6.6. Газотурбінні двигуни
Основним недоліком поршневих двигунів внутрішнього згорання е обмеженість їх потужності і неможливість адіабатичне розширятися робочому тілу до атмосферного тиску. Ці недоліки усунені в газотурбінних установках (ГТУ), де робочим тілом є продукти згорання рідкого чи газоподібного палива. Робоче тіло, що має високу температуру і тиск, із камери згорання направля< ться в сопло, де воно розширяється і з великою швидкістю потрапляє на лопатки. Тут перетворюється його енергія в механічну роботу.
Рис.6.23. Загальний вигляд ГТУ із знятою верхньою кришкою.
Газотурбінна установка складається із газотурбінного двигуна і допоміжного обладнання. До складу двигуна входять (рис.6.24):
• турбіна; .;' ;;"
• камера згорання;
• компресор;
• повітряохолоджувач;
• регенеративний теплообмінник;
Конструкція проточної частини у газових турбін простіша, ніж у парових, і вони мають невелику кількість ступенів. До допоміжного обладнання відносять:
• газовідводне обладнання (газоходи, труби, борова);
• пускове обладнання;
• масляні системи;
• елементи водозабезпечення і т.п. Переваги ГТУ над поршневими двигунами такі:
• не значна вага і малі габарити;
• відсутні механізми із зворотньо-посгупальним рухом;
• великі потужності і високе число обертів. Переваги ГТУ над паротурбінними наступні:
• відсутність котельної установки із складним допоміжним обладнанням і системою водопідготовки;
• відсутність конденсаційної установки і зменшення потреб в конденсаційній воді;
• компактність;
• менша вартість.
ГТУ порівняно з паросиловими установками мають такі недоліки:
• менша потужність;
• менша довговічність.
При створенні ГТУ доцільно значно підвищувати початкову температуру газу перед турбіною, що дає можливість збільшення термічного к.к.д. Це вимагає використання жаростійких матеріалів. Тому сопла, робочі лопатки, диски та вали турбіни на відміну від парових турбін виготовляють із легованих жаростійких сталей,
Водяне та газове охолодження е недостатнім. Потрібно підвищувати к.к.д. компресора, оскільки більше половини потужності ГТУ йде на його привод.
ГТУ призначені для виробництва електроенергії або для приводу' механізмів. ГТУ застосовують в авіації; залізничному і водному транспорті, для приводу центрофуг, відцентрованих компресорів, а нині експериментують і на автомобільному транспорті.
Як стаціонарні установки їх часто використовують для енергетичних установок для виробництва електроенергії в гірських та віддалених регіонах, хоча потужність їх не значна. Вони використовуються також як енергетичні установки для покриття пікових навантажень потужністю 1,0... 100 МВт.
В ГТУ із регенерацією здійснюється попередній підігрів повітря перед камерою згорання. В ГТУ із утилізацією теплоти відпрацьованих газів на виході можна здійснювати одержання пари і гарячої води в звичайних теплообмінниках, де температура води може досягати 150...180°С.
ГТУ можуть працювати із згоранням палива при Р - const і при V — const як при відкритій, так і при закритій схемі. Більшість сучасних ГТУ виготовляються за відкритою схемою із згоранням палива при Р — const. Описово принцип дії ГТУ можна подати таким чином.
Компресор 2 стискає атмосферне повітря і неперервно подає його в камеру згорання 3. Туди ж насосом через систему 4 подається паливо. При згоранні пального (дизельне-стаціонарні, гас-авіаційні, природний газ, тверді види палива майже не використовуються) температура продуктів згорання досягає — 2000°С. Тиск продуктів згорання на виході майже відповідає тиску, що і на виході із компресора. Сучасні жаростійкі сталі можуть втримувати 700-900°С (в авіаційних двигунах 1100-12000°С), тому температуру продуктів згорання понижують за допомогою розбавлення їх великою кількістю повітря. Коефіцієнт надлишку повітря становить а = 4..,10. При великому надлишку повітря горіння буде проходити повільно, тому подачу його в камеру згорання поділяють на два етапи. На другому етапі повітря направляють таким чином, щоб воно охолоджувало стінки камери, але не зачіпало факела.
Рис.6.24. Схема простої ГТУ:
1-підвід повітря to атмосфери; 2-компресор; 3-камера згорання; 4-система паливоподачі; 5-газова турбіна; 6-випуск відпрацьованих газів; 7-навантаження.
