Рабенко В.С. Термодинамические циклы газотурбинных установок

Подождите немного. Документ загружается.

Продолжение табл. 6.1

Фирма– изготовитель Характерис

тика

«Эшер Висс»

«Фьюджи»,

«Эшер Висс»

GHH

«Фьюджи»

GHH «Эшер

Висс»,

«Биско»

EVD

Рабочее тело

Воздух

Частота

вращения

ротора

генератора, с

–

50 50 50 50 50 50 50

Начало

эксплуата

ции,

год

1956 1957

1961

1961 1960

1972

1974

В настоящее время работы по совершенствованию ЗГТУ ведутся

во всем мире, прежде всего с точки зрения развития автономной аль-

тернативной энергетики. На рис. 6.5 представлена схема проектной

мини– ЗГТУ с рабочим телом на основе гелий-ксеноновой смеси, а в

табл. 6.2 – ее характеристики. Учитывая тот факт, что по прогнозам

стоимость газа будет непрерывно возрастать, а ЗГТУ могут работать

на любом виде топлива, интерес к ним повышается.

Рис. 6.5. Принципиальна схема замкнутой ГТУ с рабочим телом на основе ге-

лий-ксеноновой смеси (проект)

Таблица 6.2. Проектные характеристики ЗГТУ на основе гелий-ксеноновой смеси

Электрическая мощность, кВт 1– 3

Параметры вырабатываемого тока:

переменный ток 50 Гц; 127 / 220 В

постоянный ток 27– 120 В

КПД электрический до 25 %

КПД по полной энергии до 70 %

Ресурс непрерывной работы 30 лет

Уровень шума бесшумная

Регламентные работы, 1 раз в год

продолжительность 1 неделя

Габариты контейнера модуля установки 2 х 1,8 х 2,6 м

Масса модуля 670 кг

Масса модуля установки с контейнером 820 кг

Глава 7. ГТУ СО СВОБОДНО-ПОРШНЕВЫМИ

ГЕНЕРАТОРАМИ ГАЗА

Газотурбинные установки со свободно-поршневыми генераторами

газа (ГТУ с СПГГ) в настоящее время можно отнести к классу энерго-

установок небольших и средних мощностей. ГТУ с СПГГ обладают

высокой тепловой экономичностью, относительно низкой стоимостью,

особенно при их серийном производстве [30 ÷ 33]. Установки способ-

ны использовать дешевые высоковязкие и высокосернистые жидкие

топлива, а также любые газообразные топлива, включая природный

газ. ГТУ с СПГГ требуют для своего размещения незначительных про-

изводственных помещений, обладают возможностью быстрого запус-

ка, имеют значительный моторесурс, высокую надежность и возмож-

ность полной автоматизации технологического процесса.

Все это дает возможность рассматривать ГТУ с СПГГ как пер-

спективный вид энергоустановок для альтернативной энергетики (ма-

лой энергетики) на фоне неуклонного повышения стоимости природ-

ного газа и стремления общества к широкому внедрению энергосбере-

гающих технологий.

Идея заключается в том, что при сочетании ДВС и ГТУ, а также

ГТУ и ПТУ (паротурбинной установки) температурный диапазон уве-

личивается, тем самым повышается КПД комбинированных установок.

ГТУ с СПГГ в отличие от ГТУ с осевым компрессором и автоном-

ной камерой сгорания имеет поршневой компрессор, жестко связан-

ный с поршнями двухтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС),

выполняющего одновременно роль камеры сгорания. Поэтому в ГТУ с

СПГГ удачно сочетаются положительные качества газовой турбины

(меньший вес и габариты, способность работать с большим числом

оборотов, быстрый запуск) с относительно высокой экономичностью

ДВС.

Рабочим телом для газовой турбины (ГТ) в ГТУ с СПГГ служит

смесь продувочного воздуха из компрессора с продуктами сгорания

ДВС. Роль компрессора и одновременно камеры сгорания выполняет

СПГГ, который по принципу действия напоминает двухтактный ди-

зель высокого наддува с противоположно движущимися поршнями.

