Принипиальные схемы ГТУ открытого цикла

Газотурбинная установка (ГТУ) это двигатель внутреннего сгорания, где в качестве рабочего тела (в отличие от паровых турбин) используется неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива или нейтральные газы), а качестве тягового двигателя применяется газовая турбина[7].

Турбина и есть тот двигатель, в котором механическая работа на валу машины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, в свою очередь, получаемую в результате преобразования потенциальной энергии сгоревшего топлива.

Основным отличительным признаком работы газотурбинного двигателя, от поршневых двигателей внутреннего сгорания является организация круговых процессов. В поршневых машинах все основные процессы цикла – сжатие, подвод топлива и расширение продуктов сгорания последовательно сменяя друг друга организуются и осуществляются в одном и том же замкнутом пространстве

 (система цилиндр - поршень), а в газотурбинном двигателе все эти процессы непрерывно проводятся в различных его элементах, последовательно расположенных по ходу движения рабочего тела (компрессор - камера сгорания - газовая турбина).

В зависимости от способов организации подвода тепла топлива к рабочему телу, организации процессов сжатия и расширения, газотурбинные установки обычно выполняются по так называемому открытому (или разомкнутому. циклу).

Простейшие схемы ГТУ открытого цикла (рис. 1а) соответствует варианту ГТУ в так называемом одновальном исполнении, когда компрессор, газовая турбина и нагнетатель газа монтируются на одном валу; схема 1б – варианту ГТУ в двухвальном исполнении ( когда силовая турбина и нагнетатель расположены на другом, независимом валу).

Рис. 1. Принципиальные схемы ГТУ: а, б – простейшие схемы

открытого цикла

 К - осевой компрессор; КС - камера сгорания; Т- турбина; Н – нагрузка; ТВД – турбина высокого давления; ТНД – турбина низкого давления

Рабочий процесс ГТУ простейших схем, Рис. 1. 1а и Рис. 1б осуществляются следующим образом: атмосферный воздух, пройдя систему воздушных фильтров, поступает на вход осевого компрессора (К), где сжимается до давления нескольких атмосфер в зависимости от условий технологического процесса сжатия и конструктивного оформления осевого компрессора. После сжатия в компрессоре, воздух с конечной, повышенной температурой сжатия, поступает в камеру сгорания (КС), где за счет сжигания подводимого извне топлива, температура рабочего тела доводится до величины, обусловленной жаростойкостью лопаток и дисков газовой турбины. После прохождения газовой турбины, продукты сгорания с температурой порядка 350-500 ⁰С выбрасываются в атмосферу.

Мощность, развиваемая газовой турбиной, идет на привод осевого компрессора (большая ее часть, примерно 60 – 65 % ) и привод центробежного нагнетателя, либо для выполнения какой-то другой полезной нагрузки. КПД таких установок в настоящее время может находиться на уровне 28-30%. Следует отметить, что газотурбинные установки, выполненные на базе авиационных установок, с высокой температурой газов перед турбиной (1200-1300 ⁰С )  и высоким соотношением давлений сжатия по осевому компрессору ( на уровне 18-20 ), имеют КПД порядка 36-38 % и даже выше.

В одновальных установках (рис. 1а) все элементы ГТУ – осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель (полезная нагрузка) находящихся на одном валу, имеют одну и туже частоту вращения. При использовании ГТУ с «разрезным» валом (рис. 1б), где силовая турбина и нагнетатель механически не связаны с валом осевого компрессора и турбины высокого давления, нагнетатель может иметь практически любую частоту вращения, ему необходимую.

Характерной особенностью газотурбинной установки является не только получение полезной работы на валу нагнетателя, но и определенного количества теплоты, которую можно и желательно использовать для самой ГТУ в целях повышения ее КПД ( в так называемых установках с регенерацией теплоты отходящих газов ), или для нужд теплофикации.

Благодаря этим особенностям, ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов (рис. 2) получили широкое распространение на газопроводах.

Рис. 2. Принципиальные схемы ГТУс регенерацией теплоты

отходящих газов

 К – осевой компрессор; КС – камера сгорания; Р - регенератор; ТВД – турбина высокого давления; ТНД – турбина низкого давления

Рабочий процесс газотурбинной установки с регенерацией теплоты отходящих газов (рис. 2) осуществляется следующим образом: атмосферный воздух после прохождения системы воздушных фильтров (на схемах они не показаны), очищается от пыли и других примесей, поступает на вход осевого компрессора (К), сжимается до некоторого давления, а после сжатия в компрессоре воздух поступает в рекуператор Р (регенератор или воздухоподогреватель) где за счет использования теплоты отходящих из турбины газов его температура повышается, обычно на 200-250 ^оС. После регенератора воздух поступает в камеру сгорания (КС), куда одновременно извне подается топливный газ, в результате чего температура газов перед турбиной высокого давления (ТВД) доводится до заданной величины. После расширения газов в газовой турбине, продукты сгорания проходят регенератор, в котором они частично охлаждаются, подогревая тем самым сжатый воздух после осевого компрессора перед поступлением его в камеру сгорания, и далее через выхлопную трубу выбрасываются в атмосферу.

Коэффициент полезного действия ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов в настоящее время достигает величины порядка 30-32%.

Следует заметить, что наличие регенератора в схемах ГТУ, наряду с определенной экономией топливного газа, сопровождается неизбежными потерями мощности установки на преодоление гидравлических сопротивлений рабочего тела в газовоздушных трактах, усложняет и удорожает установку, увеличивает расходы на ее обслуживание. Поэтому вопрос о целесообразности использования регенеративных установок должен решаться на основе термодинамических и основанных на них технико-экономических расчетах.

В настоящее время широкое распространение получили и получают ГТУ авиационного типа. В большинстве своем они выполнены по схеме рис. 1. 1б, но в ряде случаев и по схеме, имеющей две ступени сжатия воздуха без его промежуточного охлаждения между компрессорами, и в конструктивном отношении выполненные как трехвальные установки. Такие схемы имеют два компрессора и три последовательно расположенные газовые турбины: турбину высокого давления (ТВД), турбину среднего давления (ТСД) и турбину низкого давления (ТНД) – силовую турбину, находящуюся на одном валу с нагнетателем газа. Компрессор первой ступени сжатия приводится во вращение от турбины среднего давления, компрессор второй ступени сжатия – от турбины высокого давления. Конструктивно вал компрессора первой ступени сжатия и турбины среднего давления располагается внутри вала, соединяющего компрессор второй ступени сжатия и турбину высокого давления. Компрессоры первой и второй ступени сжатия работают на различных частотах вращения. Газотурбинные установки подобных схем позволяют получить высокие соотношения давлений сжатия в цикле – на уровне 16-20, что в сочетании с относительно высокими температурами газов перед ТВД в авиационных ГТУ (1200-1300 ^оС) позволяет, как уже отмечалось, получать КПД установки на уровне 35-36 % и выше.