Лекция 1 Назначение и принцип действия ТВаД

 

Вопросы лекции:

1. Наземное применение газотурбинных двигателей;

2. Принцип действия турбовальных двигателей (ТВаД).

 

1. Наземное применение газотурбинных двигателей (ГТД)

 

Параллельно с развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и на транспорте. В 1939 г. Швейцарская фирма A.G. Brown Bonery ввела в эксплуатацию первую электростанцию с газотурбинным приводом мощностью 4 МВт и к.п.д. 17,4 %, которая находится в работоспособном состоянии и в настоящее время. В 1941 г. вступил в строй первый железнодорожный газотурбовоз, оборудованный ГТД мощностью 1620 кВт
(2200 л.с.) этой же фирмы. С конца 1940-х г.г. прошлого века ГТД начинают применяться для привода морских судовых движителей, а c конца 1950-х г.г. – в составе газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводах для привода нагнетателей природного газа.

Быстрому внедрению ГТД в различные отрасли промышленности и транспорта способствовали неоспоримые преимущества этого класса тепловых двигателей перед другими энергетическими установками (паротурбинными, дизельными и др.):

- большая мощность в одном агрегате;

- компактность, малая масса (рис. 1.1);

- уравновешенность движущихся элементов;

- широкий диапазон применяемых топлив;

- легкий и быстрый запуск, в том числе при низких температурах;

- хорошие тяговые характеристики;

- высокая приемистость и хорошая управляемость.

Наиболее массовое применение ГТД механического привода находят в газовой промышленности для привода нагнетателей природного газа в составе газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов, а также для привода агрегатов закачки природного газа в подземные хранилища (рис. 1.2). К примеру, только в ОАО «Газпром» к настоящему времени эксплуатируются около 3100 газотурбинных двигателей суммарной установленной мощностью свыше 36000 МВт. ГТД используются также для привода насосов, технологических компрессоров, воздуходувок на предприятиях нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и металлургической промышленности. Мощностной диапазон ГТД от 0,5 до 50 МВт.

Основная особенность перечисленного приводимого оборудования – зависимость потребляемой мощности N от частоты вращения n, температуры и давления нагнетаемых сред. Поэтому ГТД механического привода должны быть приспособлены к работе с переменной частотой вращения и мощностью. Этому требованию в наибольшей степени отвечает схема ГТД со свободной силовой турбиной (рис. 1.5), ГТД выполненные по такой схеме получили название – турбовальные двигатели (ТВаД).

ГТД для привода электрогенераторов используются в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС) простого цикла и конденсационных электростанций комбинированного парогазового цикла (ПГУ), вырабатывающих «чистую» электроэнергию, а также в составе когенерационных установок (в российской литературе они часто называются «ГТУ-ТЭЦ»), производящих совместно электрическую и тепловую энергию (рис. 1.3).

Современные ГТЭС простого цикла (рис. 1.4), имеющие относительно умеренный электрический КПД h_эл=25…40 %, в основном используются в пиковом режиме эксплуатации – для покрытия суточных и сезонных колебаний спроса на электроэнергию. Эксплуатация ГТД в составе пиковых ГТЭС характеризуются высокой цикличностью (большим количеством циклов «пуск-нагружение-работа под нагрузкой-останов»). Возможность ускоренного пуска является важным преимуществом ГТД при работе в пиковом режиме.

Электростанции комбинированного парогазового цикла
(см. рис.1.3) используются в базовом режиме (постоянная работа с нагрузкой, близкой к номинальной, с минимальным количеством циклов «пуск-останов» для проведения регламентных и ремонтных работ). Современные ПГУ, базирующиеся на газотурбинных двигателях большой мощности (N>150 МВт), достигают КПД выработки электроэнергии h_эл = 58…60 % и являются к настоящему времени самыми совершенными энергосистемами большой мощности.

В когенерационных установках тепло выхлопных газов ГТД используется в котле- утилизаторе для производства горячей воды и (или) пара для технологических нужд или для использования в системах централизованного отопления. Совместное производство электрической и тепловой энергии значительно снижает её себестоимость. Коэффициент использования тепла топлива в когенерационных установках достигает 90%.