СПГГ – это двухтактный ДВС (дизель), работающий с высоким

наддувом, в единой конструкции с поршневым компрессором, осуще-

ствляющим этот наддув. СПГГ обеспечивает рабочим телом необхо-

димых параметров ГТ.

Отличие СПГГ от ДВС (рис. 7.1) заключается в том, что ДВС вы-

полняет одновременно две функции: генератора рабочего газа, выде-

ляющегося при сжигании топлива, и теплового двигателя, преобра-

зующего тепло газа в механическую работу. СПГГ выполняет только

одну функцию: мощность двигателя полностью расходуется на сжатие

воздуха в цилиндрах. Это позволило конструктивно выполнять СПГГ

без кривошипно-шатунного механизма. В СПГГ сохраняется только

основная часть ДВС – камера сгорания (КС), образуемая в средней

части генератора двумя поршнями.

Поршни компрессоров используются одновременно для сжатия

воздуха в воздушных буферах, служащих для возвращения поршней во

внутренние мертвые точки после рабочего хода.

ДВС

ГТУ

ПТУ

tmax=2300 C

tmin=400…600 C

tmax=1200..1450 C

tmin=200...300 C

tmin=50 C

tmax=800 C

Рис. 7.1. Диапазон изменения минимальной и максимальной температур цикла для

различных типов тепловых двигателей

Принципиальная схема ГТУ с СПГГ приведена на рис. 7.2.

СПГГ работает следующим образом: перед пуском генератора

поршни разводятся специальным устройством, после чего сжатый воз-

дух из пускового резервуара поступает одновременно в оба буфера.

Поршни 10 компрессоров при движении навстречу друг друга

сжимают воздух и вытесняют его из полостей 2 через клапаны 4 в про-

дувочный ресивер 11. Из ресивера через продувочные окно 6 воздух

поступает в «дизельный» цилиндр 9 сначала для продувки его, 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 самовос-

пламеняется от сжатия. Вследствие расширения газов в цилиндре 9

при сгорании топлива поршни 5 начинают расходиться в противопо-

ложные стороны. При этом поршни 10, жестко связанные с поршнями

5, сжимают воздух в буферных полостях 1. Одновременно через кла-

паны 3 всасывается атмосферный воздух в компрессорные полости 2.

100

Далее, как только поршень 5 откроет выпускные окна 8, газы из ди-

зельного цилиндра выпускаются в уравнительной ресивер 12, а из него

смесь газов с продувочным воздухом при температуре 450...600 °С

направляется в турбину 13. Развиваемая турбиной мощность почти

целиком отдается потребителю 14. Для перемещения поршней снова

навстречу друг другу используется энергия сжатого воздуха, находя-

щегося в буферных полостях 1. Затем все повторяется.

Имеется синхронизатор для обеспечения согласованности пере-

мещений поршневых групп.

Таким образом, вся мощность ГТ используется только для привода

силовых агрегатов: электрогенератора, насоса, судового винта и т. п.

Рис. 7.2. ГТУ с поршневыми камерами сгорания: 1–буферная полость;

2–компрессорные полости; 3–впускные клапаны; 4–перепускные клапаны; 5–поршень;

6–продувочные окна; 7–форсунка; 8–выпускные окна; 9–цилиндр («дизельный»);

10–поршни компрессоров; 11–продувочный ресивер; 12–уравнительный ресивер;

13–турбина; 14–нагрузка

ГТУ с СПГГ удачно сочетает в себе положительные свойства ДВС

и ГТ, поэтому КПД установки достаточно высок и достигает 37…40 %.

Высокая их экономичность объясняет большим перепадом темпе-

ратур, с которым осуществляется рабочий процесс. Высшей темпера-

турой является температура сгорания топлива в «дизельном» цилиндре

(порядка 1800 °С), а низшей – температура газов, выпускаемых из тур-

бины (200...300 °С).

