Luften virvlet ved hjelp av VNA går inn i 1. trinn av luftkompressoren, som består av to gitter: roterende og stasjonær. Begge ristene har, i motsetning til turbinrister, ekspanderende (diffuser) kanaler, dvs. innløpsluftpassasjeområde F 1 mindre enn F 2 ved utgangen.

Når luft beveger seg i en slik kanal, reduseres hastigheten ( w 2 < w 1), og trykket øker ( R 2 > R en). Dessverre for å gjøre diffusorgrillen økonomisk, dvs. slik at strømningshastigheten w 1 til maksimal grad ville bli omdannet til trykk, og ikke til varme, bare mulig med en liten grad av kompresjon R 2 /R 1 (vanligvis 1,2 - 1,3), noe som fører til et stort antall kompressortrinn (14 - 16 med et kompressorkompresjonsforhold p k \u003d 13 - 16).

Figuren viser luftstrømmen i kompressortrinnet. Fra inngangs (fast) roterende dyseapparat kommer luften ut med en hastighet c 1 (se den øvre hastighetstrekanten), med den nødvendige vridningen i omkretsen (en 1< 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u 1, deretter den relative hastigheten for å gå inn i den w 1 vil være lik forskjellen mellom vektorer c 1 og u 1 , og denne forskjellen vil være større enn c 1 dvs. w 1 > c en . Ved bevegelse i kanalen synker lufthastigheten til verdien w 2 og kommer ut i en vinkel b 2 bestemt av hellingen til profilene. Men på grunn av rotasjon og tilførsel av energi til luften fra rotorbladene, dens hastighet med 2 i absolutt bevegelse vil være større enn c en . Bladene til det faste gitteret er installert slik at luftinntaket inn i kanalen er støtfritt. Siden kanalene til dette gitteret utvider seg, synker hastigheten i det til verdien c" 1 , og trykket øker fra R 1 til R 2. Gitteret er utformet slik at c" 1 = c 1, a a "1 = a 1. Derfor, i det andre trinnet og påfølgende trinn, vil kompresjonsprosessen forløpe på lignende måte. I dette tilfellet vil høyden på gitterne reduseres i samsvar med den økte lufttettheten på grunn av kompresjon .

Noen ganger gjøres ledeskovlene til de første trinnene i kompressoren roterbare på samme måte som VNA-skovlene. Dette gjør det mulig å utvide kraftområdet til gassturbinen, der temperaturen på gassene foran og bak gassturbinen forblir uendret. Dermed øker også økonomien. Bruken av flere roterende ledeskovler lar deg jobbe økonomisk i området 100 - 50 % av kraften.

Det siste trinnet av kompressoren er arrangert på samme måte som de forrige, med den eneste forskjellen at oppgaven til den siste ledevingen 1 er ikke bare å øke trykket, men også å sikre den aksiale utgangen av luftstrømmen. Luft kommer inn i den ringformede utløpsventilen 23 hvor trykket stiger til sin maksimale verdi. Med dette trykket kommer luft inn i forbrenningssonen 9 .

Luft tas fra luftkompressorhuset for å avkjøle elementene i gassturbinen. For å gjøre dette er ringformede kamre laget i kroppen, som kommuniserer med rommet bak det tilsvarende trinnet. Luften fra kamrene fjernes med rørledninger.

I tillegg har kompressoren såkalte antisurge-ventiler og bypass-rør. 6 , som omgår luft fra kompressorens mellomtrinn inn i utløpsdiffusoren til gassturbinen når den startes og stoppes. Dette eliminerer den ustabile driften av kompressoren ved lave luftstrømningshastigheter (dette fenomenet kalles surge), som kommer til uttrykk i intens vibrasjon av hele maskinen.

Opprettelsen av svært økonomiske luftkompressorer er en ekstremt kompleks oppgave, som, i motsetning til turbiner, ikke bare kan løses ved beregning og design. Siden kompressoreffekten er omtrent lik kraften til gassturbinen, fører en forringelse av kompressorens virkningsgrad med 1 % til en reduksjon i virkningsgraden til hele gassturbinen med 2-2,5 %. Derfor er etableringen av en god kompressor et av hovedproblemene i opprettelsen av gassturbiner. Vanligvis lages kompressorer ved modellering (skalering) ved bruk av en modellkompressor skapt av lang eksperimentell forfining.

Gassturbinforbrenningskamre er svært forskjellige. Over er en gassturbin med to utvendige kammer. Figuren viser en GTU type 13E med en kapasitet på 140 MW fra ABB med ett fjernforbrenningskammer, hvis enhet er lik enheten til kammeret vist på figuren. Luften fra kompressoren fra den ringformede diffusoren kommer inn i rommet mellom kammerlegemet og flammerøret og brukes deretter til gassforbrenning og til kjøling av flammerøret.

Den største ulempen med eksterne forbrenningskamre er deres store dimensjoner, som er tydelig synlige fra figuren. Til høyre for kammeret er en gassturbin, til venstre - en kompressor. Tre hull er synlige ovenfra i kroppen for å romme anti-surge ventiler og deretter - VNA-drevet. I moderne gassturbiner brukes hovedsakelig innebygde forbrenningskamre: ringformede og rørformede.

Figuren viser et integrert ringformet brennkammer. Det ringformede rommet for forbrenning er dannet av det indre 17 og utendørs 11 brennende rør. Fra innsiden er rørene foret med spesielle innsatser 13 og 16 ha et termisk barrierebelegg på siden som vender mot flammen; på motsatt side er innsatsene ribbet, noe som forbedrer kjølingen ved at luft kommer inn gjennom de ringformede spaltene mellom innsatsene inne i flammerøret. Dermed er temperaturen på flammerøret 750-800 °C i forbrenningssonen. Den frontale mikrobrenneren i kammeret består av flere hundre brennere 10 , som tilføres gass fra fire samlere 5 -8 . Ved å slå av kollektorene etter tur kan du endre kraften til gassturbinen.