Электростанции комбинированного парогазового цикла и когенерационные установки являются наиболее эффективными и динамично развивающимися современными энергетическими системами. В настоящее время мировое производство энергетических ГТД составляет около 12000 штук в год суммарной мощностью около 76000 МВт.

Основная особенность ГТД для привода электрогенераторов – постоянство частоты вращения выходного вала на всех режимах (от холостого хода до максимального) и высокие требования к точности поддержания частоты вращения, от которой зависит качество вырабатываемого тока. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют одновальные ГТД, поэтому они широко используются в энергетике.

 

Принцип действия турбовальных двигателей (ТВаД)

 

Турбовальный двигатель является газотурбинным двигателем непрямой реакции. В отличие от ГТД прямой реакции, эффективная (полезная) работа цикла L _e превращается в механическую работу – избыточную мощность турбины компрессора или эффективную мощность свободной (силовой) турбины (СТ) N _e = N _СТη_СТ, и может быть использована для привода воздушного винта (ВВ) самолета, несущего винта (НВ) вертолета, наземных и водных транспортных средств, электрогенераторов, компрессоров и др. (рис. 1.5).

ТВаД включает в себя (см. рис. 1.5):

– воздухозаборник (ВЗ);

– осевой компрессор (ОК);

– камеру сгорания (КС);

– турбину компрессора (ТК);

– свободную (силовую) турбину (СТ);

– выходное устройство (ВУ).

В cечении н–н – невозмущенный воздушный поток (см. рис. 1.5).

Далее по тракту двигателя происходят следующие процессы:

между сечениями 0–вх – разгон, выравнивание и стабилизация воздушного потока в сужающемся канале ВЗ;

между сечениями вх–к – основное сжатие воздуха за счет подвода к нему механической работы от вращающихся рабочих лопаток компрессора;

между сечениями к–г – подвод тепла к рабочему телу за счет сжигания в воздухе горючего (авиационный керосин, топливный газ);

между сечениями г–ТК – расширение газа в ТК и превращение части энтальпии в крутящий (располагаемый) момент М _т.расп на валу турбины, передаваемый через общий вал на вращение компрессора и привод дополнительных агрегатов;

 

 

Рис. 1.5. Изменение параметров рабочего тела по тракту ТВаД

 

между сечениями ТК–т – расширение газа в СТ и превращение части энтальпии в крутящий (располагаемый) момент М _СТ на валу свободной турбины, передаваемый через выходной вал на привод внешних потребителей.

между сечениями т–с – расширение отработавшего газа в ВУ для сброса его в атмосферу.

До сечения н–н (см. рис. 1.5) воздушный поток является невозмущенным. От сечения н–н до сечения вх–вх поток воздуха разгоняется в сужающемся канале ВЗ. Скорость потока с увеличивается. Так как на этом отрезке пути к воздуху не подводится и от него не отводится энергия, то, в соответствии с законом сохранения энергии, увеличение кинетической энергии c ²/2 приводит к уменьшению энтальпии потока. Уменьшение энтальпии сопровождается снижением давления и температуры рабочего тела (воздуха).

От сечения вх–вх до сечения к–к к потоку воздуха подводится механическая энергия от вращающихся лопаток ОК. Воздушный поток сжимается, следовательно, возрастает его давление и температура (энтальпия), но рост энтальпии, в основном, идет за счет подводимой механической работы и лишь частично за счет кинетической энергии самого потока, поэтому скорость потока с уменьшается незначительно.

Так как расход воздуха постоянный (М _в = const), а его объем уменьшается за счет существенного увеличения плотности при сжатии, для сохранения неразрывности потока необходимо уменьшать площадь проходного сечения тракта ТРД для исключения значительного снижения скорости потока .

От сечения к–к до сечения г–г к рабочему телу, сжатому в ОК, подводится теплота Q _КС, выделяющаяся при сжигании в КС топливно-воздушной смеси (ТВС), состоящей из смеси воздуха и авиационного керосина.

Рабочий процесс в КС организован таким образом, что статическое давление остается постоянным, а температура резко возрастает , следовательно, резко возрастает энтальпия за счет подведенной извне энергии (теплоты).