Рис.6.25. Схема камери згорання ГТУ: 1-повітряспрямовуюче обладнання; 2-запалююче обладнання; 3-форсунка; 4-жарова труба; 5-корпус; 6-змішувач.
Суміш газу і повітря, що має температуру 700-750°С направляється на турбіну. В сопловому апараті потенціальна енергія робочого газу перетворюється в кінетичну. Газ з великою швидкістю поступає в канали робочих лопаток турбіни, де його кінетична енергія перетворюється в механічну роботу. Перепад тисків Р3-РІ використовується для виконання технічної роботи Ат, більше половини якої йде на привод компресора і деяка частина (незначна) - на привод паливного насоса.
Розглянемо спочатку робочий цикл установки з підводом теплоти при сталому тиску. Він включає в себе дві адіабати в дві ізобари. Складові циклу мають такі значення:
12 — стиск повітря у компресорі;
23 — горіння палива, яке здійснюється при сталому тиску;
34 - адіабатичне розширення газів в соплі та на лопатках турбіни і зменшення тиску до атмосферного:
41 - випуск відпрацьованих газів, який супроводжується виділенням не використаної теплоти q_ в оточуюче середовище;
Цей процес ізобаричний, оскільки тут не має обмеження робочого тіла циліндром. Термічний к.к.д. для випадку становить:
(6.22)
де
-
ступінь стиску, к
- 1,33.
Рис.6.26. Цикл ГТУз підводом теплоти при р - const
Розширення газів в проточній частині турбіни супроводжується втратами на тертя об стінки сопел лопаток і на завихрення потоку, в результаті чого кінетична енергія перетворюється в теплоту. Тому цикл реальний відрізняється від ідеального,
Відношення
внутрішньої дійсної роботи розширення
реальної турбіни до теоретичної роботи
ідеальної турбіни називається внутрішнім
відносним к.к.д. К.к.д. ідеального циклу
неперервно зростає із збільшенням є.
Це
пов 'язано із зростанням
але
збільшувати їх безмежно не можна із-за
обмеженої жаростійкості матеріалів.
Рис.6.27. Цикл ГТУз підводом тепла при V— const
У випадку роботи ГТУ з підводом теплоти при сталому об'ємі (рис. 6.27) стиснуте повітря поступає із ресивера (посудина для вирівнювання тиску) 7 подається через клапан 8 в камеру 1. Насосом 5 через 9 подається рідке паливо. Продукти згорання поступають через 2, розширюються в соплі З і приводять в рух ротор турбіни 4. Для здійснення періодичного горіння повітря і паливо необхідно подавати через керуючі клапани 9, 8 в певні проміжки часу. Процес горіння проходить при закритих клапанах 2 і 8, 9 запалення здійснюється від електроіскри. Після згорання тиск зростає, відкривається клапан 2 і продукти згорання направляються в сопло 3, де розширюються до кінцевого тиску. Ефективність роботи таких ГТУ визначають за формулою:
(6.23)
де
•
Слід зазначити, що у випадку підводу теплоти при о - const коефіцієнт корисної дії більший, чим при Р - const. Але цими перевагами не завжди можна скористатися, оскільки такі ГТУ менш надійні в роботі із-за наявності додатково клапанної системи. Тому такі двигуни не установлюють на транспорті і, в першу чергу, авіаційному.
Рис.6.28. Схема ГТУ з підводом теплоти при V — const
В ГТУ цикл Карно застосовувати не можливо, тому що, по-перше, в цьому циклі велика доля потужності турбіни споживалась би компресором, що сильно понизило б ефективність установки при наявності втрат на тертя в цих агрегатах. По-друге, технічно важко створити агрегати, в яких підвід і відвід теплоти здійснювався б за ізотермічним процесом.
Економічність ГТУ підвищують, використовуючи способи регенерації теплоти відпрацьованих газів. В схему включають регенератор, по трубках якого тече повітря, що вийшло із компресора і поступає до камери згорання. Між трубками проходить відпрацьований газ, температура якого вище за температуру повітря. Багатоступінчате стиснення повітря та згорання забезпечує наближений до ізотермічного процесу підвод теплоти.
В реальних умовах всі процеси в ГТУ є необоротними, це викликано втратами тиску робочого тіла в тракті ГТУ. За економічністю ГТУ наближається до Д.В.З, і при високих температурах можуть навіть перевищувати ЇЇ.
