În generarea autonomă - producția de energie la scară mică, recent s-a acordat o atenție considerabilă turbine cu gaz putere diferită. Centrale electrice la bază turbine cu gaz sunt utilizate ca sursă principală sau de rezervă de energie electrică și căldură pentru instalațiile industriale sau casnice. turbine cu gaz ca parte a centralelor electrice sunt proiectate pentru funcționarea în orice condiții climatice ale Rusiei. Domenii de utilizare turbine cu gaz practic nelimitat: industria petrolului și gazelor, întreprinderile industriale, structuri de locuințe și servicii comunale.

Factorul de utilizare pozitiv turbine cu gazîn domeniul locuințelor și serviciilor comunale este că conținutul de emisii nocive în gazele de evacuare de NO x și CO este la nivelul de 25, respectiv 150 ppm (pentru instalațiile cu piston, aceste valori sunt mult mai mari), ceea ce vă permite să instalați o centrală electrică în apropierea zonelor rezidențiale. Utilizare turbine cu gaz ca unități de putere ale centralelor electrice evită construirea coșurilor de fum înalte.

In functie de necesitati turbine cu gaz echipat cu cazane de căldură reziduală cu abur sau apă caldă, care vă permite să primiți de la centrală fie abur (presiune joasă, medie, înaltă) pentru nevoi de proces, fie apă caldă (ACM) cu valori standard de temperatură. Puteți obține abur și apă fierbinte în același timp. Puterea energiei termice produsă de o centrală bazată pe turbine cu gaz, de regulă, este de două ori mai mare decât a energiei electrice.

La centrala electrica turbine cu gazîn această configurație, eficiența combustibilului crește la 90%. Eficiență ridicată de utilizare turbine cu gaz deoarece unitățile de putere sunt furnizate în timpul funcționării pe termen lung cu sarcină electrică maximă. Cu suficientă putere turbine cu gaz există posibilitatea utilizării combinate a turbinelor cu abur. Această măsură permite creșterea semnificativă a eficienței utilizării centralei, crescând eficiența electrică până la 53%.

Cât costă o centrală electrică cu turbină cu gaz? Care este prețul său integral? Ce este inclus in pretul la cheie?

O centrală termică autonomă bazată pe turbine cu gaz are o mulțime de costuri suplimentare, dar adesea, pur și simplu echipamentul necesar(un exemplu din viața reală este un proiect finalizat). Cu utilizarea echipamentelor de primă clasă, costul unei centrale electrice de acest nivel, la cheie, nu depășește 45.000 - 55.000 de ruble per 1 kW de capacitate electrică instalată. Prețul final al unei centrale electrice bazată pe turbine cu gaz depinde de sarcinile și nevoile specifice ale consumatorului. Costul include proiectarea, construcția și punerea în funcțiune. Turbinele cu gaz în sine, ca unități de putere, fără echipamente suplimentare, în funcție de producător și putere, costă de la 400 la 800 de dolari pe 1 kW.

Pentru a obține informații despre costul construirii unei centrale electrice sau termocentrale în cazul dumneavoastră particular, trebuie să trimiteți un chestionar completat companiei noastre. După aceea, după 2-3 zile, clientul-client primește o propunere tehnică și comercială preliminară - TCH (exemplu scurt). Pe baza TCH, clientul ia decizia finală privind construcția unei centrale electrice bazată pe turbine cu gaz. De regulă, înainte de a lua o decizie, clientul vizitează o instalație existentă pentru a vedea cu ochii săi o centrală modernă și „atinge totul cu mâinile”. Direct la unitate, clientul primește răspunsuri la întrebările existente.

Conceptul de construcție bloc-modulară este adesea luat ca bază pentru construcția de centrale electrice bazate pe turbine cu gaz. Designul bloc-modular oferă nivel inalt pregătirea din fabrică a centralelor cu turbine cu gaz și reduce timpul de construcție a instalațiilor energetice.

Turbine cu gaz - unele aritmetice privind costul energiei produse

Pentru a produce 1 kW de energie electrică, turbinele cu gaz consumă doar 0,29–0,37 m³/h de combustibil gazos. La arderea unui metru cub de gaz, turbinele cu gaz generează 3 kW de energie electrică și 4–6 kW de energie termică. Cu prețul (medie) pentru gazul natural în 2011, 3 ruble. pe 1 m³, costul a 1 kW de energie electrică primită de la turbina de gaz, este egal cu aproximativ 1 rublă. În plus, consumatorul primește 1,5–2 kW de energie termică gratuită!

Cu alimentare autonomă de la o centrală electrică bazată pe turbine cu gaz, costul energiei electrice și căldurii produse este de 3-4 ori mai mic decât tarifele în vigoare în țară, iar acest lucru nu ține cont de costul ridicat al conectării la puterea de stat. grile (60.000 de ruble pe 1 kW în regiunea Moscova, 2011).

Construirea centralelor autonome pe baza turbine cu gaz permite economii semnificative Bani prin eliminarea costurilor de construcție și exploatare a liniilor electrice scumpe (TL), centralele electrice bazate pe turbine cu gaz pot crește semnificativ fiabilitatea alimentării cu energie electrică și termică, deoarece intreprinderi individuale organizații sau regiuni în ansamblu.
Gradul de automatizare a centralei pe bază de turbine cu gaz face posibilă abandonarea unui număr mare de personal de întreținere. În timpul funcționării unei centrale pe gaz, doar trei persoane asigură funcționarea acesteia: un operator, un electrician de serviciu și un mecanic de serviciu. Când urgente Sunt furnizate sisteme de protecție fiabile pentru a asigura siguranța personalului, siguranța sistemelor și unităților turbinei cu gaz.

Aerul atmosferic este alimentat printr-o admisie de aer echipată cu un sistem de filtrare (nu este prezentat în diagramă) la admisia unui compresor axial cu mai multe trepte. Compresorul comprimă aerul atmosferic și îl livrează la presiune mare în camera de ardere. În același timp, o anumită cantitate de combustibil gazos este furnizată în camera de ardere a turbinei prin duze. Combustibilul și aerul se amestecă și se aprind. Amestecul aer-combustibil arde, eliberând un numar mare de energie. Energia produșilor gazoși de ardere este transformată în munca mecanica datorita rotatiei palelor turbinei prin jeturi de gaz fierbinte. O parte din energia primită este utilizată pentru comprimarea aerului din compresorul turbinei. Restul lucrării este transferat la generatorul electric prin axa motoare. Această lucrare este munca utilă a turbinei cu gaz. Produsele de ardere, care au o temperatură de aproximativ 500-550 °C, sunt îndepărtate prin canalul de evacuare și difuzorul turbinei și pot fi utilizate în continuare, de exemplu, într-un schimbător de căldură, pentru a genera energie termică.

Turbinele cu gaz, ca motoare, au cea mai mare putere specifică dintre motoarele cu ardere internă, până la 6 kW/kg.

Ca combustibil pentru turbina cu gaz se poate folosi kerosen, motorină, gaz.

Unul dintre avantajele turbinelor cu gaz moderne este lungimea ciclu de viață- durata de viață a motorului (complet până la 200.000 ore, înainte de revizie 25.000–60.000 ore).

Modern turbine cu gaz sunt extrem de fiabile. Există dovezi ale funcționării continue a unor unități de câțiva ani.

Mulți furnizori de turbine cu gaz efectuează revizii la fața locului, înlocuind componente individuale fără a le transporta la fabrică, ceea ce reduce semnificativ costurile de timp.

Posibilitatea de funcționare pe termen lung în orice domeniu de putere de la 0 la 100%, absența răcirii cu apă, funcționarea cu două tipuri de combustibil - toate acestea fac ca turbinele cu gaz să fie solicitate unități de putere pentru centralele autonome moderne.

Utilizarea turbinelor cu gaz este cea mai eficientă la centralele de putere medie, iar la capacități de peste 30 MW, alegerea este evidentă.

O turbină este orice dispozitiv rotativ care utilizează energia unui fluid de lucru în mișcare (fluid) pentru a produce lucru. Fluidele tipice ale turbinelor sunt: ​​vânt, apă, abur și heliu. Morile de vânt și centralele hidroelectrice au folosit turbine de zeci de ani pentru a transforma generatoarele electrice și pentru a produce energie pentru industrie și locuințe. Turbinele simple sunt cunoscute de mult timp, prima dintre ele a apărut în Grecia antică.

În istoria producerii de energie, însă, turbinele cu gaz în sine au apărut nu cu mult timp în urmă. Prima turbină practică cu gaz a început să genereze electricitate în Neuchatel, Elveția, în 1939. A fost dezvoltat de compania Brown Boveri. Prima turbină cu gaz care a alimentat un avion a funcționat tot în 1939 în Germania, folosind o turbină cu gaz proiectată de Hans P. von Ohain. În Anglia, în anii 1930, invenția și proiectarea turbinei cu gaz de către Frank Whittle au condus la primul zbor cu turbină în 1941.

Figura 1. Schema unei turbine de avion (a) și a unei turbine cu gaz pentru utilizare la sol (b)

Termenul „turbină cu gaz” este ușor înșelător, deoarece pentru mulți înseamnă un motor cu turbină care folosește gaz drept combustibil. De fapt, o turbină cu gaz (prezentată schematic în Figura 1) are un compresor care furnizează și comprimă gaz (de obicei aer); camera de ardere, unde arderea combustibilului încălzește gazul comprimat și turbina însăși, care extrage energie din fluxul de gaze fierbinți, comprimate. Această energie este suficientă pentru a alimenta compresorul și rămâne pt aplicații utile. O turbină cu gaz este un motor cu ardere internă (ICE) care utilizează arderea continuă a combustibilului pentru a produce muncă utilă. Prin aceasta, turbina diferă de motoarele cu carburator sau diesel cu ardere internă, unde procesul de ardere este intermitent.

