Energie-Gasturbineneinheiten. Funktionsprinzip der GTU

Derzeit gibt es in Russland mehrere Tausend Wärmekraftwerke und staatliche Kreiskraftwerke sowie mehr als 66.000 Kesselhäuser, die fast 80 % der erzeugten Wärme liefern. In dieser Hinsicht ist Russland hinsichtlich des Volumens der zentralen Wärmeversorgung unangefochtener Weltführer. Beachten wir, dass Russland im Hinblick auf die Zentralisierung nicht nur im Energiebereich weltweit führend ist.
Experten weisen jedoch auf die Ineffizienz der Gasnutzung in veralteten Anlagen sowie auf den geringen Wirkungsgrad herkömmlicher Dampfturbinen hin, der 38 % nicht überschreitet. Die Wärmeerzeugung erfolgt in zentralen Netzen hauptsächlich Bei Geräten früherer Generationen „erwärmt“ überschüssige Wärme die Luft.
Die Nutzung lokaler Anlagen zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie Gasturbinenkraftwerke (GTU) Einer davon ist der Betrieb mit Erdgas oder Propan mögliche Lösungen dieser Aufgabe.
In diesem Zusammenhang gibt es eine Tendenz zum Aufbau dezentraler kombinierter Strom- und Wärmeversorgungsquellen (sog Kraft-Wärme-Kopplungsbetrieb), sowohl in bestehenden Heizkesselhäusern als auch an neu errichteten Wärmequellen installiert. Am dringendsten ist der Übergang zu neuen Kleinanlagen mit modernen Gasturbinen zur Kraft-Wärme-Kopplung.

In entwickelten Ländern nimmt der Anteil kleiner Energieanlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung zu, was eine Optimierung der Wärme- und Stromerzeugung in der sozialen und industriellen Infrastruktur sowie eine effektive Energieeinsparung ermöglicht. In den USA und Großbritannien beispielsweise erreicht der Anteil der Kraft-Wärme-Kopplung an der Kleinenergieerzeugung 80 %, in den Niederlanden 70 % und in Deutschland 50 %. Im Ausland wird dieser Prozess vom Staat sowohl durch gesetzliche Regelungen als auch durch Haushaltsfinanzierung aktiv unterstützt.
Grundlage für die Wirtschaftlichkeit von Gasturbinen-Blockheizkraftwerken ist ihr hoher elektrischer und thermischer Wirkungsgrad, der durch die grundsätzliche Betriebsweise auf Wärmeverbrauch (Heizung, Warmwasserbereitung, Wärmebereitstellung für den Produktionsbedarf) erreicht wird.
Gasturbineneinheiten gelten im Energiesektor inzwischen als ausgereifte und zuverlässige Geräte.
Die Leistungsindikatoren von Gasturbineneinheiten in Kraftwerken liegen auf dem gleichen Niveau wie herkömmliche Kraftausrüstung. Sie zeichnen sich durch eine Betriebsbereitschaft innerhalb von 90 % der Kalenderzeit, einen 2-3-jährigen Reparaturzyklus und eine problemlose Anlaufquote von 95-97 % aus.
Geringes spezifisches Gewicht, Kompaktheit, einfacher Transport und einfache Installation sind einige der Hauptvorteile von Gasturbineneinheiten, die im Hinblick auf ihre Verwendung am attraktivsten sind.
Zu den Vorteilen von Gasturbinen zählen auch kurze Zeit Bau, Erhöhung der Zuverlässigkeit der Wärme- und Stromversorgung der Verbraucher, minimale Mengen schädlicher Emissionen in die Umwelt, Verringerung der Trägheit der Wärmeregulierung und der Verluste in Wärmenetzen im Vergleich zu Netzen, die an große RTS und KWK-Anlagen angeschlossen sind.

Beschreibung Gasturbinentechnik .
Die Basis der Gasturbine ist ein Gasgenerator, der als Quelle komprimierter heißer Verbrennungsprodukte für den Antrieb einer Leistungsturbine dient.
Der Gasgenerator besteht aus einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Kompressorantriebsturbine. Komprimiert im Kompressor atmosphärische Luft, das in die Brennkammer gelangt, wo ihm über Düsen Brennstoff (meist Gas) zugeführt wird, der dann im Luftstrom verbrannt wird. Verbrennungsprodukte werden der Kompressorturbine und der Leistungsturbine zugeführt (bei der Einwellenversion sind Kompressor und Leistungsturbine kombiniert). Die von der Leistungsturbine entwickelte Leistung übersteigt die vom Kompressor für die Luftkomprimierung verbrauchte Leistung deutlich Überwindung der Reibung in den Lagern und des Leistungsaufwands für den Antrieb von Nebenaggregaten. Die Differenz dieser Werte stellt die Nutzleistung der Gasturbineneinheit dar.

Auf der Turbinenwelle befindet sich ein Turbogenerator (elektrischer Generator).
Die im Gasturbinenantrieb ausgestoßenen Gase gelangen über die Abgasvorrichtung und den Schalldämpfer in den Schornstein. Eine Wärmerückgewinnung aus Abgasen ist möglich, wenn die Abgase in einen Abhitzekessel gelangen, in dem Wärmeenergie in Form von Dampf und/oder erzeugt wird heißes Wasser. Dampf oder Heißwasser aus dem Abhitzekessel können direkt an den Wärmeverbraucher übertragen werden.
Der elektrische Wirkungsgrad moderner Gasturbinenanlagen liegt bei 33–39 %. Unter Berücksichtigung der hohen Abgastemperatur in leistungsstarken Gasturbinenanlagen ist jedoch die Kombination von Gas- und Dampfturbinen möglich. Dieser technische Ansatz kann die Kraftstoffeffizienz deutlich verbessern und den elektrischen Wirkungsgrad von Anlagen auf 57–59 % steigern.

Die Vorteile von Gasturbineneinheiten sind geringes spezifisches Gewicht, Kompaktheit, einfacher Transport und einfache Installation. Es ist erlaubt, Gasturbineneinheiten auf der technischen Etage eines Gebäudes zu installieren oder Gasturbineneinheiten mit geringer Leistung auf dem Dach zu platzieren. Das nützliche Eigenschaft GTU ist ein wichtiger Faktor in der Stadtentwicklung.
Beim Betrieb von Gasturbineneinheiten ist der Gehalt an schädlichen NOx- und CO-Emissionen in ihren Abgasen minimal. Diese hervorragenden Umwelteigenschaften machen es möglich, Gasturbineneinheiten problemlos in unmittelbarer Nähe menschlicher Besiedlung zu platzieren.

Darüber hinaus werden kleine Leistungsgasturbineneinheiten in der Regel in Form einer oder mehrerer vollständig vorgefertigter Einheiten geliefert, die einen geringen Installationsaufwand erfordern und aufgrund ihrer relativ geringen Abmessungen eine Installation unter beengten Verhältnissen ermöglichen. Meisterplan. Daher die relative Billigkeit der Bau- und Installationsarbeiten.
Gasturbineneinheiten weisen geringfügige Vibrationen und Geräusche im Bereich von 65–75 dB auf (was auf der Geräuschpegelskala dem Geräusch eines Staubsaugers in 1 Meter Entfernung entspricht). Eine besondere Schalldämmung ist für solche High-Tech-Erzeugungsanlagen in der Regel nicht erforderlich.
Moderne Gasturbinenanlagen sind äußerst zuverlässig. Es gibt Hinweise auf einen Dauerbetrieb einiger Einheiten über mehrere Jahre. Viele Gasturbinenlieferanten produzieren große Renovierung Geräte vor Ort, Austausch einzelner Komponenten ohne Transport zum Hersteller, was die Wartungskosten des Geräts erheblich senkt.
Die meisten Gasturbinenanlagen haben die Fähigkeit zur Überlastung, d. h. Erhöhung der Leistung über den Nennwert hinaus. Dies wird durch eine Erhöhung der Temperatur des Arbeitsmediums erreicht.
Die Hersteller legen jedoch strenge Beschränkungen hinsichtlich der Dauer solcher Modi fest, so dass ein Betrieb über der Anfangstemperatur nicht länger als mehrere hundert Stunden möglich ist. Ein Verstoß gegen diese Einschränkungen reduziert die Ressourcen der Installation erheblich.

Ein Löffel Teer.
Allerdings gibt es Schwierigkeiten bei der Einführung von Leistungsgasturbineneinheiten. Dabei handelt es sich zunächst einmal um die Notwendigkeit einer Vorverdichtung des Gasbrennstoffs, die insbesondere bei kleinen Gasturbinen die Kosten der Energieerzeugung deutlich erhöht und teilweise ein erhebliches Hindernis für deren Umsetzung im Energiesektor darstellt. Für moderne Gasturbineneinheiten mit hohe Abschlüsse Bei der Luftverdichtung kann der erforderliche Brenngasdruck 25–30 kg/cm2 überschreiten.
Zu anderen erheblicher Nachteil GTU zeichnet sich durch einen starken Effizienzabfall aus, wenn die Last abnimmt.
Die Lebensdauer von Gasturbineneinheiten ist deutlich kürzer als die anderer Kraftwerke und liegt üblicherweise im Bereich von 45-125.000 Stunden.

