Енергетичні ГТУ. Принцип роботи ГТУ

Нині у Росії діє кілька тисяч ТЕЦ і ДРЕС, і навіть понад 66 тисяч котелень, які дають майже 80% вироблюваного тепла. У цьому плані Росія є безумовним світовим лідером за обсягами централізованого теплопостачання. Зауважимо, що щодо централізації Росія є світовим лідером не тільки в галузі енергетики.
Проте експертами наголошуються на неефективності використання газу на застарілих агрегатах, а також низький рівень ККД традиційних паросилових турбін, який не перевищує 38%. У централізованих мережах тепло виробляється здебільшогона обладнанні минулих поколінь, надлишок тепла «гріє» повітря.
Використання локальних систем виробництва електричної та теплової енергії з використанням газотурбінних енергетичних установок (ГТУ), що працюють на природному газі або пропані є одним з можливих рішеньданої задачі.
У зв'язку з цим намітилася тенденція на будівництво децентралізованих комбінованих джерел електро та теплопостачання (так званий режим когенерації), що встановлюються як в існуючих опалювальних котельнях, так і на джерелах тепла, що знову будуються. Найбільш актуальним є перехід на нові невеликі об'єкти із застосуванням сучасних газових турбін, що забезпечують когенерацію.

У розвинених країнах збільшується частка установок малої енергетики з когенераційним циклом, що дозволяє оптимізувати вироблення тепла та електроенергії соціальної та промислової інфраструктури, а також забезпечити ефективне енергозбереження. Наприклад, у США та Великій Британії частка когенерації в малій енергетиці досягає 80%, у Нідерландах – 70%, у Німеччині – 50%. За кордоном цей процес активно підтримується державою і через законодавче регулювання та за допомогою бюджетного фінансування.
Основою економічної ефективності газотурбінних когенеративних енергетичних установок є їхня висока електрична та теплова економічність, що досягається за рахунок базового режиму їх роботи на тепловому споживанні (опалення, гаряче водопостачання, відпустка тепла для виробничих потреб).
Газотурбінні установки отримали в даний час визнання в енергетиці як повністю освоєне надійне обладнання.
Експлуатаційні показники ГТУ на електростанціях знаходяться на тому ж рівні, що й традиційне енергетичне обладнання. Їх характерна готовність до роботи протягом 90% календарного часу, 2 – 3 річний ремонтний цикл, безвідмовність пусків 95 – 97%.
Мала питома вага, компактність, простота транспортування та легкість монтажу є одними з основних переваг газотурбінних установок, найбільш привабливими з точки зору їх використання.
До переваг ГТУ також належать короткі термінибудівництва, підвищення надійності тепло та електропостачання споживачів, мінімальні обсяги шкідливих викидів у навколишнє середовище, зниження інерційності теплового регулювання та втрат у теплових мережах, щодо мереж підключених до великих РТС та ТЕЦ.

Опис газотурбінної технології .
Основою ГТУ є газогенератор, що є джерелом стиснутих гарячих продуктів згоряння для приводу силової турбіни.
Газогенератор складається з компресора, камери згоряння та турбіни приводу компресора. У компресорі стискається атмосферне повітря, який надходить у камеру згоряння, де в нього через форсунки подається паливо (зазвичай газ), потім відбувається згоряння палива в потоці повітря. Продукти згоряння подаються на турбіну компресора і силову турбіну (при одновальному варіанті компресор і силова турбіна об'єднані). . Різниця між цими величинами є корисною потужністю ГТУ.

На валу турбіни розташований турбогенератор (електричний генератор).
Відпрацьовані в газотурбінному приводі гази через вихлопний пристрій та шумоглушник йдуть у димову трубу. Можлива утилізація тепла вихлопних газів, коли відпрацьовані гази надходять у котел-утилізатор, у якому відбувається вироблення теплової енергії у вигляді пари та/або гарячої води. Пар або гаряча вода від утилізатора котла можуть передаватися безпосередньо до теплового споживача.
Електричний ККД сучасних газотурбінних установок складає 33-39%. Однак з урахуванням високої температури вихлопних газів у потужних газотурбінних установках є можливість комбінованого використання газових та парових турбін. Такий інженерний підхід дозволяє суттєво підвищити ефективність використання палива та збільшує електричний ККД установок до 57–59%.

Достоїнствами газотурбінних установок є мала питома вага, компактність, простота транспортування та легкість монтажу. Допускається монтаж ГТУ на технічному поверсі будівлі чи дахове розташування малопотужних газотурбінних установок. Це корисна властивістьГТУ є важливим фактором у міській забудові.
При експлуатації газотурбінних установок вміст шкідливих викидів NOх і CO у вихлопних газах у них мінімальний. Такі відмінні екологічні якості дозволяють без проблем розміщувати газотурбінні установки безпосередньо біля проживання людей.

До того ж ГТУ невеликої потужності зазвичай поставляються у вигляді одного або кількох блоків повної заводської готовності, що вимагають невеликого обсягу монтажних робіт, а їх порівняно невеликі розміри дозволяють встановлювати їх в умовах обмеженого. генерального плану. Звідси й відносна дешевизна будівельних та монтажних робіт.
Газотурбінні установки мають незначні вібрації та шуми в межах 65-75 дБ (що відповідає за шкалою рівня шуму звуку пилососа на відстані 1 метр). Як правило, спеціальна звукова ізоляція для такого високотехнологічного генераційного обладнання не потрібна.
Сучасні газотурбінні установки вирізняються високою надійністю. Є дані про безперервну роботу деяких агрегатів протягом кількох років. Багато постачальників газових турбін виробляють капітальний ремонтобладнання на місці, здійснюючи заміну окремих вузлів без транспортування на завод - виробник, що суттєво знижує витрати на обслуговування агрегату.
Більшість газотурбінних установок мають можливість перевантаження, тобто. збільшення потужності вище номінальної. Досягається це шляхом підвищення температури робочого тіла.
Однак виробники накладають жорсткі обмеження на тривалість таких режимів, допускаючи роботу з перевищенням початкової температури не більше кількох сотень годин. Порушення цих обмежень помітно знижує ресурс установки.

Ложка дьогтю.
Проте при впровадженні енергетичних газотурбінних установок є й складнощі. Це, перш за все, необхідність попереднього стиснення газового палива, що помітно збільшує виробництво енергії особливо для малих ГТУ і в ряді випадків є суттєвою перешкодою на шляху їхнього впровадження в енергетику. Для сучасних ГТУ з високими ступенямистиснення повітря, необхідне тиск паливного газу може перевищувати 25-30 кг/см 2 .
Іншим істотним недолікомГТУ є різке падіння ККД при зниженні навантаження.
Термін служби ГТУ значно менше, ніж в інших енергетичних установок і зазвичай знаходиться в інтервалі 45-125 тис. годин.

