Газотурбинные установки

Простейшая газотурбинная установка, работающая по ра­зомкнутой схеме (рис. 97), состоит из топливного насоса, воз­душного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины (см. с.238 [1]).

Рис. 97. Простейшая ГТУ

Газовая турбина 3 и компрессор 4 расположены на одном валу. Компрессор 4 всасывает атмосферный воздух, сжимает и подает его в камеру сгорания 2, где устанавливается определен­ное давление, при котором происходит сгорание топлива, пода­ваемого насосом 1.

Получающиеся продукты сгорания — газы непрерывно по­ступают в газовую турбину 3, в которой расширяются до давления 101..102 кПа и затем через выхлопную трубу удаляются в атмосферу.

Пуск ГТУ осуществляется с помощью пускового двигателя, который отключается, когда мощность, развиваемая газовой турбиной, достаточна для привода компрессора.

Жидкое топливо сжигается в зоне камеры сгорания, назы­ваемой активной зоной горения. Температура продуктов сгора­ния в этой зоне, при которой процессы сгорания жидкого топ­лива протекают достаточно полно и быстро, обычно превышает 1000°С.

По условиям прочности отдельных деталей нельзя допустить, чтобы в газовую турбину поступали газы со столь высокой тем­пературой. Поэтому в камеру сгорания подается воздух в не­сколько раз больше теоретически необходимого для сжигания топлива. Столь высокий избыток воздуха в ГТУ приводит к большой относительной мощности, затрачиваемой на сжатие в компрессоре. Сжатый воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания, разделяется на два потока. Один поток со­ставляющий 30-40%, вводится в активную зону горения, второй, составляющий 70-60%, охлаждает пламенную трубу, сме­шивается с продуктами сгорания вне активной зоны горения и понижает температуру газа до значения, необходимого на входе в турбину².

Вследствие ограниченного значения температуры газов перед турбиной, значительной мощности, потребляемой компрес­сором, значительной потери тепла с отработавшими газами, обладающими сравнительно высокой температурой, к.п.д. про­стейшей СГТУ разомкнутой схемы при полной нагрузке не превышает 18%.

Низкий к.п.д. простейшей ГТУ разомкнутой схемы и его резкое понижение при частичных нагрузках являются суще­ственными недостатками этого типа установки.

Не­достаток простейшей ГТУ с турбиной и компрессором на одном валу (часть мощности турбины забирает компрессор, а остаток отдается потребителю) — жесткая связь между турбиной, комп­рессором и потребителем, внешние характеристики которых существенно различаются, а это неблагоприятно проявляется при некоторых режимах частичной нагрузки и при пуске.

Этого недостатка лишена двухвальная ГТУ.

Рис. 103. Схема двухвальной СГТУ

В простейшей схеме с независимой силовой турбиной (рис. 103) на одном валу с турбиной высокого давления 2 распо­ложен компрессор 1, отработавшие газы из компрессорной тур­бины поступают в турбину низкого давления 3 — сило­вую. Так как обе турбины не связаны между собой валами, то компрессорная турбина мо­жет развивать число обо­ротов, соответствующее по­требной производительно­сти компрессора, в то время как силовая турбина развивает число оборотов, соответствующее заданному режиму.

Одной из главных причин низкой экономичности ГТУ, работающих по простому циклу, являются значитель­ные потери тепла с отработавшими газами, выбрасываемыми в атмосфе­ру. К. п. д. ГТУ можно существенно повысить, если тепло отработавших в турбине газов использовать для по­догрева воздуха, нагнетаемого ком­прессором в камеру сгорания. Для этой цели в состав установки перед камерой сгорания включают поверхностный теплообменник-реге­нератор.

Тепловая экономичность ГТУ с регенерацией может быть также повышена посредством ступенчатого сжатия воздуха в компрессоре с его охлаждением между ступенями в поверхпостном охладителе. В результате применения ступенчатого сжатия работа компрессора уменьшается, а полезная работа установки увеличивается.

На рис. 109 показана установка с одновременным использованием реге­нерации тепла и ступенчатого сжатия воздуха (см. с.272 [3]).

Рис. 109. Принципиальная схе­ма и цикл ГТУ-10.

1 — ВРШ; 2 — редуктор; 3 — КНД; 4 — ТНД; 5 — ТВД; 6 — воздухоох­ладитель; 7 — пусковой электродви­гатель; 8 — КВД; 9 — камера сгора­ния; 10 — регенератор; 11 — отвод газа в утилизационный котел.

В этой установке сжатие атмосферного воздуха до расчетного давления осуществляется последовательно, сначала в компрессоре низкого давления (КНД), а затем в компрессоре высокого давления (КВД) с промежуточным его охлаждением в поверхностном воздухоохладителе. Перед поступлением в ка­меру сгорания воздух проходит через регенератор.