Historisch gesehen waren die Pioniere bei der Entwicklung der Gasturbinentechnologie die Entwickler von Motoren für Schiffe und Flugzeuge. Daher verfügen sie derzeit über die größte Erfahrung auf diesem Gebiet und sind die qualifiziertesten Spezialisten.
Führende Positionen bei der Herstellung von Gasturbinenkraftwerken nehmen in Russland Unternehmen ein, die Fluggasturbinentriebwerke und Gasturbineneinheiten speziell für den Energieeinsatz entwickeln und herstellen:
- JSC „Ljulka-Saturn“(Moskau Stadt),
- OJSC „Rybinsk Motors“(Rybinsk),
beide sind enthalten NPO „Saturn“,
- KKW im. V. Ya. Klimova(Sankt Petersburg),
- FSUE MMPP „Salut“(Moskau Stadt),
und andere

2004-2006 in Moskau mit der Teilnahme OJSC „Saturn – Gasturbinen“ Der Bau und Betrieb experimenteller Gasturbineneinheiten (GTU) wurde an den RTS Kuryanovo und Penyagino durchgeführt. Die Hauptaufgabe des Einsatzes von Gasturbinenanlagen besteht darin, eine unabhängige Versorgung von Wohngebäuden und kommunalen Diensten mit Strom und Wärme sicherzustellen. In beiden RTS wurden zwei Gasturbineneinheiten installiert GTA-6RM mit einer Blockleistung von 6 MW. GTA-6RM ist einer der Haupttypen bodengestützter Produkte von NPO Saturn.
Gasturbineneinheiten GTA-6RM werden auf Basis serienmäßiger, relativ günstiger, Flugzeugmotoren D-30KU/KP, die sich als das zuverlässigste Triebwerk in Russland etabliert haben und in den Serienflugzeugen IL-62M, TU-154M und IL-76 zum Einsatz kommen. Die Gesamtbetriebszeit dieser Motoren überstieg 36 Millionen Stunden.
Die Einheiten werden in Block-Modul- und Werkstatt-(Stations-)Version hergestellt und können im Einzelbetrieb oder in Kombination mit Turbogeneratoren verschiedener Serien mit identischen Betriebseigenschaften, Heißwasser- oder Dampfrückgewinnungskesseln betrieben werden.
Im Jahr 2005 war GTA-6RM unter den 100 beste Produkte In Russland wurde ihm offiziell der Status „Stolz des Vaterlandes“ verliehen.

Das Experiment zeigte, dass der Einsatz von Gasturbineneinheiten im RTS-System es ermöglicht, die Zuverlässigkeit der Wärmeversorgung der kommunalen Wirtschaft und des Wohnsektors der Hauptstadt aufgrund der Duplizierung und Redundanz bestehender Lebenserhaltungssysteme sowie zu erhöhen die Energiesicherheit der städtischen Wirtschaft erhöhen.

Und es muss gesagt werden, dass die Moskauer Regierung ernsthaft auf den massiven Einsatz von Gasturbineneinheiten im Energiekomplex der Hauptstadt gesetzt hat.
Hier finden Sie Auszüge aus dem Beschluss vom 29. Dezember 2009 N 1508-PP „Zum Wärmeversorgungsplan der Stadt Moskau für den Zeitraum bis 2020.“
Vorrangige Richtung Die Entwicklung der Wärmeversorgung der Stadt Moskau für den Zeitraum bis 2020 ist die Einführung der Technologie der kombinierten Wärme- und Stromerzeugung mit der zusätzlichen Einbeziehung von Heizressourcen und der Deckung der Wärme- und Stromlasten der Verbraucher der Stadt mit neuen Gasturbinenkraftwerke.
....................................
Die Weiterentwicklung des Wärmeversorgungssystems sollte basieren auf:
.............................................
- Installation autonomer Erzeugungsquellen in Kraftwerken ( Gasturbineneinheiten) zum Starten eines Kraftwerks bei Verlust der Verbindung zum Stromnetz und zur autonomen Stromversorgung von Spitzenwasserheizkesseln im Notbetrieb.

Bisher haben wir nur über die Gasturbine selbst gesprochen, nicht

* * fragt, woher das Gas kommt, das es antreibt.

Der Arbeitsdampf gelangt vom Dampfkessel in die Dampfturbine. Welche Geräte werden benötigt, um eine Gasturbine mit Arbeitsgas zu versorgen?

Für den Betrieb einer Gasturbine ist ein Gas mit großem Energievorrat erforderlich. Die Energie eines Gases – seine Fähigkeit, unter bestimmten Bedingungen mechanische Arbeit zu verrichten – hängt von Druck und Temperatur ab. Je komprimierter das Gas ist und je höher seine Temperatur, desto mehr mechanische Arbeit kann es bei seiner Expansion leisten. Das bedeutet, dass Turbinen zum Betrieb komprimiertes und erhitztes Gas benötigen. Von hier aus ist klar, welche Geräte in einer Gasturbinenanlage (oder einem Gasturbinentriebwerk) enthalten sein sollten. Dabei handelt es sich zum einen um ein Gerät zum Komprimieren von Luft und zum anderen um ein Gerät zu deren Erwärmung

Und drittens die Gasturbine selbst, die die innere Energie des komprimierten und erhitzten Gases in mechanische Arbeit umwandelt.

Luft zu komprimieren ist eine schwierige Aufgabe. Dies ist wesentlich schwieriger umzusetzen als die Einspeisung von flüssigem Kraftstoff in die Brennkammer. Um beispielsweise ein Kilogramm Kerosin pro Sekunde in eine Brennkammer mit einem Druck von 10 Atmosphären zu befördern, müssen etwa 2 PS aufgewendet werden, und um ein Kilogramm Luft pro Sekunde auf 10 Atmosphären zu komprimieren, sind etwa 400 PS erforderlich. Und in Gasturbinenanlagen kommen auf ein Kilogramm Kerosin etwa 60 Kilogramm Luft.

Dies bedeutet, dass für die Zufuhr von Luft in die Brennkammer mit einem Druck von 10 Atmosphären 12.000 Mal mehr Energie aufgewendet werden muss als für die Zufuhr von flüssigem Kraftstoff.

Zur Verdichtung der Luft werden spezielle Maschinen, sogenannte Gebläse oder Kompressoren, eingesetzt. Die für ihren Betrieb notwendige mechanische Energie erhalten sie von der Gasturbine selbst. Kompressor und Tour-

Kompressor läuft.

Kompressor.

Die Behälter sind auf einer Welle montiert und die Turbine überträgt im Betrieb einen Teil ihrer Leistung an den Luftkompressor.

Gasturbineneinheiten verwenden zwei Arten von Kompressoren: Zentrifugal- und Axialkompressoren.

Ein Radialkompressor (Abb. 6) nutzt, wie der Name schon sagt, die Zentrifugalkraft, um Luft zu komprimieren. Ein solcher Kompressor besteht aus einem Einlassrohr, durch das Außenluft in den Kompressor gelangt; eine Scheibe mit Arbeitsschaufeln, oft auch Laufrad genannt (Abb. 7); der sogenannte Diffusor, in den die aus dem Laufrad austretende Luft eintritt, und die Auslassrohre, die die verdichtete Luft an ihren Bestimmungsort, beispielsweise in die Brennkammer einer Gasturbineneinheit, abführen.

Die in einen Radialkompressor eintretende Luft wird von den Schaufeln eines schnell rotierenden Laufrads aufgenommen und unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft von der Mitte zum Umfang geschleudert. Es bewegt sich entlang der Kanäle zwischen den Schaufeln und dreht sich zusammen mit der Scheibe, wobei es durch Zentrifugalkräfte komprimiert wird. Je schneller sich das Laufrad dreht, desto größer ist die Luftverdichtung. Bei modernen Kompressoren erreicht die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads 500 Meter pro Sekunde. In diesem Fall beträgt der Luftdruck am Auslass des Laufrads etwa 2,5 Atmosphären. Außerdem Bluthochdruck, erhält die zwischen den Schaufeln strömende Luft eine hohe Geschwindigkeit, deren Wert nahe der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads liegt. Anschließend wird die Luft durch einen Diffusor geleitet – einen sich allmählich erweiternden Kanal. Bei der Bewegung durch einen solchen Kanal nimmt die Luftgeschwindigkeit ab und der Druck steigt. Am Austritt des Diffusors hat die Luft üblicherweise einen Druck von etwa 5 Atmosphären.

Radialkompressoren sind einfach aufgebaut. Sie haben ein geringes Gewicht und lassen sich relativ effektiv damit arbeiten verschiedene Zahlen Wellenumdrehungen und Luftdurchsätze. Diese Eigenschaften haben ihren breiten Einsatz in der Technologie sichergestellt. Radialkompressoren haben jedoch keinen ausreichend hohen Wirkungsgrad – nur 70–75 %. Daher werden in Gasturbinenanlagen, in denen viel Energie für die Luftkomprimierung aufgewendet wird, häufiger Axialkompressoren eingesetzt. Ihr Wirkungsgrad ist höher und erreicht 85-90 %. Allerdings ist ein Axialkompressor konstruktiv komplexer als ein Radialkompressor und hat ein höheres Gewicht.

Ein Axialkompressor besteht aus mehreren Laufrädern, die starr auf einer Welle montiert und in einem Kanal angeordnet sind, durch den Luft strömt. Jedes Laufrad ist eine Scheibe mit Schaufeln am Rand. Wenn sich das Laufrad schnell dreht, verdichten die Schaufeln die durch den Kanal strömende Luft und erhöhen ihre Geschwindigkeit.