Історично склалося так, що піонерами в освоєнні газотурбінної технології були творці двигунів для кораблів та літаків. Тому зараз вони накопичили найбільший досвід у цій галузі і є найбільш кваліфікованими фахівцями.
У Росії, провідні позиції у виготовленні газотурбінних енергетичних установок займають фірми, що розробляють та виготовляють авіаційні газотурбінні двигуни та газотурбінні установки, створені спеціально для енергетичного використання:
- АТ «Люлька-Сатурн»(м. Москва),
- ВАТ «Рибінські Мотори»(м. Рибінськ),
обидва входять у НВО «Сатурн»,
- НВП ім. В.Я. Клімова(м. Санкт-Петербург),
- ФГУП ММВП "Салют"(м. Москва),
та інші

У 2004-2006 рр. у Москві за участю ВАТ «Сатурн – Газові турбіни»було здійснено будівництво та експлуатація експериментальних газотурбінних установок (ГТУ) на РТС «Кур'янове» та РТС «Пенягіно». Основне завдання використання газотурбінних установок – забезпечення незалежного постачання електроенергією та теплом об'єктів житлово-комунального господарства. В обох РТС було встановлено по два газотурбінні агрегати ГТА-6РМодиничною потужністю 6 МВт. ГТА-6РМ одна із основних видів наземної продукції НВО «Сатурн».
Газотурбінні агрегати ГТА-6РМ збираються на базі серійних, порівняно дешевих, авіаційних двигунів Д-30КУ/КП, що зарекомендували себе як найнадійніший двигун Росії, який експлуатується на масових літаках ІЛ-62М, ТУ-154М та ІЛ-76. Загальне напрацювання цих двигунів перевищило 36 млн. годин.
Агрегати випускаються в блочно-модульному і цеховому (станційному) виконанні і можуть експлуатуватися при одиночній роботі або в комплексі з турбогенераторами різних серій, що мають ідентичні експлуатаційні характеристики, водогрійними або паровими котлами-утилізаторами.
У 2005 році ГТА-6РМ увійшов до числа 100 кращих товарівРосії, йому було офіційно надано статус «Гордість Вітчизни».

Експеримент показав, що використання ГТУ у системі РТС дозволяють підвищити надійність у забезпеченні теплом міського господарства та житлового сектору столиці за рахунок дублювання та резервування існуючих систем життєзабезпечення, а також підвищити енергозахищеність міського господарства.

І треба сказати, уряд Москви всерйоз зробив ставку на масовому використанні ГТУ в енергетичному комплексі столиці.
Ось витяг з постанови від 29 грудня 2009 р. N 1508-ПП "Про Схему теплопостачання міста Москви на період до 2020 року."
Пріоритетним напрямомрозвитку теплопостачання міста Москви на період до 2020 року є реалізація технології комбінованого вироблення тепла та електроенергії з додатковим залученням теплофікаційного ресурсу та покриття теплових та електричних навантажень споживачів міста новими. газотурбінними електростанціями.
....................................
Подальший розвиток системи теплопостачання має ґрунтуватися на:
.............................................
- встановлення на електростанціях автономних джерел генерації ( газотурбінних установок) для пуску електростанції при втраті зв'язку з енергосистемою та автономного електропостачання пікових водогрійних котлів в аварійних режимах.

Поки ми говорили тільки про саму газову турбіну, не

* * Запитуючи, звідки береться газ, що приводить її в дію.

У парову турбіну робоча пара надходить із парового котла. Які ж пристрої потрібні для того, щоб живити робочим газом газову турбіну?

Для роботи газової турбіни потрібний газ, що має великий запас енергії. Енергія газу - його здатність здійснювати за певних умов механічну роботу - залежить від тиску та температури. Чим сильніше стиснутий газ і чим вища його температура, тим більшу механічну роботу здатний він зробити при своєму розширенні. Значить, для роботи турбін потрібен стислий та нагрітий газ. Звідси зрозуміло, які пристрої повинні входити до газотурбінної установки (або газотурбінного двигуна). Це, по-перше, пристрій для стиснення повітря, по-друге, пристрій для його підігріву

І, по-третє, сама газова турбіна, що перетворює внутрішню енергію стиснутого та нагрітого газу на механічну роботу.

Стиснення повітря – складне завдання. Здійснити її значно важче, ніж подати в камеру згоряння рідке пальне. Наприклад, щоб подавати в камеру згоряння з тиском 10 атмосфер один кілограм гасу в секунду, необхідно витрачати близько 2 кінських сил, а для стиснення до 10 атмосфер одного кілограма повітря в секунду необхідно приблизно 400 кінських сил. А в газотурбінних установках на один кілограм гасу припадає приблизно 60 кілограм повітря.

Отже, на подачу повітря в камеру згоряння з тиском 10 атмосфер треба витрачати у 12 тисяч разів більшу потужність, ніж на подачу рідкого палива.

Для стиснення повітря застосовуються спеціальні машини, які називаються нагнітачами або компресорами. Вони отримують необхідну для їхньої роботи механічну енергію від самої газової турбіни. Компресор та тур-

Бігового компресора.

Компресор.

Біна кріпляться на одному валу, і турбіна під час роботи віддає частину своєї потужності повітряному компресору.

У газотурбінних установках використовуються компресори двох типів: відцентрові та осьові.

У відцентровому компресорі (рис. 6), як свідчить його назва, для стиснення повітря використовується дія відцентрової сили. Такий компресор складається з вхідного патрубка, яким зовнішнє повітря входить у компресор; диска з робочими лопатками, що називається часто крильчаткою (рис. 7); так званого дифузора, в який надходить повітря, що виходить з крильчатки, і вихідних патрубків, що відводять стиснене повітря до місця призначення, наприклад до камери згоряння газотурбінної установки.

Повітря, що входить у відцентровий компресор, підхоплюється лопатками крильчатки, що швидко обертається і під дією відцентрової сили відкидається від центру до кола. Рухаючись каналами між лопатками і обертаючись разом із диском, він стискується відцентровими силами. Чим швидше обертання крильчатки, тим більше стиснення повітря. У сучасних компресорах окружна швидкість крильчатки сягає 500 метрів за секунду. При цьому тиск повітря на виході із крильчатки становить приблизно 2,5 атмосфери. Крім підвищеного тиску, повітря, проходячи між лопатками, набуває великої швидкості, близької за величиною до окружної швидкості крильчатки. Потім повітря пропускають через дифузор - канал, що поступово розширюється. При русі таким каналом швидкість повітря зменшується, а тиск зростає. На виході з дифузора повітря зазвичай має тиск 5 атмосфер.

Відцентрові компресори прості за конструкцією. Вони мають малу вагу, можуть порівняно ефективно працювати при різних числахоборотів валу та витратах повітря. Ці якості забезпечили їм широке застосування у техніці. Однак у відцентрових компресорів недостатньо високий коефіцієнт корисної дії – лише 70-75%. Тому в газотурбінних установках, де на стискування повітря витрачається дуже багато енергії, частіше застосовуються компресори осьового типу. Їхній коефіцієнт корисної дії вищий, він досягає 85-90 %. Але за своїм пристроєм осьовий компресор складніший відцентрового і має більшу вагу.

