. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СОВРЕМЕННЫХ ГТУ И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ТЕПЛОВОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ
1.1 Основы газотурбинного цикла
Основные принципы работы всех без исключения газотурбинных установок описываются термодинамическим циклом Брайтона. Первоначально этот цикл был предложен Дж. Брайтоном в 1870 г. для поршневого двигателя. В настоящее время он используется в газотурбинных установках со сгоранием при постоянном давлении [2]. Схема установки, в которой реализован модельный цикл Брайтона, изображена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 Схема установки для реализации модельного цикла Брайтона
Для удобства анализа следует полагать, что воздух не выбрасывается в атмосферу на выходе из турбины, а попадает в теплообменник. Это идеализация, которая позволяет рассматривать открытый цикл как замкнутый.
При одной и той же степени повышения давления работа сжатия газа в компрессоре гораздо больше работы сжатия жидкости насосом. Поэтому типичное отношение мощности компрессора к мощности турбины составляет 40 – 80 %, тогда как в паросиловых установках отношение мощностей насоса и турбины обычно не превышает 1 – 2 % [2].
Если известны значения температур рабочего тела в характерных точках цикла 1, 2, 3 и 4, значения энтальпии рабочего тела в этих точках можно рассчитать или найти в справочнике.
В идеализированном цикле Брайтона в качестве рабочего тела рассматривается идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Предполагается, что все процессы протекают обратимо и тепловые потери отсутствуют, процессы в турбине и компрессоре являются изоэнтропными (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 Диаграммы идеализированного цикла Брайтона
1.2 Виды компоновок и особенности конструкций ГТУ
В технике, особенно в такой сложной, как турбиностроение, не бывает абсолютно совершенных технических решений. Любое решение является компромиссом между множеством противоречивых факторов. Сюда относятся технологические возможности предприятия, квалификация и опыт производственного персонала, доступность экспериментальной базы, накопленный позитивный и негативный опыт и многое другое. В результате принимаемые технические решения в большей степени зависят от инженерного искусства, а не только от научных посылок. Действительно, какой смысл будет в термодинамически выгодной тепловой схеме и аэродинамически совершенной проточной части, если через 100 часов после начала эксплуатации из-за коробления статора или коррозионных отложений КПД турбины снизится на 4 - 5 %, и начальную температуру газа придется тоже снизить из-за большой неравномерности поля температур перед турбиной. В конкретных технических решениях отдельных производителей сокрыт их многолетний опыт. Осознать смысл этих решений можно только, проследив последовательное развитие конструкции деталей, узлов и машины в целом [3-6].
Первые отечественные стационарные ГТУ в значительной степени создавались на базе опыта проектирования паровых турбин. Рабочие процессы, происходящие в проточной части паровых и газовых турбин, практически идентичны, поэтому теория и методы их расчетов в известной степени совпадают. Основное отличие, накладывающее отпечаток на метод теплового расчета, связано с тем, что для газовых турбин в значительном диапазоне изменения режимных параметров при проведении инженерных расчетов допустимо считать, что рабочее тело подчиняется законам идеального газа, а для водяного пара подобное допущение становится справедливым только при значительном перегреве пара. Кроме того, паровые турбины работают также и на влажном паре (в диапазоне влажности 0 - 12 %), что требует учета при тепловом и аэродинамическом расчетах [7].
Однако режимные параметры паровых и газовых турбин и способы их регулирования имеют ряд отличий принципиального характера. В результате подходы к их проектированию отличаются весьма значительно. К основным отличиям ГТУ и ПТУ, влияющим на конструкторские решения можно отнести:
1. Диапазон режимных параметров у ПТУ значительно шире, чем у ГТУ. В паросиловой установке пар начинает расширяться от давления 20 - 30 МПа и продолжает расширение до глубокого вакуума (0,004 МПа). В современных ГТУ давление перед турбиной в десять раз меньше (2 - 3 МПа) и расширение газа происходит только до атмосферного давления. В результате располагаемый теплоперепад на турбину у ГТУ существенно меньше, поэтому необходимое число ступеней в ГТУ значительно меньше, чем в ПТУ, и редко оказывается больше пяти-шести [7-10].
Весь текст будет доступен после покупки