101

Особенностью работы ГТ в установках с СПГГ являются относи-

тельно низкие начальные параметры газовой смеси в отличие от обыч-

ных ГТ. Это позволяет иметь в установке сравнительно простую и де-

шевую газовую турбину. В обычной ГТУ, чтобы снизить температуру

продуктов сгорания с 1800 °С до допустимой Т

приходится специаль-

но увеличивать коэффициент избытка воздуха до 4...8, для чего требу-

ется соответствующее увеличение производительности компрессора, а

следовательно, и мощности, затрачиваемой на его привод. В СПГГ

необходимое снижение температуры газов до T

достигается в резуль-

тате их расширения в «дизельном» цилиндре. За счет этого поршни

совершают полезную работу – сжатие воздуха в компрессорных по-

лостях до заданного давления.

Преимущества ГТУ с СПГГ по сравнению с ГТУ с осевыми

компрессорами, камерами сгорания и работающих при p = const.

1. Незначительное влияние давления и температуры окружающей сре-

ды на мощность установки.

2. Возможность отключения нескольких ГТУ с СПГГ при их парал-

лельной работе.

3. Малый расход топлива при работе на холостом ходу.

4. Хорошие показатели установки на переменных режимах работы.

Достоинства ГТУ с СПГГ.

1. Высокая надежность и экономичность как при номинальной, так и

при частичных нагрузках.

2. Относительно низкая стоимость оборудования.

3. Невысокие затраты на эксплуатацию и текущий ремонт.

4. Простота обслуживания (численность персонала невелика, относи-

тельно низкие требования к квалификации персонала).

5. Простота пуска и регулирования нагрузки.

6. Высокий моторесурс (80 … 100 тыс. ч).

7. Способность работы на дешевых и низкосортных топливах.

8. Возможность увеличения мощности установки путем увеличения

числа СПГГ.

Технико-экономические расчеты показывают, что применение

ГТУ с СПГГ оправдано для электростанций мощностью до 25 МВт.

Для ТЭС большей мощности (до 50 МВт) они по сравнению с ПТУ

остаются более предпочтительными, а в сравнении с обычными ГТУ

их технико-экономические показатели сближаются.

По сравнению с энергетическими газопоршневыми агрегатами

(ГПА) применение ГТУ с СПГГ во всем диапазоне мощностей сопро-

вождается несколько лучшими показателями.

102

В номинальном режиме работы КПД ДВС ГТУ с СПГГ примерно

одинаковы. При работе на частичных нагрузках КПД ДВС быстро

уменьшается, а КПД ГТУ с СПГГ уменьшается в меньшей степени и в

основном за счет уменьшения КПД ГТ.

Обычные ГТУ с осевыми компрессорами и КС отличаются резким

уменьшением КПД на частичных нагрузках, и для них частичные на-

грузки крайне нежелательны. Поэтому обычные ГТУ уступают как

ДВС, так и ГТУ с СПГГ.

ГТУ с СПГГ могут также успешно применяться в комбинирован-

ных парогазовых установках (ПГУ).

Основной недостаток ГТУ с СПГГ – невысокие единичные мощ-

ности энергоблоков: N

эл

= 1,5 … 6,0 МВт.

Вывод. ГТУ с СПГГ, имея определенные экономические и экс-

плуатационные достоинства, перспективны для применения в ма-

лой энергетике.

103

Глава 8. АВИАЦИОННЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

8.1. Классификация авиационных двигателей

Наиболее общей и важной особенностью всей совокупности авиа-

ционных двигателей [14, 27, 63]является возможность разделения их

на две принципиально отличные группы:

1) воздушные двигатели, способные работать только в пределах

атмосферы;

2) ракетные двигатели, не требующие для своей работы наличия

атмосферы.

Практически важное отличие этих двух групп двигателей заклю-

чается в использовании двигателями первой группы в качестве основ-

ной массы рабочего тела воздух атмосферы, тогда как у двигателей

второй группы рабочее тело находится на борту летательного аппара-

та. На рис. 8.1 представлена классификация авиационных двигателей.

Двигатели первого типа назовем атмосферными или, применительно к

земным условиям, воздушными, а второго типа – ракетными.

