Газотурбинная установка (ГТУ или ГПА)

Написал admin Суббота, 07 июль 2012 14:11

Газотурбинная установка (ГТУ или ГПА)

 


 Газотурбинная установка (ГТУ)
- машина, преобразующая тепловую энергию в механическую и состоящая из одного или нескольких компрессоров (чаще осевого типа), теплового устройства для нагрева рабочего тела, одной или нескольких турбин, системы регулирования и необходимого вспомогательною оборудования (рис. 1). Полезная мощность в ГТУ совершается за счет внутренней энергии газового потока, поступаюшего с большой скоростью на лопатки ротора турбины.

 

 При работе турбины атмосферный воздух засасывается в осевой компрессор 3, сжимается и поступает в камеру сгорания 1. Одновременно часть воздуха направляется в кольцевое пространство между стенкой и корпусом камеры сгорания. Внутрь камеры сгорания непрерывно поступает топливо, сгорающее при постоянном давлении. Поэтому из камеры сгорания непрерывной струей выходят продукты сгорания, направляющиеся в сопла. В соплах энергия давления в результате расширения газа преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, поступающей на лопатки турбины. Воздух, омывающий жаровую трубу камеры сгорания, охлаждает ее и, смешиваясь с продуктами сгорания, выходящими из жаровой трубы, также поступает втурбину 2. Примешивание этой доли воздуха к продуктам сгорания, имеющим высокую температуру - около 1800-2000 °С, необходимо для снижения температуры газов до величины, безопасной для металла лопаток газовой турбины. Поэтому общее количество воздуха, сжимаемого втурбокомпрессоре 3, значительно (в 6 раз и более) превышает количество воздуха, теоретически необхо-димого для сгорания топлива. 

  Общее представление о принципах работы турбины можно получить при рассмотрении устройства простейшей активной турбины (рис. 2).

 

На валу 1 насажен диск 2, по ободу которого на равных расстояниях закреплены рабочие лопатки . Слева от рабочих лопаток в корпусе 5 размешено сопло 4, представляющее собой криволинейный канал плав­ного очертания. При постоянном расходе газа за счет сужения канала в пределах сопла скорость потока возрастает, а давление уменьшается от р0 до р1 . Следовательно, в пределах сопла потенциальная энергия потока гевращается в кинетическую.

  При выходе из сопла поток газа попадает на рабочие лопатки под та­ким углом наклона α1, который обеспечивает плавное скольжение по­тока в межлопаточных каналах. При движении потока вдоль изогнутого контура рабочих лопаток возникают элементарные силы, результирую­щая которых представляет собой усилие, вращающее лопатки, т. е. ме­ханическую работу. Механическая работа потокагаза на лопатках опре­деляется только вращающим усилием и частотой вращения. При враща­тельном движении рабочих лопаток скорость газа при выходе из них меньше скорости на входе. Это означает, что на рабочих лопатках проис­ходит второе превращение энергии - кинетическая энергия потока газа частично переходит в механическую энергию вращения лопаток.

Турбины, в которых поток газа движется параллельно валу, назы­вают аксиальными, а турбины, в которых поток газа движется перпен­дикулярно к валу, — радиальными. Заводы выпускаю» в основном аксиальные газовые турбины.

  Смежные ряды сопел и рабочих лопаток образуют одну ступень давления. Поэтому турбину такого типа называют одноступенчатой. Диаметр диска 2, измеренный по средней высоте рабочих лопаток d , называют расчетным диаметром ступени давления. Между вращающими­ся и неподвижными деталями всегда имеются зазоры (см. рис. 2) в ра­диальном и аксиальном направлех.

  На графике изменения давления и абсолютных скоростей газа в ак­тивной одноступенчатой турбине (см. рис. 2) видно, что давление падает только в соплах, где и происходит увеличение абсолютной скорости по­тока с с0 до с1 . На рабочих лопатках, в зазоре между соплами и лопат­ками давление практически постоянно. Отдельные ступени или турбины в целом, в которых давление потока газа на рабочих лопатках остается постоянным, называются активными. Те же ступени или турбины в це­лом, в которых давление меняется и в соплах и на рабочих лопатках, называются реактивными.

  При однократном расширении в соплах одноступенчатой гурбины скоростью газа при входе его на рабочие лопатки оказывается настолько большой, что на одном ряду лопаток достаточно полно использовать ее нельзя. Поэтому одноступенчатые турбины применяют в основном для привода различных вспомогательных устройств.

