книги из ГПНТБ / Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие

сферный воздух всасывается компрессором Ki (см. рис. 2-7, а) и сжи­

ется при постоянном давлении до температуры 7з, и далее поступает

компрессоре Кг — линией 3*—4. Охлаждение воздуха в воздухоохла­ дителе выражается линией 4*—3*. Все остальные процессы соверша­

работой турбины и работой, затрачиваемой на сжатие воздуха в ком­

тия и к.п.д. соответственно первого и второго компрессоров; /0 т и

где р 3 — давление перед компрессором Кй р* — давление в промежу­

170

Из анализа (2-60) следует, что к.п.д. ГТУ повышается при увели­ чении т и т / , т. е. при повышении начальной температуры газа Tj и при снижении температуры воздуха Т3 и Т3 перед компрессорами. К.п.д. установки возрастает также при увеличении степени регенера­

ний /?, т, т' , T)oj, т) KI и т) к2. но Для ГТУ без промежуточного охлажде­ ния. Из сравнения кривых видно, что с введением промежуточного охлаждения к.п.д. установки повышается, причем тем значительнее, чем больше степень регенерации. Кроме того, анализ (2-60) показы­ вает, что введение промежуточного охлаждения вызывает значитель­ ное увеличение оптимальной степени повышения давления р о п т и сниже-

171

ние удельного расхода газа в установке. В результате этого создаются

Цикл установки показан в Т—s-диаграмме на рис. 2-9, б. Линии изображают: 3—4 — сжатие воздуха в компрессоре К; 4—5 — подо-

6)

Рис. 2-9. ГТУ со ступенчатым сгоранием

172

грев воздуха в регенераторе Р; 5—/ — подвод тепла в первой камере сгорания КСй 1—2* — расширение газа в первой турбине 77; 2*—;*—подвод тепла во второй камере сгорания КС2; 1*—2—расши­ рение газа во второй турбине Т2\ 2—6 — отдача тепла газом в регене­ раторе Р; 6—3 — отвод тепла с отработавшим газом в атмосферу (ус­ ловное замыкание цикла).

Внутренний к.п.д. ГТУ с промежуточным подогревом и регенера­ цией

личество тепла, подведенного в первой и второй камерах сгорания;

щая степень расширения, равная степени повышения давления в ком­ прессоре

о = Pllp2 = р.

Из анализа (2-63) следует, что внутренний к.п.д. ГТУ с промежу­

достигает максимума при вполне определенных оптимальных значе­ ниях степени повышения давления в компрессоре (30ПТ и степени рас­

На рис. 2-10 показаны кривые зависимости к.п.д. ГТУ с промежу­ точным подогревом от степени повышения давления ц г п о д = / (|3) для

173

можно отметить, что промежуточный подогрев газа повышает к.п.д.

В практике газотурбостроения при создании мощных ГТУ нередко применяют одновременно промежуточное охлаждение воздуха и про­ межуточный подогрев газа. Такая комбинация, несмотря на усложне­ ние схемы установки, позволяет не только более значительно повы­ сить к.п.д., но и еще в большей степени увеличить оптимальную сте­ пень повышения давления и уменьшить удельный расход газа по срав­ нению с ГТУ, в которых применено только промежуточное охлажде­ ние или только промежуточный подогрев. А в итоге все это дает возможность резко увеличить единичную мощность ГТУ.

§2-6. Сложные и многовальные ГТУ

Внастоящее время существует тенденция к увеличению на элект­ рических станциях единичной мощности турбин, так как это позволя­ ет значительно снизить капитальные затраты и эксплуатационные рас­ ходы. Необходимость в агрегатах большой мощности имеет место также и в судостроении.

Но если единичная мощность паровых турбин сейчас доведена уже до 800 МВт и более, то мощность ГТУ не превышает еще и 100 МВт. Это объясняется следующим образом. Срабатываемый в газовой тур­ бине теплоперепад в 3—5 раз меньше, чем в паровой, поэтому для по­ лучения одинаковой мощности нужно соответственно увеличить ве-

174

совой, а при равных давлениях — и объемный расходы газа, что тре­ бует большей высоты лопаток, особенно первых ступеней.