Воздушные двигатели, делятся на двигатели, у которых тепловая

машина и движитель не совмещаются в одном агрегате, и на двигате-

ли, у которых тепловая машина и движитель представляют собой еди-

ный агрегат.

Двигатели 1-й группы условно назовем винтовыми воздушными

двигателями и двигателями 2-й группы – реактивными воздушными

двигателями.

Основными представителями группы винтовых воздушных двига-

телей являются винто-моторные и турбовинтовые двигатели, имеющие

одинаковые движители (воздушный винт), но отличающиеся различ-

ными типами тепловых машин: у винто-моторных двигателей машина

представляет собой мотор, у турбовинтовых двигателей – турбоком-

прессор.

Группу реактивных воздушных двигателей представляют турборе-

активные воздушные двигатели:

• турбореактивные двухконтурные или турбовентиляторные дви-

гатели;

• турборакетные двигатели (турбореактивные двигатели);

• прямоточные воздушно-реактивные двигатели (прямоточные

реактивные двигатели);

• ракетно-прямоточные двигатели.

Принципиальное отличие последних от прямоточных воздушно-

реактивных двигателей заключается в сжатии воздуха за счет подвода

механической энергии в тракте двигателя. Необходимое для работы

104

двигателя повышение статического давления происходит только за

счет торможения движущегося во входном устройстве воздухозабор-

ника воздуха.

Рис. 8.1. Классификация авиационных двигателей

Ракетные двигатели можно классифицировать исходя из рода

энергии, используемой в движителях. Они делятся:

• на двигатели с ядерным топливом;

• на двигатели с электро-ядерным топливом;

• на двигатели с химическим топливом.

Последние можно подразделить на ракетные двигатели, исполь-

зующие жидкое топливо, и на двигатели, использующие твердое топ-

ливо.

8.2. Винто-моторные (поршневые) двигатели

Современные авиационные поршневые двигатели представляют

собой звездообразные четырехтактные двигатели, работающие на бен-

зине. Охлаждение цилиндров поршневых двигателей выполняется, как

правило, воздушное. Ранее в авиации находили применение поршне-

вые двигатели и двигатели с водяным охлаждением цилиндров. Порш-

105

невые двигатели различают по способу смесеобразования топлива с

воздухом. На рис. 8.2 представлен принцип работы четырехтактного

поршневого двигателя.

Рис. 8.2. Принцип работы поршневого двигателя: 1 – поршень; 2 – шатун;

3 – коленчатый вал; 4 – впускной клапан; 5 – выпускной клапан; 6 – цилиндр двигателя

Образование смеси осуществляется либо непосредственно в цилинд-

рах, либо в специальном устройстве, называемом карбюратором, отку-

да в цилиндр поступает готовая смесь. В зависимости от способа сме-

сеобразования поршневые авиационные двигатели подразделяются на

карбюраторные и двигатели с непосредственным впрыском. Сгорание

топлива в поршневом двигателе осуществляется в цилиндрах, при этом

тепловая энергия преобразуется в механическую работу, так как под

действием давления образующихся газов происходит поступательное

движение поршня. Поступательное движение поршня, в свою очередь,

преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя

через шатун, являющийся связующим звеном между цилиндром с

поршнем и коленчатым валом.

8.3. Турбовинтовые двигатели (ТВД)

Для современных самолетов, обладающих большой грузоподъем-

ностью и дальностью полета, нужны двигатели, которые могли бы раз-

вить необходимые тяги при минимальном удельном весе. Этим требо-

ваниям удовлетворяют турбореактивные двигатели.

Однако они неэкономичны по сравнению с винтомоторными уста-

новками на небольших скоростях полета. В связи с этим некоторые

типы самолетов, предназначенные для полетов с относительно невы-

сокими скоростями и с большой дальностью, требуют постановки дви-

гателей, которые сочетали бы в себе преимущества ТРД с преимуще-

ствами винтомоторной установки на малых скоростях полета. К таким

двигателям относятся турбовинтовые двигатели (рис. 8.3).