Brenneranordningen er vist på figuren. Fra oppsamleren kommer gass inn gjennom boring i stammen 3 til det indre hulrommet i skulderbladene 6 virvler. Sistnevnte er et hult radialt rett blad som får luften som kommer fra forbrenningskammeret til å vri seg og rotere rundt stangens akse. Naturgass kommer inn i denne roterende luftvirvelen fra det indre hulrommet til virvelbladene. 6 gjennom små hull 7 . I dette tilfellet dannes en homogen drivstoff-luftblanding, som kommer ut i form av en virvlende stråle fra sonen 5 . En ringformet roterende virvel sørger for stabil forbrenning av gassen.

Figuren viser et rørformet ringformet forbrenningskammer GTE-180. Inn i det ringformede rommet 24 mellom utløpet av luftkompressoren og innløpet til gassturbinen ved hjelp av perforerte kjegler 3 plasser 12 flammerør 10 . Flammerøret inneholder mange hull med en diameter på 1 mm, arrangert i ringformede rader med en avstand på 6 mm mellom dem; avstand mellom hullrekker 23 mm. Gjennom disse åpningene kommer "kald" luft inn fra utsiden, og gir konvektiv filmkjøling og temperaturen på flammerøret er ikke høyere enn 850 °C. Et termisk barrierebelegg 0,4 mm tykt påføres den indre overflaten av flammerøret.

På frontplaten 8 flammerør, en brenneranordning er installert, bestående av en sentral pilotbrenner 6 tenning av drivstoff ved oppstart ved hjelp av et stearinlys 5 , og fem hovedmoduler, hvorav en er vist på figuren. Modulen lar deg brenne gass og diesel. Gass gjennom armatur 1 etter filter 6 går inn i den ringformede drivstoffgassmanifolden 5 , og fra den inn i hulrom som inneholder små hull (diameter 0,7 mm, trinn 8 mm). Gjennom disse hullene kommer gassen inn i det ringformede rommet. Det er seks tangentielle spor i veggene til modulen 9 , gjennom hvilken hovedmengden luft som tilføres for forbrenning fra luftkompressoren kommer inn. I de tangentielle slissene er luften vridd og dermed inne i hulrommet 8 det dannes en roterende virvel som beveger seg mot utløpet av brenneren. Til periferien av virvelen gjennom hullene 3 gass ​​kommer inn, blandes med luft, og den resulterende homogene blandingen forlater brenneren, hvor den antennes og brenner. Forbrenningsproduktene kommer inn i dyseapparatet til 1. trinn av gassturbinen.

Gassturbinen er det mest komplekse elementet i gassturbinen, som først og fremst skyldes den svært høye temperaturen til arbeidsgassene som strømmer gjennom strømningsveien: gasstemperaturen foran turbinen på 1350 ° C regnes for tiden som "standard" , og ledende selskaper, først og fremst General Electric, jobber med å mestre starttemperaturen på 1500 °C. Husk at "standard" starttemperatur for dampturbiner er 540 °C, og i fremtiden - en temperatur på 600-620 °C.

Ønsket om å øke starttemperaturen er først og fremst forbundet med effektivitetsgevinsten det gir. Dette sees tydelig fra figuren som oppsummerer det oppnådde nivået av gassturbinkonstruksjon: en økning i starttemperaturen fra 1100 til 1450 °C gir en økning i absolutt effektivitet fra 32 til 40 %, dvs. resulterer i drivstoffbesparelser på 25 %. Selvfølgelig er en del av disse besparelsene forbundet med ikke bare en økning i temperaturen, men også med forbedringen av andre elementer i gassturbinen, og den opprinnelige temperaturen er fortsatt den avgjørende faktoren.

For å sikre langsiktig drift av en gassturbin, brukes en kombinasjon av to virkemidler. Det første middelet er bruken av varmebestandige materialer for de mest belastede delene som kan motstå virkningen av høye mekaniske belastninger og temperaturer (primært for dyse- og rotorblader). Hvis stål (dvs. jernbaserte legeringer) med et krominnhold på 12-13 % brukes til dampturbinblader og noen andre elementer, brukes nikkelbaserte legeringer (nimonic) til gassturbinblader, som er i stand til og nødvendig levetid for å tåle temperaturer på 800-850 °C. Derfor, sammen med den første, brukes et annet middel - avkjøling av de varmeste delene.

De fleste moderne gassturbiner kjøles ved hjelp av luft fra ulike stadier av en luftkompressor. Gassturbiner er allerede i drift, som bruker vanndamp til kjøling, som er et bedre kjølemiddel enn luft. Kjøleluft etter oppvarming i den avkjølte delen slippes ut i strømningsbanen til gassturbinen. Et slikt kjølesystem kalles åpent. Det er lukkede kjølesystemer der kjølevæsken som er oppvarmet i delen sendes til kjøleskapet og deretter returneres igjen for å avkjøle delen. Et slikt system er ikke bare svært komplisert, men krever også utnyttelse av varme hentet fra kjøleskapet.

Gassturbinkjølesystemet er det mest komplekse systemet i en gassturbin, som bestemmer levetiden. Det sikrer ikke bare å opprettholde et akseptabelt nivå av arbeids- og dyseblader, men også kroppselementer, skiver som bærer arbeidsblader, låsende lagertetninger der olje sirkulerer, etc. Dette systemet er ekstremt forgrenet og organisert slik at hvert avkjølt element mottar kjøleluft med parametrene og i den nødvendige mengden for å opprettholde sin optimale temperatur. Overdreven kjøling av deler er like skadelig som utilstrekkelig, siden det fører til økte kostnader til kjøleluft, som krever turbinkraft for å komprimere i kompressoren. I tillegg fører økt luftforbruk til kjøling til en reduksjon i temperaturen på gassene bak turbinen, noe som har en svært betydelig effekt på driften av utstyret installert bak gassturbinen (for eksempel en dampturbinenhet som fungerer som en del av en dampturbin). Til slutt må kjølesystemet sikre ikke bare det nødvendige temperaturnivået til delene, men også jevnheten til oppvarmingen deres, noe som utelukker utseendet på farlige termiske påkjenninger, hvis sykliske virkning fører til utseende av sprekker.