Но, как известно, напряжения в рабочих лопатках турбин возрас­ тают с увеличением их высоты и числа оборотов турбины. Таким об­ разом, высота лопаток и число оборотов ограничивают единичную мощность турбин. Однако в отличие от паровых турбин, у которых предельная единичная мощность лимитируется высотой лопаток по­ следней ступени, в газовых турбинах эта мощность в ряде случаев может ограничиваться высотой лопаток первой ступени, так как имен­ но эти лопатки работают при наиболее высокой температуре, в самых тяжелых условиях и поэтому в них допускаются значительно более низкие напряжения, чем в лопатках других ступеней. Значительное повышение предельной мощности у турбин достигается за счет приме­ нения лопаток переменного по высоте сечения, что позволяет снизить усилия от действия центробежных сил по сравнению с лопатками по­ стоянного сечения. Следует также отметить, что при активном облопачивании предельная мощность может быть почти в два раза боль­ шей, чем у реактивных турбин. Однако при этом нужно помнить, что реактивные турбины благодаря их более высокой экономичности и ряду других преимуществ часто бывают предпочтительнее, чем ак­ тивные, особенно для больших мощностей.

Наиболее просто вопрос повышения единичной мощности решается в замкнутых ГТУ (см. § 2-7). Там это достигается путем соответствую­ щего увеличения давления, а следовательно, и весового расхода газа, циркулирующего в замкнутом контуре. Так, например, если увели­ чить давление газа перед компрессором в 10 раз, то при неизменных температурах цикла, степени повышения давления и при тех же са­ мых размерах проточной части турбины и компрессора мощность уста­ новки тоже возрастает приблизительно в 10 раз.

С целью увеличения мощности, а также экономичности открытых ГТУ в настоящее время применяются сложные и многовальные схе­ мы, в которых осуществляются ступенчатое сжатие воздуха, ступен­ чатый подогрев газа, регенерация и т. д. В свою очередь мощность этих ГТУ лимитируется пропускной способностью компрессора. При ступенчатом сжатии это будет компрессор низкого давления.

Необходимость в сложных и многовальных схемах вызвана также еще и другим весьма важным обстоятельством, а именно: они дают возможность повысить экономичность ГТУ и особенно при работе на частичных нагрузках. Это наглядно видно из рис. 2-11, где пред­ ставлены кривые изменения относительного к.п.д. в зависимости от

Нетрудно заметить, что слабее всего снижается к.п.д. при уменьше­ нии нагрузки у ГТУ замкнутого типа (кривая 3), в которой мощность регулируется изменением весового расхода газа при неизменной тем­ пературе его перед турбиной. Наиболее резко снижается к.п.д. при

«уменьшении нагрузки у простейшей одновальной ГТУ открытого типа (кривая 1). Происходит это потому, что мощность в установках дан-

175

новки открытого типа (кривая 2), что позволяет сделать вывод о целе­ сообразности применения многовальных ГТУ во всех случаях, когда по условиям эксплуатации установке большую часть времени прихо­

утрех типов установок

Пожалуй, наиболее простая схема из многовальных ГТУ у двух­ вальной установки, часто называемой установкой «с разрезным ва­ лом». В ней турбина разделена на две части. Одна часть, обычно вы­ сокого давления, служит приводом компрессора и может работать с переменным числом оборотов. Вторая часть работает со строго постоян­ ным числом оборотов и только на электрогенератор. Регулирование в ГТУ этого типа осуществляется не только путем изменения расхода топлива, но и за счет изменения расхода воздуха, подаваемого ком­ прессором. Такой метод позволяет значительно меньше снижать на­ чальную температуру газа при работе на частичных нагрузках и тем самым поддерживать к.п.д. цикла на более высоком уровне. Правда, за счет разделения турбины на две части несколько снижается к.п.д. установки на номинальном режиме. В схему установки «с разрезным валом» можно добавить регенератор, а, как уже отмечалось в § 2-4, применение регенерации даже в одновальных ГТУ уже само по себе повышает экономичность на частичных нагрузках.