Осьовий компресор складається з кількох робочих коліс, жорстко укріплених на валу і поміщених у канал, яким рухається повітря. Кожне робоче колесо є диском з лопатками на обід. При швидкому обертанні робочого колеса лопатки стискають повітря, що проходить по каналу, і збільшують його швидкість.

За кожним робочим колесом міститься один ряд нерухомих лопаток - напрямний апарат, який ще більше підвищує тиск повітря і повідомляє струменю необхідний напрямок.

Робоче колесо з розташованим за ним рядом нерухомих лопаток направляючого апарата називається ступенем компресора. Один ступінь осьового компресора збільшує тиск повітря приблизно 1,3 разу. Щоб отримати більший тиск, застосовують осьові компресори з кількома ступенями. Для отримання високих тисків використовуються осьові компресори з

Мал. 8. Ротор пятнадцахиступенчатого осьового компресора.

14, 16 та більшим числомщаблів. У багатоступінчастих осьових компресорах робочі лопатки іноді кріпляться не так на окремих дисках, але в загальному пустотілому валу, так званому барабані. Обертову частину компресора (барабан з рядами лопаток або робочі колеса, укріплені на валу) називають ротором (рис. 8), а нерухомі напрямні лопатки, укріплені на кожусі компресора, - його статором.

Свою назву осьовий компресор отримав тому, що повітря рухається вздовж осі, на відміну від відцентрового компресора, в якому повітря переміщається в радіальному напрямку.

Повітря, стиснене в компресорі до високого тиску, подається в камеру згоряння. Тут в потік повітря впорскується через розпилювачі-форсунки рідке паливо, яке займається таким же шляхом, як це робиться в двигунах внутрішнього згоряння, - За допомогою електросвічки. Електросвічка працює лише під час запуску двигуна. Далі горіння відбувається безперервно. При цьому виділяється велика кількістьтепла. При згорянні одного кілограма гасу виділяється 10500 калорій тепла.

Чим більше тепла виділиться при згорянні палива, тим вищою буде температура газів наприкінці камери згоряння. Якщо на 15 кілограмів повітря подати 1 кілограм гасу, то температура газів досягне приблизно 2500 ° С. При такій високій температурі газів робота газотурбінної установки була б дуже ефективною. Однак матеріал лопаток соплового апарату та робочих лопаток турбіни не може витримати такого нагрівання. Кращі сучасні жароміцні сплави, що застосовуються в авіаційних газотурбінних двигунах, дозволяють працювати при температурі газів близько 900 ° С. У турбінах, що працюють на електростанціях, де потрібно більше тривалий термінслужби і використовуються менш дорогі сплави, допустима температура газів ще нижча. Тому в камерах згоряння газотурбінних установок

1 кілограм гасу чи нафти подається 50-80 кілограмів повітря. При такому співвідношенні наприкінці камери згоряння встановлюється температура газів, що допускається міцністю лопаток.

Проектування камери згоряння для газотурбінних установок є складним науково-технічним завданням. До камери згоряння пред'являється ряд жорстких вимог, від виконання яких залежить працездатність всієї установки. Ось найважливіші із цих вимог. По-перше, необхідно забезпечити повне згоряння палива. Якщо паливо не встигне повністю згоріти в камері згоряння, частина його енергії буде даремно втрачена. Економічність газотурбінної установки знизиться. Більше того, паливо, що не встигло згоріти в камері згоряння, догорятиме між лопатками турбіни, що призведе до прогоряння та поломки лопаток, тобто до аварії. Не можна допускати також, щоб газ, що надходить в турбіну, замість однакової температури по всьому поперечному перерізу мав в одному місці, наприклад, 600° С, а в іншому - 1200°. Тому потрібно забезпечити гарне змішування газів перед виходом з камери, виключити можливість проникнення в турбіну окремих «факелів» газу з підвищеною температурою. Зрештою, необхідно добре охолоджувати стінки камери згоряння, щоб захистити їх від прогорання.

Для вирішення всіх завдань повітряний потік в камерах згоряння газотурбінних двигунів ділять на дві частини (рис. 9). Менша частина потоку прямує в внутрішню частинукамери – у так звану жарову трубу. Там паливо згоряє за високої температури (висока температура дозволяє досягти достатньо

Повного згоряння). Решта повітря не бере участі в горінні. Вона омиває із зовнішнього боку жарову трубу та охолоджує її. Потім відбувається змішування холодного повітря із гарячими газами. Для кращого перемішування у стінках труби робиться велика кількістьдрібних отворів, через які повітря, що охолоджує, невеликими порціями вводиться всередину і змішується з гарячими газами. Завдяки такій подачі повітря, що охолоджує, температура газу біля стінок виявляється нижче, ніж у центрі жарової труби. Це також сприяє її захисту від прогорання.

Камера згоряння газотурбінної установки зазвичай розташовується між компресором та турбіною. При такому розташуванні потік газів йде прямо від входу установки до її виходу. Але в центрі установки проходить вал, що сполучає турбіну з компресором. Цей вал не повинен сильно нагріватись, інакше його міцність знизиться. Тому камеру згоряння роблять кільцевою або одну

Загальну камеру замінюють 6-10 окремими камерами, розташованими по колу навколо валу.

Ви познайомилися із трьома основними частинами газотурбінної установки: повітряним компресором, камерою згоряння та газовою турбіною. На рис. 10 показано схему газотурбінного двигуна. Ось як він працює.

Компресор засмоктує повітря з атмосфери та стискає його. Стиснене повітря надходить у камеру згоряння, де завдяки спалюванню палива його температура зростає на кілька сотень градусів. Тиск газу

Залишається приблизно постійним. Тому двигуни такого типу називають газотурбінними двигунами із постійним тиском згоряння. З камери згоряння газ із високим тиском та температурою, а отже, з великим запасом енергії йде в турбіну. Там відбувається процес переходу енергії стисненого та нагрітого газу в корисну роботу.

Газ здійснює у турбіні роботу у процесі розширення, тобто коли знижується його тиск. У більшості газотурбінних установок тиск газу знижується до атмосферного. Значить, у турбіні відбувається процес, зворотний тому, що йде в компресорі.

Якби температура повітря на виході з компресора і при вході в турбіну була однакова, то при розширенні повітря в турбіні він робив би таку ж роботу, яка була витрачена на його стиснення в компресорі - за умови, що не було б ніяких втрат енергії на тертя повітря та на його завихрення. А з урахуванням цих втрат повітря здійснювало б у турбіні роботу меншу, ніж робота, потрібна для обертання компресора. Зрозуміло, що від такої установки не було б жодної користі. Але в компресорі стискається холодне повітря, а в турбіну надходить сильно нагрітий газ. Тому робота розширення газу виявляється у 1,5-2 рази більше, ніж потрібно компресора. Наприклад, якщо газова турбіна розвиває потужність 10 ТОВ кінських сил, то на обертання з'єднаного з нею компресора треба витрачати приблизно 6000 кінських сил.