De când utilizarea turbinelor cu gaz a început în 1939 simultan în industria energetică și în aviație, diferite denumiri sunt folosite pentru aviație și turbinele cu gaz terestre. Turbinele cu gaz din aviație sunt numite motoare cu turboreacție sau cu reacție, iar alte turbine cu gaz sunt numite motoare cu turbină cu gaz. LA Limba engleză există și mai multe nume pentru aceste motoare similare în general.

Utilizarea turbinelor cu gaz

Într-un turbojet de avion, energia din turbină antrenează un compresor care atrage aer în motor. Gazul fierbinte care iese din turbină este expulzat în atmosferă prin duza de evacuare, care creează forță. Pe fig. 1a prezintă o diagramă a unui motor turborreactor.


Figura 2. Reprezentarea schematică a unui motor turborreactor de avion.

Un motor turboreactor tipic este prezentat în fig. 2. Astfel de motoare creează tracțiune de la 45 kgf la 45.000 kgf cu o greutate proprie de 13 kg la 9.000 kg. Cele mai mici motoare conduc rachete de croazieră, cele mai mari - avioane uriașe. Turbina cu gaz din fig. 2 este un motor turboventilator cu un compresor de diametru mare. Impingerea este creată atât de aerul care este aspirat de compresor, cât și de aerul care trece prin turbină în sine. Motorul este mare și capabil să genereze tracțiune mare la viteze mici de decolare, ceea ce îl face cel mai potrivit pentru aeronavele comerciale. Motorul turboreactor nu are ventilator și creează tracțiune cu aer care trece complet prin calea gazului. Motoarele turboreactor au dimensiuni frontale mici și produc cea mai mare forță la viteze mari, făcându-le cele mai potrivite pentru utilizare pe avioanele de luptă.

LA turbine cu gaz Pentru aplicațiile non-aeronautice, o parte din energia din turbină este utilizată pentru a antrena compresorul. Energia rămasă - „energia utilă” este îndepărtată din arborele turbinei la un dispozitiv de utilizare a energiei, cum ar fi un generator electric sau elicea unei nave.

În fig. 3. Astfel de instalații pot genera energie de la 0,05 MW până la 240 MW. Configurația prezentată în fig. 3 este o turbină cu gaz derivată din avion, dar mai uşoară. Unitățile mai grele sunt proiectate special pentru utilizare la sol și se numesc turbine industriale. Deși turbinele derivate din aeronave sunt din ce în ce mai folosite ca generatoare de energie primară, ele sunt încă utilizate cel mai frecvent ca compresoare pentru pomparea gazului natural, alimentarea navelor și utilizate ca generatoare de energie suplimentare în perioadele de cerere de vârf. Generatoarele cu turbine cu gaz se pot porni rapid, furnizând energie atunci când este cea mai necesară.


Figura 3. Cea mai simplă turbină cu gaz, cu o singură treaptă, de pe uscat. De exemplu, în energie. 1 - compresor, 2 - camera de ardere, 3 - turbina.

Cele mai importante avantaje ale unei turbine cu gaz sunt:

  1. Este capabil să genereze multă putere cu o dimensiune și o greutate relativ mici.
  2. Turbina cu gaz funcționează într-un mod de rotație constantă, spre deosebire de motoarele cu piston care funcționează cu sarcini în continuă schimbare. Prin urmare, turbinele durează mult timp și necesită întreținere relativ mică.
  3. Deși turbina cu gaz este pornită folosind echipamente auxiliare, cum ar fi motoare electrice sau altă turbină cu gaz, pornirea durează câteva minute. Pentru comparație, timpul de pornire al unei turbine cu abur este măsurat în ore.
  4. O turbină cu gaz poate folosi o varietate de combustibili. Turbinele mari de pe uscat folosesc de obicei gaz natural, în timp ce turbinele de aviație tind să utilizeze distilate ușoare (kerosen). Se poate folosi și motorină sau păcură tratată special. De asemenea, este posibilă utilizarea gazelor combustibile din procesul de piroliză, gazeificare și rafinare a petrolului, precum și biogaz.
  5. De obicei, turbinele cu gaz folosesc aerul atmosferic ca fluid de lucru. Când generează energie electrică, o turbină cu gaz nu are nevoie de lichid de răcire (cum ar fi apa).

În trecut, unul dintre principalele dezavantaje ale turbinelor cu gaz era eficiența lor scăzută în comparație cu alte motoare cu ardere internă sau turbine cu abur din centralele electrice. Cu toate acestea, în ultimii 50 de ani, îmbunătățirile în designul lor au crescut eficiență termică de la 18% în 1939 cu o turbină cu gaz Neuchatel la eficiența actuală de 40% în funcționare cu ciclu simplu și aproximativ 55% în ciclu combinat (mai multe despre asta mai jos). În viitor, eficiența turbinelor cu gaz va crește și mai mult, eficiența fiind așteptată să crească la 45-47% în ciclul simplu și până la 60% în ciclul combinat. Aceste eficiențe așteptate sunt substanțial mai mari decât alte motoare comune, cum ar fi turbinele cu abur.

Cicluri ale turbinei cu gaz

Diagrama de secvență arată ce se întâmplă când aerul intră, trece prin calea gazului și iese din turbina cu gaz. De obicei, o ciclogramă arată relația dintre volumul de aer și presiunea sistemului. Pe fig. 4a prezintă ciclul Brayton, care arată modificarea proprietăților unui volum fix de aer care trece printr-o turbină cu gaz în timpul funcționării acesteia. Zonele cheie ale acestei ciclograme sunt prezentate și în reprezentarea schematică a turbinei cu gaz din fig. 4b.


Figura 4a. Diagrama ciclului lui Brayton Coordonatele P-V pentru fluidul de lucru, arătând fluxurile de lucru (W) și căldură (Q).


Figura 4b. Ilustrație schematică a unei turbine cu gaz care arată puncte din diagrama ciclului Brayton.

Aerul este comprimat din punctul 1 în punctul 2. Presiunea gazului crește în timp ce volumul gazului scade. Aerul este apoi încălzit la presiune constantă de la punctul 2 până la punctul 3. Această căldură este produsă de combustibilul care este introdus în camera de ardere și arde continuu.

Aerul comprimat cald de la punctul 3 începe să se extindă între punctele 3 și 4. Presiunea și temperatura în acest interval scad, iar volumul de gaz crește. În motorul din fig. 4b, aceasta este reprezentată de fluxul de gaz de la punctul 3 prin turbină la punctul 4. Aceasta produce energie care poate fi apoi utilizată. În fig. 1a, fluxul este direcționat de la punctul 3" la punctul 4 prin duza de ieșire și produce forță. "Lucrare utilă" din Fig. 4a este prezentată de curba 3'-4. Aceasta este energia capabilă să antreneze arborele de antrenare al unui turbina de sol sau crearea de tracțiune pentru un motor de aeronavă.Ciclul Brighton se încheie în Fig. 4 cu un proces în care volumul și temperatura aerului scad pe măsură ce căldura este eliberată în atmosferă.


Figura 5. Sistem în buclă închisă.

Majoritatea turbinelor cu gaz funcționează în regim de ciclu deschis. Într-un circuit deschis, aerul este preluat din atmosferă (punctul 1 din Fig. 4a și 4b) și expulzat înapoi în atmosferă la punctul 4, astfel încât gazul fierbinte este răcit în atmosferă după ce este expulzat din motor. Într-o turbină cu gaz care funcționează în ciclu închis, fluidul de lucru (lichid sau gaz) este utilizat în mod constant pentru răcirea gazelor de eșapament (la punctul 4) în schimbătorul de căldură (reprezentat schematic în Fig. 5) și este trimis la admisia compresorului. . Deoarece se utilizează un volum închis cu o cantitate limitată de gaz, o turbină cu ciclu închis nu este un motor cu ardere internă. Într-un sistem cu ciclu închis, arderea nu poate fi susținută, iar camera de ardere convențională este înlocuită cu un schimbător de căldură secundar care încălzește aerul comprimat înainte de a intra în turbină. Caldura asigurata sursă externă, de exemplu, reactor nuclear, cuptor cu pat fluidizat de cărbune sau altă sursă de căldură. S-a propus utilizarea turbinelor cu gaz cu ciclu închis în zborurile către Marte și în alte zboruri spațiale pe termen lung.

O turbină cu gaz care este proiectată și operată conform ciclului Bryson (Figura 4) se numește turbină cu gaz cu ciclu simplu. Majoritatea turbinelor cu gaz de pe aeronave funcționează pe un ciclu simplu pentru a menține greutatea și dimensiunea frontală a motorului cât mai mici posibil. Cu toate acestea, pentru utilizarea pe uscat sau pe mare, devine posibilă adăugarea de echipamente suplimentare la turbina cu ciclu simplu pentru a crește eficiența și/sau puterea motorului. Sunt utilizate trei tipuri de modificări: regenerare, răcire intermediară și încălzire dublă.

Regenerare prevede instalarea unui schimbător de căldură (recuperator) pe drumul gazelor de evacuare (punctul 4 din fig. 4b). Aer comprimat de la punctul 2 din fig. 4b este preîncălzit pe schimbătorul de căldură de către gazele de evacuare înainte de a intra în camera de ardere (Fig. 6a).

Dacă regenerarea este bine implementată, adică eficiența schimbătorului de căldură este mare, iar căderea de presiune în acesta este mică, eficiența va fi mai mare decât în ​​cazul unui ciclu simplu de turbină. Cu toate acestea, ar trebui luat în considerare și costul regeneratorului. Regeneratoarele au fost folosite la motoarele cu turbine cu gaz din tancurile Abrams M1 - principalul tanc de luptă al Operațiunii Desert Storm - și în motoarele experimentale cu turbine cu gaz ale vehiculelor. Turbinele cu gaz cu regenerare cresc randamentul cu 5-6% iar randamentul lor este chiar mai mare atunci cand functioneaza sub sarcina partiala.