Характерным примером сложной многовальной ГТУ может слу­ жить самая мощная сейчас в мире установка ГТ-100-750-2 ЛМЗ. Установка эта двухвальная, предназначена для привода электрогене­ ратора мощностью 100 ООО кВт. Тепловая схема ГТ-100-750-2 относи-

176

тельно проста (рис. 2-12), однако она содержит в себе почти все основ­ ные элементы сложной ГТУ, с помощью которых и была достигнута такая высокая мощность при сравнительно хорошей экономичности. В этой ГТУ нет регенератора, но в установке использовано двух­ ступенчатое сжатие воздуха с промежуточным его охлаждением. Ком­ прессор низкого давления 7 приводится во вращение со скоростью 3000 об/мин сидящей на одном с ним валу турбиной низкого давления 6, которая вращает также и электрогенератор 8. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 7 до давления 4,22 бар. Производительность компрессора равна 435 кг/с, а к.п.д. его составляет 88%. Сжатый воздух направляется через охлаждаемый водой двухсекционный воз­ духоохладитель 5 (на рис. 2-12 секции воздухоохладителя 5 показаны разнесенными по схеме) в компрессор высокого давления 1, где до­ полнительно сжимается до 25,5 бар, и после этого поступает в камеру сгорания высокого давления 2. Компрессор высокого давления вра­ щается со скоростью 4100 об/мин турбиной высокого давления 3, ко­ торая установлена на одном с ним валу и передает ему всю свою мощ­ ность. Кроме промежуточного охлаждения воздуха установка имеет еще и промежуточный подогрев рабочего газа (двухступенчатое сгора­ ние). Для этого кроме камеры сгорания высокого давления 2 между газовыми турбинами 6 и 3 установлена камера сгорания низкого дав­ ления 4. Температура газа перед обеими турбинами на номинальном режиме поддерживается на уровне 1020 К, к.п.д. установки при этом достигает 28%.

Так как ГТ-100-750-2 не имеет регенератора, то, для того чтобы использовать тепло отработавших в турбине низкого давления 6 газов, перед выпуском их в атмосферу предусмотрена установка теп­ лофикационного подогревателя 9. Для повышения эффективности теп­ лофикационного подогревателя сетевая вода предварительно пропус-

. кается через одну секцию воздухоохладителя 5.

Применение двухступенчатого сжатия воздуха с промежуточным его охлаждением и промежуточного подогрева газа позволило обес­ печить большую по величине общую степень повышения давления в установке (3 = 26 и получить при относительно высоком к.п.д. ее большую единичную мощность. Соответствующее дополнительное уве­ личение мощности ГТУ в целом было достигнуто также и за счет того, что установка ГТ-100-750-2 выполнена ДЕухвальной. Она рассчитана для работы на природном газе и жидких сортах топлива: соляре, газотурбинном малосернистом дистилляте и малосернистом мазуте. Конструктивное устройство ГТ-100-750-2 рассматривается в § 2-16.

§ 2-7. Замкнутые ГТУ

Принципиальная схема замкнутой ГТУ показана на рис. 2-13. Как можно видеть, отработавший в турбине 3 газ после регенератора 12 не удаляется в атмосферу, как в ГТУ открытого типа, а направля­ ется в охладитель 4. Там он охлаждается до начальной температуры

177

лаждающей средой служит обычно вода. С точки зрения термодина­ мики, охладитель 4 выполняет роль теплоприемника. Охлажденный газ поступает далее в компрессор 5, где сжимается от давления р^ до р2, за счет чего температура его повышается с 7^ до Т2. После компрес­ сора 5 газ направляется в регенератор 12, в котором подогревается до температуры Т3; давление его вследствие гидравлических потерь не­ сколько снижается от р2 до р3.