От сечения г–г до сечения ТК–ТК рабочее тело (сжатый и нагретый воздух и газообразные продукты сгорания топлива) расширяется в ТК. Часть энтальпии превращается в крутящий момент М _т.расп на валу ТК, который необходим для привода ОК и вспомогательных агрегатов. Следовательно температура и давление снижаются

Так как ОК сжимает атмосферный (холодный) воздух, а в ГТ расширяется горячий газ, то располагаемая работа, совершаемая расширяющимся газом в ступени ГТ, значительно выше, чем потребная работа сжатия в ступени ОК. Это позволяет одно- духступенчатой ГТ вращать многоступенчатый компрессор.

От сечения ТК–ТК до сечения т–т происходит расширение рабочего тела (газа) в СТ. Часть энтальпии превращается в крутящий момент М _СТ. на валу СТ, который необходим для привода внешних потребителей. Следовательно, температура и давление снижаются.

От сечения т–т до сечения с–с происходит расширение рабочего тела (газа) в ВУ. Часть энтальпии превращается в кинетическую энергию . Так как ВУ – энергоизолированная система (отсутствует подвод энергии извне и отвод энергии в окружающую среду), то при расширении газ совершает внешнюю механическую работу по разгону потока, то есть полная энергия рабочего тела не изменяется, но часть энтальпии превращается в кинетическую энергию .

 

Контрольные вопрсы:

 

1. Назвать преимущества ГТД перед другими энергетическими установками.

2. Назвать области применения ГТД в наземной технике.

3. Объяснить назначение когенерационных установок на базе ГТД.

4. Пояснить состав и принцип действия ТВаД.

5. Какие энергетические преобразования происходят в узлах ТВаД?

 

Лекция 2. Термодинамические циклы ТВаД

 

Вопросы лекции:

1. Идеальные термодинамические циклы (ТВаД);

2. Термический КПД идеального цикла.

 

Идеальные термодинамические циклы (ТВаД)

 

Последовательность процессов, в результате которых рабочее тело приходит в исходное состояние, называется циклом (рис. 1.6, 1.7).

Условия идеального цикла:

1) процесс обратим;

2) нет потерь тепла, кроме отдачи тепла в «холодильник»;

3) отсутствуют трение, гидравлические и механические потери;

4) рабочее тело неизменно по составу (химическим и физическим свойствам);

5) состояние рабочего тела рассматривается в характерных сечениях: н–н; вх–вх; к–к; г–г; ТК–ТК; т – т; с–с за узлами ТВаД, в которых происходят энергетические преобразования.

Работа идеального цикла ТРД соответствует площади фигур н–к–г–с–н, ограниченных кривыми процессов (см. рис. 1.6, 1.7).

 

 

Рис. 1.6. Диаграмма цикла ТРД в координатах р –J: н–вх – адиабатное сжатие в ВЗ; вх–к – адиабатное сжатие в ОК; к–г – изобарный подвод тепла в КС; г–ТК – адиабатное расширение в ТК; ТК–т – адиабатное расширение в СТ; т–с – адиабатное расширение в РС; с–н – отвод тепла в «холодильник» (выброс газа в атмосферу)

 

Рис. 1.7. Диаграмма цикла ТРД в координатах Т – S: н–вх – изоэнтропное сжатие в ВЗ; вх–к – изоэнтропное сжатие в ОК; к–г – изобарный подвод тепла в КС; г–ТК – изоэнтропное расширение в ТК; ТК–т – изоэнтропное расширение в СТ; т–с – изоэнтропное расширение в РС; с–н – отвод тепла в «холодиль-ник» (выброс газа в атмосферу)

 

Разность между подведенной к рабочему телу (газу) теплотой Q ₁ и отведенной – Q ₂ является той частью теплоты, которая превратилась в полезную работу цикла:

L _ц = Q ₁ – Q ₂, (1.1)

где эквивалентна площади фигуры S _н–н–к–г–с– S _с; эквивалентна площади фигуры S _н–н–с– S _с.

Так как то выражение (1.1) примет вид

. (1.2)

или

, (1.3)

где – полезная внешняя работа при изоэнтропном расширении L _и.р (эквивалентна площади фигуры р _к–к–г–с–н– р _н); – потребная внешняя работа при изотропном сжатии L _и.с (эквивалентна площади фигуры р _н–к–н– р _к).

Выражение (2.3) можно записать как

L _ц = L _и.р – L _и.с. (1.4)