Figuren viser et eksempel på en typisk gassturbinkjølekrets. Verdiene for gasstemperaturer er gitt i rektangulære rammer. Foran dyseapparatet til 1. trinn 1 den når 1350 °C. Bak ham, dvs. foran arbeidsristen til 1. trinn er det 1130 °C. Selv før arbeidsbladet på siste trinn er det på nivået 600 °C. Gasser med denne temperaturen vasker dysen og arbeidsbladene, og hvis de ikke ble avkjølt, ville deres temperatur være lik gasstemperaturen, og levetiden deres ville være begrenset til flere timer.

For å avkjøle elementene i en gassturbin brukes luft som tas fra kompressoren i det stadiet der trykket er litt høyere enn trykket til arbeidsgassene i den sonen av gassturbinen som luft tilføres til. For eksempel, for kjøling av dysevingene til 1. trinn, tas kjøleluft i en mengde på 4,5 % av luftstrømmen ved kompressorinnløpet fra kompressorens utløpsdiffusor, og for kjøling av dysevingene i siste trinn og tilstøtende del av huset - fra 5. trinn av kompressoren. Noen ganger, for å avkjøle de varmeste elementene i en gassturbin, sendes luften som tas fra kompressorens utløpsdiffusor først til en luftkjøler, hvor den kjøles (vanligvis med vann) til 180–200 °C og deretter sendes til kjøling. I dette tilfellet kreves det mindre luft for kjøling, men samtidig vises kostnadene for en luftkjøler, gassturbinen blir mer komplisert, og en del av varmen som fjernes av kjølevannet går tapt.

En gassturbin har vanligvis 3-4 trinn, d.v.s. 6-8 felger av gitter, og oftest er bladene på alle felger avkjølt, bortsett fra arbeidsbladene på siste trinn. Luft for kjøling av dysevingene tilføres innvendig gjennom endene og slippes ut gjennom mange (600-700 hull med en diameter på 0,5-0,6 mm) hull plassert i de tilsvarende områdene av profilen. Kjøleluft tilføres arbeidsbladene gjennom hull laget i endene av skaftet.

For å forstå hvordan avkjølte blader er arrangert, er det i det minste i generelle termer nødvendig å vurdere teknologien for deres produksjon. På grunn av den eksepsjonelle vanskeligheten med å bearbeide nikkellegeringer, brukes investeringsstøping hovedsakelig til å produsere blader. For å implementere det, først er støpekjerner laget av keramikkbaserte materialer ved bruk av en spesiell teknologi for støping og varmebehandling. Støpekjernen er en nøyaktig kopi av hulrommet inne i det fremtidige bladet, som kjøleluft vil strømme inn i og strømme i ønsket retning. Støpekjernen plasseres i en form, hvis indre hulrom tilsvarer bladet som skal oppnås. Det resulterende ledige rommet mellom stangen og formens vegg er fylt med en oppvarmet lavtsmeltende masse (for eksempel plast), som størkner. Stangen, sammen med den herdende massen som omslutter den, gjentar den ytre formen til bladet, er en investeringsmodell. Den legges i en form som nimonisk smelte tilføres til. Sistnevnte smelter plasten, tar sin plass, og som et resultat vises et støpt blad med et indre hulrom fylt med en stang. Stangen fjernes ved etsing med spesielle kjemiske løsninger. De oppnådde dysevingene krever praktisk talt ikke ytterligere maskinering (bortsett fra produksjon av mange hull for utløp av kjøleluft). Arbeidende støpte blader krever bearbeiding av skaftet med et spesielt slipeverktøy.

Teknologien som er beskrevet kort er lånt fra luftfartsteknologi, hvor temperaturene som oppnås er mye høyere enn i stasjonære dampturbiner. Vanskeligheten med å mestre disse teknologiene er forbundet med mye større bladstørrelser for stasjonære gassturbiner, som vokser proporsjonalt med gassstrømningshastigheten, dvs. GTU-kraft.

Bruken av såkalte single-crystal blader, som er laget av en enkelt krystall, virker svært lovende. Dette skyldes det faktum at tilstedeværelsen av korngrenser under et lengre opphold ved høy temperatur fører til en forringelse av metallets egenskaper.

Gassturbinrotoren er en unik prefabrikkert struktur. Før du monterer individuelle skiver 5 kompressor og skive 7 gassturbiner er blader og balansert, endedeler er produsert 1 og 8 , avstandsstykke 11 og midtstift 6 . Hver av skivene har to ringformede krager, på hvilke hirts (oppkalt etter oppfinneren - Hirth) er laget - strengt radielle tenner av en trekantet profil. Tilstøtende stykker har nøyaktig samme krage med nøyaktig samme hirts. Med god produksjonskvalitet på hirtforbindelsen sikres absolutt sentrering av tilstøtende skiver (dette sikrer radialiteten til hirts) og repeterbarhet av montering etter rotordemontering.

Rotoren er montert på et spesielt stativ, som er en heis med en ringformet plattform for monteringspersonell, innenfor hvilken montering utføres. Først monteres endedelen av rotoren på gjengen 1 og strekkstag 6 . Stangen plasseres vertikalt inne i den ringformede plattformen og skiven til 1. trinn av kompressoren senkes oppå den ved hjelp av en kran. Sentreringen av skiven og endedelen utføres av hirts. Beveger seg oppover på en spesiell heis, installasjonspersonalet skive for skive [først av kompressoren, deretter avstandsstykket, og deretter turbinen og høyre ende 8 ] samler hele rotoren. En mutter er skrudd på høyre ende 9 , og en hydraulisk enhet er installert på den gjenværende delen av den gjengede delen av strekkstangen, klemmer skivene og trekker trekkstangen. Etter å ha trukket stangen, mutteren 9 skrus opp til anslag, og hydraulikkinnretningen fjernes. Den strakte stangen strammer skivene sikkert sammen og gjør rotoren til en enkelt stiv struktur. Den sammensatte rotoren fjernes fra monteringsstativet, og den er klar for installasjon i gassturbinen.