Рис. 2-13. Принципиальная схема замкнутой ГТУ

В замкнутых ГТУ вместо камеры сгорания устанавливается нагре­ ватель 1, в котором рабочее тело (газ или воздух) пропускается внутри трубок. Снаружи эти трубки нагреваются за счет тепла, выделяюще­ гося при сжигании топлива в топке, которая по принципу работы схо­ жа с топкой паровых котлов. Благодаря сходству нагреватель замкну­ тых ГТУ иногда называют еще «воздушным котлом». В нагревателе / температура рабочего газа резко возрастает до Т4 , а давление, опятьтаки за счет гидравлических потерь, снижается до р 4 . С этими пара­ метрами газ поступает в турбину 3, где, совершая работу, расширя­ ется до давления р5\ температура его при этом падает до Т5. Турбина 5 вращает компрессор 5, а избыточную часть своей мощности отдает на привод электрогенератора 2.

Так как температура отработавшего газа еще достаточно высока, то после турбины он направляется в регенератор 12, где отдает часть тепла на подогрев газа, движущегося из компрессора 5 в нагреватель 1.

Нетрудно заметить, что в замкнутой ГТУ циркулирует одно и то же весовое количество рабочего тела, если не считать незначительной по величине утечки газа из контура через различные неплотности, которая автоматически восполняется из аккумулятора высокого дав­ ления 8.

178

Мощность установки регулируется изменением давления газа в ее контуре при сохранении практически неизменными степени повы­ шения давления, а также наименьшей и наибольшей температуры газа. Следовательно, без изменений остаются тепловые перепады в турбине и компрессоре, а также треугольники скоростей и внутренние к.п.д. турбомашин.

Рассмотрим этот способ регулирования. При увеличении нагрузки число оборотов турбины 3 уменьшается, в результате чего центробеж­ ный регулятор 6 перемещает регулирующий орган 10 вниз (см. рис. 2-13). Тем самым он сообщает аккумулятор высокого давления 8 с контуром ГТУ. При этом давление газа, циркулирующего в конту­ ре, а следовательно, и весовой расход его возрастают. Мощность ГТУ увеличивается пропорционально росту весового расхода газа. При уменьшении нагрузки вследствие увеличения числа оборотов турбины грузы регулятора 6 расходятся и перемещают регулирующий орган 10 вверх. В этом случае часть газа из контура ГТУ перетекает в акку­ мулятор низкого давления 9. В результате давление в контуре, а зна­ чит, и весовой расход циркулирующего газа уменьшаются, что при­ водит к снижению мощности установки.

В связи с тем что скорость регулятора 6 изменяется в зависимости от нагрузки в пределах неравномерности регулирования, то, для того чтобы регулирующий орган 10 в положении равновесия был закрыт, установлен регулятор давления 7. В рассматриваемой ГТУ каждой нагрузке соответствует определенное давление газа в контуре, в том числе и после компрессора 5 (область высокого давления). Поэтому при каждой нагрузке регулятор давления 7, а значит, и муфта регуля­ тора скорости 6 будут находиться в каком-то вполне определенном положении.

При небольших временных колебаниях нагрузки часть сжатого газа перепускается из области высокого давления ГТУ непосредствен­

Аккумулятор высокого давления 8 пополняется с помощью не­ большого вспомогательного компрессора, перекачивающего в него газ из аккумулятора низкого давления 9 так, чтобы давление в нем было всегда несколько выше, чем в области высокого давления уста­ новки при максимальной нагрузке.

Замкнутые ГТУ по сравнению с открытыми обладают следующими преимуществами:

1. Благодаря отсутствию в циркулирующем газе веществ, вызы­ вающих коррозию и эрозию лопаточного аппарата, значительно по­ вышается надежность и долговечность турбины.

3.Замкнутые ГТУ могут успешно работать на атомной энергии совместно с газовым атомным реактором.

4.Путем повышения начального давления газа перед компрессо-

179