Hinter jedem Laufrad befindet sich eine Reihe feststehender Schaufeln – eine Leitschaufel, die den Luftdruck weiter erhöht und dem Strahl die gewünschte Richtung gibt.

Das Laufrad mit einer Reihe feststehender Leitschaufeln wird als Verdichterstufe bezeichnet. Eine Stufe eines Axialkompressors erhöht den Luftdruck um etwa das 1,3-fache. Um einen höheren Druck zu erreichen, werden mehrstufige Axialkompressoren eingesetzt. Um hohe Drücke zu erzielen, werden Axialkompressoren mit

Reis. 8. Rotor eines fünfzehnstufigen Axialkompressors.

14, 16 und mehr Schritte. Bei mehrstufigen Axialverdichtern sind die Laufschaufeln teilweise nicht auf einzelnen Scheiben, sondern auf einer gemeinsamen Hohlwelle, der sogenannten Trommel, montiert. Der rotierende Teil des Kompressors (eine Trommel mit auf einer Welle montierten Schaufelreihen oder Laufrädern) wird Rotor genannt (Abb. 8), und die am Kompressorgehäuse montierten stationären Leitschaufeln werden Stator genannt.

Ein Axialkompressor hat seinen Namen, weil sich die Luft entlang ihrer Achse bewegt, im Gegensatz zu einem Radialkompressor, bei dem sich die Luft in radialer Richtung bewegt.

Die im Kompressor auf hohen Druck verdichtete Luft wird der Brennkammer zugeführt. Dabei wird flüssiger Kraftstoff über Sprühdüsen in den Luftstrom eingespritzt und wie bei Motoren gezündet Verbrennungs- mit einer elektrischen Kerze. Die elektrische Zündkerze funktioniert nur, wenn der Motor startet. Die weitere Verbrennung erfolgt kontinuierlich. Gleichzeitig fällt es auf große Menge Hitze. Bei der Verbrennung von einem Kilogramm Kerosin werden 10.500 Kalorien Wärme freigesetzt.

Je mehr Wärme bei der Kraftstoffverbrennung freigesetzt wird, desto höher ist die Temperatur der Gase am Ende der Brennkammer. Wenn 15 Kilogramm Luft 1 Kilogramm Kerosin zugeführt werden, erreicht die Gastemperatur etwa 2500 °C. Bei einer so hohen Gastemperatur wäre der Betrieb einer Gasturbinenanlage sehr effizient. Allerdings hält das Material der Düsenschaufeln und Turbinenschaufeln einer solchen Hitze nicht stand. Die besten modernen hitzebeständigen Legierungen, die in Fluggasturbinentriebwerken verwendet werden, ermöglichen den Betrieb bei Gastemperaturen von etwa 900 °C. In Turbinen, die in Kraftwerken betrieben werden, wo mehr als langfristig Je nach Service und Verwendung preisgünstigerer Legierungen ist die zulässige Gastemperatur sogar noch niedriger. Daher in den Brennkammern von Gasturbineneinheiten bei

1 Kilogramm Kerosin oder Öl wird 50-80 Kilogramm Luft zugeführt. Mit diesem Verhältnis stellt sich am Ende der Brennkammer die Temperatur der Gase ein, die durch die Festigkeit der Schaufeln ermöglicht wird.

Die Auslegung einer Brennkammer für Gasturbinenanlagen ist ein komplexes wissenschaftliches und technisches Problem. Die Brennkammer unterliegt einer Reihe strenger Anforderungen, deren Erfüllung die Leistung der gesamten Anlage bestimmt. Hier sind die wichtigsten dieser Anforderungen. Zunächst muss eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs sichergestellt werden. Wenn der Kraftstoff keine Zeit hat, in der Brennkammer vollständig zu verbrennen, wird ein Teil seiner Energie verschwendet. Der Wirkungsgrad der Gasturbineneinheit nimmt ab. Darüber hinaus beginnt der Kraftstoff, der in der Brennkammer keine Zeit zum Verbrennen hatte, zwischen den Turbinenschaufeln auszubrennen, was zum Durchbrennen und Bruch der Schaufeln, also zu einem Unfall, führt. Es darf auch nicht sein, dass das in die Turbine eintretende Gas, statt über den gesamten Querschnitt die gleiche Temperatur zu haben, beispielsweise an einer Stelle 600 °C und an einer anderen 1200 °C hat. Daher ist es notwendig, eine gute Vermischung der Gase vor dem Austritt aus der Kammer sicherzustellen, um die Möglichkeit auszuschließen, dass einzelne Gasfackeln mit erhöhten Temperaturen in die Turbine gelangen. Schließlich ist es notwendig, die Brennkammerwände gut zu kühlen, um sie vor einem Durchbrennen zu schützen.

Um all diese Probleme zu lösen, wird der Luftstrom in den Brennkammern von Gasturbinentriebwerken in zwei Teile geteilt (Abb. 9). Ein kleinerer Teil des Flusses wird dorthin geleitet Innenteil Kammern - in das sogenannte Flammrohr. Dort verbrennt der Kraftstoff bei hoher Temperatur (hohe Temperatur ermöglicht eine ausreichende Verbrennung).

vollständige Verbrennung). Der Rest der Luft nimmt nicht an der Verbrennung teil. Es umspült das Flammrohr von außen und kühlt es. Dann vermischt sich die kalte Luft mit heißen Gasen. Zur besseren Durchmischung erfolgt dies in den Rohrwänden große Nummer kleine Löcher, durch die Kühlluft in kleinen Portionen eingeleitet und mit heißen Gasen vermischt wird. Durch diese Kühlluftzufuhr ist die Gastemperatur in der Nähe der Wände niedriger als in der Mitte des Flammrohrs. Dies schützt es auch vor Verbrennungen.

Die Brennkammer einer Gasturbineneinheit befindet sich üblicherweise zwischen dem Verdichter und der Turbine. Bei dieser Anordnung verläuft der Gasstrom direkt vom Anlageneinlass zum Auslass. Im Zentrum der Anlage befindet sich jedoch eine Welle, die die Turbine mit dem Kompressor verbindet. Dieser Schaft sollte nicht zu heiß werden, da sonst seine Festigkeit nachlässt. Daher ist die Brennkammer ringförmig oder einteilig ausgeführt

Die gemeinsame Kammer wird durch 6–10 separate Kammern ersetzt, die kreisförmig um den Schacht angeordnet sind.

Sie haben die drei Hauptteile einer Gasturbinenanlage kennengelernt: den Luftverdichter, die Brennkammer und die Gasturbine. In Abb. Abbildung 10 zeigt ein Diagramm eines Gasturbinentriebwerks. So funktioniert das.

Ein Kompressor saugt Luft aus der Atmosphäre an und komprimiert sie. Druckluft gelangt in die Brennkammer, wo sich ihre Temperatur durch die Verbrennung des Kraftstoffs um mehrere hundert Grad erhöht. Der Gasdruck

Bleibt annähernd konstant. Daher werden Motoren dieser Art als Gasturbinentriebwerke mit konstantem Verbrennungsdruck bezeichnet. Von der Brennkammer gelangt Gas mit hohem Druck und hoher Temperatur und damit einem großen Energievorrat zur Turbine. Dort findet der Prozess der Umwandlung der Energie von komprimiertem und erhitztem Gas in nutzbare Arbeit statt.

Während des Expansionsprozesses, also wenn sein Druck abnimmt, verrichtet das Gas in der Turbine Arbeit. In den meisten Gasturbinenanlagen wird der Gasdruck auf Atmosphärendruck reduziert. Das bedeutet, dass in der Turbine ein Prozess abläuft, das Gegenteil davon, das in den Kompressor gelangt.

Wenn die Temperatur der Luft am Austritt des Verdichters und am Eintritt in die Turbine gleich wäre, dann würde die Luft bei der Expansion in der Turbine die gleiche Arbeit verrichten, die bei ihrer Verdichtung im Verdichter aufgewendet wurde – vorausgesetzt, dass Es gäbe keine Energieverluste durch Luftreibung und Turbulenzen. Unter Berücksichtigung dieser Verluste würde die Luft in der Turbine weniger Arbeit leisten, als zum Drehen des Kompressors erforderlich ist. Es ist klar, dass eine solche Installation keinen Nutzen bringen würde. Aber der Kompressor komprimiert kalte Luft und hocherhitztes Gas gelangt in die Turbine. Daher ist die Arbeit der Gasexpansion 1,5-2 mal größer als die, die für den Kompressor erforderlich ist. Wenn beispielsweise eine Gasturbine eine Leistung von 10.000 PS entwickelt, müssen etwa 6.000 PS aufgewendet werden, um den daran angeschlossenen Kompressor anzutreiben.

Stärke Die verbleibende freie Leistung von 4000 PS kann zum Drehen eines elektrischen Generators, eines Schiffspropellers, eines Flugzeugpropellers oder anderer Mechanismen verwendet werden.

Für den Betrieb eines Gasturbinentriebwerks sind eine Reihe von Hilfsaggregaten erforderlich: Kraftstoffpumpen, automatische Geräte, die den Betrieb regeln, ein Schmier- und Kühlsystem, ein Steuerungssystem usw.

