6.2. Теоретические циклы газотурбинных установок

Газотурбинные установки представляют собой тепловые двига-

тели, в которых теплота, выделяющаяся при сжигании топлива в

камере сгорания, частично превращается в механическую работу в

результате расширения продуктов сгорания в газовой турбине.

При этом турбина - это лопаточный двигатель, преобразующий

энергию потока пара, газа или воды, протекающих через сопловой аппа-

рат и рабочие лопатки ротора (лопасти рабочего колеса) в механическую

энергию.

В зависимости от характера рабочего тела различают паровые, газовые

и гидравлические турбины.

В настоящее время в промышленности широкое применение находят

паровые и газовые турбины. Паровые турбины, работающие на энергети-

ческом паре, получаемом с ТЭЦ либо с котлов-утилизаторов, используются в

качестве привода турбокомпрессоров и турбонасосов. Газовые турбины рабо-

тают на технологических и отбросных газах технологических производств,

имеющих избыточное давление или газах, полученных путем сжигания

топлива.

92

Рис. 6.5. Схема газотурбинной установки: 1– осевой компрессор,

2 – газовая турбина, 3 – камера сгорания, 4 – топливный насос,

5 – форсунка, 6 – сопло, 7 – теплообменник (регенератор)

Благодаря быстроходности, компактности и более высокому термо-

динамическому к. п. д. газотурбинные установки имеют определенные

преимущества перед двигателями внутреннего сгорания.

Наибольшее распространение получили газотурбинные установки, в

камерах которых сгорание топлива происходит при постоянном давлении.

Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые.

Одноступенчатая турбина (рис. 6.5) состоит из статора (соплового аппарата)

и ротора – по которым движется рабочее тело (газ).

Работа турбинной установки заключается в следующем.

Топливо с помощью топливного насоса 4 подается в камеру сгорания 3, где

распыляется форсункой 5. Воздух, необходимый для сжигания топлива (и

дополнительно для последующего разбавления продуктов сгорания), засасы-

вается в компрессор 3 при атмосферном давлении р1 сжимается в нем до

давления р2 и подается в камеру сгорания, где происходит сгорание топлива

при постоянном давлении p2. Образующиеся продукты сгорания, разбавлен-

ные воздухом до температуры (700 _ 800 ｰС), расширяются в сопловом

аппарате 6 газовой турбины 2 до начального давления р1 и приводят во

вращение рабочее колесо турбины, затем при давлении р1 выбрасываются в

окружающую среду или дополнительно проходят через теплообменник

(регенератор) 7 с целью снижения тепловых потерь с уходящими газами.

Привод топливного насоса и компрессора осуществляется от рабочего

вала турбины.

93

Многоступенчатая турбина представляет собой несколько последова-

тельно соединенных одноступенчатых турбин, которые называются ступе-

нями.

Принцип работы непосредственно ступени турбины рассмотрим на

примере, изображенным на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Ступень турбины

Рабочий газ с повышенным начальным давлением р2 и начальной

температурой Т2 подводится к неподвижному соплу статора (рис. 6.5).

При постоянном массовом расходе газа т на выходе из сопла под-

держивается постоянное давление р1 < р2. Под влиянием разности давлений

поток газа с постоянной скоростью w/ (м/с) направляется в криволинейные

каналы А, образованные рабочими лопатками ротора турбины (рис. 6.6).

Протекая по этим каналам, поток газа создает усилие Рu , вращающее

рабочее колесо турбины.

Обозначив через и (м/с) линейную скорость вращательного движения

лопаток и построив треугольник скоростей на входе в каналы рабочих лопа-

ток, можно найти относительную скорость входа w1 потока газа в каналы

рабочих лопаток и ее направление, которое определяется углом β1.

Проекция силы Ри на направление скорости и вызывает вращение ротора

турбины. Мощность (Вт), развиваемая потоком газа на ободе лопаток,

равна:

Nu = Ри и. (6.9)

Если газ расширяется только в сопле статора, а в каналах рабочих

лопаток ротора происходит лишь изменение направления потока газа при

постоянном давлении, то такая турбина (или ступень ее) называется актив-

ной. Если газ расширяется в сопле ротора и в каналах рабочих лопаток

ротора, то такая турбина (или ступень) называется реактивной.

На рис. 6.7 представлены теоретические циклы газотурбинной уста-

новки (ГТУ).

В теоретическом цикле газотурбинной установки принимается, что

процессы сжатия воздуха в компрессоре 1 _ 2 и расширения продуктов сго-

рания в газовой турбине 3 _ 4 являются адиабатными, а процессы подвода

теплоты 2 _ 3 (сгорание топлива) и отвода теплоты 4 _ 1 _ изобарными.

94

Рис. 6.7. теоретический цикл газотурбинной установки на диаграммах:

p – v (а) и Т – s (б)

Принципиальное отличие этого цикла от цикла двигателей внутреннего

сгорания заключается в том, что отвод теплоты осуществляется по изобаре