  На рис.3 в продольном разрезе и развертке по окружности проточ­ной части дана схема активной турбины с двумя ступенями скорости. (Обозначения 1 соответствуют обозначениям на рис. 2). Газ из перво­го ряда рабочих лопаток поступает в неподвижные напщие ло­патки 7. Эти лопатки сходны по профилю с рабочими лопатками, но изогнуты в противоположную сторону.  Направляющие лопатки крепят в корпусе 5 турбины против сопел. Далее газ поступает на второй ряд рабочих лопаток 6. Такой двукратный пропуск потока по рабочим лопаткам позволяет уменьшить потерю кинетической энергии с выходной скоростью и этим увеличить к.п.д. На графике изменения давления и абсолютных скоростей газа по ступеням турбины (см. рис. 3) видно, что расширение газа происходит только в соплах, т. е. эта турбина является активной. Поэтому абсолютная скорость потока газа достигает максимального значения с1, при выходе из сопел. Далее ноток газа попадает на рабочие лопатки первой ступени скорости, где совершает работу. Абсолютная скорость при выходе с2 еще довольно велика. Поток далее попадает в направляющие лопатки, где его абсолютная скорость несколько уменьшается от с2 до с`1 за счет потерь, а затем газ поступает нa рабочие лопатки второй ступени Здесь совершается дополнительная работа, соответствующая уменьшению абсолютной скорости от c`1 до с`2. Во всех зазорах давление принимается постоянным.

Наклон линии абсолютной скорости на рабочих лопатках первой и второй ступеней и на направляющих лопатках различен. Это связано с тем, что на рабочих лопатках скорость уменьшается и при превращении в механическую работу и ввиду потерь, между тем как в направляющих лопатках уменьшение скорости происходит только за счет потерь.

 Рабочие лопатки ступеней ско рости для уменьшения стоимости и упрощения конструкции почти всегда ставят на общем диске, который называют диском Кертиса. Принцип работы реактивных и комбинированных турбин.

 В реальных ГТУ, эксплуатируемых на компрессорных станциях, используют в основном комбинированные ступени, т. е. ступени с определенной степенью реакции. Ноток газа воздействует на рабочие лопатки реактивной турбины не только но причине изменения скорости, приобретенной в соплах (активное усилие), но также и вследствие реакции потока газа. Это воздействие возникает в них при уменьшении давления и увеличении за счет этого относительной скорости (реактивное усилие) . Реактивное усилие аналогично отдаче ружья при  выстреле.

 

 



Рис. 1. Упрощенная схема газотурбинной установки: 1- камера сгорания; 2 — турбине;

3 — осевой компрессор; 4 - устройство для съема мощности (нагнетатель)

 

 

 


 

 

Рис. 2. Схема простейшей активной турбины


 

 

 

 

Рис. 3 Схема активной турбины с  двумя ступенями скорости

 


Сравним схемы активной и реактивной ступеней давления (рис. 11). В соплах 1 активной ступени давление уменьшается от p0 до p1, а абсолютная скорость потока возрастает от с0, до c1. На рабочих лопатках

 


Рис. 4. Схемы активной (a) и реактивной (б) ступеней


 2 активной ступени абсолютная скорость потока уменьшается от с1 до с2 ввиду частичного превращения кинетической энергии в механическую работу. Относительная скорость потока уменьшается ω1 до ω2 вследствие трения о стенки лопаток, взаимного трения между отдельными лруйками в потоке, а также вихреобразования. Давление газа на рабочих лопатках остается постоянным p1=р2. Рабочие лопатки 4, как и сопла 3 реактивной ступени, образуют суживающиеся каналы. В этих каналах происходит увеличение относительной скорости и понижение давления, связанные с появлением реактивного усилия. Это усилие направлено под утлом к направлению вращения. Движущее реактивное усилие получается как проекция реактивного усилия на направление вращения.

 На рабочих лопатках реактивной ступени вследствие уменьшения давления увеличивается относительная скорость потока от ω1 до ω2  со Абсолютная скорость потока на выходе из рабочих лопаток с2, как и в активной ступени, меньше абсолютной скорости входа с1 ввиду превращения части кинетической энергии потока в механическую работу.

 При работе турбины происходит уменьшение энтальпии от i0 на входе до i2 на выходе из ступени. Разность значений энтальпий, срабатываемых на ступени, называется теплоперепадом. Отношение теплоперепада, срабатываемого на рабочих лопатках, к общему теплоперепаду ступени принято называть степенью реактивности ρ. При ρ = 0÷0,20 ступени давления называют активными с небольшой реактивностью; при ρ = 0,4÷0,6 ступени давления называются реактивными.

Принципиальные схемы ГТУ

Сущестнует большое число теоретически обоснованных схем и циклов ГТУ. Однако только некоторые из них получили практическое применение. Часть из них рассмотрим.