Intercooling implică și utilizarea schimbătoarelor de căldură. Un intercooler (intercooler) răcește gazul în timpul comprimării acestuia. De exemplu, dacă compresorul este format din două module, de înaltă și de joasă presiune, trebuie instalat între ele un intercooler pentru a răci debitul de gaz și a reduce cantitatea de muncă necesară comprimarii în compresorul de înaltă presiune (Fig. 6b). Agentul de răcire poate fi aerul atmosferic (așa-numitele răcitoare de aer) sau apă (de exemplu, apa de mare din turbina unei nave). Este ușor de demonstrat că puterea unei turbine cu gaz cu un intercooler bine proiectat este crescută.

incalzire dubla este utilizat în turbine și este o modalitate de a crește puterea de ieșire a unei turbine fără a modifica funcționarea compresorului sau a crește temperatura de funcționare a turbinei. Dacă turbina cu gaz are două module, de înaltă și de joasă presiune, atunci se folosește un supraîncălzitor (de obicei un alt arzător) pentru a reîncălzi fluxul de gaz dintre turbinele de înaltă și joasă presiune (Fig. 6c). Poate crește puterea de ieșire cu 1-3%. Încălzirea duală în turbinele aeronavelor este realizată prin adăugarea unui post-ardere la duza turbinei. Acest lucru crește tracțiunea, dar crește semnificativ consumul de combustibil.

Centrala electrică cu turbină cu gaz cu ciclu combinat este adesea abreviată ca CCGT. Ciclu combinat înseamnă o centrală electrică în care o turbină cu gaz și o turbină cu abur sunt utilizate împreună pentru a obține o eficiență mai mare decât atunci când sunt utilizate separat. Turbina cu gaz antrenează un generator electric. Gazele de evacuare ale turbinei sunt folosite pentru a produce abur într-un schimbător de căldură, acest abur antrenează o turbină cu abur care produce și energie electrică. Dacă pentru încălzire se folosește abur, instalația se numește centrală de cogenerare. Cu alte cuvinte, în Rusia este folosită în mod obișnuit abrevierea CHP (Heat and Power Plant). Dar la centralele CHP, de regulă, nu funcționează turbinele cu gaz, ci turbinele obișnuite cu abur. Iar aburul folosit este folosit pentru încălzire, deci CHP și CHP nu sunt sinonime. Pe fig. 7 este o diagramă simplificată a unei centrale electrice de cogenerare, prezentând două motoare termice instalate în serie. Motorul de sus este o turbină cu gaz. Transferă energie către motorul inferior - turbina cu abur. Turbina cu abur transferă apoi căldura la condensator.


Figura 7. Diagrama unei centrale electrice cu ciclu combinat.

Eficiența ciclului combinat \(\nu_(cc) \) poate fi reprezentată printr-o expresie destul de simplă: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) Cu alte cuvinte, este suma eficienței fiecăreia dintre etape minus munca lor. Această ecuație arată de ce cogenerarea este atât de eficientă. Să presupunem că \(\nu_B = 40%\) este o limită superioară rezonabilă pentru eficiența unei turbine cu gaz cu ciclu Brayton. O estimare rezonabilă a eficienței unei turbine cu abur care funcționează pe ciclul Rankine la a doua etapă de cogenerare este \(\nu_R = 30% \). Înlocuind aceste valori în ecuație, obținem: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58 \). Adică, eficiența unui astfel de sistem va fi de 58%.

Aceasta este limita superioară a eficienței unei centrale electrice de cogenerare. Eficiență practică va fi mai scăzută din cauza pierderii inevitabile de energie între etape. Practic în sistemele de cogenerare puse în funcțiune în ultimii ani s-a atins o eficiență de 52-58%.

Componentele turbinei cu gaz

Funcționarea unei turbine cu gaz este cel mai bine împărțită în trei subsisteme: compresor, cameră de ardere și turbină, așa cum se arată în Fig. 1. În continuare, vom trece în revistă pe scurt fiecare dintre aceste subsisteme.

Compresoare si turbine

Compresorul este conectat la turbină printr-un arbore comun, astfel încât turbina să poată întoarce compresorul. O turbină cu gaz cu un singur arbore are un singur arbore care conectează turbina și compresorul. O turbină cu gaz cu doi arbori (Fig. 6b și 6c) are doi arbori conici. Cel mai lung este conectat la un compresor de joasă presiune și o turbină de joasă presiune. Se rotește în interiorul unui arbore tubular mai scurt care conectează compresorul de înaltă presiune la turbina de înaltă presiune. Arborele care conectează turbina și compresorul de înaltă presiune se rotește mai repede decât arborele turbinei și compresorului de joasă presiune. O turbină cu gaz cu trei arbori are un al treilea arbore care conectează turbina și compresorul de medie presiune.

Turbinele cu gaz pot fi centrifuge sau axiale sau o combinație. Compresorul centrifugal, în care aerul comprimat iese în jurul perimetrului exterior al mașinii, este fiabil, costă de obicei mai puțin, dar este limitat la un raport de compresie de 6-7 la 1. Au fost utilizate pe scară largă în trecut și sunt încă folosite astăzi. în mici turbine cu gaz.

La compresoarele axiale mai eficiente și mai productive, aerul comprimat iese de-a lungul axei mecanismului. Acesta este cel mai comun tip de compresor de gaz (vezi figurile 2 și 3). Compresoarele centrifuge constau dintr-un număr mare de secțiuni identice. Fiecare secțiune conține o roată rotativă cu palete de turbină și o roată cu pale fixe (statoare). Secțiunile sunt dispuse în așa fel încât aerul comprimat să treacă secvenţial prin fiecare secțiune, dând o parte din energia sa fiecăreia dintre ele.

Turbinele au un design mai simplu decât un compresor, deoarece este mai dificil să comprimați fluxul de gaz decât să îl determinați să se extindă înapoi. Turbinele axiale ca cele prezentate în fig. 2 și 3 au mai puține secțiuni decât un compresor centrifugal. Există mici turbine cu gaz care folosesc turbine centrifuge (cu injecție radială de gaz), dar cele mai frecvente sunt turbinele axiale.

Proiectarea și fabricarea unei turbine este dificilă deoarece este necesară creșterea duratei de viață a componentelor din fluxul de gaz fierbinte. Problema fiabilității proiectării este cea mai critică în prima etapă a turbinei, unde temperaturile sunt cele mai ridicate. Materiale speciale și un sistem de răcire sofisticat sunt folosite pentru a face palete de turbină care se topesc la o temperatură de 980-1040 de grade Celsius într-un curent de gaz a cărui temperatură ajunge la 1650 de grade Celsius.

Camera de ardere

Un proiect de succes al camerei de ardere trebuie să satisfacă multe cerințe, iar proiectarea sa corectă a reprezentat o provocare încă de pe vremea turbinelor Whittle și von Ohin. Importanța relativă a fiecăreia dintre cerințele pentru camera de ardere depinde de aplicarea turbinei și, desigur, unele cerințe sunt în conflict între ele. Atunci când proiectați o cameră de ardere, compromisurile sunt inevitabile. Majoritatea cerințelor de proiectare sunt legate de prețul, eficiența și compatibilitatea cu mediul motorului. Iată o listă de cerințe de bază pentru o cameră de ardere:

  1. Eficiență ridicată a arderii combustibilului în toate condițiile de funcționare.
  2. Emisii reduse de combustibil și de monoxid de carbon (monoxid de carbon), emisii scăzute de oxizi de azot sub sarcină grea și nu există emisii vizibile de fum (minimizarea poluării mediului).
  3. Scădere mică de presiune atunci când gazul trece prin camera de ardere. Pierderea de presiune de 3-4% este o cădere tipică de presiune.
  4. Arderea trebuie să fie stabilă în toate modurile de funcționare.
  5. Arderea trebuie să fie stabilă la temperaturi foarte scăzute și presiune scăzută la altitudine mare (pentru motoarele de aeronave).
  6. Arderea trebuie să fie uniformă, fără pulsații sau întreruperi.
  7. Temperatura trebuie să fie stabilă.
  8. Durată lungă de viață (mii de ore), în special pentru turbinele industriale.
  9. Utilizabilitate tipuri diferite combustibil. Turbinele terestre folosesc de obicei gaz natural sau motorină. Pentru turbine cu kerosen de aviație.
  10. Lungimea și diametrul camerei de ardere trebuie să se potrivească cu dimensiunea ansamblului motor.
  11. Costul total al deținerii unei camere de ardere ar trebui să fie menținut la minimum (aceasta include costul inițial, costurile de operare și de întreținere).
  12. Camera de ardere pentru motoarele de aeronave trebuie să aibă o greutate minimă.

Camera de ardere este formată din cel puțin trei părți principale: carcasă, tub de flacără și sistem de injecție de combustibil. Carcasa trebuie să reziste la presiunea de funcționare și poate face parte din proiectarea turbinei cu gaz. Carcasa închide un tub de flacără cu pereți relativ subțiri în care au loc arderea și sistemul de injecție a combustibilului.

În comparație cu alte tipuri de motoare, cum ar fi motoarele diesel și motoare alternative, turbinele cu gaz produc cea mai mică cantitate de poluanți ai aerului pe unitate de putere. Dintre emisiile de turbine cu gaz, combustibilul nears, monoxidul de carbon (monoxidul de carbon), oxizii de azot (NOx) și fumul sunt de mare îngrijorare. Deși contribuția turbinelor aeronavelor la emisiile totale de poluanți este mai mică de 1%, emisiile direct în troposferă s-au dublat între 40 și 60 de grade latitudine nordică, determinând o creștere cu 20% a concentrațiilor de ozon. În stratosfera unde zboară aeronavele supersonice, emisiile de NOx provoacă epuizarea stratului de ozon. Ambele efecte sunt dăunătoare. mediu inconjurator, astfel încât reducerea oxizilor de azot (NOx) din emisiile motoarelor aeronavelor este ceea ce trebuie să se întâmple în secolul XXI.