Сил. вільна потужність, що залишилася, в 4000 кінських сил може бути використана для обертання електрогенератора, суднового гвинта, повітряного гвинта літака або будь-яких інших механізмів.

Для роботи газотурбінного двигуна необхідний ряд допоміжних агрегатів: паливні насоси, автоматичні прилади, що регулюють його роботу, система змащення та охолодження, система керування та ін.

Щоб запустити газотурбінний двигун, треба розкрутити його ротор (рис. 11) до кількох сотень обертів на хвилину. З цією метою служить невеликий допоміжний двигун, званий стартером. У великих газотурбінних двигунів стартером часто служать маленькі газотурбінні двигуни потужністю близько 100 кінських сил, а іноді й більше. Ці стартери, у свою чергу, розкручуються невеликими електромоторами, що отримують живлення від акумулятора.

ЖДисль про можливість використовувати потік гарячих га - *** поклик для отримання механічної роботи зародилася дуже давно. Ще 450 років тому великий італійський учений Леонардо да Вінчі дав опис колеса з лопатями, встановленим у димарі над осередком. Під дією газового потоку таке колесо могло обертатися і приводити в дію рожна. Колесо Леонардо да Вінчі вважатимуться прообразом газової турбіни.

1791 року англієць Джон Барбер взяв патент на газотурбінну установку. По малюнку, прикладеному до патенту, можна було уявити, що установка, на думку автора, повинна була працювати на горючому газі, що отримується перегонкою твердого або рідкого палива. Газ за допомогою примітивного компресора нагнітається у резервуар. З нього він надходив у камеру згоряння, де змішувався з повітрям, що подається другим компресором, і спалахував. Продукти згоряння надходили з камери на колесо турбіни. Однак при рівні розвитку техніки, що існував тоді, здійснити газову турбіну не уявлялося можливим. Перша газова турбіна була створена лише в самому наприкінці XIXстоліття російським винахідником П. Д. Кузьмінським, який, як ми вже казали, збудував і першу парову турбіну для морських суден.

Газотурбінний двигун, побудований у 1897 році за проектом П. Д. Кузьмінського, складався з повітряного компресора, камери згоряння та радіальної турбіни (рис. 12). Кузьмінський застосував охолодження камери згоряння водою. Вода охолоджувала стіни і потім надходила до камери. Подача води знижувала температуру і водночас збільшувала масу газів, що надходять у турбіну, що мало підвищити ефективність установки. На жаль, робота Кузьминського не зустріла жодної підтримки з боку царського уряду.

Через 7 років, у 1904 році, за кордоном була побудована газова турбіна за проектом німецького інженера Штольца, але практичного застосуваннявона отримала, оскільки мала багато недоліків.

У 1906 році французькі інженери Арманго і Лемаль побудували газову турбіну потужністю 25 кінських сил, а потім іншу - потужністю вже 400 кінських сил. Коефіцієнт корисної дії цієї установки становив лише 3%.

Випробування перших газотурбінних установок показали, що для підвищення їх ефективності необхідно досягти значного збільшеннякоефіцієнта корисної дії компресора та турбіни, а також підняти

Температуру газів у камері згоряння. Це спонукало багатьох винахідників шукати інші конструкції газових турбін. Виникло бажання позбутися компресора, щоб уникнути великих втрат енергії при стисканні повітря. Але турбіна може працювати лише тоді, коли тиск газів у камері згоряння вищий, ніж за турбіною. Інакше газ не потече з камери в турбіну і не чинитиме її робоче колесо. При безперервному процесі горіння в камері неминуче застосування компресора, що подає стиснене повітря. Однак, якщо зробити процес горіння уривчастим, то можна відмовитися.

Від компресора або використовувати компресор, що дає невелике стиснення повітря і відповідно споживає меншу потужність. У таку пульсуючу камеру повітря подається в той час, коли в ній немає горіння і дуже низький тиск. Після входу повітря та впорскування пального вхідний отвір камери закривається, відбувається спалах. Оскільки камера закрита і гази розширитися що неспроможні, то тиск у ній різко зростає. Після того, як гази випливуть із камери в турбіну, впускний клапан відкривається і в камеру входить нова порція повітря. Так, здійснюючи процес горіння при постійному обсязі газів, тобто в замкненій камері, можна підвищити тиск без допомоги компресора.

У 1908 року російський інженер У. У.

Кароводін створив дослідну модель такої газової турбіни (рис. 13). Закриття камери під час горіння палива здійснювалося у ній з допомогою спеціального клапана. Турбіна мала чотири камери згоряння, з яких газ по чотирьох довгих соплах йшов до робочого колеса. При випробуваннях модель розвивала потужність 1,6 кінської сили; коефіцієнт корисної дії дорівнював лише 3%. Для промислового застосуванняця турбіна також ще не годилася.

Над створенням газових турбін із постійним обсягом згоряння довго працював і німецький інженер Хольц – варт. За його проектами у період 1914-1920 років було
збудовано кілька турбін потужністю від 500 до 2000 кінських сил. Однак жодна з них не годилася для промислової експлуатації. Лише у 30-х роках швейцарській фірмі «Броун-Бовери» вдалося створити кілька придатних для практичної експлуатації турбін із горінням при постійному обсязі. Наразі роботи над подібними турбінами майже повністю припинено.

Наші вчені пішли іншим шляхом. Інженер

В. X. Абіанц у своїй книзі «Теорія авіаційних газових турбін» пише про праці радянських фахівців:

«Одна з головних заслуг радянських учених полягає в тому, що вони обґрунтували доцільність та перспективність розвитку турбін із постійним тиском згоряння, тоді як закордонні (зокрема, німецькі) газотурбіністи працювали в галузі турбін із постійним обсягом згоряння. Весь подальший розвиток газових турбін, у тому числі й авіаційних, блискуче підтвердив прогнози радянських учених, бо стовповою дорогою розвитку газових турбін виявився шлях створення турбін із постійним тиском згоряння».

Працями радянських учених було доведено, що газотурбінні установки з постійним тиском згоряння за досить високої температури газів можуть мати високий коефіцієнт корисної дії.

1939 року професором В. М. Маковським була побудована на Харківському турбогенераторному заводі газова турбіна з постійним тиском згоряння. Її потужність складала 400 кіловат. Вал, диск та порожнисті лопатки турбіни охолоджувалися водою. Турбіна Маковського призначалася для роботи на паливному газі, одержуваному внаслідок підземної газифікації кам'яного вугілля. Вона була встановлена та успішно випробувана на одній із шахт у Горлівці.

В даний час наші заводи виробляють різні типи високоефективних газових турбін.

Хоча газотурбінна установка за своїм пристроєм простіша, ніж поршневий двигун внутрішнього згоряння, для створення її знадобилося провести величезну науково-дослідну роботу. Ось чому тільки в наш час на основі сучасних досягнень науки і техніки вдалося створити ефективний газотурбінний двигун.

