Газотурбинные установки для транспорта природного газа (пособие, 2012 год) - часть 7

4.3. Газотурбинные установки со ступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением и со ступенчатым расширением и промежуточным подводом теплоты

В основе данного подхода лежит стремление в уменьшении затрачиваемой работы на сжатие воздуха в компрессоре и увеличении работы, получаемой при расширении рабочего газа в турбине.

4.4. Замкнутые газотурбинные установки

Применение установок связано с целью повышения единичной мощности и эффективности ГТУ за счёт изменения массового расхода рабочего тела при неизменной степени повышения давления в цикле, что невозможно в ГТУ открытого цикла.

трубок. Снаружи эти трубки нагреваются за счет тепла, выделяющего при сгорании топлива в топке, которая по принципу работы схожа с топкой паровых котлов. Поэтому нагреватель ГТУ иногда называют «воздушным котлом». В нагревателе 1 температура рабочего газа резко возрастает до Т1, далее газ поступает в турбину 3, где расширяется, совершая работу. Температура при этом падает до Т2. Турбина вращает компрессор 4, а избыточную часть своей мощности отдает потребителю 2. Далее отработавший газ, имея достаточно высокую температуру, направляется в регенератор, где отдает часть своего тепла на подогрев газа, движущегося из компрессора 4 в нагреватель 1. Затем цикл снова повторяется.

Нетрудно заметить, что в замкнутой ГТУ циркулирует одно и то же массовое количество рабочего тела, если не считать незначительной по величине утечки газа из контура через различные неплотности, которая автоматически восполняется из специального устройства (на рис. 4.18 не показано). Мощность установки регулируется изменением давления газа в её контуре за счет изменения массового расхода рабочего газа при сохранении практически неизменными степени повышения давления л, а также Т/ и Т3 (максимальной и минимальной температур цикла) с помощью специального центробежного регулятора (на рис. 4.18 также не показан). Кроме того, при уменьшении нагрузки число оборотов турбины уменьшается, т. е. уменьшается число циклов за единицу времена.

Замкнутые ГТУ по сравнению с открытыми обладают следующими преимуществами:

1) благодаря отсутствию в циркулирующем газе веществ, вызывающих коррозию и эрозию лопаточного аппарата, значительно повышается надёжность и долговечность турбины;

2) замкнутые ГТУ могут работать на любых видах топлива, в том числе на твердом и тяжелых сортах жидкого топлива (мазутах);

3) замкнутые ГТУ могут работать на атомной энергии;

4) путем повышения начального давления газа перед компрессором можно в широких пределах увеличивать его весовой расход в ГТУ. А это дает возможность либо в соответствующее число раз увеличить единичную мощность установки, либо же при неизменной мощности значительно снизить вес её за счёт уменьшения поверхности теплообменников, размеров ГТУ и диаметров трубопроводов;

5) в связи с тем что в замкнутых ГТУ мощность регулируется изменением давления газа в контуре, КПД установки на различных режимах нагрузки в широком диапазоне остается неизменным;

6) в качестве рабочего тела можно использовать, кроме воздуха, любые газообразные вещества, либо обладающие лучшими тепло-

физическими свойствами, либо позволяющие сделать цикл установки более совершенным и выгодным о термодинамической точки зрения, либо имеющие какие-то другие ценные достоинства. Примером тому может служить гелий, обладает лучшими теплофизическими свойствами, чем воздух, но он значительно дороже и отличается огромной текучестью. То обстоятельство, что гелий при прохождении через атомный реактор не становиться радиоактивным, является решающим в деле использования его в качестве теплоносителя в атомных установках с газовыми реакторами.

Основной недостаток - громоздкость и сложность (громадный «воздушный» котел).

4.5. Многовальные ГТУ

Основная цель создания подобных установок - деление турбины на две и более ступеней с их независимым друг от друга числом оборотов, что позволяет регулировать мощность ГТУ при частичных нагрузках, не снижая эффективности изменением расхода топлива и воздуха.

В настоящее время существует тенденция к увеличению единичной мощности ГТУ. Наиболее просто вопрос о повышении единичной мощности решается в замкнутых ГТУ. Там это достигается путем соответствующего увеличения давления, а следовательно, и массового расхода газа, циркулирующего в замкнутом контуре.

4.6. Комбинированные двигатели

Применяются с целью повышения КПД при комбинировании двигателей за счет расширения диапазона минимальной и максимальной температур цикла. На самом деле, для цикла справедливо:

Газотурбинная установка с поршневыми камерами сгорания представляет собой энергетическую установку, в которой газовая турбина работает совместно со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ). В этих установках удачно сочетаются положительные качества турбины (меньший вес и габариты, способность работы с большим числом оборотов и т. д.) с относительно высокой экономичностью ДВС.

Принципиальная схема ГТУ с СПГГ приведена на рис. 4.21.

Роль компрессора и одновременно камеры сгорания выполняет СПГГ, который по принципу действия напоминает двухтактный дизель высокого наддува с противоположно движущимися поршнями. Поршни 10 компрессоров при движении навстречу друг друга сжимают воздух и вытесняют его из полостей 2 через клапаны 4 в продувочный ресивер 11. Оттуда, через продувочные окно 6, воздух поступает в «дизельный» цилиндр 9 сначала для его продувки, а затем для наполнения свежим зарядом. Когда поршни 5 сблизятся и займут почти крайнее относительно друг друга положение, в цилиндр 9 через форсунку 7 впрыскивается топливо. Так же как в дизеле, оно самовоспламеняется от сжатия. Вследствие расширения газов в цилиндре 9 при сгорании топлива поршни 5 начинают расходиться в противоположные стороны. При этом поршни 10, жестко связанные с поршнями 5, сжимают воздух