Acesta este un articol destul de scurt care încearcă să acopere toate aspectele aplicațiilor turbinelor, de la aviație la energie, fără a se baza pe formule. Pentru a vă familiariza mai bine cu subiectul, vă pot recomanda cartea „Turbină cu gaz activată transport feroviar» http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html . Dacă omitem capitolele legate de specificul utilizării turbinelor pe calea ferata– cartea este încă foarte clară, dar mult mai detaliată.

Turbină cu abur.Încercările de a proiecta o turbină cu abur care ar putea concura cu un motor cu abur până la mijlocul secolului al XIX-lea. nu au avut succes, deoarece a fost posibil să se transforme doar o mică parte din energia cinetică a jetului de abur în energia mecanică a rotației turbinei. Ideea este că inventatorii

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

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

În cadrul de referință care se mișcă cu viteza, viteza jetului este: .

Deoarece în acest cadru de referință lama este staționară în momentul interacțiunii cu jetul, viteza jetului după reflexia elastică rămâne neschimbată în valoare absolută, dar își schimbă direcția inversă:

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

De atunci

Am obținut că transferul complet al energiei cinetice a jetului către turbină va avea loc cu condiția ca viteza liniară a palelor turbinei să fie jumătate din viteza jetului.Prima turbină cu abur care și-a găsit aplicație practică a fost fabricată de către Inginerul suedez Gustav Laval în 1889. rpm

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

O viteză mare de ieșire a gazului, chiar și la căderi medii de presiune, de aproximativ 1200 m/s, necesită munca eficienta turbina care conferă palelor sale o viteză liniară de aproximativ 600 m/s. Prin urmare, 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 masa 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 funcționarea economică a turbinei, sunt necesare viteze supersonice ale rotorului, dar la astfel de viteze turbina va fi distrusă de forțele de inerție. Pentru a rezolva această contradicție, este necesară proiectarea turbinelor care se rotesc cu o viteză mai mică decât cea optimă, dar pentru a folosi pe deplin energia cinetică a jetului de abur, faceți-le în mai multe etape prin montarea mai multor rotoare cu diametru crescător pe un arbore comun. Datorită vitezei de rotație insuficient de mare a turbinei, aburul oferă doar o parte din energia sa cinetică rotorului cu diametru mai mic. Apoi, aburul evacuat în prima etapă este trimis 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 cu turbine cu abur în coordonate este prezentat în Figura 37. În cazan, fluidul de lucru primește o cantitate de căldură, se încălzește și se dilată la o presiune constantă (izobar AB). În turbină, aburul se extinde adiabatic (BC adiabat), făcând lucru pentru a roti rotorul. În condensatorul-răcitor, spălat, de exemplu, de apa râului, aburul degajă cantitatea de căldură apei și se condensează la o presiune constantă. Acest proces corespunde unei izobare. Apa caldă din condensator este pompată în cazan. Acest proces corespunde unui izocor.Așa cum se poate observa, ciclul unei instalații 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 o eficiență mare de conversie a cineticii

Orez. 37. Schema ciclului de lucru al unei centrale cu turbine cu abur

energia jetului de abur în energie mecanică, depășind ușor 90%. Prin urmare, generatoare electrice de aproape toate termice și centrale nucleare din lume, care furnizează mai mult de 80% din toată energia electrică generată, sunt conduse 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 mai rece), eficiența maximă a unui instalația de turbină cu abur ca motor termic este:

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

Puterea unităților de putere moderne cazan - turbină - generator ajunge la kW. Următorul pe linie în 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 cu atât mai mult în aviație, este îngreunată de necesitatea de a avea un cuptor 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 transferul 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 de la încălzire, a fost constrânsă de lipsa materialelor capabile să funcționeze mult timp la temperaturi ridicate și sarcini mecanice ridicate.

Instalația cu turbine cu gaz este formată dintr-un compresor de aer 1, camere de ardere 2 și 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 este în funcțiune, rotorul compresorului se rotește. Paletele rotorului sunt modelate astfel încât atunci când se rotesc, presiunea în fața compresorului scade, iar după aceasta crește. Aerul este aspirat în compresor, iar presiunea acestuia în spatele primului rând de pale ale rotorului crește. În spatele primului rând de pale ale rotorului se află un rând de palete ale unei palete de ghidare a compresorului staționar, cu ajutorul căreia se schimbă direcția de mișcare a aerului și este posibil să-l comprimați în continuare folosind paletele celei de-a doua trepte a rotorului. , etc. Mai multe trepte ale palelor compresorului asigură o creștere de 5-7 ori a presiunii aerului.

Procesul de compresie se desfășoară adiabatic, astfel încât temperatura aerului crește semnificativ, atingând 200 ° C sau mai mult.

Orez. 38. Dispozitivul unei centrale cu turbine cu gaz

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

Când combustibilul este ars, 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 o presiune constantă, astfel că aerul se extinde și viteza acestuia crește.

Aerul și produsele de ardere care se deplasează cu viteză mare sunt trimise la turbină. Trecând din treaptă în treaptă, ele își dau energia cinetică palelor turbinei. O parte din energia primită de turbină este folosită pentru rotirea compresorului, în timp ce restul este folosită, de exemplu, pentru rotirea elicei unei aeronave sau a rotorului unui generator electric.

Pentru a proteja paletele turbinei de acțiunea distructivă a 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. Scăderea temperaturii gazului în 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 într-o turbină cu gaz. La unele motoare moderne cu turbină cu gaz pentru avioane, 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 eliberat în atmosferă sau, pentru a crește eficiența, este trimis la o căldură. schimbător, unde degajă o parte din căldură pentru a încălzi aerul care intră în camera de ardere.

Ciclul de funcționare al unei instalații cu turbine cu gaz din diagramă este prezentat în Figura 40. Procesul de comprimare a aerului în compresor corespunde adiabat AB, procesul de încălzire și expansiune în camera de ardere corespunde izobarei BC. Procesul adiabatic de expansiune a gazului fierbinte în turbină este reprezentat de secțiunea CD, procesul de răcire și reducere a volumului fluidului de lucru este reprezentat de izobara DA.

Eficiența instalațiilor 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, nu există 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 ocupă de trei ori mai puțin spațiu decât un motor diesel de aceeași putere, iar greutatea sa specifică (raportul greutate-putere) este de 6-9 ori mai mică decât cea a unui motor cu ardere internă cu piston de avion. Compactitatea și viteza, combinate cu puterea mare pe unitatea de masă, au determinat primul domeniu practic important de aplicare al motoarelor cu turbină cu gaz - aviația.

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

Masa 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 lucru al unei centrale 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 navele marinei. Trecerea de la motoarele diesel la turbinele cu gaz a făcut posibilă creșterea capacității de transport a hidrofoilelor de patru ori, de la 50 la 200 de tone.

Pe vehiculele grele sunt instalate motoare cu turbină cu gaz cu o capacitate de 220-440 kW. Un BelAZ-549V de 120 de tone cu un motor cu turbină cu gaz este testat în industria minieră.

Turbina termica de actiune constanta, in care energie termală gazul comprimat și încălzit (de obicei produse de ardere a combustibilului) este transformat în lucru mecanic de rotație pe arbore; este un element structural al unui motor cu turbină cu gaz.

Încălzirea gazului comprimat are loc, de regulă, 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 din punct de vedere al designului, au abordat o turbină cu abur. Din punct de vedere structural, o turbină cu gaz este o serie de jante cu pale fixe dispuse ordonat ale aparatului de duză și jante rotative ale rotorului, care, ca rezultat, formează o parte de curgere. Etapa turbinei este un aparat cu duză combinat cu un rotor. Etapa constă dintr-un stator, care include părți staționare (carcasă, palete duzei, inele de manta) și un rotor, care este un set de părți rotative (cum ar fi palele rotorului, discuri, arbore).

Clasificarea unei turbine cu gaz se realizează în funcție de multe 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 direcția fluxului de gaz, turbinele cu gaz pot fi distinse axiale (cele mai frecvente) și radiale, precum și diagonale și tangenţiale. La turbinele axiale cu gaz, debitul în secțiunea meridională este transportat în principal 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 pale; astfel de turbine sunt utilizate la debite foarte mici de gaz, de obicei la instrumentele de măsură. Turbinele cu gaz sunt simple, duble și multietajate.

Numărul de trepte este determinat de mulți factori: scopul turbinei, schema de proiectare a acesteia, puterea totală și dezvoltată de o etapă, precum și căderea de presiune acționată. După metoda de utilizare a diferenței de căldură disponibilă se disting turbinele cu trepte de turație, în care doar debitul se rotește în rotor, fără schimbare de presiune (turbine active), și turbine cu trepte de presiune, în care presiunea scade atât în aparatele de duză și pe paletele rotorului (turbine cu reacție). 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 succesive în etape individuale. Gazul comprimat și încălzit este alimentat în canalele interlame ale aparatului cu duze viteza initiala, unde în procesul de expansiune, o parte din căderea de căldură disponibilă este convertită în energia cinetică a jetului de ieșire. O expansiune suplimentară a gazului și conversia căderii de căldură în muncă utilă au loc în canalele interlame ale rotorului. Fluxul de gaz, acționând asupra palelor rotorului, creează un cuplu pe arborele principal al turbinei. În acest caz, viteza absolută a gazului scade. Cu cât această viteză este mai mică, cu atât cea mai mare parte a energiei 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 injectat 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 determină rotirea turbinei. Energia mecanică rezultată a arborelui este transmisă printr-o cutie de viteze la un generator care generează electricitate.