Den største fordelen med gassturbinen er dens kompakthet. Faktisk, for det første er det ingen dampkjele i gassturbinen - en struktur som når en stor høyde og krever et eget rom for installasjon. Denne omstendigheten er først og fremst forbundet med det høye trykket i forbrenningskammeret (1,2-2 MPa); i kjelen skjer forbrenning ved atmosfærisk trykk, og følgelig er volumet av varme gasser som dannes 12-20 ganger større. Videre, i en gassturbin, foregår prosessen med gassekspansjon i en gassturbin som kun består av 3-5 trinn, mens en dampturbin med samme effekt består av 3-4 sylindre som inneholder 25-30 trinn. Selv med tanke på både forbrenningskammeret og luftkompressoren, har en 150 MW gassturbin en lengde på 8-12 m, og lengden på en dampturbin med samme kraft med tresylindret design er 1,5 ganger lengre. Samtidig, for dampturbinen, i tillegg til kjelen, er det nødvendig å sørge for installasjon av en kondensator med sirkulasjons- og kondensatpumper, et regenereringssystem med 7-9 varmeovner, feed turbopumper (fra en til tre) , og en avlufter. Som et resultat kan gassturbinenheten installeres på en betongbase i maskinhallens nullnivå, og STU krever et rammefundament 9-16 m høyt med dampturbin plassert på øvre fundamentplate og hjelpeutstyr i kondensrommet.

Kompaktheten til gassturbinen gjør at den kan monteres på turbinanlegget, leveres til maskinrommet med jernbane eller vei for installasjon på et enkelt fundament. Så spesielt blir gassturbiner med innebygde forbrenningskamre transportert. Ved transport av gassturbiner med fjerntliggende kammer transporteres sistnevnte separat, men festes enkelt og raskt til kompressor-gassturbinmodulen ved hjelp av flenser. Dampturbinen leveres med en rekke sammenstillinger og deler, installasjonen av både seg selv og en rekke hjelpeutstyr og koblinger mellom dem tar flere ganger mer tid enn en gassturbin.

GTU krever ikke kjølevann. Som et resultat mangler gassturbinen en kondensator og et industrielt vannforsyningssystem med en pumpeenhet og et kjøletårn (med sirkulerende vannforsyning). Som et resultat fører alt dette til at kostnaden for 1 kW installert kapasitet til et gassturbinkraftverk er mye mindre. Samtidig viser kostnadene for selve GTUen (kompressor + forbrenningskammer + gassturbin), på grunn av dens kompleksitet, seg å være 3-4 ganger mer enn prisen for en dampturbin med samme kraft.

En viktig fordel med en gassturbin er dens høye manøvrerbarhet, bestemt av et lavt trykknivå (sammenlignet med trykket i en dampturbin) og følgelig enkel oppvarming og avkjøling uten farlige termiske påkjenninger og deformasjoner.

Gassturbiner har imidlertid også betydelige ulemper, hvorav først og fremst det bør bemerkes at de er mindre økonomiske enn de til et dampkraftverk. Gjennomsnittlig effektivitet for tilstrekkelig gode gassturbiner er 37-38%, og for dampturbinkraftenheter - 42-43%. Taket for kraftige kraftgassturbiner, som det ser ut i dag, er en virkningsgrad på 41-42 % (og kanskje enda høyere, gitt de store reservene for å øke starttemperaturen). Den lavere effektiviteten til gassturbinen er assosiert med den høye temperaturen til eksosgassene.

En annen ulempe med gassturbiner er umuligheten av å bruke lavkvalitets drivstoff i dem, i det minste for øyeblikket. Det kan bare fungere bra på gass eller godt flytende drivstoff som diesel. Dampkraftenheter kan operere på hvilket som helst drivstoff, inkludert den dårligste kvaliteten.

De lave startkostnadene for termiske kraftverk med gassturbiner og samtidig relativt lav effektivitet og høye kostnader for drivstoffet som brukes og manøvrerbarhet bestemmer hovedområdet for individuell bruk av gassturbiner: de bør brukes i kraftsystemer som topp eller backup strømkilder som fungerer flere timer om dagen.

Samtidig endrer situasjonen seg dramatisk når varmen fra gassturbinens eksosgasser brukes i varmeanlegg eller i en kombinert (damp-og-gass) syklus.

En turbin er en motor hvor den potensielle energien til en komprimerbar væske omdannes til kinetisk energi i bladapparatet, og sistnevnte i løpehjulene til mekanisk arbeid som overføres til en kontinuerlig roterende aksel.

Dampturbiner representerer i sin design en varmemotor som er konstant i drift. Under drift kommer overopphetet eller mettet vanndamp inn i strømningsbanen og tvinger rotoren til å rotere på grunn av utvidelsen. Rotasjon skjer som et resultat av at dampstrømmen virker på bladapparatet.

Dampturbinen er en del av dampturbindesignet, som er designet for å generere energi. Det finnes også installasjoner som i tillegg til elektrisitet kan generere termisk energi – dampen som har gått gjennom dampbladene kommer inn i nettverksvannvarmerne. Denne typen turbiner kalles industri-kogenerasjon eller kraftvarme-type turbiner. I det første tilfellet tilveiebringes damputvinning for industrielle formål i turbinen. Komplett med en generator, en dampturbin er en turbinenhet.

Dampturbintyper

Turbiner deles, avhengig av i hvilken retning dampen beveger seg, i radielle og aksiale turbiner. Dampstrømmen i radielle turbiner er rettet vinkelrett på aksen. Dampturbiner kan være en-, to- og tre-tilfeller. Dampturbinen er utstyrt med en rekke tekniske enheter som hindrer inntrengning av omgivelsesluft inn i foringsrøret. Dette er en rekke tetninger, som forsynes med vanndamp i en liten mengde.

En sikkerhetsregulator er plassert på den fremre delen av akselen, designet for å slå av damptilførselen når turbinhastigheten øker.

Kjennetegn på hovedparametrene til de nominelle verdiene

· Turbinens merkeeffekt- den maksimale kraften som turbinen må utvikle i lang tid ved terminalene til den elektriske generatoren, med normale verdier for hovedparametrene eller når de endres innenfor grensene spesifisert av industri- og statlige standarder. En kontrollert damputvinningsturbin kan utvikle effekt over sin nominelle effekt dersom dette er i samsvar med styrkeforholdene til delene.