Які ж наукові проблеми треба було вирішити вченим, перш ніж уможливити створення газотурбінних установок?

При створенні газової турбіни необхідно було прагнути до того, щоб можна повніше використовувати енергію газу, гранично знизити її втрати на тертя і вихорі - освіту. Велика швидкість руху газу через турбіну дозволяє отримати і більшу потужність невеликої - розмірів установки. Але в той же час така швидкість таїть у собі небезпеку великих втрат енергії. Чим більша швидкість руху рідини або газу, тим більше втратиенергії на тертя та утворення вихорів.

Щоб побудувати газотурбінну установку з високим коефіцієнтом корисної дії, треба було вибрати найвигідніші розміри, форму та взаємне розташування частин компресора та турбіни. А для цього потрібно вивчити рух газів і дізнатися, як вони впливають на тверді тіла, що обтікають ними. Вивчення руху газу потрібно розвитку багатьох галузей техніки.

Першим завданням вчених у цій галузі було дослідити рух газу за порівняно малих швидкостях, коли він практично не стискується. Оскільки рух стисливого газу підпорядковується тим самим законам, як і рух рідини, цей розділ науки отримав назву гідродинаміки («гід» - грецькою водою).

Одночасно розвивалася наука про молекулярну будову газу, про процеси зміни його стану під впливом тиску та температури. Вона називається термодинамікою (від латинського слова "термо" - теплота).

У процесі розвитку гідродинаміки виникла потреба враховувати характерні особливостігазу, що відрізняють його від рідини. І ось на базі гідродинаміки виникла аеродинаміка - наука про закони перебігу повітря та обтікання тіл повітряним потоком. У той же час поява парових турбін спонукала вчених-термодина - міків досліджувати і такі питання, як витікання газів та парів із сопел.

У процесі свого розвитку гідродинаміка і термодинаміка, розширюючи коло питань, що вивчаються, проникаючи все глибше і глибше в сутність фізичних явищ, наближалися один до одного. Так виник ще один новий розділ науки – газова динаміка, що вивчає закони руху газу з великими швидкостями та теплові процеси, що відбуваються у газовому потоці.

Ця наука і стала теоретичною основою для розвитку газотурбінних двигунів. Перші фундаментальні роботи з теорії газових турбін були виконані видатним чеським вченим Стодола, радянськими професорами В. М. Маковським, В. В. Уваровим та іншими науковцями.

Розробка теоретичних засадгазотурбінної техніки і експериментальні роботи в цій галузі, що почалися в багатьох країнах світу, показали, що найважливішим завданняму розвитку двигунів такого типу було удосконалення їх проточної частини, тобто тих елементів двигуна, якими тече газ: повітрозабірника, компресора, камери згоряння, турбіни і сопла. Насамперед стояло питання розробки теорії компресорів і турбін, які часто називають одним терміном «лопаткові машини». Саме вирішенням цього фундаментального завдання й зайнялися радянські вчені. На основі геніальних праць Ейлера, Бернуллі, Жуковського, Чаплигіна радянські вчені створили теорію газотурбінних двигунів.

Винятково цінний внесок у теорію газотурбінних двигунів зробив академік Б. С. Стечкін. Його працями було створено струнку теорію лопаткових машин. Ним були розроблені методи розрахунку осьових та відцентрових компресорів. Він є творцем теорії найпоширеніших у сучасній авіації газотурбінних повітряно-реактивних двигунів.

Глибокі теоретичні дослідження та плідну експериментальну роботу з компресорів провели професори К. А. Ушаков, В. Н. Дмитрієвський, К. В. Холщевніков, П. К. Казанджан та низка інших учених. Значним внеском у теорію лопаткових машин стала праця українського академіка Г. Ф. Проскура «Гідродинаміка турбомашини», видана ще 1934 року.

Теорії газових турбін і газотурбінних двигунів загалом були присвячені роботи професорів Г. С.

Рідкого, А. В. Кваснікова, П. І. Кириллова, Я. І. Шнеє, Г. П. Зотикова та багатьох інших.

Велику роботу було зроблено вченими зі створення найвигіднішої форми турбінних лопаток. Робота лопаток турбіни має багато спільного із роботою крила літака. Проте з-поміж них є й суттєві відмінності. Крило працює ізольовано, а турбінна лопатка – у сусідстві з іншими лопатками. В останньому випадку виходить, як заведено говорити, «грати профілів». Вплив сусідніх лопаток дуже змінює картину обтікання газом профілю лопатки. Крім того, крило обдувається потоком повітря, що має перед зустріччю з літаком однакову швидкість вздовж усього розмаху крила. А швидкість газу щодо лопатки турбіни не однакова за її довжиною. Вона залежить від окружної швидкості лопаток. Так як лопатки роблять досить довгими, то окружна швидкість у кореня лопатки значно менша, ніж у її кінця. Значить, і швидкість газу щодо лопатки у її кореня буде інша, ніж у зовнішнього кола робочого колеса. Тому профіль лопатки має бути таким, щоб лопатка по всій своїй довжині працювала з найбільшою ефективністю. Завдання створення таких лопаток було вирішено працями професора В. В. Уварова та інших вчених.

Найважливішою проблемою, від вирішення якої залежало створення економічних газотурбінних двигунів, була проблема жароміцних матеріалів. Економічність газотурбінної установки збільшується із зростанням температури газів. Але щоб турбіна могла надійно працювати при високій температурі, необхідно виготовляти її лопатки та диск з таких сплавів, міцність яких зберігається при великому нагріванні. Тому для розвитку газотурбінної техніки був потрібен високий рівеньрозвитку металургії Нині металургами створені метали, здатні витримувати високі температури. Лопатки турбіни, виготовлені з таких сплавів, можуть без спеціального охолодження працювати при температурі газів, що надходять в турбіну, до 900° С.

Крім сплавів, існують і інші жаростійкі матеріали, наприклад спеціальна кераміка. Але кераміка досить крихка, це перешкоджає її застосуванню у газових турбінах. Подальші роботи з удосконалення жароміцної кераміки можуть, однак, істотно вплинути на розвиток газових турбін.

Конструктори газових турбін розробляють також лопатки зі штучним охолодженням. Усередині лопаток роблять канали, якими пропускають повітря чи рідина. Диск турбіни зазвичай обдувається повітрям.

Умови горіння палива у газотурбінних установках суттєво відрізняються від умов у топках парових котлів або у циліндрах поршневих двигунів. Газотурбінний двигун здатний при малих розмірах виконувати величезну роботу. Але для цього треба спалювати в малому обсязі камери велику кількість пального. Цього можна досягти лише за дуже великої швидкості горіння. Частинки палива знаходяться в камері згоряння газотурбінного двигуна менше сотої частки секунди. За такий короткий час має відбутися гарне перемішування палива з повітрям, його випаровування та повне згоряння.

Щоб успішно розв'язати завдання, необхідно вивчити фізику горіння. Над цим працюють у наш час великі колективи вчених.