Energie termală gazele care ies din turbina intră în schimbătorul de căldură. De asemenea, în loc de a genera 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 tipuri de combustibili gazoși. . Dar, în același timp, turbinele cu gaz sunt foarte capricioase și impun cerințe mari la calitatea pregătirii sale (sunt necesare anumite incluziuni mecanice, umiditate).

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

1) utilizarea directă (directă) a gazelor fierbinți de evacuare;
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) producerea de abur de înaltă presiune.

O mare contribuție la dezvoltarea turbinelor cu gaz a fost adusă de oamenii de știință sovietici B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Hholshchevikov, I. I. Kirillov și alții. Crearea de turbine cu gaz pentru instalații de turbine cu gaz staționare și mobile a fost realizată de străini companii (elvețianul Brown-Boveri, în care a lucrat celebrul om de știință slovac A. Stodola, și Sulzer, americanul General Electric etc.).

Pe viitor, dezvoltarea turbinelor cu gaz depinde de posibilitatea de a crește temperatura gazului în fața turbinei. Acest lucru se datorează creării de noi materiale rezistente la căldură și sisteme de răcire fiabile pentru palele rotorului, cu o îmbunătățire semnificativă a căii de curgere etc.

Datorită tranziției pe scară largă din anii 1990. gazul natural ca principal combustibil pentru generarea de energie, turbinele cu gaz au ocupat un segment semnificativ de piata. În ciuda faptului că eficiența maximă a echipamentului este atinsă la capacități de la 5 MW și mai mari (până la 300 MW), unii producători produc modele în gama 1-5 MW.

Turbinele cu gaz sunt folosite în aviație și centrale electrice.

  • Anterior: ANALIZOR DE GAZ
  • Ca urmare a: MOTOR PE GAZ
Categorie: Industrie în G


O instalație tradițională de turbină cu gaz (GTP) modernă este o combinație între un compresor de aer, o cameră de ardere și o turbină cu gaz, precum și sisteme auxiliare care asigură funcționarea acesteia. Combinația dintre o turbină cu gaz și un generator electric se numește unitate de turbină cu gaz.

Este necesar să subliniem o diferență importantă între GTU și PTU. Compoziția PTU nu include un cazan, mai exact, cazanul este considerat ca o sursă separată de căldură; Cu această considerație, cazanul este o „cutie neagră”: apa de alimentare intră în el cu o temperatură de $t_(p.w)$, iar aburul iese cu parametrii $p_0$, $t_0$. O instalație de turbină cu abur nu poate funcționa fără un cazan ca obiect fizic. Într-o turbină cu gaz, camera de ardere este elementul integral al acesteia. În acest sens, GTU este autosuficient.

Instalații cu turbine cu gaz diferă într-o varietate extrem de mare, poate chiar mai mult decât cele cu turbine cu abur. Mai jos vom analiza cele mai promițătoare și mai utilizate turbine cu gaz dintr-un ciclu simplu în industria energetică.

O diagramă schematică a unei astfel de turbine cu gaz este prezentată în figură. Aerul din atmosferă intră în admisia unui compresor de aer, care este o turbomașină rotativă cu o cale de curgere constând din grătare rotative și fixe. Raportul presiunii compresorului p b la presiunea din fata lui p a se numește raportul de compresie al unui compresor de aer și este de obicei notat ca p la (p la = pb/p a). Rotorul compresorului este antrenat de o turbină cu gaz. Fluxul de aer comprimat este alimentat într-una, două sau mai multe camere de ardere. În acest caz, în majoritatea cazurilor, fluxul de aer care vine de la compresor este împărțit în două fluxuri. Primul debit este trimis către arzătoare, unde este alimentat și combustibil (gaz sau combustibil lichid). Când combustibilul este ars, se formează produse de ardere la temperatură înaltă. Aerul relativ rece al celui de-al doilea flux este amestecat cu acestea pentru a obține gaze (de obicei se numesc gaze de lucru) cu o temperatură acceptabilă pentru părțile unei turbine cu gaz.

Gaze de lucru cu presiune r s (r s < p b datorită rezistenței hidraulice a camerei de ardere) sunt introduse în calea de curgere a turbinei cu gaz, al cărei principiu de funcționare nu este diferit de principiul de funcționare al turbinei cu abur (singura diferență este că turbina cu gaz funcționează pe produse de ardere a combustibilului, și nu pe abur). Într-o turbină cu gaz, gazele de lucru se extind până la presiunea aproape atmosferică. p d, intrați în difuzorul de ieșire 14 și din acesta - fie imediat în coș, fie anterior în orice schimbător de căldură care utilizează căldura gazelor de evacuare ale turbinei cu gaz.

Datorită expansiunii gazelor în turbina cu gaz, aceasta din urmă generează energie. O parte foarte semnificativă din ea (aproximativ jumătate) este cheltuită pentru acționarea compresorului, iar restul - pentru acționarea generatorului electric. Aceasta este puterea netă a turbinei cu gaz, care este indicată atunci când este marcată.

Pentru a descrie diagramele turbinelor cu gaz, ei folosesc conventii, similare cu cele folosite pentru școlile profesionale.


Nu poate exista o turbină cu gaz mai simplă, deoarece conține un minim de componente necesare care asigură procese secvențiale de compresie, încălzire și dilatare a fluidului de lucru: un compresor, una sau mai multe camere de ardere care funcționează în aceleași condiții și o turbină cu gaz. Alături de turbinele cu gaz cu ciclu simplu, există turbine cu gaz cu ciclu complex care pot conține mai multe compresoare, turbine și camere de ardere. În special, GT-100-750, construit în URSS în anii 70, aparțin acestui tip de turbină cu gaz.


Se face dublu. Compresor de înaltă presiune pe un arbore KVDși turbina de înaltă presiune care o conduce TVD; acest arbore are o viteză variabilă. Turbina de joasă presiune este situată pe al doilea arbore TND, antrenând compresorul de joasă presiune KND si generator electric DE EXEMPLU; prin urmare, acest arbore are o viteză de rotație constantă de 50 s -1 . Aerul în cantitate de 447 kg/s intră din atmosferă în KNDși este comprimat în el la o presiune de aproximativ 430 kPa (4,3 atm) și apoi introdus în răcitorul de aer ÎN, unde se răcește cu apă de la 176 la 35 °C. Acest lucru reduce munca necesară pentru comprimarea aerului din compresorul de înaltă presiune. KVD(raportul de compresie p k = 6,3). De acolo, aerul intră în camera de ardere de înaltă presiune. KSVD iar produsele de ardere cu o temperatură de 750 ° C sunt trimise către TVD. Din TVD gaze care conțin cantitate semnificativă oxigenul intră în camera de ardere de joasă presiune KSND, în care se arde combustibil suplimentar, iar din acesta - în TND. Gazele de evacuare cu o temperatură de 390 ° C intră fie în coș, fie într-un schimbător de căldură pentru a utiliza căldura gazelor de eșapament.

GTU nu este foarte economic din cauza temperaturii ridicate a gazelor de ardere. Complicația circuitului face posibilă creșterea eficienței acestuia, dar în același timp necesită o creștere a investițiilor de capital și complică funcționarea.


Figura prezintă GTU V94.3 de la Siemens. Aerul atmosferic de la dispozitivul complex de curățare a aerului (KVOU) intră în mină 4 , și de la ea - la partea de flux 16 compresor de aer. Aerul este comprimat în compresor. Raportul de compresie în compresoarele tipice este p k = 13-17 și astfel presiunea în tractul turbinei cu gaz nu depășește 1,3-1,7 MPa (13-17 atm). Aceasta este o altă diferență majoră între o turbină cu gaz și o turbină cu abur, în care presiunea aburului este de 10-15 ori mai mare decât presiunea gazului din turbina cu gaz. Presiune mică mediu de lucru determina grosimea mica a peretilor cladirilor si usurinta incalzirii acestora. Acesta este ceea ce face ca turbina cu gaz să fie foarte manevrabilă, adică. capabil de porniri și opriri rapide. Dacă durează de la 1 oră până la câteva ore pentru a porni o turbină cu abur, în funcție de starea sa de temperatură inițială, atunci turbina cu gaz poate fi pusă în funcțiune în 10-15 minute.

Când este comprimat într-un compresor, aerul se încălzește. Această încălzire poate fi estimată printr-o relație aproximativă simplă:

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

în care T bși T a- temperaturi absolute ale aerului în spatele și înaintea compresorului. Dacă, de exemplu, T a= 300 K, adică temperatura ambiantă este de 27 ° C și p k \u003d 16, atunci T b= 600 K și, în consecință, aerul este încălzit de

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

Astfel, temperatura aerului din spatele compresorului este de 300-350 °C. Aerul dintre pereții tubului de flacără și corpul camerei de ardere se deplasează către arzător, la care este alimentat gazul combustibil. Deoarece combustibilul trebuie să intre în camera de ardere, unde presiunea este de 1,3-1,7 MPa, presiunea gazului trebuie să fie ridicată. Pentru a putea controla debitul în camera de ardere, presiunea gazului este de aproximativ de două ori mai mare decât presiunea din cameră. Dacă există o astfel de presiune în conducta de alimentare cu gaz, atunci gazul este furnizat în camera de ardere direct de la punctul de distribuție a gazului (GDP). Dacă presiunea gazului este insuficientă, atunci este instalat un compresor de gaz de rapel între fracturarea hidraulică și cameră.

Consumul de gaz combustibil este de doar aproximativ 1-1,5% din debitul de aer din compresor, astfel încât crearea unui compresor de gaz de rapel extrem de economic prezintă anumite dificultăți tehnice.