· Turbin økonomisk kraft- den effekten som turbinen opererer med størst effektivitet. Avhengig av parametrene for levende damp og formålet med turbinen, kan merkeeffekten være lik den økonomiske kraften eller mer med 10-25%.

· Nominell temperatur for regenerativ matvannsoppvarming- temperaturen på tilførselsvannet nedstrøms for den siste varmeren i retning av vannet.

· Nominell kjølevannstemperatur- temperaturen på kjølevannet ved innløpet til kondensatoren.

gassturbin(fr. turbin fra lat. turbo virvle, rotasjon) er en kontinuerlig varmemotor, i bladapparatet hvor energien til komprimert og oppvarmet gass omdannes til mekanisk arbeid på akselen. Den består av en rotor (blader festet på skiver) og en stator (styreskovler festet i huset).

Gass med høy temperatur og trykk kommer inn gjennom turbindyseapparatet inn i lavtrykksområdet bak dysedelen og ekspanderer og akselererer samtidig. Videre går gassstrømmen inn i turbinbladene, og gir dem en del av dens kinetiske energi og gir vridningsmoment til bladene. Rotorbladene overfører dreiemoment gjennom turbinskivene til akselen. Nyttige egenskaper til en gassturbin: en gassturbin driver for eksempel en generator plassert på samme aksel med den, som er det nyttige arbeidet til en gassturbin.

Gassturbiner brukes som en del av gassturbinmotorer (brukes til transport) og gassturbinenheter (brukes ved termiske kraftverk som en del av stasjonære GTUer, CCGT). Gassturbiner er beskrevet av Brayton termodynamiske syklus, der luft først komprimeres adiabatisk, deretter brennes ved konstant trykk, og deretter adiabatisk ekspanderes tilbake til starttrykk.

Typer gassturbiner

- Fly og jetmotorer

- Hjelpekraftenhet

- Industrielle gassturbiner for elektrisitetsproduksjon

- Turboakselmotorer

- Radielle gassturbiner

- Mikroturbiner

Mekanisk kan gassturbiner være betydelig enklere enn stempel-forbrenningsmotorer. Enkle turbiner kan ha én bevegelig del: aksel/kompressor/turbin/alternativ rotorenhet (se bildet ovenfor), ikke inkludert drivstoffsystemet.

Mer komplekse turbiner (de som brukes i moderne jetmotorer) kan ha flere aksler (spoler), hundrevis av turbinblader, bevegelige statorblader og et omfattende system med komplekse rør, forbrenningskamre og varmevekslere.

Som en generell regel, jo mindre motoren er, desto høyere er hastigheten på akselen(e) som kreves for å opprettholde den maksimale lineære hastigheten til bladene. Maksimal hastighet på turbinbladene bestemmer det maksimale trykket som kan nås, noe som resulterer i maksimal effekt, uavhengig av motorstørrelse. Jetmotoren roterer med ca 10 000 rpm og mikroturbinen med ca 100 000 rpm.

En gassturbin blir ofte referert til som en kontinuerlig drift motor. Deretter vil vi snakke om hvordan en gassturbin er arrangert, hva er prinsippet for drift av enheten. Et trekk ved en slik motor er at inne i den produseres energi av komprimert eller oppvarmet gass, hvis resultat er det mekaniske arbeidet på akselen.

Historien om gassturbinen

Interessant nok har turbinmekanismer blitt utviklet av ingeniører i svært lang tid. Den første primitive dampturbinen ble opprettet i det 1. århundre f.Kr. e.! Selvfølgelig er det viktig
Denne mekanismen har nådd sin storhetstid først nå. Turbiner begynte å bli aktivt utviklet på slutten av 1800-tallet, samtidig med utvikling og forbedring av termodynamikk, maskinteknikk og metallurgi.

Prinsippene for mekanismer, materialer, legeringer har endret seg, alt har blitt forbedret, og nå, i dag, kjenner menneskeheten den mest perfekte av alle tidligere eksisterende former for en gassturbin, som er delt inn i forskjellige typer. Det er en gassturbin for luftfart, og det er en industriell.

Det er vanlig å kalle en gassturbin en slags varmemotor, dens arbeidsdeler er forhåndsbestemt med bare en oppgave - å rotere på grunn av virkningen av en gassstråle.

Den er arrangert på en slik måte at hoveddelen av turbinen er representert av et hjul som sett med blader er festet på. , som virker på bladene til en gassturbin, får dem til å bevege seg og rotere hjulet. Hjulet er på sin side stivt festet til akselen. Denne tandem har et spesielt navn - turbinrotoren. Som et resultat av at denne bevegelsen skjer inne i motoren til en gassturbin, oppnås mekanisk energi, som overføres til en elektrisk generator, til en skipspropell, til en flypropell og andre arbeidsmekanismer med et lignende driftsprinsipp.

Aktive og jetturbiner

Påvirkningen av gassstrålen på turbinbladene kan være todelt. Derfor er turbiner delt inn i klasser: klassen av aktive og reaktive turbiner. Reaktive og aktive gassturbiner er forskjellige i enhetens prinsipp.

Impulsturbin

En aktiv turbin kjennetegnes ved at det er høy gasstrøm til rotorbladene. Ved hjelp av et buet blad avviker gassstrålen fra sin bane. Som et resultat av avbøyningen utvikles det en stor sentrifugalkraft. Ved hjelp av denne kraften settes bladene i bevegelse. Under hele gassens beskrevne bane går en del av energien tapt. Slik energi er rettet mot bevegelsen av pumpehjulet og akselen.

jetturbin

I en jetturbin er ting noe annerledes. Her utføres gassstrømmen til rotorbladene ved lav hastighet og under påvirkning av høyt trykk. Formen på bladene er også utmerket, på grunn av hvilken gasshastigheten økes betydelig. Dermed skaper gassstrålen en slags reaktiv kraft.