 

 


Рис. 5. Простой цикл, оановальная ГТУ

 

 

 

 



Рис. 6. Регенеративный цикл, одновальная

ГТУ: 1 - регенератор; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания;

4 - турбина; 5 — нагнетатель (нагрузка)

 


 В одновальной ГТУ открытого простого цикла (рис. 5) рабочее тело (воздух) поступает в компрессор 1 из атмосферы, сжимается и направляется в камеру сгорания 2, в которой происходит его нагревание до определенной температуры. Затем рабочее тело (воздух) поступает в турбину 3, где расширяется, производя работу, и выбрасывается в атмосферу. Особенностью этого цикла является то, что компрессор, турбина и центробежный нагнетатель 4 (нагрузка) соединены механически. Центробежный нагнетатель с приводом от одновальной ГТУ может работать только в сравнительно узком диапазоне расходов газа.

  В открытом цикле рабочее тело (воздух) поступает в ГТУ из атмосферы и выбрасывается в атмосферу. В замнутом цикле рециркуляция рабочего тела (воздуха) осуществляется без связи с атмосферой.

  В одновальной ГТУ регенеративного цикла (рис. 6) дополнительно применен регенератор - теплообменник, передающий тепло от выхлопных газов рабочему телу (воздуху) до его поступления в камеру сгорания. Регенеративный цикл - термодинамический цикл с использованием тепла отработавшего рабочего тела. Состоит он из следующих друг за другом сжатия, регенеративного подогрева, горения, расширения и регенеративного охлаждения рабочего тела (теплопередачи от отработавшего газа к рабочему телу за компрессором). В целях расширения диапазона регулирования и устойчивой работы применяют схему многовальной ГТУ или с разрезным валом (рис. 7). Такая ГТУ имеет по крайней мере две турбины, камеру сгорания 2, работающие на независимых валах. Компрессор 1 приводится турбиной высокого давления (ТВД) 3, а силовая турбина (турбина низкого давления или ТНД) 4 обеспечивает привод нагнетателя 5 (нагрузки). Газотурбинная установка с разрезным валом обеспечивает любой режим работы газопровода без понижения давления нагнетания, так как, изменяя скорость вращения силового вала ТНД, можно привести в соответствие мощность, потребляемую нагнетателем, с полезной мощностью установки.

 В ГТУ регенеративного цикла с разрезным валом появляется дополнительный элемент - регенератор, который выполняет те же функции, что регенератор одновальной ГТУ (см. рис. 6).

  Рабочий процесс в многовальной ГТУ со ступенчатым сжатием и ступенчатым сгоранием топлива отличается от рабочего процесса других ГТУ тем, что воздух сжимается с промежуточным охлаждением, а горение происходит в двух камерах сгорания, расположенных перед каждой турбиной (рис. 8). При одинаковой производительности и степени сжатия в установке с промежуточным охлаждением затраты работы на сжатие в компрессорах низкого и высокого давлений (КНД и КВД) меньше, чем в установке без охлаждения. Применение ступенчатого сгорания приводит к некоторому повышению к л.д. установки. Но в гакой установке усложняются топливная и масляная системы, создается более развернутая сеть воздуха и газопроводов, что увеличивает габариты и массу установки. Поэтому на КС не нашли практическое применение схемы ГТУ со ступенчатым сгоранием. Используют в основном ГТУ, выполненные по простому регенеративному (например, ГТК-10) или безрегенеративному циклу (например, ГТН-16) с разрезным валом.

 

 



Рис. 7. Простой цикл, ГТУ с разрезным валом с отдельной силовой турбиной

 

 



 

Рис. 8. Цикл с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом, многовальная ГТУ с потребителем полезной мощности на валу низкого давления: 1 - камера сгорания; 2 — промежуточный холодильник; 3 - камера сгорания промежуточного подогрева; 4 - нагнетатель (нагрузка)

 

Актуальное видео:

 


 

 


Нашли ошибку, выделите её , нажмите ENTER+CTRL и предупредите администратора.
Рейтинг статьи
(5 Голосов)

Похожие новости

Оставь комментарий

Обязательно заполните поля с пометкой (*).

  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent

Подпишись

Ваш кабинет

Спонсоры

    Компрессоры поршневые
    Адреса сервисов. Компрессорная техника.
    ks-ekb.ru

    Каталог кухонь
    Исключительные и блистательные кухни в американском стиле -дерево на заказ
    hanak.ru

» » » Газотурбинная установка (ГТУ или ГПА)

Подпишись на новости

Хотите быть в курсе событий на сайте.
Подпишитесь на новости.

Подписка на новости от www.turbinist.ru

Статистика

Анализ веб сайтов

Рейтинг@Mail.ru