2. Конструктивные схемы газотурбинных установок

2.1 Общие сведения

Газотурбинная установка состоит из следующих трех основных элементов:

1) компрессора, нагнетающего сжатый воздух в камеру сгора­ния или, в случае закрытого цикла, рабочий агент в турбину;

2) камеры сгорания для сжигания топлива и ввода теплоты в рабочий агент;

3) турбины.

Осуществляются газотурбинные установки по открытому и за­крытому циклам.

В первом случае рабочим агентом является газ — продукт сго­рания топлива, который после совершения работы выпускается в атмосферу.

Во втором случае продукт сгорания топлива (как и в цикле па­ровой турбины) служит только для нагревания рабочего тела пу­тем теплообмена, причем рабочим телом может быть воздух или какой-либо газ, непрерывно циркулирующий в системе.

Сжигание топлива в газотурбинной установке может осуще­ствляться либо при постоянном давлении, либо при постоянном объеме.

Газотурбинные установки со сгоранием при постоянном объеме, вследствие присущих им недостатков, не нашли распространения и в настоящее время не строятся.

Рабочий процесс газотурбинной установки со сгоранием при по­стоянном давлении осуществляется по схеме, показанной на рис. 1.

Через патрубок 1 в компрессор 2 засасывается воздух. В ком­прессоре воздух сжимается и поступает непрерывным потоком в камеру сгорания 3, куда через форсунку 4, при помощи насоса 5 по­дается топливо. В камере при постоянном давлении происходит сгорание топлива. Получающиеся при сгорании топлива продукты разбавляются добавочным воздухом, поступающим по периферии камеры сгорания, до приемлемой температуры и направляются в газовую турбину 6. В турбине, приобретенная при расширении газа (смеси продуктов сгорания и воздуха), кинетическая энергия преобразуется на лопатках в механическую энергию. Патрубок 7 служит для выпуска отработавшей газовой смеси в атмосферу. Установка снабжена пусковым электродвигателем 8.

К. п. д. установки такого типа не превышает 20%, что объяс­няется большой затратой энергии на сжатие воздуха, подаваемого в камеру сгорания с очень большим избытком.

Добиться повышения к. п. д. газотурбинной установки можно несколькими способами, но все они усложняют установку и увели­чивают ее вес.

Рис. 1. Схема газотурбинной установки со сгоранием при постоян­ном давлении.

К таким способам относятся:

1) ступенчатый подвод теплоты;

2) регенерация теплоты, т. е. возврат теплоты рабочему телу;

3) ступенчатое сжатие.

Ступенчатый подвод теплоты имеет целью приблизить этот про­цесс к более выгодному изотермическому подводу теплоты (как в цикле Карно). Практически этот процесс осуществляется примене­нием ступенчатого сгорания между ступенями многоступенчатой газовой турбины, для чего перед каждой из промежуточных ступе­ней устанавливается камера сгорания, где отработавшие в преды­дущей ступени газы получают дополнительное тепло за счет сгора­ния топлива.

Турбины со ступенчатым сгоранием могут выполняться с двумя и более ступенями.

Преимущество турбины со ступенчатым подводом теплоты со­стоит, в основном, в том, что она позволяет получить большую мощность установки; исследования многоступенчатых газовых тур­бин со ступенями сгорания показывают, что при двух ступенях сго­рания мощность турбины повышается на 22%, а при трех ступе­нях— на 30%. Однако большого увеличения термического к. п. д. такие установки не дают, если нет регенерации теплоты. Поэтому газотурбинные установки со ступенчатым подводом теплоты без регенерации ие получили заметного рашростра/нения.

Сущность регенерации теплоты заключается в максимальном использовании в установке теплоты уходящих отработавших газов. В газовых турбинах теплота отработавших газов используется в подогревателях воздуха, идущего в камеру сгорания. Воздухоподо­греватель, являющийся регенератором, выполняется в виде трубча­того теплообменного аппарата, где для улучшения теплопередачи осуществляется противоток воздуха и газов.

Наибольший эффект регенерация будет иметь, если сжатие газа производить по изотерме. Однако изотермическое сжатие практически неосуществимо, к нему лишь приближаются устрой­ством ступенчатого сжатия воздуха в компрессоре.

В современных газотурбинных установках для повышения к. п. д. применяются все три приведенных мероприятия, т. е. сту­пенчатое .сгорание, регенерация и ступенчатое охлаждение. Схема такой установки приведена на рис. 2.

Атмосферный воздух поступает в первую ступень низкого давления 1 компрессора, где сжимается и направляется в проме­жуточный охладитель 2. Из охладителя воздух поступает во вто­рую ступень 3 компрессора. После сжатия воздуха во второй сту­пени (высокого давления) компрессора начинается подвод тепла: сначала реге­неративным путем — в ре­генераторе 4, от отработав­ших газов, а затем в каме­ре сгорания 5—от горяще­го топлива. После этого газ поступает в ступени высоко­го давления 6 газовой тур­бины.

Расширившись в ступе­нях высокого давления, газ поступает во вторую камеру сгорания 7, где снова про­изводится подвод тепла от торящего топлива. Завершается процесс расширением в ступенях низкого давления 5 турбины, после чего газ, пройдя регенератор 4, выходит из установки. В газотурбинных установках, работающих но закрытому (замкнутому) циклу, имеется воздухоподогреватель, в котором нагревают воздух (или другой газ), служащий рабочим телом для газовой турбины. В этом случае одна и та же порция ра­бочего воздуха (циркуляционного воздуха) проходит через турби­ну, воздухоподогреватель и охладитель, в результате чего полу­чается замкнутый цикл.

С термодинамической точки зрения закрытый цикл не отли­чается от открытого цикла, так как термодинамика в рассматри­ваемых ею циклах имеет дело именно с одной и той же порцией ра­бочего тела. По конструкции же установки, работающие по закры­тому циклу, значительно отличаются от установок, работающих по открытому циклу.

Рис. 2. Схема газотурбинной установки со ступенчатым сгоранием, регенерацией ступенчатым охлаждением.

Схема ГТУ закрытого цикла показана на рис. 3.

Циркулирующий по замкнутому циклу воздух нагнетается ком­прессором 1 в воздухоподогреватель 2. В воздухоподогревателе воздух нагревается за счет тепла, выделяемого топливом при его сгорании в камере 3. Нагретый и сжатый воздух входит в газовую» турбину 4, где, расширяясь, расходует свою внутреннюю энергию» на получение механической работы. Из турбины воздух выходит со сравнительно высокой температурой, и поэтому он направляется в регенератор 5, где отдает часть своего тепла на подогрев воздуха поступаемого в камеру сгорания (этот воздух не участвует в дви­жении по замкнутому контуру).

Рис. 3. Схема газотурбинной установки с закрытым циклом.

Из регенератора циркуляционный воздух поступает в охлади­тель 6, где он отдает дополнительно значительную часть своего тепла, охлаждается до начальной температуры и уменьшается в. объеме. Охлаждение воздуха в охладителе осуществляется заборт­ной водой.

Установки с закрытым циклом по сравнению с открытым цик­лом менее экономичны, так как имеют ряд дополнительных потерь в теплообменниках. Однако такая установка имеет и ряд преиму­ществ, основным из которых является возможность использованиям в этой установке теплоты, выделяющейся в атомных реакторах. В настоящее время проводятся большие работы по проектиро­ванию таких атомных газотурбинных установок (в том числе в судовых).