Fra mekanismen beskrevet ovenfor, følger det at innretningen til en gassturbin er ganske komplisert. For at en slik enhet skal fungere jevnt og gi fortjeneste og fordel til eieren, bør du overlate vedlikeholdet til fagfolk. Serviceprofilselskaper yter servicevedlikehold av installasjoner ved bruk av gassturbiner, forsyninger av komponenter, alle typer deler og deler. DMEnergy er et slikt selskap () som gir kunden trygghet og tillit til at han ikke vil stå alene med problemene som oppstår under driften av en gassturbin.

Termisk turbin med konstant virkning, der den termiske energien til komprimert og oppvarmet gass (vanligvis drivstoffforbrenningsprodukter) omdannes til mekanisk rotasjonsarbeid på en aksel; er et strukturelt element i en gassturbinmotor.

Oppvarming av komprimert gass skjer som regel i forbrenningskammeret. Det er også mulig å foreta oppvarming i en atomreaktor etc. Gassturbiner dukket opp første gang på slutten av 1800-tallet. som en gassturbinmotor og designmessig nærmet de seg en dampturbin. Strukturelt sett er en gassturbin en serie ordnet anordnede stasjonære bladkanter på dyseapparatet og roterende kanter på pumpehjulet, som som et resultat danner en strømningsdel. Turbintrinnet er et dyseapparat kombinert med et løpehjul. Scenen består av en stator, som inkluderer stasjonære deler (hus, dyseblader, skjermringer), og en rotor, som er et sett med roterende deler (som rotorblader, skiver, aksel).

Klassifiseringen av en gassturbin utføres i henhold til mange designfunksjoner: i retning av gasstrømmen, antall trinn, metoden for å bruke varmeforskjellen og metoden for å tilføre gass til pumpehjulet. I retning av gasstrømmen kan gassturbiner skilles mellom aksiale (den vanligste) og radiale, samt diagonale og tangentielle. I aksiale gassturbiner transporteres strømmen i meridionaldelen hovedsakelig langs hele turbinens akse; i radielle turbiner er den tvert imot vinkelrett på aksen. Radialturbiner er delt inn i sentripetal og sentrifugal. I en diagonal turbin strømmer gassen i en eller annen vinkel til turbinens rotasjonsakse. Løpehjulet til en tangentiell turbin har ingen blader; slike turbiner brukes ved svært lave gassstrømningshastigheter, vanligvis i måleinstrumenter. Gassturbiner er enkelt-, dobbelt- og flertrinns.

Antall trinn bestemmes av mange faktorer: formålet med turbinen, dens designskjema, den totale kraften og utviklet av ett trinn, samt det aktiverte trykkfallet. I henhold til metoden for å bruke den tilgjengelige varmeforskjellen, skilles turbiner med hastighetstrinn, der bare strømmen dreier i pumpehjulet, uten trykkendring (aktive turbiner), og turbiner med trykktrinn, der trykket synker både i dyseapparat og på rotorbladene (jetturbiner). I partielle gassturbiner tilføres gass til pumpehjulet langs en del av omkretsen av dyseapparatet eller langs hele dets omkrets.

I en flertrinnsturbin består energikonverteringsprosessen av en rekke suksessive prosesser i enkelttrinn. Komprimert og oppvarmet gass tilføres mellombladkanalene til dyseapparatet med en begynnelseshastighet, hvor en del av det tilgjengelige varmefallet blir omdannet til den kinetiske energien til utstrømningsstrålen. Ytterligere utvidelse av gassen og omdannelsen av varmefallet til nyttig arbeid skjer i løpehjulets mellombladkanaler. Gasstrømmen, som virker på rotorbladene, skaper et dreiemoment på turbinens hovedaksel. I dette tilfellet synker den absolutte hastigheten til gassen. Jo lavere denne hastigheten er, desto større del av gassenergien omdannes til mekanisk arbeid på turbinakselen.

Effektivitet karakteriserer effektiviteten til gassturbiner, som er forholdet mellom arbeidet som fjernes fra akselen og tilgjengelig gassenergi foran turbinen. Den effektive effektiviteten til moderne flertrinnsturbiner er ganske høy og når 92-94%.

Prinsippet for drift av en gassturbin er som følger: gass sprøytes inn i forbrenningskammeret av en kompressor, blandes med luft, danner en drivstoffblanding og antennes. De resulterende forbrenningsproduktene med høy temperatur (900-1200 °C) passerer gjennom flere rader med blader montert på turbinakselen og får turbinen til å rotere. Den resulterende mekaniske energien til akselen overføres gjennom en girkasse til en generator som genererer elektrisitet.

Termisk energi gasser som forlater turbinen kommer inn i varmeveksleren. Dessuten, i stedet for å generere elektrisitet, kan den mekaniske energien til turbinen brukes til å drive ulike pumper, kompressorer osv. Det mest brukte drivstoffet for gassturbiner er naturgass, selv om dette ikke kan utelukke muligheten for å bruke andre typer gassformig brensel . Men samtidig er gassturbiner veldig lunefulle og stiller høye krav til kvaliteten på forberedelsen (visse mekaniske inneslutninger, fuktighet er nødvendig).

Temperaturen på gasser som forlater turbinen er 450-550 ° С. Det kvantitative forholdet mellom termisk energi og elektrisk energi i gassturbiner varierer fra 1,5: 1 til 2,5: 1, noe som gjør det mulig å bygge kraftvarmesystemer som er forskjellige i type kjølevæske:

1) direkte (direkte) bruk av varme eksosgasser;
2) produksjon av lav- eller middels trykkdamp (8-18 kg/cm2) i en ekstern kjele;
3) produksjon av varmt vann (bedre når den nødvendige temperaturen overstiger 140 °C);
4) produksjon av høytrykksdamp.

Et stort bidrag til utviklingen av gassturbiner ble gitt av sovjetiske forskere B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov og andre. opprettelsen av gassturbiner for stasjonære og mobile gassturbinanlegg ble oppnådd av utenlandske selskaper (det sveitsiske Brown-Boveri, der den berømte slovakiske vitenskapsmannen A. Stodola jobbet, og Sulzer, den amerikanske General Electric, etc.).