În interiorul tubului de flacără 10 se formează produse de ardere la temperatură înaltă. După amestecarea aerului secundar la ieșirea din camera de ardere, acesta scade oarecum, dar ajunge totuși la 1350-1400 °C în turbinele cu gaz moderne tipice.

Gazele fierbinți din camera de ardere intră pe calea curgerii 7 turbina de gaz. În ea, gazele se extind până la presiunea aproape atmosferică, deoarece spațiul din spatele turbinei cu gaz comunică fie cu un coș de fum, fie cu un schimbător de căldură, a cărui rezistență hidraulică este mică.

Când gazele se extind într-o turbină cu gaz, puterea este generată pe arborele acesteia. Această putere este utilizată parțial pentru a antrena compresorul de aer, iar excesul său este folosit pentru a antrena rotorul 1 generator. Unul dintre trasaturi caracteristice GTP este că compresorul necesită aproximativ jumătate din puterea dezvoltată de turbina cu gaz. De exemplu, într-o unitate de turbină cu gaz cu o capacitate de 180 MW (aceasta este puterea netă) creată în Rusia, capacitatea compresorului este de 196 MW. Aceasta este una dintre diferențele fundamentale dintre o turbină cu gaz și o turbină cu abur: în cea din urmă, puterea utilizată pentru comprimarea apei de alimentare chiar și până la o presiune de 23,5 MPa (240 atm) este doar câteva procente din puterea turbinei cu abur. . Acest lucru se datorează faptului că apa este un lichid slab compresibil, iar aerul necesită multă energie pentru a se comprima.

În prima aproximare, destul de aproximativă, temperatura gazului din spatele turbinei poate fi estimată dintr-o relație simplă similară cu:

$$T_c/T_d = \pi_k^(0,25).$$

Prin urmare, dacă $\pi_k = 16$, iar temperatura din fața turbinei T s\u003d 1400 ° С \u003d 1673 K, atunci temperatura din spatele acesteia este de aproximativ, K:

$$T_d=T_c/\pi_k^(0,25) = 1673/16^(0,25) = 836.$$

Astfel, temperatura gazului în aval de turbina cu gaz este destul de ridicată, iar o cantitate semnificativă de căldură obținută din arderea combustibilului intră literalmente în coș. Prin urmare, în timpul funcționării autonome a unei turbine cu gaz, eficiența acesteia este scăzută: pentru turbinele cu gaz tipice, este de 35-36%, adică. semnificativ mai mică decât eficiența școlilor profesionale. Problema, însă, se schimbă drastic atunci când un schimbător de căldură este instalat pe „coada” unității cu turbină cu gaz (un încălzitor de rețea sau un cazan de căldură reziduală pentru un ciclu combinat).

Un difuzor este instalat în spatele turbinei cu gaz - un canal cu expansiune lină, în timpul fluxului în care presiunea de viteză a gazelor este parțial convertită în presiune. Acest lucru face posibilă existența unei presiuni în spatele turbinei cu gaz mai mică decât presiunea atmosferică, ceea ce crește eficiența a 1 kg de gaze în turbină și, în consecință, crește puterea acesteia.

Dispozitiv compresor de aer. După cum sa menționat deja, un compresor de aer este o turbomașină, la arborele căreia este furnizată puterea de la o turbină cu gaz; această putere este transferată aerului care curge prin calea de curgere a compresorului, drept urmare presiunea aerului crește până la presiunea din camera de ardere.


Figura prezintă un rotor de turbină cu gaz plasat în rulmenți axiali; în prim plan, rotorul compresorului și elementele statorului sunt clar vizibile.

Din a mea 4 aerul pătrunde în canalele formate de paletele rotative 2 paletă de ghidare de admisie nerotativă (VNA). Sarcina principală a VNA este de a informa fluxul care se mișcă în direcția axială (sau radial-axială) a mișcării de rotație. Canalele VNA nu diferă fundamental de canalele duzei unei turbine cu abur: sunt confuze (se conicesc), iar fluxul din ele accelerează, dobândind simultan o componentă de viteză circumferențială.


În turbinele cu gaz moderne, paleta de ghidare a admisiei este făcută rotativă. Necesitatea unui VNA rotativ este cauzată de dorința de a preveni o scădere a eficienței atunci când sarcina GTU este redusă. Ideea este că arborii compresorului și ai generatorului electric au aceeași viteză de rotație, egală cu frecvența rețelei. Prin urmare, dacă nu se utilizează VNA, atunci cantitatea de aer furnizată de compresor în camera de ardere este constantă și nu depinde de sarcina turbinei. Și puteți modifica puterea turbinei cu gaz numai prin schimbarea debitului de combustibil în camera de ardere. Prin urmare, cu o scădere a consumului de combustibil și o cantitate constantă de aer furnizată de compresor, temperatura gazelor de lucru scade atât înainte, cât și după turbina cu gaz. Acest lucru duce la o reducere foarte semnificativă a eficienței turbinei cu gaz. Rotirea lamelor cu scăderea sarcinii în jurul axei 1 cu 25 - 30° permite îngustarea secțiunilor de curgere ale canalelor VNA și reducerea debitului de aer în camera de ardere, menținând un raport constant între consumul de aer și combustibil. Instalarea paletei de ghidare de admisie face posibilă menținerea constantă a temperaturii gazului în fața turbinei cu gaz și în spatele acesteia în intervalul de putere de aproximativ 100-80%.

Figura arată unitatea lamei VNA. O pârghie rotativă este atașată de axele fiecărei lame 2 , care prin pârghie 4 asociat cu un inel pivotant 1 . Dacă este necesar, schimbați inelul fluxului de aer 1 se rotește cu ajutorul tijelor și a unui motor electric cu cutie de viteze; în timp ce rotind toate pârghiile în același timp 2 și, în consecință, lamele VNA 5 .

Aerul învolburat cu ajutorul VNA intră în prima treaptă a compresorului de aer, care constă din două grătare: rotativă și staționară. Ambele grătare, spre deosebire de grătarele de turbină, au canale de expansiune (difuzor), adică. zona de trecere a aerului de admisie F 1 mai putin decat F 2 la ieșire.


Când aerul se mișcă într-un astfel de canal, viteza acestuia scade ( w 2 < w 1), iar presiunea crește ( R 2 > R unu). Din păcate, pentru a face grătarul difuzorului economic, adică. astfel încât debitul w 1 la gradul maxim ar fi transformat în presiune și nu în căldură, posibil doar cu un grad mic de compresie R 2 /R 1 (de obicei 1,2 - 1,3), ceea ce duce la un număr mare de trepte de compresor (14 - 16 cu un raport de compresie p k \u003d 13 - 16).

Figura arată debitul de aer în treapta compresorului. Din aparatul cu duză rotativă de intrare (fixă), aerul iese cu o viteză c 1 (vezi triunghiul vitezei superioare), având răsucirea circumferențială necesară (a 1< 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u 1, apoi viteza relativă de intrare în el w 1 va fi egal cu diferența de vectori c 1 și u 1, iar această diferență va fi mai mare decât c 1 adică w 1 > c unu . Când vă deplasați în canal, viteza aerului scade la valoarea w 2 si iese sub un unghi b 2 determinat de inclinarea profilelor. Cu toate acestea, datorită rotației și furnizării de energie a aerului de la paletele rotorului, viteza acestuia Cu 2 în mișcare absolută va fi mai mare decât c unu . Lamele grilei fixe sunt instalate astfel încât intrarea aerului în canal să fie fără șocuri. Deoarece canalele acestui rețele se extind, viteza în el scade la valoare c„ 1 , iar presiunea crește de la R 1 la R 2. Grila este concepută astfel încât c" 1 = c 1, a a "1 = a 1. Prin urmare, în a doua etapă și etapele ulterioare, procesul de comprimare se va desfășura într-un mod similar. În acest caz, înălțimea grătarelor acestora va scădea în funcție de densitatea crescută a aerului datorată compresiei. .

Uneori paletele de ghidare ale primelor trepte ale compresorului sunt rotative în același mod ca paletele VNA. Acest lucru face posibilă extinderea gamei de putere a turbinei cu gaz, în care temperatura gazelor din fața și din spatele turbinei cu gaz rămâne neschimbată. În consecință, și economia crește. Utilizarea mai multor palete de ghidare rotative vă permite să lucrați economic în intervalul 100 - 50% din putere.

Ultima treaptă a compresorului este dispusă în același mod ca și precedentele, cu singura diferență că sarcina ultimei palete de ghidare 1 este nu numai de a crește presiunea, ci și de a asigura ieșirea axială a fluxului de aer. Aerul intră în difuzorul de ieșire inelar 23 unde presiunea se ridică la valoarea sa maximă. Cu această presiune, aerul intră în zona de ardere 9 .

Aerul este preluat din carcasa compresorului de aer pentru a răci elementele turbinei cu gaz. Pentru a face acest lucru, în corpul său sunt realizate camere inelare, comunicând cu spațiul din spatele etapei corespunzătoare. Aerul din camere este eliminat prin conducte.

În plus, compresorul are așa-numitele supape anti-supratensiuni și conducte de bypass. 6 , ocolind aerul din treptele intermediare ale compresorului în difuzorul de ieșire al turbinei cu gaz atunci când este pornit și oprit. Acest lucru elimină funcționarea instabilă a compresorului la debite scăzute de aer (acest fenomen se numește supratensiune), care se exprimă prin vibrații intense ale întregii mașini.

Crearea de compresoare de aer extrem de economice este o sarcină extrem de complexă, care, spre deosebire de turbine, nu poate fi rezolvată doar prin calcul și proiectare. Deoarece puterea compresorului este aproximativ egală cu puterea turbinei cu gaz, o deteriorare a randamentului compresorului cu 1% duce la o scădere a randamentului întregii turbine cu gaz cu 2-2,5%. Prin urmare, crearea unui compresor bun este una dintre problemele cheie în crearea turbinelor cu gaz. De obicei, compresoarele sunt create prin modelare (scalare) folosind un model de compresor creat prin rafinament experimental îndelungat.


Camerele de ardere ale turbinelor cu gaz sunt foarte diverse. Deasupra este o turbină cu gaz cu două camere exterioare. Figura prezintă un GTU tip 13E cu o capacitate de 140 MW de la ABB cu o cameră de ardere la distanță, al cărei dispozitiv este similar cu dispozitivul camerei prezentat în figură. Aerul din compresor din difuzorul inelar pătrunde în spațiul dintre corpul camerei și tubul de flacără și este apoi folosit pentru arderea gazelor și pentru răcirea tubului de flacără.

Principalul dezavantaj al camerelor de ardere la distanță este dimensiunile lor mari, care sunt clar vizibile din figură. În dreapta camerei este o turbină cu gaz, în stânga - un compresor. Trei găuri sunt vizibile de sus în corp pentru găzduirea supapelor anti-supratensiuni și apoi - unitatea VNA. În turbinele cu gaz moderne se folosesc în principal camere de ardere încorporate: inelare și tubular-anulare.


Figura prezintă o cameră de ardere inelară integrată. Spațiul inelar pentru ardere este format din interior 17 și în aer liber 11 țevi de foc. Din interior, țevile sunt căptușite cu inserții speciale 13 și 16 având un înveliș de barieră termică pe partea îndreptată către flacără; pe partea opusă, inserțiile sunt nervurate, ceea ce le îmbunătățește răcirea prin intrarea aerului prin golurile inelare dintre inserțiile din interiorul tubului de flacără. Astfel, temperatura tubului de flacără este de 750-800 °C în zona de ardere. Dispozitivul de arzător frontal cu microflare al camerei este format din câteva sute de arzătoare 10 , la care se alimentează gazul de la patru colectoare 5 -8 . Oprind colectoarele la rândul lor, puteți schimba puterea turbinei cu gaz.


Dispozitivul arzător este prezentat în figură. Din colector, gazul intră prin găurire în tijă 3 la cavitatea interioară a omoplaţilor 6 învârtitor. Acesta din urmă este o lame drepte radiale goale care provoacă răsucirea și rotirea aerului care vine din camera de ardere în jurul axei tijei. Acest vârtej de aer rotativ primește gaz natural din cavitatea interioară a paletelor turbionare. 6 prin găuri mici 7 . În acest caz, se formează un amestec omogen combustibil-aer, care iese sub forma unui jet învolburat din zonă. 5 . Un vortex rotativ inelar asigură arderea stabilă a gazului.

Figura prezintă o cameră de ardere tubulară-inelară GTE-180. În spațiul inelar 24 între ieșirea compresorului de aer și intrarea turbinei cu gaz folosind conuri perforate 3 puneți 12 tuburi de flacără 10 . Tubul de flacara contine numeroase gauri cu diametrul de 1 mm, dispuse in randuri inelare la o distanta de 6 mm intre ele; distanta intre randurile de gauri 23 mm. Prin aceste deschideri, aerul „rece” intră din exterior, asigurând răcirea filmului convectiv, iar temperatura tubului de flacără nu este mai mare de 850 °C. Pe suprafata interioara Tubul de flacără este acoperit cu un strat de barieră termică de 0,4 mm grosime.


Pe placa frontală 8 tub de flacără, se instalează un dispozitiv de arzător, format dintr-un arzător pilot central 6 aprinderea combustibilului la pornire folosind o lumânare 5 , și cinci module principale, dintre care unul este prezentat în figură. Modulul vă permite să ardeți gaz și motorină. Gaz prin fiting 1 după filtru 6 intră în colectorul inelar de gaz combustibil 5 , și din acesta în cavități care conțin găuri mici (diametru 0,7 mm, pas 8 mm). Prin aceste orificii, gazul intră în spațiul inelar. Există șase caneluri tangenţiale în pereţii modulului 9 , prin care intră cantitatea principală de aer furnizată pentru ardere de la compresorul de aer. În fantele tangențiale, aerul este răsucit și, astfel, în interiorul cavității 8 se formează un vârtej rotativ, care se deplasează spre ieșirea arzătorului. Până la periferia vortexului prin găuri 3 gazul intră, se amestecă cu aerul, iar amestecul omogen rezultat iese din arzător, unde se aprinde și arde. Produsele de ardere intră în aparatul duzei din prima etapă a turbinei cu gaz.

Turbina cu gaz este cel mai complex element al turbinei cu gaz, care se datorează în primul rând temperaturii foarte ridicate a gazelor de lucru care curg pe calea sa de curgere: temperatura gazului în fața turbinei de 1350 ° C este în prezent considerată „standard” , și companii de top, în primul rând General Electric, lucrează la stăpânirea temperaturii inițiale de 1500 °C. Amintiți-vă că temperatura inițială „standard” pentru turbinele cu abur este de 540 °C, iar în viitor - o temperatură de 600-620 °C.


Dorința de a crește temperatura inițială este asociată, în primul rând, cu câștigul de eficiență pe care îl dă. Acest lucru se vede clar din figura care rezumă nivelul atins de construcție a turbinei cu gaz: o creștere a temperaturii inițiale de la 1100 la 1450 °C dă o creștere a eficienței absolute de la 32 la 40%, adică duce la economii de combustibil de 25%. Desigur, o parte din aceste economii este asociată nu numai cu creșterea temperaturii, ci și cu îmbunătățirea altor elemente ale turbinei cu gaz, iar temperatura inițială este încă factorul determinant.

Pentru a asigura funcționarea pe termen lung a unei turbine cu gaz, se utilizează o combinație de două mijloace. Primul mijloc este utilizarea materialelor rezistente la căldură pentru piesele cele mai încărcate, care pot rezista acțiunii sarcinilor mecanice și temperaturilor ridicate (în primul rând pentru duzele și paletele rotorului). Dacă oțelurile (adică aliaje pe bază de fier) ​​cu un conținut de crom de 12-13% sunt utilizate pentru paletele turbinelor cu abur și alte elemente, atunci aliajele pe bază de nichel (nimonice) sunt utilizate pentru paletele turbinei cu gaz, care sunt capabile și durata de viață necesară pentru a rezista la temperaturi de 800-850 °C. Prin urmare, împreună cu primul, se utilizează un al doilea mijloc - răcirea celor mai fierbinți părți.

Cele mai multe turbine cu gaz moderne sunt răcite folosind aerul de purjare din diferite etape ale unui compresor de aer. Sunt deja în funcțiune turbinele cu gaz, care folosesc vapori de apă pentru răcire, care este un agent de răcire mai bun decât aerul. Aerul de răcire după încălzire în partea răcită este evacuat în calea de curgere a turbinei cu gaz. Un astfel de sistem de răcire se numește deschis. Există sisteme de răcire închise în care lichidul de răcire încălzit în piesă este trimis la frigider și apoi returnat din nou pentru a răci piesa. Un astfel de sistem nu este doar foarte complicat, dar necesită și utilizarea căldurii preluate de la frigider.

Sistemul de răcire a turbinei cu gaz este cel mai complex sistem dintr-o turbină cu gaz, ceea ce determină durata de viață a acesteia. Asigură nu numai menținerea unui nivel acceptabil al lamelor de lucru și a duzei, ci și a elementelor de caroserie, a discurilor care poartă lamele de lucru, a etanșărilor lagărelor de blocare în care circulă uleiul etc. Acest sistem este extrem de ramificat si organizat astfel incat fiecare element racit sa primeasca aer de racire a parametrilor si in cantitatea necesara pentru a-si mentine temperatura optima. Răcirea excesivă a pieselor este la fel de dăunătoare pe cât și insuficientă, deoarece duce la creșterea costurilor de răcire a aerului, ceea ce necesită puterea turbinei pentru a se comprima în compresor. În plus, consumul crescut de aer pentru răcire duce la o scădere a temperaturii gazelor din spatele turbinei, ceea ce are un efect foarte semnificativ asupra funcționării echipamentului instalat în spatele turbinei cu gaz (de exemplu, o unitate de turbină cu abur care funcționează ca parte). a unei turbine cu abur). În cele din urmă, sistemul de răcire trebuie să asigure nu numai nivelul de temperatură necesar al pieselor, ci și uniformitatea încălzirii acestora, ceea ce exclude apariția unor solicitări termice periculoase, a căror acțiune ciclică duce la apariția fisurilor.


Figura prezintă un exemplu de circuit tipic de răcire a unei turbine cu gaz. Valorile temperaturilor gazului sunt date în cadre dreptunghiulare. În fața aparatului de duză din prima etapă 1 atinge 1350 °C. În spatele lui, adică. în fața grătarului de lucru al primei trepte, este 1130 °C. Chiar și în fața lamei de lucru din ultima etapă, este la nivelul de 600 °C. Gazele la această temperatură spală duza și lamele de lucru, iar dacă nu ar fi răcite, atunci temperatura lor ar fi egală cu temperatura gazelor și durata lor de viață ar fi limitată la câteva ore.

Pentru a răci elementele unei turbine cu gaz, se folosește aer care este preluat de la compresor în acea etapă în care presiunea acestuia este puțin mai mare decât presiunea gazelor de lucru din acea zonă a turbinei cu gaz în care este alimentat aer. De exemplu, pentru răcirea paletelor duzei din prima treaptă, aerul de răcire în cantitate de 4,5% din debitul de aer la intrarea compresorului este preluat din difuzorul de ieșire a compresorului, iar pentru răcirea paletelor duzei din ultima etapă și din cel alăturat. secțiunea carcasei - din a 5-a treaptă a compresorului. Uneori, pentru a răci cele mai fierbinți elemente ale unei turbine cu gaz, aerul preluat din difuzorul de ieșire a compresorului este mai întâi trimis la un răcitor de aer, unde este răcit (de obicei cu apă) la 180–200 °C și apoi trimis pentru răcire. În acest caz, este necesar mai puțin aer pentru răcire, dar, în același timp, apare și costul unui răcitor de aer, turbina cu gaz devine mai complicată și o parte din căldura îndepărtată de apa de răcire se pierde.

O turbină cu gaz are de obicei 3-4 trepte, adică. 6-8 jante de grătare, iar cel mai adesea lamele tuturor jantelor sunt răcite, cu excepția lamelor de lucru din ultima etapă. Aerul pentru răcirea paletelor duzei este alimentat în interior prin capetele acestora și evacuat prin numeroase (600-700 găuri cu diametrul de 0,5-0,6 mm) găuri situate în zonele corespunzătoare ale profilului. Aerul de răcire este furnizat lamelor de lucru prin găurile făcute în capetele tijei.

Pentru a înțelege modul în care sunt aranjate lamele răcite, este necesar să se ia în considerare cel puțin în termeni generali tehnologia de fabricare a acestora. Datorită dificultății excepționale de prelucrare a aliajelor de nichel, turnarea cu investiții este utilizată în principal pentru producerea lamelor. Pentru a-l implementa, în primul rând, miezurile de turnare sunt realizate din materiale pe bază de ceramică, folosind o tehnologie specială de turnare și tratament termic. Miezul de turnare este o copie exactă a cavității din interiorul viitoarei lame, în care aerul de răcire va curge și curge în direcția necesară. Miezul de turnare este plasat într-o matriță, a cărei cavitate internă corespunde în totalitate cu lama ce urmează a fi obținută. Spațiul liber rezultat dintre tijă și peretele matriței este umplut cu o masă încălzită cu punct de topire scăzut (de exemplu, plastic), care se solidifică. Tija, împreună cu masa de solidificare care o învăluie, repetând forma exterioară a lamei, este un model în curs de topire. Se pune într-o matriță, în care se alimentează topitura nimonică. Acesta din urmă topește plasticul, îi ia locul și, ca urmare, apare o lamă turnată cu o cavitate internă umplută cu o tijă. Tija este îndepărtată prin gravare cu soluții chimice speciale. Paletele duzei obținute practic nu necesită prelucrare suplimentară (cu excepția producerii a numeroase găuri pentru ieșirea aerului de răcire). Lamele turnate de lucru necesită prelucrarea tijei cu o unealtă abrazivă specială.

Tehnologia descrisă pe scurt este împrumutată de la tehnologia aviației, unde temperaturile realizate sunt mult mai mari decât la turbinele cu abur staționare. Dificultatea de a stăpâni aceste tehnologii este asociată cu mult dimensiuni mari palete pentru turbinele cu gaz staționare, care cresc proporțional cu debitul de gaz, adică. putere GTU.

Utilizarea așa-numitelor lame monocristal, care sunt realizate dintr-un singur cristal, pare foarte promițătoare. Acest lucru se datorează faptului că prezența granițelor în timpul unei șederi lungi la o temperatură ridicată duce la o deteriorare a proprietăților metalului.


Rotorul turbinei cu gaz este o structură prefabricată unică. Înainte de asamblarea discurilor individuale 5 compresor si disc 7 turbinele cu gaz sunt cu pale și echilibrate, părțile de capăt sunt fabricate 1 și 8 , distanțier 11 și știftul central 6 . Fiecare dintre discuri are două coliere inelare, pe care sunt realizate hirturi (numite după inventator - Hirth) - dinți strict radiali cu profil triunghiular. Piesele adiacente au exact aceleași gulere, cu exact aceleași unghiuri. La calitate bună fabricarea unei conexiuni hirt asigură centrarea absolută a discurilor adiacente (aceasta asigură radialitatea hirts) și repetabilitatea asamblării după dezasamblarea rotorului.

Rotorul este asamblat pe un suport special, care este un ascensor cu o platformă inelară pentru personalul de asamblare, în interiorul căruia se realizează asamblarea. În primul rând, partea de capăt a rotorului este asamblată pe filet 1 și tirant 6 . Tija este așezată vertical în interiorul platformei inelare și discul treptei I a compresorului este coborât deasupra acesteia cu ajutorul unei macarale. Centrarea discului și a părții de capăt se realizează prin hirts. Deplasându-se în sus pe un lift special, personalul de instalare disc cu disc [întâi a compresorului, apoi a distanțierului, apoi a turbinei și a capătului din dreapta 8 ] colectează întregul rotor. O piuliță este înșurubată la capătul drept 9 , iar pe partea rămasă a părții filetate a tirantului este instalat un dispozitiv hidraulic, strângând discurile și trăgând tirantul. După tragerea tijei, piulița 9 este înșurubat până la opritor, iar dispozitivul hidraulic este scos. Tija întinsă strânge în siguranță discurile împreună și transformă rotorul într-o singură structură rigidă. Rotorul asamblat este scos de pe suportul de asamblare și este gata de instalare în turbina cu gaz.

Principalul avantaj al turbinei cu gaz este compactitatea sa. Într-adevăr, în primul rând, nu există un cazan de abur în turbina cu gaz - o structură care atinge o înălțime mare și necesită o cameră separată pentru instalare. Această împrejurare este legată, în primul rând, de presiunea ridicată din camera de ardere (1,2-2 MPa); în cazan arderea are loc la presiunea atmosferică și, în consecință, volumul gazelor fierbinți format este de 12-20 de ori mai mare. Mai mult, într-o turbină cu gaz, procesul de expansiune a gazului are loc într-o turbină cu gaz formată din doar 3-5 trepte, în timp ce o turbină cu abur cu aceeași putere este formată din 3-4 cilindri care conțin 25-30 de trepte. Chiar și luând în considerare atât camera de ardere, cât și compresorul de aer, o turbină cu gaz de 150 MW are o lungime de 8-12 m, iar lungimea unei turbine cu abur de aceeași putere cu un design cu trei cilindri este de 1,5 ori mai mare. În același timp, pentru turbina cu abur, pe lângă cazan, este necesar să se prevadă instalarea unui condensator cu pompe de circulație și condens, un sistem de regenerare de 7-9 încălzitoare, turbopompe de alimentare (de la unu la trei) , și un dezaerator. Ca urmare, unitatea turbinei cu gaz poate fi instalată pe o bază de beton la nivelul zero al halei de mașini, iar STU necesită o fundație cadru de 9-16 m înălțime cu turbina cu abur așezată pe placa de fundație superioară și echipamente auxiliare în camera de condensare.

Compactitatea turbinei cu gaz permite asamblarea acesteia la instalația de turbine, livrată în sala mașinilor pe calea ferată sau rutieră pentru instalare pe o fundație simplă. Deci, în special, turbinele cu gaz cu camere de ardere încorporate sunt transportate. La transportul turbinelor cu gaz cu camere la distanță, acestea din urmă sunt transportate separat, dar se atașează ușor și rapid la modulul compresor-turbină cu gaz folosind flanșe. Turbina cu abur este furnizată cu numeroase ansambluri și piese, instalarea atât a acesteia, cât și a numeroaselor echipamente auxiliare și conexiunile între ele durează de câteva ori mai mult decât o turbină cu gaz.

GTU nu necesită apă de răcire. Ca urmare, turbinei cu gaz nu are un condensator și un sistem de alimentare cu apă industrială cu o unitate de pompare și un turn de răcire (cu alimentare cu apă în circulație). Drept urmare, toate acestea duc la faptul că costul de 1 kW de capacitate instalată a unei centrale electrice cu turbină cu gaz este mult mai mic. În același timp, costul GTP în sine (compresor + cameră de ardere + turbină cu gaz), datorită complexității sale, se dovedește a fi de 3-4 ori mai mare decât costul unei turbine cu abur de aceeași putere.

Un avantaj important al unei turbine cu gaz este manevrabilitatea sa ridicată, determinată de un nivel scăzut de presiune (comparativ cu presiunea dintr-o turbină cu abur) și, în consecință, încălzirea și răcirea ușoară fără solicitări și deformații termice periculoase.

Cu toate acestea, turbinele cu gaz au și dezavantaje semnificative, dintre care, în primul rând, trebuie menționat că sunt mai puțin economice decât cele ale unei centrale electrice cu abur. Eficiența medie a turbinelor cu gaz suficient de bune este de 37-38%, iar pentru unitățile de putere cu turbine cu abur - 42-43%. Plafonul pentru turbinele cu gaz puternice, așa cum se vede în prezent, este o eficiență de 41-42% (și poate chiar mai mare, având în vedere rezervele mari pentru creșterea temperaturii inițiale). Eficiența mai scăzută a turbinei cu gaz este asociată cu temperatura ridicată a gazelor de eșapament.

Un alt dezavantaj al turbinelor cu gaz este imposibilitatea de a utiliza combustibili de calitate scăzută în ele, conform macar, în prezent. Poate funcționa bine doar pe gaz sau combustibili lichizi buni, cum ar fi motorina. Unitățile de alimentare cu abur pot funcționa cu orice combustibil, inclusiv cu cea mai slabă calitate.

Costul inițial scăzut al centralelor termice cu turbine cu gaz și, în același timp, eficiența relativ scăzută și costul ridicat al combustibilului utilizat și manevrabilitatea determină principala zonă de utilizare individuală a turbinelor cu gaz: acestea trebuie utilizate în sistemele de energie ca vârf sau de rezervă. surse de alimentare care funcționează câteva ore pe zi.

În același timp, situația se schimbă dramatic atunci când căldura gazelor de evacuare a turbinei cu gaz este utilizată în centrale termice sau într-un ciclu combinat (abur și gaz).