Вченими детально досліджено питання про максимальне використання тепла, що виділяється при горінні палива в газотурбінних установках. З робочого колеса турбіни гази виходять із високою температурою і, отже, забирають із собою в атмосферу велику кількість внутрішньої енергії. Виникло природне бажання використовувати тепло газів, що відходять. Для цього було запропоновано наступну схему установки. Гази з робочого колеса, перш ніж вийти в атмосферу, проходять через теплообмінник, де передають частину свого тепла стиснутого повітря, що вийшло з компресора. Повітря, нагріваючись у теплообміннику, підвищує свою енергію без витрати на це будь-якої кількості пального. З теплообмінника повітря прямує до камери згоряння, де його температура піднімається ще вище. Улаштуванням таких теплообмінників можна значно скоротити витрати палива на нагрівання газу і тим самим підвищити економічність установки. Теплообмінник є каналом, яким течуть гарячі гази. Усередині каналу міститься пучок сталевих труб, розташованих по потоку газів або перпендикулярно до нього. Усередині цих труб тече повітря. Газ нагріває стінки труб і поточне всередині них повітря. Відбувається повернення частини тепла з газів у робоче повітря. Цей процес називається процесом регенерації тепла. І теплообмінники часто називають регенераторами.

Газотурбінні установки з регенерацією тепла є значно економічнішими, ніж звичайні турбіни. На жаль, теплообмінники дуже громіздкі за своїми розмірами, що ускладнює їхнє застосування на деяких транспортних установках.

Серед наукових проблем, що лежать в основі розвитку газотурбінної техніки, слід зазначити і міцність конструкцій. Для будівництва міцних камер згоряння потрібно знати способи розрахунку тонкостінних оболонок. Цим займається один із нових розділів науки про опір матеріалів. Складним завданням є забезпечення міцності робочих лопаток турбіни. Ротор турбіни робить дуже велику кількість оборотів (5000-10 ТОВ оборотів за хвилину, а в деяких конструкціях і більше), і на лопатки діють великі відцентрові сили (кілька тонн на кожну лопатку).

Ми розповіли тут тільки про найголовніші наукових проблемах, Вирішення яких знадобилося для розвитку газотурбінної техніки. Вчені та інженери продовжують працювати над удосконаленням газотурбінних двигунів. Перед ними стоїть ще багато невирішених питань, багато цікавих та важливих проблем.

Наприклад, виключно велике значеннямають роботи зі створення газових турбін, що використовують як паливо кам'яне вугілля. Відомо, що кам'яного вугілля видобувається більше, ніж нафти, і він дешевший за неї. Спалювання вугілля в камері згоряння газової турбіни – важке завдання. Його доводиться подрібнювати, перетворювати на вугільний пил. Гази, що виходять із камери згоряння, треба очищати від золи. Якщо в газі містяться частки золи розміром навіть 0,03-0,05 міліметра, то лопатки турбіни почнуть руйнуватися, і турбіна вийде з ладу.

Створення очисників газу – справа складна. Але вирішити таке завдання газотурбінного двигуна можна. У двигунів внутрішнього згоряння стиск повітря, згоряння та розширення газу відбуваються в одному місці – в циліндрі. Встановити в циліндрі якийсь очисник виявилося неможливим. Тому досі спроби спалювання вугілля у циліндрах двигунів внутрішнього згоряння ні до чого не привели. У газотурбінній установці стиснення, згоряння і розширення відбуваються в різних місцях. Стиснення повітря здійснюється в компресорі, нагрівання – у камері, а розширення – у турбіні. Очищувач можна помістити між камерою та турбіною. Потрібно тільки, щоб він не сильно знижував тиск газів, що проходять через нього, і не був занадто великий за розмірами.

У наші дні ведуться дослідження щодо створення атомних газотурбінних двигунів. У цих двигунах нагрівання повітря здійснюється не за рахунок спалювання палива, а за рахунок тепла, що виділяється в атомному казані. Багато труднощів доведеться подолати вченим на цьому шляху. Але немає сумніву, що атомні газотурбінні двигуни мають велике майбутнє.

Раз у раз в новинах говорять, що, наприклад, на такій то ГРЕС повним ходом йде будівництво ПГУ -400 МВт, а на інший ТЕЦ-2 включена в роботу установка ГТУ - стільки МВт. Про такі події пишуть, їх висвітлюють, оскільки включення таких потужних та ефективних агрегатів – це не лише «галочка» у виконанні державної програми, а й реальне підвищення ефективності роботи електростанцій, обласної енергосистеми та навіть об'єднаної енергосистеми.

Але довести до відома хочеться не про виконання держпрограм чи прогнозних показників, а саме про ПГУ та ГТУ. У цих двох термінах може заплутатися не тільки обиватель, а й енергетик-початківець.

Почнемо з того, що простіше.

ГТУ - газотурбінне встановлення - це газова турбіна та електричний генератор, об'єднані в одному корпусі. Її вигідно встановлювати на ТЕЦ. Це ефективно, і багато реконструкцій ТЕЦ спрямовані на встановлення саме таких турбін.

Ось спрощений цикл роботи теплової станції:

Газ (паливо) надходить у котел, де згоряє та передає тепло воді, яка виходить з котла у вигляді пари та крутить парову турбіну. А парова турбіна крутить генератор. З генератора ми отримуємо електроенергію, а пари для промислових потреб (опалення, підігрів) забираємо з турбіни при необхідності.

А в газотурбіній установці газ згоряє і крутить газову турбіну, яка виробляють електроенергію, а гази, що виходять, перетворюють воду на пару в котлі-утилізаторі, тобто. газ працює з подвійною користю: спочатку згоряє та крутить турбіну, потім нагріває воду у казані.

А якщо саму газотурбінну установку показати ще більш розгорнуто, то виглядатиме так:

На цьому відео показано які процеси відбуваються в газотурбінній установці.

Але ще більше користі буде в тому випадку, якщо і отримана пара змусити працювати - пустити її в парову турбіну, щоб працював ще один генератор! Ось тоді наша ГТУ стане ПАРО-ГАЗОВОЮ УСАНІВКОЮ (ПДУ).

У результаті ПГУ - це ширше поняття. Ця установка – самостійний енергоблок, де паливо використовується один раз, а електроенергія виробляється двічі: у газотурбінній установці та у паровій турбіні. Цей цикл дуже ефективний і має ККД близько 57%! Це дуже хороший результат, який дозволяє значно знизити витрати пального на отримання кіловат-години електроенергії!

У Білорусі для підвищення ефективності роботи електростанцій застосовують ГТУ як «надбудову» до існуючої схеми ТЕЦ, а ПДУ зводять на ГРЕС як самостійні енергоблоки. Працюючи на електростанціях, ці газові турбіни не тільки підвищують «прогнозні техніко-економічні показники», а й покращують управління генерацією, оскільки мають високу маневреність: швидкість пуску та набору потужності.

Ось які корисні ці газові турбіни!

ГАЗОТУРБІННІ УСТАНОВКИ (ГТУ)

Робочий процес ГТУ. У сучасних ГТУ використовується цикл із згорянням при р = const (рис. 6.5).