Um ein Gasturbinentriebwerk zu starten, müssen Sie seinen Rotor (Abb. 11) auf mehrere hundert Umdrehungen pro Minute drehen. Zu diesem Zweck dient ein kleiner Hilfsmotor, der Starter genannt wird. Bei großen Gasturbinentriebwerken handelt es sich beim Anlasser häufig um kleine Gasturbinentriebwerke mit einer Leistung von etwa 100 PS, manchmal auch mehr. Diese Starter werden wiederum von kleinen Elektromotoren angetrieben, die von einer Batterie gespeist werden.

Die Idee, den Strom heißer Gase zur Erlangung mechanischer Arbeit zu nutzen, entstand vor sehr langer Zeit. Schon vor 450 Jahren beschrieb der große italienische Wissenschaftler Leonardo da Vinci ein Rad mit Flügeln, das in einem Schornstein über dem Herd installiert war. Unter dem Einfluss eines Gasstroms könnte sich ein solches Rad drehen und einen Spieß antreiben. Das Rad von Leonardo da Vinci kann als Prototyp einer Gasturbine angesehen werden.

Im Jahr 1791 meldete der Engländer John Barber ein Patent für eine Gasturbinenanlage an. Aus der dem Patent beigefügten Zeichnung könnte man sich vorstellen, dass die Anlage nach Angaben des Autors mit brennbarem Gas betrieben werden sollte, das durch Destillation fester oder flüssiger Brennstoffe gewonnen wurde. Mit einem primitiven Kompressor wurde Gas in den Tank gepumpt. Von dort gelangte es in die Brennkammer, wo es sich mit der vom zweiten Kompressor zugeführten Luft vermischte und entzündete. Verbrennungsprodukte flossen aus der Kammer auf das Turbinenrad. Aufgrund des damaligen technischen Entwicklungsstandes war die Realisierung einer Gasturbine jedoch nicht möglich. Die erste Gasturbine wurde erst Ende des 19. Jahrhunderts vom russischen Erfinder P. D. Kuzminsky entwickelt, der, wie bereits erwähnt, auch die erste Dampfturbine für Seeschiffe baute.

Das 1897 nach dem Entwurf von P. D. Kuzminsky gebaute Gasturbinentriebwerk bestand aus einem Luftkompressor, einer Brennkammer und einer Radialturbine (Abb. 12). Kuzminsky nutzte eine Wasserkühlung der Brennkammer. Das Wasser kühlte die Wände und gelangte dann in die Kammer. Die Wasserzufuhr senkte die Temperatur und erhöhte gleichzeitig die Masse der in die Turbine eintretenden Gase, was den Wirkungsgrad der Anlage hätte steigern sollen. Leider fand Kuzminskys Werk keine Unterstützung seitens der zaristischen Regierung.

7 Jahre später, im Jahr 1904, wurde im Ausland eine Gasturbine nach dem Entwurf des deutschen Ingenieurs Stolz gebaut, die jedoch keine praktische Anwendung fand, da sie viele Mängel aufwies.

Im Jahr 1906 bauten die französischen Ingenieure Armango und Lemal eine Gasturbine mit einer Leistung von 25 PS und dann eine weitere mit einer Leistung von 400 PS. Der Wirkungsgrad dieser Anlage betrug nur 3 %.

Tests der ersten Gasturbineneinheiten zeigten, dass zur Steigerung ihres Wirkungsgrades eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades von Kompressor und Turbine sowie eine Erhöhung erforderlich ist

Temperatur der Gase in der Brennkammer. Dies veranlasste viele Erfinder, nach anderen Gasturbinenkonstruktionen zu suchen. Es bestand der Wunsch, auf den Kompressor zu verzichten, um große Energieverluste beim Komprimieren von Luft zu vermeiden. Allerdings kann die Turbine nur dann arbeiten, wenn der Gasdruck in der Brennkammer höher ist als hinter der Turbine. Andernfalls strömt das Gas nicht aus der Kammer in die Turbine und treibt deren Laufrad nicht an. Bei einem kontinuierlichen Verbrennungsprozess in der Kammer ist der Einsatz eines Kompressors zur Druckluftversorgung unumgänglich. Wenn Sie den Verbrennungsprozess jedoch intermittierend gestalten, können Sie dies ablehnen

Von einem Kompressor oder verwenden Sie einen Kompressor, der eine geringe Luftkompression bietet und dementsprechend weniger Strom verbraucht. Einer solchen pulsierenden Kammer wird Luft zu einem Zeitpunkt zugeführt, an dem darin keine Verbrennung stattfindet und der Druck sehr niedrig ist. Nachdem Luft eingedrungen ist und Kraftstoff eingespritzt wurde, schließt sich der Kammereinlass und es entsteht ein Blitz. Da die Kammer geschlossen ist und sich die Gase nicht ausdehnen können, steigt der Druck darin stark an. Nachdem die Gase aus der Kammer in die Turbine geströmt sind, öffnet sich das Einlassventil und eine neue Luftmenge gelangt in die Kammer. Durch die Durchführung des Verbrennungsprozesses mit einem konstanten Gasvolumen, also in einer geschlossenen Kammer, ist es somit möglich, deren Druck ohne die Hilfe eines Kompressors zu erhöhen.

Im Jahr 1908 gründete der russische Ingenieur V.V.

Karovodin erstellte einen Prototyp einer solchen Gasturbine (Abb. 13). Die Kammer wurde während der Kraftstoffverbrennung mit einem speziellen Ventil verschlossen. Die Turbine verfügte über vier Brennkammern, aus denen das Gas durch vier lange Düsen zum Laufrad strömte. Während des Tests entwickelte das Modell eine Leistung von 1,6 PS; der Wirkungsgrad betrug nur 3 %. Für industrielle Anwendungen Auch diese Turbine war noch nicht geeignet.

Auch der deutsche Ingenieur Holtz-Wart arbeitete lange Zeit an der Entwicklung von Gasturbinen mit konstantem Verbrennungsvolumen. Nach seinen Projekten gab es im Zeitraum 1914-1920
Es wurden mehrere Turbinen mit einer Leistung von 500 bis 2000 PS gebaut. Allerdings war keiner von ihnen dafür geeignet Industriebetrieb. Erst in den 1930er Jahren gelang es dem Schweizer Unternehmen Brown-Boveri, mehrere praxistaugliche Verbrennungsturbinen mit konstantem Volumen zu entwickeln. Derzeit sind die Arbeiten an solchen Turbinen fast vollständig eingestellt.

Unsere Wissenschaftler gingen einen anderen Weg. Ingenieur

V. X. Abians schreibt in seinem Buch „The Theory of Aviation Gas Turbines“ über die Arbeiten sowjetischer Spezialisten:

„Einer der Hauptverdienste sowjetischer Wissenschaftler besteht darin, dass sie die Machbarkeit und Aussichten der Entwicklung von Turbinen mit konstantem Verbrennungsdruck nachgewiesen haben, während ausländische (insbesondere deutsche) Gasturbineningenieure auf dem Gebiet der Turbinen mit konstantem Verbrennungsvolumen arbeiteten.“ Alle nachfolgenden Entwicklungen von Gasturbinen, darunter auch für die Luftfahrt, bestätigten auf brillante Weise die Vorhersagen sowjetischer Wissenschaftler, denn der Hauptweg für die Entwicklung von Gasturbinen war die Schaffung von Turbinen mit konstantem Verbrennungsdruck.“

Die Arbeiten sowjetischer Wissenschaftler haben bewiesen, dass Gasturbineneinheiten mit konstantem Verbrennungsdruck und ausreichend hoher Gastemperatur einen hohen Wirkungsgrad haben können.

Im Jahr 1939 baute Professor V. M. Makovsky im Charkower Turbinengeneratorwerk eine Gasturbine mit konstantem Verbrennungsdruck. Seine Leistung betrug 400 Kilowatt. Die Wellen-, Scheiben- und Hohlturbinenschaufeln wurden mit Wasser gekühlt. Die Makovsky-Turbine sollte mit brennbarem Gas betrieben werden, das durch unterirdische Vergasung gewonnen wurde Kohle. Es wurde in einem der Bergwerke in Gorlovka installiert und erfolgreich getestet.

Unsere Fabriken produzieren derzeit verschiedene Arten hocheffizienter Gasturbinen.

Obwohl eine Gasturbineneinheit einfacher aufgebaut ist als ein Kolben-Verbrennungsmotor, erforderte ihre Herstellung einen enormen Forschungsaufwand. Aus diesem Grund war es erst in unserer Zeit möglich, auf der Grundlage moderner wissenschaftlicher und technischer Errungenschaften ein wirksames Gasturbinentriebwerk zu entwickeln.

Welche wissenschaftlichen Probleme mussten Wissenschaftler lösen, bevor sie die Entwicklung von Gasturbinenanlagen ermöglichten?

Bei der Entwicklung einer Gasturbine musste darauf geachtet werden, die Gasenergie möglichst vollständig zu nutzen und deren Verluste durch Reibung und Wirbelbildung extrem zu reduzieren. Die hohe Geschwindigkeit der Gasbewegung durch die Turbine ermöglicht es, mit einer kleinen Anlage eine größere Leistung zu erzielen. Gleichzeitig birgt eine solche Geschwindigkeit jedoch die Gefahr großer Energieverluste. Je größer die Bewegungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit oder eines Gases ist, desto mehr Verlust Energie für Reibung und Wirbelbildung.

Um eine Gasturbinenanlage mit hohem Wirkungsgrad zu bauen, war es notwendig, die vorteilhaftesten Abmessungen, Formen und relativen Positionen der Kompressor- und Turbinenteile zu wählen. Und dazu war es notwendig, die Bewegung von Gasen zu untersuchen und herauszufinden, wie sie sich auf die sie umgebenden Festkörper auswirken. Das Studium der Gasbewegung war für die Entwicklung vieler Technologiezweige erforderlich.

Die erste Aufgabe der Wissenschaftler auf diesem Gebiet bestand darin, die Bewegung von Gas bei relativ geringen Geschwindigkeiten zu untersuchen, wenn es praktisch nicht komprimiert ist. Da die Bewegung eines inkompressiblen Gases den gleichen Gesetzen unterliegt wie die Bewegung einer Flüssigkeit, wird dieser Wissenschaftszweig Hydrodynamik genannt („hydr“ – Wasser auf Griechisch).

Gleichzeitig entwickelte sich die Wissenschaft der molekularen Struktur von Gas und der Prozesse der Zustandsänderung unter dem Einfluss von Druck und Temperatur. Man nennt es Thermodynamik (vom lateinischen Wort „thermo“ – Wärme).

Bei der Entwicklung der Hydrodynamik wurde es notwendig, dies zu berücksichtigen Eigenschaften Gas und unterscheidet es von Flüssigkeit. Und so entstand auf der Grundlage der Hydrodynamik die Aerodynamik – die Wissenschaft von den Gesetzen der Luftströmung und der Luftströmung um Körper. Gleichzeitig veranlasste das Aufkommen von Dampfturbinen Wissenschaftler der Thermodynamik, sich mit Fragen wie dem Ausströmen von Gasen und Dämpfen aus Düsen zu befassen.

Im Verlauf ihrer Entwicklung erweitern Hydrodynamik und Thermodynamik das Spektrum der untersuchten Themen und dringen immer tiefer in das Wesentliche ein physikalische Phänomene, kamen aufeinander zu. So entstand ein weiterer neuer Wissenschaftszweig – die Gasdynamik, die die Gesetze der Gasbewegung bei hohen Geschwindigkeiten und thermische Prozesse in einem Gasstrom untersucht.

Diese Wissenschaft diente als theoretische Grundlage für die Entwicklung von Gasturbinentriebwerken. Die ersten grundlegenden Arbeiten zur Theorie der Gasturbinen wurden von dem herausragenden tschechischen Wissenschaftler Stodola, den sowjetischen Professoren V. M. Makovsky, V. V. Uvarov und einer Reihe anderer Wissenschaftler durchgeführt.

Die Entwicklung der theoretischen Grundlagen der Gasturbinentechnik und die in vielen Ländern der Welt begonnenen experimentellen Arbeiten auf diesem Gebiet zeigten, dass die wichtigste Aufgabe bei der Entwicklung derartiger Triebwerke die Verbesserung ihres Strömungswegs, also des Triebwerks, war Elemente, durch die Gas strömt: Lufteinlass, Kompressor, Kammerverbrennung, Turbinen und Düsen. Zunächst ging es um die Entwicklung der Theorie von Kompressoren und Turbinen, die oft mit dem gleichen Begriff „Schaufelmaschinen“ bezeichnet werden. Genau dieses grundlegende Problem machten sich sowjetische Wissenschaftler an die Lösung. Basierend auf den brillanten Arbeiten von Euler, Bernoulli, Schukowski und Tschaplygin entwickelten sowjetische Wissenschaftler die Theorie der Gasturbinentriebwerke.

Der Akademiker B. S. Stechkin leistete einen außerordentlich wertvollen Beitrag zur Theorie der Gasturbinentriebwerke. Seine Arbeiten schufen eine kohärente Theorie der Klingenmaschinen. Er entwickelte Methoden zur Berechnung von Axial- und Radialkompressoren. Er ist der Begründer der Theorie der in der modernen Luftfahrt am häufigsten vorkommenden Gasturbinen-Luftatmungsmotoren.

Eingehende theoretische Forschungen und fruchtbare experimentelle Arbeiten zu Kompressoren wurden von den Professoren K. A. Ushakov, V. N. Dmitrievsky, K. V. Kholshchevnikov, P. K. Kazandzhan und einer Reihe anderer Wissenschaftler durchgeführt. Ein wesentlicher Beitrag zur Theorie der Schaufelmaschinen war die bereits 1934 veröffentlichte Arbeit des ukrainischen Akademikers G. F. Proskur „Hydrodynamik einer Turbomaschine“.

Die Theorien von Gasturbinen und Gasturbinentriebwerken im Allgemeinen waren der Arbeit der Professoren G.S. Zhi gewidmet -

Ridkoy, A. V. Kvasnikov, P. I. Kirillov, Ya. I. Shnee, G. P. Zotikov und viele andere.

Wissenschaftler haben viel Arbeit geleistet, um die vorteilhafteste Form von Turbinenschaufeln zu schaffen. Der Betrieb von Turbinenblättern hat viel mit dem Betrieb eines Flugzeugflügels gemeinsam. Es gibt jedoch erhebliche Unterschiede zwischen ihnen. Der Flügel arbeitet isoliert und die Turbinenschaufel arbeitet in der Nähe anderer Schaufeln. Im letzteren Fall erhalten wir, wie man sagt, ein „Profilraster“. Der Einfluss benachbarter Schaufeln verändert das Muster der Gasströmung um das Schaufelprofil stark. Darüber hinaus wird der Flügel von einem Luftstrom angeblasen, der vor dem Auftreffen auf das Flugzeug über die gesamte Spannweite des Flügels die gleiche Geschwindigkeit aufweist. Und die Gasgeschwindigkeit relativ zur Turbinenschaufel ist entlang ihrer Länge nicht gleich. Sie hängt von der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln ab. Da die Klingen recht lang sind, ist die Umfangsgeschwindigkeit an der Klingenwurzel deutlich geringer als an ihrem Ende. Dies bedeutet, dass die Gasgeschwindigkeit relativ zur Schaufel an deren Wurzel eine andere ist als am Außenumfang des Laufrads. Daher muss das Profil der Klinge so sein, dass die Klinge über ihre gesamte Länge mit größtmöglicher Effizienz arbeitet. Das Problem der Herstellung solcher Klingen wurde durch die Arbeiten von Professor V. V. Uvarov und anderen Wissenschaftlern gelöst.

Das wichtigste Problem, von dessen Lösung die Entwicklung wirtschaftlicher Gasturbinentriebwerke abhing, war das Problem hitzebeständiger Materialien. Der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage steigt mit steigender Gastemperatur. Damit eine Turbine jedoch auch bei hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten kann, ist es notwendig, ihre Schaufeln und Scheiben aus Legierungen herzustellen, deren Festigkeit auch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt. Daher war die Entwicklung der Gasturbinentechnologie notwendig hohes Niveau Entwicklung der Metallurgie. Derzeit haben Metallurgen Legierungen entwickelt, die hohen Temperaturen standhalten. Aus solchen Legierungen hergestellte Turbinenschaufeln können ohne besondere Kühlung bei Temperaturen der in die Turbine eintretenden Gase von bis zu 900 °C betrieben werden.

Neben Legierungen gibt es auch andere hitzebeständige Materialien, beispielsweise Spezialkeramiken. Keramik ist jedoch recht zerbrechlich, was ihren Einsatz in Gasturbinen verhindert. Weitere Arbeiten zur Verbesserung hitzebeständiger Keramiken könnten jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung von Gasturbinen haben.

Gasturbinenentwickler entwickeln auch Schaufeln mit künstlicher Kühlung. Im Inneren der Schaufeln sind Kanäle angebracht, durch die Luft oder Flüssigkeit strömt. Die Turbinenscheibe wird üblicherweise mit Luft angeblasen.

Die Bin Gasturbineneinheiten unterscheiden sich erheblich von den Bedingungen in den Öfen von Dampfkesseln oder in den Zylindern von Kolbenmotoren. Ein Gasturbinentriebwerk ist in der Lage, bei geringer Größe enorme Arbeit zu leisten. Dafür ist es jedoch notwendig, eine große Menge Kraftstoff in einem kleinen Kammervolumen zu verbrennen. Dies kann nur mit einer sehr hohen Verbrennungsgeschwindigkeit erreicht werden. Kraftstoffpartikel bleiben weniger als eine Hundertstelsekunde in der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks. In so kurzer Zeit sollte eine gute Vermischung des Kraftstoffs mit Luft, seine Verdampfung und eine vollständige Verbrennung erfolgen.

Um das Problem erfolgreich zu lösen, ist es notwendig, die Physik der Verbrennung zu studieren. Daran arbeiten in unserer Zeit große Wissenschaftlerteams.

Wissenschaftler haben sich auch eingehend mit der Frage der Maximierung der Nutzung der bei der Brennstoffverbrennung in Gasturbineneinheiten erzeugten Wärme befasst. Gase verlassen das Turbinenrad mit hoher Temperatur und tragen daher große Mengen in die Atmosphäre. innere Energie. Es bestand ein natürlicher Wunsch, die Wärme der Abgase zu nutzen. Zu diesem Zweck wurde das folgende Installationsschema vorgeschlagen. Bevor die Gase aus dem Laufrad in die Atmosphäre gelangen, passieren sie einen Wärmetauscher, wo sie einen Teil ihrer Wärme an die aus dem Kompressor austretende Druckluft übertragen. Die im Wärmetauscher erhitzte Luft erhöht ihre Energie, ohne dabei Brennstoff zu verbrauchen. Vom Wärmetauscher aus wird die Luft in die Brennkammer geleitet, wo ihre Temperatur noch weiter ansteigt. Durch den Einbau solcher Wärmetauscher ist es möglich, den Brennstoffverbrauch für Heizgas deutlich zu senken und dadurch die Effizienz der Anlage zu steigern. Der Wärmetauscher ist ein Kanal, durch den heiße Gase strömen. Im Inneren des Kanals wird ein Bündel von Stahlrohren entlang des Gasstroms oder senkrecht dazu platziert. In diesen Rohren strömt Luft. Das Gas erwärmt die Rohrwände und die darin strömende Luft. Ein Teil der Wärme der Rauchgase wird an die Arbeitsluft zurückgegeben. Dieser Prozess wird als Wärmerückgewinnungsprozess bezeichnet. Und Wärmetauscher werden oft als Regeneratoren bezeichnet.

Gasturbinen mit Wärmerückgewinnung sind deutlich wirtschaftlicher als herkömmliche Turbinen. Leider sind Wärmetauscher sehr sperrig, was ihren Einsatz in manchen Transportanlagen erschwert.

Zu den wissenschaftlichen Problemen, die der Entwicklung der Gasturbinentechnologie zugrunde liegen, gehört auch die Festigkeit von Strukturen. Um langlebige Brennkammern zu bauen, müssen Sie Methoden zur Berechnung dünnwandiger Schalen kennen. Dies ist der Schwerpunkt eines der neuen Zweige der Festigkeitslehre von Werkstoffen. Eine schwierige Aufgabe besteht darin, die Festigkeit von Turbinenschaufeln sicherzustellen. Der Turbinenrotor macht eine sehr große Anzahl von Umdrehungen (5.000–10.000 Umdrehungen pro Minute und bei einigen Konstruktionen mehr), und auf die Schaufeln wirken große Zentrifugalkräfte (mehrere Tonnen pro Schaufel).

Wir haben hier nur über das Wichtigste gesprochen Wissenschaftliche Probleme, deren Lösung für die Entwicklung der Gasturbinentechnologie erforderlich war. Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten weiterhin an der Verbesserung von Gasturbinentriebwerken. Sie stehen immer noch vor vielen ungelösten Fragen, vielen interessanten und wichtigen Problemen.

Zum Beispiel exklusiv sehr wichtig arbeiten an der Entwicklung von Gasturbinen, die Kohle als Brennstoff verwenden. Es ist bekannt, dass mehr Kohle gefördert wird als Öl, und es ist billiger als dieses. Die Verbrennung von Kohle in der Brennkammer einer Gasturbine ist eine schwierige Aufgabe. Es muss zerkleinert und in Kohlenstaub umgewandelt werden. Die aus der Brennkammer austretenden Gase müssen von Asche gereinigt werden. Wenn das Gas Aschepartikel mit einer Größe von nur 0,03 bis 0,05 Millimetern enthält, beginnen die Turbinenschaufeln zu kollabieren und die Turbine fällt aus.

Die Herstellung von Gasreinigern ist eine komplexe Angelegenheit. Es ist jedoch möglich, ein solches Problem für ein Gasturbinentriebwerk zu lösen. Bei Verbrennungsmotoren finden Luftkompression, Verbrennung und Expansion des Gases an einem Ort statt – im Zylinder. Es stellte sich heraus, dass es unmöglich war, irgendeine Art von Reiniger in den Zylinder einzubauen. Daher führten Versuche, Kohle in den Zylindern von Verbrennungsmotoren zu verbrennen, bisher zu nichts. In einer Gasturbinenanlage finden Kompression, Verbrennung und Expansion statt verschiedene Orte. Luft wird in einem Kompressor komprimiert, in einer Kammer erhitzt und in einer Turbine entspannt. Der Luftreiniger kann zwischen der Kammer und der Turbine platziert werden. Es ist lediglich erforderlich, dass es den Druck der durchströmenden Gase nicht stark verringert und nicht zu groß ist.

Heutzutage wird an der Entwicklung nuklearer Gasturbinentriebwerke geforscht. In diesen Motoren wird die Luft nicht durch die Verbrennung von Brennstoff erwärmt, sondern durch die im Kernkessel erzeugte Wärme. Auf diesem Weg müssen Wissenschaftler viele Schwierigkeiten überwinden. Aber es besteht kein Zweifel daran, dass nuklearen Gasturbinentriebwerken eine große Zukunft bevorsteht.

Hin und wieder heißt es in den Nachrichten, dass beispielsweise bei diesem und jenem Landesbezirkskraftwerk der Bau eines 400-MW-GuD-Kraftwerks in vollem Gange ist und bei einem anderen BHKW-2 die Installation einer Gasturbineneinheit von so viele MW wurden in Betrieb genommen. Über solche Ereignisse wird geschrieben und berichtet, da die Einbeziehung solch leistungsstarker und effizienter Einheiten nicht nur ein „Häkchen“ in der Umsetzung ist Landesprogramm, sondern auch eine echte Steigerung der Effizienz von Kraftwerken, des regionalen Energiesystems und sogar des einheitlichen Energiesystems.

Aber ich möchte Sie nicht auf die Umsetzung staatlicher Programme oder Prognoseindikatoren aufmerksam machen, sondern auf PSU und GTU. Nicht nur der Durchschnittsbürger, sondern auch ein unerfahrener Energietechniker kann bei diesen beiden Begriffen verwechselt werden.

Beginnen wir mit dem, was einfacher ist.

GTU – Gasturbineneinheit – ist eine Gasturbine und ein elektrischer Generator, die in einem Gehäuse vereint sind. Es ist vorteilhaft, es in Wärmekraftwerken zu installieren. Dies ist effektiv und viele Umbauten von Wärmekraftwerken zielen auf die Installation solcher Turbinen ab.

Hier ist ein vereinfachter Betriebszyklus einer Wärmestation:

Das Gas (Brennstoff) gelangt in den Kessel, wo es verbrennt und Wärme an Wasser überträgt, das den Kessel als Dampf verlässt und die Dampfturbine antreibt. Und die Dampfturbine dreht den Generator. Wir beziehen Strom vom Generator und beziehen bei Bedarf Dampf für den industriellen Bedarf (Heizung, Heizung) von der Turbine.

Und in einer Gasturbinenanlage verbrennt Gas und dreht eine Gasturbine, die Strom erzeugt, und die Abgase verwandeln Wasser in einem Abhitzekessel in Dampf, d. h. Das Gas hat einen doppelten Nutzen: Zuerst verbrennt es und dreht die Turbine, dann erhitzt es das Wasser im Kessel.

Und wenn die Gasturbinenanlage selbst noch detaillierter dargestellt wird, sieht sie so aus:

Dieses Video zeigt anschaulich, welche Prozesse in einer Gasturbinenanlage ablaufen.

Aber es gibt noch mehr Vorteile, wenn der entstehende Dampf zum Laufen gebracht wird – leiten Sie ihn in eine Dampfturbine, damit ein anderer Generator funktioniert! Dann wird aus unserer Gasturbineneinheit eine STEAM-GAS UNIT (SGU).

Daher handelt es sich bei PSU um ein umfassenderes Konzept. Bei dieser Anlage handelt es sich um ein unabhängiges Kraftwerk, bei dem der Brennstoff einmal verbraucht und der Strom zweimal erzeugt wird: in einer Gasturbineneinheit und in einer Dampfturbine. Dieser Zyklus ist sehr effizient und hat einen Wirkungsgrad von ca. 57 %! Das ist ein sehr gutes Ergebnis, mit dem Sie den Kraftstoffverbrauch pro Kilowattstunde Strom deutlich reduzieren können!

Um die Effizienz von Kraftwerken zu steigern, werden in Weißrussland Gasturbineneinheiten als „Überbau“ zum bestehenden Wärmekraftwerksschema eingesetzt, und Gasturbineneinheiten mit kombiniertem Kreislauf werden in staatlichen Bezirkskraftwerken als unabhängige Kraftwerke gebaut. Beim Einsatz in Kraftwerken verbessern diese Gasturbinen nicht nur die „prognostizierten technischen und wirtschaftlichen Indikatoren“, sondern verbessern auch das Erzeugungsmanagement, da sie über eine hohe Manövrierfähigkeit verfügen: Geschwindigkeit des Starts und der Stromerzeugung.

So nützlich sind diese Gasturbinen!

GASTURBINENEINHEITEN (GTU)

GTU-Arbeitsprozess. Moderne Gasturbinenanlagen nutzen einen Kreislauf mit Verbrennung bei p = const (Abb. 6.5).

Eine Gasturbineneinheit umfasst üblicherweise eine Brennkammer, eine Gasturbine, einen Luftkompressor, Wärmetauscher für verschiedene Zwecke (Luftkühler, Ölkühler für das Schmiersystem, regenerative Wärmetauscher) und Hilfsgeräte (Ölpumpen, Wasserversorgungselemente usw.). .).

Das Arbeitsmedium der Gasturbine sind Brennstoffverbrennungsprodukte, bei denen es sich um Erdgas, gut gereinigte künstliche Gase (Hochofen, Koksofen, Generator) und speziellen Flüssigbrennstoff der Gasturbine (aufbereitetes Dieselmotorenöl und Solaröl) handelt.

In der Brennkammer wird das Arbeitsgemisch aufbereitet. Das Feuervolumen der Kammer (Abb. 20.9) ist in eine Verbrennungszone, in der die Brennstoffverbrennung bei einer Temperatur von etwa 2000 °C erfolgt, und eine Mischzone, in der Luft mit den Verbrennungsprodukten vermischt wird, um deren Temperatur auf 750 °C zu senken, unterteilt -1090 °C in stationären Turbinen und bis 1400 °C – in Flugzeugturbinen.

Das Funktionsprinzip von Gas- und Dampfturbinen ist das gleiche, die Gestaltung des Strömungswegs von Gasturbinen ist jedoch wesentlich einfacher. Sie arbeiten mit einem relativ geringen verfügbaren Wärmeverlust und verfügen daher über eine geringe Anzahl von Stufen.

Aufgrund der hohen Temperatur der Verbrennungsprodukte werden Turbinenströmungsteile (Düsen, Rotorblätter, Scheiben, Wellen) aus hochwertigen legierten Stählen hergestellt. Für einen zuverlässigen Betrieb sind die meisten Turbinen mit einer intensiven Kühlung der am stärksten belasteten Teile des Gehäuses und des Rotors ausgestattet.

Unter realen Bedingungen befinden sich alle Prozesse in Gasturbinenanlagen im Nichtgleichgewicht, was mit Arbeitsverlusten in der Turbine und im Kompressor sowie mit aerodynamischem Widerstand im Pfad der Gasturbinenanlage verbunden ist. In Abb. In Abb. 20.10 ist der eigentliche Kompressionsvorgang im Verdichter durch Linie 1-2 und der Expansionsvorgang in der Turbine durch Linie 3-4 dargestellt. Die Punkte 2a und 4a markieren den Zustand des Arbeitsmediums am Ende der adiabatischen Gleichgewichtskompression und -expansion, Punkt O - Parameter Umfeld. Aufgrund von Druckverlusten im Kompressorsaugweg (Leitung 01) beginnt der Kompressionsvorgang an Punkt 1.

Daher wird in einem realen Kreislauf viel Arbeit für die Komprimierung von Luft aufgewendet, und bei der Expansion von Gas in einer Turbine wird im Vergleich zu einem idealen Kreislauf weniger Arbeit geleistet. Die Kreislaufeffizienz ist geringer. Je größer der Druckanstieg π (d. h. je höher p 2), desto mehr Menge diese Verluste im Vergleich zur nützlichen Arbeit. Bei einem bestimmten Wert von π (je höher er ist, desto größer ist T 3 und der interne relative Wirkungsgrad von Turbine und Kompressor, d. h. desto geringer sind die Verluste in ihnen) kann die Arbeit der Turbine gleich der dafür aufgewendeten Arbeit werden Antreiben des Kompressors und nützliche Arbeit- null.

Daher wird der größte Wirkungsgrad eines realen Zyklus im Gegensatz zu einem idealen bei einem bestimmten (optimalen) Grad der Druckerhöhung erreicht, und jeder Wert von Tz hat seinen eigenen π opt (Abb. 20.11). Der Wirkungsgrad der einfachsten Gasturbinen überschreitet 14-18 % nicht, und um ihn zu steigern, werden Gasturbinen mit mehreren Stufen der Wärmezufuhr und Zwischenkühlung der Druckluft sowie mit regenerativer Erwärmung der Druckluft hergestellt durch Abgase nach der Turbine, wodurch der reale Zyklus näher an den Carnot-Zyklus herangeführt wird.

GTU mit Wärmerückgewinnung aus Rauchgasen. Die Wärme der die Gasturbineneinheit verlassenden Gase kann in herkömmlichen Wärmetauschern zur Erzeugung von Dampf und Heißwasser genutzt werden. So sind die GT-25-700 LMZ-Anlagen mit Heizgeräten ausgestattet, die das Wasser im Heizsystem auf 150–160 °C erhitzen.

Gleichzeitig ermöglicht der relativ hohe Luftüberschusskoeffizient in der Gasturbineneinheit die Verbrennung einer ausreichend großen Menge zusätzlichen Brennstoffs in der Umgebung der Verbrennungsprodukte. Dadurch treten aus der zusätzlichen Brennkammer nach der Gasturbine Gase mit ausreichend hoher Temperatur aus, die zur Erzeugung von Dampf mit Energieparametern in einem speziell dafür installierten Dampferzeuger geeignet sind. Im Karmanovskaya State District Power Plant wird nach diesem Schema ein Kessel für einen Block mit einer elektrischen Leistung von 500 MW gebaut.

Anwendung von Gasturbineneinheiten. In den letzten Jahren wurden Gasturbineneinheiten in verschiedenen Bereichen weit verbreitet eingesetzt: im Transportwesen, im Energiesektor, zum Antrieb stationärer Anlagen usw.

Antrieb von Gasturbineneinheiten. Eine Gasturbine ist kleiner und leichter als eine Dampfturbine und erwärmt sich daher beim Start viel schneller auf Betriebstemperatur. Im Gegensatz zu einem Dampfkessel, der ein langsames, langfristiges Aufwärmen (viele Stunden oder sogar Dutzende Stunden) erfordert, um einen Unfall aufgrund ungleichmäßiger Wärmeausdehnung zu vermeiden, wird die Brennkammer fast sofort in Betrieb genommen, insbesondere bei einer massiven Trommel mit a Durchmesser bis 1,5 m, Länge bis 15 m, Wandstärke über 100 mm.

Daher werden Gasturbineneinheiten vor allem zur Spitzenlastabdeckung und als Notreserve für den Eigenbedarf großer Energieanlagen eingesetzt, wenn die Anlage sehr schnell in Betrieb genommen werden muss. Der geringere Wirkungsgrad der Gasturbineneinheit im Vergleich zur PSU spielt in diesem Fall keine Rolle, da die Anlagen nur für kurze Zeiträume betrieben werden. Solche Gasturbinenanlagen zeichnen sich durch häufige Starts (bis zu 1000 pro Jahr) bei relativ geringer Betriebsstundenzahl (von 100 bis 1500 Stunden/Jahr) aus. Der Leistungsbereich solcher Gasturbinen liegt zwischen 1 und 100 MW.

Gasturbinen werden auch zum Antrieb eines elektrischen Generators und zur Stromerzeugung in mobilen Anlagen (z. B. auf Seeschiffen) eingesetzt. Solche Gasturbinen arbeiten üblicherweise im Lastbereich von 30–110 % der Nennlast mit häufigen Starts und Stopps. Die Leistung solcher Gasturbinen liegt zwischen mehreren zehn Kilowatt und 10 MW. Die rasante Entwicklung von Kernkraftwerken mit beispielsweise heliumgekühlten Reaktoren eröffnet die Möglichkeit des Einsatzes von Einkreis-Gasturbinenanlagen, die in einem geschlossenen Kreislauf arbeiten (das Arbeitsmedium verlässt die Anlage nicht).

Eine spezielle Gruppe von Leistungsgasturbinen besteht aus Anlagen, die in technologischen Systemen von Chemie-, Ölraffinerie-, Metallurgie- und anderen Anlagen (Energietechnik) betrieben werden. Sie arbeiten im Grundlastmodus und sind meist für den Antrieb eines Kompressors ausgelegt, der den technologischen Prozess mit Druckluft oder Gas versorgt und dabei die Expansionsenergie der beim technologischen Prozess selbst erzeugten Gase nutzt.

Antriebsgasturbinen werden häufig zum Antrieb von Zentrifugal-Erdgaskompressoren an Kompressorstationen von Hauptpipelines sowie von Pumpen zum Transport von Öl und Erdölprodukten und Gebläsen in GuD-Anlagen eingesetzt. Die Nutzleistung solcher Gasturbinen liegt zwischen 2 und 30 MW.

Transportgasturbinen werden häufig als Haupt- und Nachbrennermotoren für Flugzeuge (Turbojet und Turboprop) und Marineschiffe eingesetzt. Dies liegt an der Möglichkeit, Rekordzahlen für die spezifische Leistung zu erhalten Gesamtabmessungen im Vergleich zu anderen Motortypen, trotz etwas höherer Kraftstoffkosten. Gasturbinen sind als Lokomotivmotoren sehr vielversprechend, da ihre geringen Abmessungen und der geringe Wasserbedarf besonders wertvoll sind. Transportgasturbinen arbeiten in einem breiten Lastbereich und eignen sich für kurzfristige Boosts.

Die Blockleistung einer Gasturbineneinheit übersteigt noch nicht 100 MW und der Anlagenwirkungsgrad beträgt 27-37 %. Mit einer Erhöhung der anfänglichen Gastemperatur auf 1200 °C wird die Leistung der Gasturbineneinheit auf 200 MW erhöht und der Wirkungsgrad der Anlage auf 38–40 % erhöht.

IN letzten Jahren(ungefähr ab den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts) wurden Gasturbinen in Wärmekraftwerken häufig zum Antrieb elektrischer Generatoren eingesetzt.