I fremtiden avhenger utviklingen av gassturbiner av muligheten for å øke gasstemperaturen foran turbinen. Dette skyldes etableringen av nye varmebestandige materialer og pålitelige kjølesystemer for rotorblader med en betydelig forbedring av strømningsbanen, etc.

Takket være den omfattende overgangen på 1990-tallet. naturgass som hoveddrivstoff for kraftproduksjon, har gassturbiner okkupert et betydelig segment av markedet. Til tross for at den maksimale effektiviteten til utstyret oppnås ved kapasiteter fra 5 MW og høyere (opptil 300 MW), produserer noen produsenter modeller i 1-5 MW-området.

Gassturbiner brukes i luftfart og kraftverk.

• Forrige: GASSANALYSER
• Følgende: GASSMOTOR

Kategori: Industri i G

"Turbo", "turbojet", "turboprop" - disse begrepene har kommet godt inn i leksikonet til ingeniører fra det 20. århundre involvert i design og vedlikehold av kjøretøy og stasjonære elektriske installasjoner. De brukes selv i relaterte områder og reklame, når de ønsker å gi navnet på produktet et snev av spesiell kraft og effektivitet. I luftfart, raketter, skip og kraftverk brukes gassturbinen oftest. Hvordan er det organisert? Går den på naturgass (som navnet antyder), og hvordan er de? Hvordan er en turbin forskjellig fra andre typer forbrenningsmotorer? Hva er dens fordeler og ulemper? Et forsøk på å besvare disse spørsmålene så fullstendig som mulig er gjort i denne artikkelen.

Russisk maskinbyggingsleder UEC

Russland, i motsetning til mange andre uavhengige stater dannet etter sammenbruddet av Sovjetunionen, klarte i stor grad å bevare maskinbyggingsindustrien. Spesielt er Saturn-selskapet engasjert i produksjon av spesialkraftverk. Gassturbinene til dette selskapet brukes i skipsbygging, råvareindustrien og energi. Produktene er høyteknologiske, de krever en spesiell tilnærming under installasjon, feilsøking og drift, samt spesialkunnskap og dyrt utstyr for planlagt vedlikehold. Alle disse tjenestene er tilgjengelige for kunder til UEC - Gas Turbines, som det heter i dag. Det er ikke så mange slike bedrifter i verden, selv om prinsippet om å arrangere hovedproduktet ved første øyekast er enkelt. Den akkumulerte erfaringen er av stor betydning, noe som gjør det mulig å ta hensyn til mange teknologiske finesser, uten hvilke det er umulig å oppnå en holdbar og pålitelig drift av enheten. Her er bare en del av UEC-produktutvalget: gassturbiner, kraftverk, gasspumpeenheter. Blant kundene er "Rosatom", "Gazprom" og andre "hvaler" fra kjemisk industri og energi.

Produksjonen av slike komplekse maskiner krever en individuell tilnærming i hvert enkelt tilfelle. Beregningen av en gassturbin er i dag helautomatisert, men materialene og egenskapene til koblingsskjemaene har betydning i hvert enkelt tilfelle.

Og det hele startet så lett...

Søk og par

De første eksperimentene med å konvertere translasjonsenergien til strømmen til rotasjonskraft ble utført av menneskeheten i eldgamle tider ved å bruke et vanlig vannhjul. Alt er ekstremt enkelt, væske strømmer fra topp til bunn, blader er plassert i strømmen. Hjulet, utstyrt med dem rundt omkretsen, snurrer. Vindmøllen fungerer på samme måte. Så kom dampens tidsalder, og hjulet snudde raskere. Forresten, den såkalte "eolipilen", oppfunnet av den gamle greske Heron omtrent 130 år før Kristi fødsel, var en dampmaskin som fungerer nøyaktig på dette prinsippet. I hovedsak var dette den første gassturbinen kjent for historisk vitenskap (tross alt er damp en gassformig aggregeringstilstand av vann). I dag er det imidlertid vanlig å skille disse to konseptene. Herons oppfinnelse ble deretter behandlet i Alexandria uten særlig entusiasme, men med nysgjerrighet. Industrielt utstyr av turbintype dukket opp først på slutten av 1800-tallet, etter at svenske Gustaf Laval skapte verdens første aktive kraftenhet utstyrt med en dyse. Omtrent i samme retning jobbet ingeniør Parsons og forsynte maskinen sin med flere funksjonelt sammenkoblede trinn.

Fødselen av gassturbiner

Et århundre tidligere hadde en viss John Barber en strålende idé. Hvorfor må du varme opp dampen først, er det ikke lettere å bruke direkte eksosgassen som genereres under forbrenning av drivstoff, og dermed eliminere unødvendig formidling i energikonverteringsprosessen? Slik ble den første ordentlige gassturbinen til. Patentet fra 1791 beskriver den grunnleggende ideen om å bli brukt i en hesteløs vogn, men deler av den brukes i dag i moderne rakett-, fly-, tank- og bilmotorer. Begynnelsen på prosessen med å bygge jetmotorer ble gitt i 1930 av Frank Whittle. Han kom på ideen om å bruke en turbin for å drive et fly. Senere fant hun utvikling i en rekke turboprop- og turbojet-prosjekter.

Nikola Tesla gassturbin

Den berømte vitenskapsmannen-oppfinneren har alltid nærmet seg problemene som studeres på en ikke-standard måte. Det virket åpenbart for alle at hjul med årer eller blader "fanger" bevegelsen til mediet bedre enn flate gjenstander. Tesla, på sin vanlige måte, beviste at hvis du setter sammen et rotorsystem fra skiver arrangert i serie på aksen, vil det ved å plukke opp grenselagene med en gassstrøm ikke rotere verre, og i noen tilfeller enda bedre, enn en flerbladspropell. Riktignok bør retningen til det bevegelige mediet være tangentiell, noe som ikke alltid er mulig eller ønskelig i moderne enheter, men designet er sterkt forenklet - det trenger ikke blader i det hele tatt. En gassturbin etter Tesla-ordningen bygges ikke ennå, men kanskje ideen bare venter på sin tid.

kretsskjema

Nå om den grunnleggende enheten til maskinen. Det er en kombinasjon av et roterende system montert på en akse (rotor) og en fast del (stator). På akselen er det en skive med arbeidsblader som danner et konsentrisk gitter, de påvirkes av gass tilført under trykk gjennom spesielle dyser. Deretter kommer den utvidede gassen inn i impelleren, også utstyrt med blader, kalt arbeidere. For innløpet av luft-drivstoffblandingen og utløpet (eksos), brukes spesielle rør. Kompressoren er også med i det overordnede opplegget. Den kan lages etter et annet prinsipp, avhengig av det nødvendige arbeidstrykket. For driften tas en del av energien fra aksen, som brukes til å komprimere luften. Gassturbinen fungerer ved hjelp av prosessen med forbrenning av luft-drivstoffblandingen, ledsaget av en betydelig økning i volum. Akselen roterer, energien kan brukes nyttig. Et slikt opplegg kalles enkeltkrets, men hvis det gjentas, regnes det som flertrinns.