До складу ГТУ зазвичай входять камера згоряння, газова турбіна, повітряний компресор, теплообмінні апарати різного призначення (повітроохолоджувачі, маслоохолоджувачі системи мастила, регенеративні теплообмінники) та допоміжні пристрої (маслонасоси, елементи водопостачання та ін.).

Робочим тілом ГТУ служать продукти згоряння палива, як використовується природний газ, добре очищені штучні гази (доменний, коксовий, генераторний) і спеціальне газотурбінне рідке паливо (дизельне моторне і солярове масло, що пройшло обробку).

Підготовка робочої суміші проводиться у камері згоряння. Вогневий об'єм камери (рис. 20.9) поділяється на зону горіння, де відбувається згоряння палива при температурі близько 2000 °С, і зону змішування, де до продуктів згоряння підмішують повітря зниження їх температури до 750-1090 °С в стаціонарних турбінах і до 1400 ° С - в авіаційних турбінах.

Принцип роботи газової та парової турбін однаковий, але конструкція проточної частини газових турбін значно простіша. Вони працюють на відносно невеликому теплоперепаді і тому мають невелику кількість ступенів.

У зв'язку з високою температурою продуктів згоряння деталі проточної частини турбін (сопла, робочі лопатки, диски, вали) виготовляють із високоякісних легованих сталей. Для надійної роботи у більшості турбін передбачено інтенсивне охолодження найбільш навантажених деталей корпусу та ротора.

В реальних умовах всі процеси в ГТУ є нерівноважними, що пов'язано з втратами роботи в турбіні та компресорі, а також з аеродинамічних опорів у тракті ГТУ. На рис. 20.10 дійсний процес стиснення в компресорі зображений лінією 1-2, а процес розширення турбіні - лінією 3-4. Точками 2а і 4а зазначено стан робочого тіла відповідно в кінці рівноважного адіабатного стиснення та розширення, точкою О - параметри навколишнього середовища. Зважаючи на втрати тиску у всмоктувальному тракті компресора (лінія 01) процес стиснення починається в точке1.

Таким чином, на стиснення повітря в реальному циклі витрачається велика робота, а при розширенні газу в турбіні виходить менша робота, порівняно з ідеальним циклом. ККД циклу виходить нижче. Чим більший рівень підвищення тиску π (тобто вище р 2), тим більше більше сумацих втрат проти корисною роботою. При певному значенні π (воно тим вище, чим більше Т з і внутрішній відносний ККД турбіни і компресора, тобто менше втрати в них) робота турбіни може стати рівною роботі, витраченої на привід компресора, а корисна робота- Нулю.

Тому найбільша ефективність реального циклу, на відміну від ідеального, досягається за певного (оптимального) ступеня підвищення тиску, причому кожному значенню Тз відповідає своє опт (рис. 20.11). ККД найпростіших ГТУ не перевищує 14-18 %, і з метою його підвищення ГТУ виконують з кількома ступенями підведення теплоти і проміжним охолодженням повітря, що стискається, а також з регенеративним підігрівом стисненого повітря відпрацьованими газами після турбіни, наближаючи тим самим реальний цикл.

ГТУ з утилізацією теплоти газів. Теплоту газів, що йдуть з ГТУ, можна використовувати для отримання пари і гарячої води у звичайних теплообмінниках. Так, установки ГТ-25-700 ЛМЗ мають підігрівачі, що нагрівають воду в системі опалення до 150-160 °С.

Разом з тим, порівняно високий рівень коефіцієнта надлишку повітря в ГТУ дозволяє спалювати досить велику кількість додаткового палива в середовищі продуктів згоряння. В результаті з додаткової камери згоряння після ГТУ виходять гази з досить високою температурою, придатні для отримання пари енергетичних параметрів у парогенераторі, що спеціально встановлюється для цієї мети. На Карманівській ДРЕС за такою схемою будується котел до блоку електричної потужності 500 МВт.

Застосування ГТУ. Останніми роками ГТУ широко використовують у різних галузях: на транспорті, в енергетиці, для приводу стаціонарних установок та інших.

Енергетичні ГТУ. Газова турбіна менша і легша за парову, тому при пуску вона прогрівається до робочих температур значно швидше. Камера згоряння виводиться на режим практично миттєво, на відміну від парового котла, який вимагає повільного тривалого (багато годин і навіть десятки годин) прогріву, щоб уникнути аварії через нерівномірні теплові подовження, особливо масивний барабан діаметром до 1,5 м, завдовжки до 15 м, з товщиною стінки понад 100 мм.

Тому ГТУ застосовують насамперед для покриття пікових навантажень і як аварійний резерв для потреб великих енергосистем, коли треба дуже швидко включити агрегат в роботу. Менший ККД ГТУ проти ПСУ у разі ролі не грає, оскільки установки працюють протягом невеликих відрізків часу. Для таких ГТУ характерні часті пуски (до 1000 на рік) за відносно малої кількості годин використання (від 100 до 1500 год/рік). Діапазон одиничних потужностей таких ГТУ становить від 1 до 100 МВт.

ГТУ застосовуються також для приводу електрогенератора та отримання електроенергії у пересувних установках (наприклад, на морських суднах). Такі ГТУ зазвичай працюють у діапазоні навантажень 30-110% номінальної, з частими пусками та зупинками. Поодинокі потужності таких ГТУ становлять від десятків кіловат до 10МВт. Швидкий розвиток атомних енергетичних установок з реакторами, що охолоджуються, наприклад, гелієм, відкриває перспективу застосування в них одноконтурних ГТУ, що працюють за замкненим циклом (робоче тіло не залишає установку).

Специфічну групу енергетичних ГТУ становлять установки, що працюють у технологічних схемах хімічних, нафтопереробних, металургійних та інших комбінатів (енерготехнологічні). Вони працюють в базовому режимі навантаження і призначені найчастіше для приводу компресора, що забезпечує технологічний процес стисненим повітрям або газом за рахунок енергії розширення газів, що утворюються в результаті технологічного процесу.

Привідні ГТУ широко використовуються для приводу відцентрових нагнітачів природного газу на компресорних станціях магістральних трубопроводів, а також насосів для транспортування нафти та нафтопродуктів та повітродувок у парогазових установках. Корисна потужність таких ГТУ становить від 2 до 30 МВт.

Транспортні ГТУ широко застосовуються як головні і форсажні двигуни літаків (турбореактивних і турбогвинтових) і суден морського флоту. Це пов'язано з можливістю отримання рекордних показників за питомою потужністю та габаритним розмірамв порівнянні з іншими типами двигунів, незважаючи на дещо завищені витрати пального. Газові турбіни дуже перспективні як двигуни локомотивів, де їх незначні габарити та відсутність потреби у воді є особливо цінними. Транспортні ГТУ працюють у широкому діапазоні навантажень та придатні для короткочасних форсувань.