Gasturbineneinheiten (GTU) können mit Brennstoffverbrennung bei konstantem Druck (Abb. 6.1) und konstantem Volumen (Abb. 6.2) arbeiten. Ihre entsprechenden idealen Kreisläufe sind in Kreisläufe unterteilt, bei denen dem Prozess Wärme bei konstantem Druck und konstantem Volumen zugeführt wird.

Reis. 6.1. Schema einer Gasturbineneinheit mit Kraftstoffverbrennung bei konstantem Druck: 1 - Turbolader; 2 - Gasturbine; 3 - Benzinpumpe; 4 - die Brennkammer; 5 - Kraftstoffinjektor;

6 - aktive Zone der Brennkammer

Abb.6.2. Schema einer Gasturbineneinheit mit Brennstoffverbrennung bei konstantem Volumen: 5 B, 7 - Kraftstoff-, Luft- und Gasventile; 8 - Zündgerät; 9 - Empfänger; andere Bezeichnungen sind die gleichen wie in Abb. 6.1

In der Praxis werden Gasturbineneinheiten mit einem offenen (offenen) Kreislauf mit Brennstoffverbrennung (mit dem Arbeitsmedium zugeführter Wärme) bei konstantem Druck und anschließender Expansion des Verbrennungsproduktgemisches mit Luft im Strömungsteil der Turbine verwendet (Brayton-Zyklus). ) haben sich weit verbreitet (siehe Abb. 6.6).

In einer Gasturbinenanlage mit Brennstoffverbrennung bei konstantem Druck erfolgt der Verbrennungsprozess kontinuierlich (siehe Abschnitt 6.2), und in einer Gasturbinenanlage mit Brennstoffverbrennung bei konstantem Volumen erfolgt der Verbrennungsprozess periodisch (pulsierend). Komprimiert durch einen Kompressor 1 Luft (siehe Abb. 6.2) wird dem Empfänger zugeführt 9 (Großraumgefäß zum Druckausgleich), von dort durch das Luftventil 6 gelangt in die Brennkammer 4. Hier ist die Kraftstoffpumpe 3 durch das Kraftstoffventil 5 Kraftstoff wird zugeführt. Der Verbrennungsprozess erfolgt bei geschlossenen Brennstoff-, Luft- und Gasventilen 5, 6, 7. Die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt durch das Gerät 8 (elektrischer Funke). Nach der Kraftstoffverbrennung durch erhöhten Druck in der Kammer 4 Gasventil 7 öffnet sich. Verbrennungsprodukte, die durch die Düsenvorrichtungen (in Abb. 6.2 nicht dargestellt) gelangen, gelangen in die Arbeitsschaufeln und drehen den Gasturbinenrotor 2.

Das Arbeitsmedium einer Gasturbine besteht hauptsächlich aus den gasförmigen Verbrennungsprodukten von organischem Brennstoff gemischt mit Luft. Als Brennstoff werden Erdgas, gut gereinigte künstliche Gase und spezieller Gasturbinen-Flüssigbrennstoff (behandelter Dieselmotor und Dieselöl) verwendet.

Eine Besonderheit des Betriebs der Gasturbine besteht darin, dass nur ein Teil (20-40 %) der vom Kompressor zugeführten Luft in die aktive Zone der Brennkammer eingeleitet wird und bei einer Temperatur von etwa 1500 am Prozess der Kraftstoffverbrennung teilnimmt -1600 °C. Der Rest der Luft (60–80 %) soll die Temperatur der Gase vor der Turbine auf 1000–1300 °C (für eine stationäre Gasturbine) entsprechend den Bedingungen der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Betriebs senken sein Schaufelapparat, der mit einem erhöhten Luftüberschuss in den Gasen vor der Turbine und für GTU verbunden ist. und g nimmt mit steigender Anfangstemperatur des Arbeitsmediums vor der Gasturbine ab und beträgt in verschiedenen Anlagen 2,5–5. Der Wirkungsgrad einer Gasturbineneinheit ist im Dampfkreislauf deutlich geringer als der Wirkungsgrad einer Dampfturbineneinheit, was auf das Vorhandensein eines Luftkompressors zurückzuführen ist, dessen Stromverbrauch 40-50 % der Gasturbinenleistung beträgt.

Eine Gasturbine ist kleiner und leichter als eine Dampfturbine und erwärmt sich daher beim Start viel schneller auf Betriebstemperatur, im Gegensatz zu einer Dampfturbineneinheit mit Dampfkessel, die dafür eine langsame Erwärmung (mehrere Stunden) erfordert um einen Unfall aufgrund ungleichmäßiger Wärmeausdehnung, insbesondere einer massiven Trommel, zu vermeiden.

Aufgrund ihrer großen Manövrierfähigkeit (schnelles Anfahren und Laden) werden Gasturbinenaggregate im Energiesektor vor allem zur Spitzenlastabdeckung und als Notreserve für den Eigenbedarf großer Energieanlagen eingesetzt. Der geringere Wirkungsgrad einer Gasturbine im Vergleich zu einem Dampfkraftwerk (SPU) spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Solche Gasturbinen zeichnen sich durch häufige Starts (bis zu 1000 pro Jahr) bei relativ geringer Betriebsstundenzahl (100-1500 Stunden/Jahr) aus.

Bei einer Vielzahl von Gasturbinen handelt es sich um Anlagen, die von einem elektrischen Generator aus einem Verbrennungsmotor angetrieben werden (Dieselkraftwerke), wobei wie bei Gasturbinen Erdgas oder hochwertiger Flüssigbrennstoff als Brennstoff verwendet wird. Allerdings sind Dieselkraftwerke, die in den Ländern des Nahen Ostens weit verbreitet sind, Gasturbinenkraftwerken in ihrer Einheitsleistung unterlegen, obwohl sie einen höheren Wirkungsgrad haben.

Wirkungsgrad der einfachsten Leistungsgasturbinen (Abb. 6.3) in den 50-60er Jahren. 20. Jahrhundert betrug 14-18 %. Um die Effizienz von Gasturbinenanlagen zu steigern, werden sie derzeit mit mehreren Stufen der Wärmeversorgung und Zwischenkühlung der komprimierten Luft sowie mit regenerativer Erwärmung der im Kompressor komprimierten Luft durch in der Turbine ausgestoßene Gase hergestellt. Dadurch nähert sich der reale Zyklus dem Carnot-Zyklus an und der Wirkungsgrad der Gasturbinenanlage beträgt bis zu 27–37 %.

Der Wirkungsgrad von Gasturbineneinheiten wird durch die Anfangstemperatur des Arbeitsmediums (1100–1300 °C und höher bei Gasturbineneinheiten der 5. Generation) und die Leistung der Einheit aufgrund steigender Energiekosten für den Eigenbedarf, einschließlich des Kompressorantriebs, begrenzt. Die erste Einschränkung lässt sich derzeit nur schwer beseitigen. Die zweite Einschränkung kann beseitigt werden, wenn der Turbine anstelle eines niedrigenthalpischen Arbeitsmittels (eine Mischung von Verbrennungsprodukten mit Luft) ein hochenthalpisches Arbeitsmittel bei gleicher Anfangstemperatur zugeführt wird. Häufiger wird den Verbrennungsprodukten Wasserdampf zugesetzt. Als Gasturbinen werden Gasturbinen bezeichnet, die mit Arbeitsflüssigkeiten arbeiten, die aus Gemischen von Wasserdampf und Gasen bestehen oder Gase und Dampf getrennt im Wärmekreislauf verwenden Gas-Kombikraftwerke (PGU) und ihre Zyklen - Dampf-Gas. Die ersten Netzteile werden aufgerufen Geld, und der zweite - binär .

Bei der Entwicklung von Anlagen mit getrennten Arbeitsflüssigkeiten wurden mehrere thermische Schemata getestet. Am effektivsten erwies sich ein Schema, bei dem der Dampfkreislauf gegenüber dem Gaskreislauf vollständig recycelt wird. Solche Installationen werden aufgerufen Recycling PGU oder PGU-U. In einer Recycling-GuD-Anlage arbeitet der Dampfteil der Anlage ohne zusätzlichen Brennstoffverbrauch. Aufgrund der hohen Anfangstemperatur des Kreislaufs (über 1000–1300 °C) kann ein solches GuD einen Wirkungsgrad von über 60 % erreichen, was deutlich über dem einer herkömmlichen Dampfturbinenanlage und einer separaten Gasturbineneinheit liegt . Der wichtigste Faktor Die Steigerung der Effizienz einer GuD-Anlage ist die Verwendung von Kraftstoffverbrennungsprodukten als Arbeitsmedium in der Region hohe Temperaturen(in einer Gasturbine) und Wasserdampf im Tieftemperaturbereich (in einer Dampfturbine).

Offene Gasturbineneinheiten sind Dampfturbineneinheiten hinsichtlich der Blockleistung unterlegen, haben einen geringeren Wirkungsgrad, sind weniger langlebig im Betrieb und stellen höhere Anforderungen an die Brennstoffqualität. Die Weiterentwicklung von Gasturbinenanlagen zielt auf die Steigerung der Leistung, Effizienz, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit ihrer Einheiten ab, was vor allem durch Fortschritte auf dem Gebiet der Herstellung hitzebeständiger Materialien und der Entwicklung bestimmt wird effektive Wege Kühlung des Strömungswegs von Gasturbinen.

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