Fordeler med flyturbiner

Siden rundt midten av femtitallet har en ny generasjon fly dukket opp, inkludert passasjerfly (i USSR er disse Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124, etc. ), i design der flystempelmotorer til slutt og ugjenkallelig ble erstattet av turbinmotorer. Dette indikerer en større effektivitet av denne typen kraftverk. Egenskapene til gassturbinen er overlegne parameterne til forgassede motorer i mange henseender, spesielt når det gjelder kraft / vekt, som er av største betydning for luftfart, så vel som like viktige indikatorer på pålitelighet. Lavere drivstofforbruk, færre bevegelige deler, bedre miljøytelse, redusert støy og vibrasjoner. Turbiner er mindre kritiske for drivstoffkvaliteten (som ikke kan sies om drivstoffsystemer), de er lettere å vedlikeholde, de krever mindre smøreolje. Generelt ser det ved første øyekast ut til at de ikke består av metall, men av solide dyder. Akk, det er det ikke.

Det er ulemper med gassturbinmotorer

Gassturbinen varmes opp under drift og overfører varme til de omkringliggende konstruksjonselementene. Dette er spesielt kritisk, igjen i luftfart, når du bruker et redan layoutskjema som innebærer å vaske den nedre delen av haleenheten med en jetstrøm. Og selve motorhuset krever spesiell termisk isolasjon og bruk av spesielle ildfaste materialer som tåler høye temperaturer.

Avkjøling av gassturbiner er en kompleks teknisk utfordring. Det er ingen spøk, de fungerer på samme måte som en nesten permanent eksplosjon som oppstår i kroppen. Effektiviteten i noen moduser er lavere enn for forgassermotorer, men når du bruker et dobbeltkretsskjema, elimineres denne ulempen, selv om designet blir mer komplisert, som i tilfellet med å inkludere "booster"-kompressorer i ordningen. Akselerasjon av turbiner og nå driftsmodus krever litt tid. Jo oftere enheten starter og stopper, jo raskere slites den ut.

Riktig søknad

Vel, intet system er uten feil. Det er viktig å finne en slik applikasjon av hver av dem, der fordelene vil bli tydeligere manifestert. For eksempel tanker som amerikanske Abrams, som drives av en gassturbin. Den kan fylles med alt som brenner, fra høyoktan bensin til whisky, og den gir mye kraft. Dette er kanskje ikke et veldig godt eksempel, siden erfaring i Irak og Afghanistan har vist hvor sårbare kompressorbladene er for sand. Reparasjon av gassturbiner må gjøres i USA, ved produksjonsanlegget. Ta tanken dit, så tilbake, og kostnadene for selve vedlikeholdet, pluss tilbehør ...

Helikoptre, russiske, amerikanske og andre land, samt kraftige hurtigbåter, er mindre påvirket av tilstopping. I flytende raketter er de uunnværlige.

Moderne krigsskip og sivile skip har også gassturbinmotorer. Og også energi.

Trigenerator kraftverk

Problemene til flyprodusenter er ikke like bekymringsfulle for de som lager industrielt utstyr for å generere elektrisitet. Vekt i dette tilfellet er ikke lenger så viktig, og du kan fokusere på parametere som effektivitet og total effektivitet. Gassturbingeneratorenheter har en massiv ramme, en pålitelig ramme og tykkere blader. Det er fullt mulig å utnytte den genererte varmen ved å bruke den til en rekke behov, fra sekundær resirkulering i selve systemet, til oppvarming av boliger og termisk forsyning av kjøleenheter av absorpsjonstype. Denne tilnærmingen kalles trigenerator, og effektiviteten i denne modusen nærmer seg 90%.

Atomkraftverk

For en gassturbin spiller det ingen grunnleggende rolle hva som er kilden til det oppvarmede mediet som gir sin energi til bladene. Det kan være en brent luft-drivstoffblanding, eller rett og slett overopphetet damp (ikke nødvendigvis vann), det viktigste er at den sikrer uavbrutt strømforsyning. I kjernen er kraftverkene til alle atomkraftverk, ubåter, hangarskip, isbrytere og noen militære overflateskip (for eksempel Peter den store missilkrysseren) basert på en gassturbin (GTU) rotert av damp. Sikkerhets- og miljøspørsmål tilsier en lukket primærsløyfe. Dette betyr at det primære varmemidlet (i de første prøvene ble denne rollen spilt av bly, nå er det erstattet av parafin) ikke forlater nærreaktorsonen og strømmer rundt brenselelementene i en sirkel. Oppvarmingen av arbeidsstoffet utføres i påfølgende kretsløp, og fordampet karbondioksid, helium eller nitrogen roterer turbinhjulet.

Bred applikasjon

Komplekse og store installasjoner er nesten alltid unike, produksjonen deres utføres i små partier eller generelt lages enkeltkopier. Oftest brukes enheter produsert i store mengder i fredelige sektorer av økonomien, for eksempel for å pumpe hydrokarbonråvarer gjennom rørledninger. Det er disse som produseres av UEC-selskapet under merkevaren Saturn. Gassturbiner til pumpestasjoner er helt i samsvar med navnet deres. De pumper virkelig naturgass ved å bruke sin egen energi til arbeidet sitt.