Поодинока потужність ГТУ поки що не перевищує 100МВт, а ККД установки 27-37%. З підвищення початкової температури газів до 1200 ° С потужність ГТУ буде доведена до 200 МВт та ККД установки до 38-40%.

У останні роки(приблизно з 50-х р. минулого століття) на ТЕС для приводу електричних генераторів почали широко використовувати газові турбіни.

Газотурбінні установки (ГТУ) можуть працювати зі згорянням палива при постійному тиску (рис. 6.1) та при постійному обсязі (рис. 6.2). Відповідні їм ідеальні цикли поділяються на цикли з підведенням теплоти в процесі при постійному тиску та постійному обсязі.

Мал. 6.1. Схема ГТУ із згорянням палива при постійному тиску: 1 - турбокомпресор; 2 - газова турбіна; 3 - паливний насос; 4 - Камера згоряння; 5 – паливна форсунка;

6 - активна зона камери згоряння

Рис.6.2. Схема ГТУ із згорянням палива при постійному обсязі: 5, б, 7 - відповідно паливний, повітряний та газовий клапани; 8 - Запальний пристрій; 9 - ресивер; інші позначення самі, що у рис. 6.1

На практиці набули поширення ГТУ із розімкненим (відкритим) циклом зі згорянням палива (з підведенням теплоти до робочого тіла) при постійному тиску з подальшим розширенням суміші продуктів згоряння з повітрям у проточній частині турбіни (цикл Брайтона) (див. рис. 6.6).

У ГТУ зі згорянням палива при постійному тиску процес горіння здійснюється безперервно (див. п. 6.2), а ГТУ зі згорянням палива при постійному обсязі процес горіння є періодичним (пульсуючим). Стиснутий у компресорі 1 повітря (див. рис. 6.2) подається до ресивера 9 (посудина великої ємності для вирівнювання тиску), звідки через повітряний клапан 6 надходить у камеру згоряння 4. Сюди ж паливним насосом 3 через паливний клапан 5 подається паливо. Процес горіння проводиться при закритих паливному, повітряному та газовому клапанах. 5, 6, 7. Запалення паливоповітряної суміші здійснюється пристроєм 8 (Електричної іскрою). Після згоряння палива внаслідок підвищення тиску в камері 4 відкривається газовий клапан 7. Продукти згоряння, проходячи через соплові апарати (на рис. 6.2 не показані), надходять на робочі лопатки і обертають ротор газової турбіни 2.

Робочим тілом ГТУ є переважно газоподібні продукти згоряння органічного палива в суміші з повітрям. Як паливо використовується природний газ, добре очищені штучні гази та спеціальне газотурбінне рідке паливо (оброблене дизельне моторне та солярове масло).

Особливістю роботи ГТУ є те, що тільки частина (20-40%) повітря, що подається компресором, вводиться в активну зону камери згоряння і бере участь у процесі горіння палива при температурі порядку 1500-1600 °С. Інша частина повітря (60-80%) призначена для зниження температури газів перед турбіною до 1000-1300 °С (для стаціонарної ГТУ) за умов надійності та довговічності роботи її лопаткового апарату, з чим пов'язаний підвищений надлишок повітря в газах, а перед турбіною та за ГТУ. а г зменшується зі зростанням початкової температури робочого тіла перед газовою турбіною і різних установках становить 2,5-5. ККД ГТУ істотно нижче, ніж ККД ПТУ на паровому циклі, що з наявністю повітряного компресора, споживана потужність якого становить 40-50% потужності газової турбіни.

Газова турбіна менше і легше парової, тому при пуску вона прогрівається до робочих температур значно швидше, на відміну від паротурбінної установки, з паровим котлом, який вимагає повільного прогріву (десятки годин), щоб уникнути аварії через нерівномірні теплові подовження, особливо масивного барабана.

Завдяки великій маневреності (швидкий пуск у роботу та навантаження) ГТУ застосовують в енергетиці, перш за все для покриття пікових навантажень та як аварійний резерв для власних потреб великих енергосистем. Менший ККД ГТУ у порівнянні з паросиловою установкою (ПСУ) у цьому випадку відіграє незначну роль. Для таких ГТУ характерні часті пуски (до 1000 на рік) за відносно малої кількості годин використання (100-1500 год/рік).

Різновидом ГТУ є установки з приводом електричного генератора від двигуна внутрішнього згоряння (дизельні електростанції), де як паливо, як і ГТУ, використовується природний газ або якісне рідке паливо. Однак дизельні електростанції, що набули поширення в країнах Близького Сходу, поступаються за одиничною потужністю ГТУ, хоча і мають вищий ККД.

ККД найпростіших енергетичних ГТУ (рис. 6.3) у 50-60-ті роки. XX ст. становив 14-18%. В даний час з метою підвищення ККД ГТУ виконують з декількома ступенями підведення теплоти і проміжним охолодженням повітря, що стискається, а також з регенеративним підігрівом стисненого в компресорі повітря відпрацьованими в турбіні газами, наближаючи тим самим реальний цикл до циклу Карно, а КП2 ГТУ 37%.

ККД газотурбінних установок обмежується початковою температурою робочого тіла (1100-1300 °С і вище для ГТУ 5-го покоління) та одиничною потужністю через зростаючі витрати енергії на власні потреби, в тому числі і на привід компресора. Перше обмеження зараз усунути важко. Друге обмеження може бути усунене, якщо в турбіну замість низькоентальпійного агента (суміші продуктів згоряння з повітрям) подавати високоентальпійний робочий агент при тій же початковій температурі. Найчастіше в продукти згоряння додають водяну пару. ГТУ, що працюють з робочими тілами, що складаються із сумішей парів води та газів або використовують у тепловій схемі роздільно гази та пар, називаються парогазовими установками(ПДУ), а їх цикли - парогазовими.Перші ПГУ називають монарними,а другі - бінарними .

У період освоєння установок із роздільними робочими тілами було випробувано декілька теплових схем. Найбільш ефективною виявилася схема, в якій паровий цикл по відношенню до газового є повністю утилізаційним. Такі установки отримали назву утилізаційнихПГУ чи ПГУ-У. У утилізаційній ПДУ парова частина установки працює без додаткової витрати палива. Подібна ПГУ через високу початкову температуру циклу (понад 1000-1300 °С) може мати ККД більше 60%, що істотно вище, ніж у звичайної паротурбінної установки та в окремій ГТУ. Найважливішим факторомпідвищення ККД ПДУ є використання продуктів згоряння палива як робочого тіла в області високих температур(у газовій турбіні) та водяної пари в області низьких температур (у паровій турбіні).

ГТУ відкритого типупоступаються паротурбінним установкам по одиничній потужності, мають нижчий ККД, менш довговічні в експлуатації, більш вимогливі до сортів палива. Подальший розвиток ГТУ спрямовано на підвищення їх поодинокої потужності, економічності, надійності та довговічності, що в основному визначається прогресом у галузі створення жаростійких матеріалів та розробкою ефективних способівохолодження проточної частини газових турбін.

Можливо, буде корисно почитати: