Конструкция газовой турбины

Рисунок 7 — Реальный цикл ГТУ в Т-S диаграмме

В реальных условиях все процессы в ГТУ являются неравновесными, что связано с потерями работы в турбине и компрессоре, а также с аэродинамическими сопротивлениями в тракте ГТУ. На рис. 7 представлен действительный процесс сжатия в компрессоре изображен линией 1—2, а процесс расширения в турбине — линией 3—4. Точками 2а и 4а отмечено состояние рабочего тела соответственно в конце равновесного адиабатного сжатия и расширения, точкой О — параметры окружающей среды. Ввиду потерь давления во всасывающем тракте компрессора (линия 01) процесс сжатия начинается в точке 1.

Рисунок 8 — Зависимость термического КПД цикла ГТУ ηi от степени повышения давления π и начальной температуры газа Т3

Таким образом, на сжатие воздуха в реальном цикле затрачивается большая работа, а при расширении газа в турбине получается меньшая работа по сравнению с идеальным циклом. КПД цикла получается ниже. Чем больше степень повышения давления π (т. е. выше р2), тем больше сумма этих потерь по сравнению с полезной работой. При определенном значении π (оно тем выше, чем больше Тз и внутренний относительный КПД турбины и компрессора, т. е. меньше потери в них) работа турбины может стать равной работе, затраченной на привод компрессора, а полезная работа — нулю.

Поэтому наибольшая эффективность реального цикла, в отличие от идеального, достигается при определенной (оптимальной) степени повышения давления, причем каждому значению Т3 соответствует свое πопт (рис. 8). КПД простейших ГТУ не превышает 14—18%, и с целью его повышения ГТУ выполняют с несколькими ступенями подвода теплоты и промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, а также с регенеративным подогревом сжатого воздуха отработавшими газами после турбины, приближая тем самым реальный цикл к циклу Карно.

5. Применение газовых турбин Тепло выходящих из газотурбинных установок газов используют для получения пара и горячей воды в обычных теплообменниках. Так, установки ГТ-25−700 ЛМЗ снабжены подогревателями, нагревающими воду в системе отопления до 150—160 °С.

Вместе с тем сравнительно высокий уровень коэффициента избытка воздуха в ГТУ позволяет сжигать достаточно большое количество дополнительного топлива в среде продуктов сгорания. В результате из дополнительной камеры сгорания после ГТУ выходят газы с достаточно высокой температурой, пригодные для получения пара энергетических параметров в специально устанавливаемом для этой цели парогенераторе. На Кармановской ГРЭС по такой схеме строится котел к блоку электрической мощностью 500 МВт.

В последние годы ГТУ широко используются в различных областях: на транспорте, в энергетике, для привода стационарных установок и др.

Энергетические ГТУ. Газовая турбина меньше и легче паровой, поэтому при пуске она прогревается до рабочих температур значительно быстрее. Камера сгорания выводится на режим практически мгновенно, в отличие от парового котла, который требует медленного длительного (многие часы и даже десятки часов) прогрева во избежание аварии из-за неравномерных тепловых удлинений, особенно массивного барабана диаметром до 1,5 м, длиной до 15 м, с толщиной стенки выше 100 мм.

Поэтому ГТУ используют в первую очередь для покрытия пиковых нагрузок и как аварийный резерв для собственных нужд крупных энергосистем, когда надо очень быстро включить агрегат в работу. Меньший КПД газотурбинных установок по сравнению с паротурбинными установками в этом случае роли не играет, так как установки работают в течение небольших отрезков времени. Для таких ГТУ характерны частые пуски (до 1000 в год) при относительно малом числе часов использования (от 100 до 1500ч/год). Диапазон единичных мощностей таких ГТУ составляет от 1 до 100 МВт.

ГТУ применяются также для привода электрогенератора и получения электроэнергии в передвижных установках (например, на морских судах). Такие ГТУ обычно работают в диапазоне нагрузок 30—110% номинальной, с частыми пусками и остановками. Единичные мощности таких ГТУ составляют от десятков киловатт до 10МВт. Быстрое развитие атомных энергетических установок с реакторами, охлаждаемыми, например, гелием, открывает перспективу применения в них одноконтурных ГТУ, работающих по замкнутому циклу (рабочее тело не покидает установку).

Специфическую группу энергетических ГТУ составляют установки, работающие в технологических схемах химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и других комбинатов (энерготехнологические). Они работают в базовом режиме нагрузки и предназначены чаще всего для привода компрессора, обеспечивающего технологический процесс сжатым воздухом или газом за счет энергии расширения газов, образующихся в результате самого технологического процесса.

Приводные ГТУ активно применяются для привода центробежных нагнетателей природного газа на компрессорных станциях магистральных трубопроводов, а также насосов для транспортировки нефти и нефтепродуктов и воздуходувок в парогазовых установках. Полезная мощность таких ГТУ составляет от 2 до 30 МВт.

Транспортные ГТУ используются как главные и форсажные двигатели самолетов (турбореактивных и турбовинтовых) и судов морского флота. Это объясняется возможностью получения очень высоких показателей по удельной мощности и габаритным размерам в сравнении с другими типами двигателей, несмотря на несколько завышенное расходование топлива. Газовые турбины имеют высокую перспективу использования в качестве двигателей локомотивов, благодаря сравнительно малым габаритным размерам и отсутствию потребности в воде. Транспортные ГТУ работают в широком диапазоне нагрузок и пригодны для кратковременных форсировок.

Единичная мощность ГТУ пока не превышает 100МВт, а КПД установки 27—37%. С повышение начальной температуры газов до 1200 °C мощность ГТУ будет доведена до 200 МВт и КПД установки до 38—40%.

Чечеткин А.В., Занемонец Н. А. Теплотехника: Учеб. для хим.-технол. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1986. — 344 с.

Рындин В. В. Теплотехника: Монография. — Павлодар: Издательство «Кереку» ПГУ им. С. Торайгырова, 2007. — 460 с.: ил.

Соколов В. С. Газотурбинные установки: Учеб. пособие для сред.

ПТУ. — М.: Высш. шк., 1986. — 151 с: ил.

Теплотехника: Учеб. для вузов / А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К.

Витт и др.; Под ред. А. П. Баскакова.— 2-е изд., перераб.— М.: Энергоатомиздат, 1991.— 224 с.: ил.

Кириллов И. И. Газовые турбины и газотурбинные установки. — М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1956. — 313 с.