Wie unterscheiden sich GTU- und GuD-Effizienz für inländische und ausländische Kraftwerke? Funktionsweise einer Gasturbine Funktionsweise einer Gasturbine

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Eine Turbine ist ein Motor, bei dem die potentielle Energie eines komprimierbaren Fluids im Schaufelapparat in kinetische Energie umgewandelt wird und diese in den Laufrädern in mechanische Arbeit, die auf eine kontinuierlich rotierende Welle übertragen wird.

Dampfturbinen stellen bauartbedingt eine Wärmekraftmaschine dar, die ständig in Betrieb ist. Während des Betriebs tritt überhitzter oder gesättigter Wasserdampf in den Strömungsweg ein und zwingt aufgrund seiner Ausdehnung den Rotor zur Drehung. Die Rotation erfolgt durch die auf den Schaufelapparat einwirkende Dampfströmung.

Die Dampfturbine ist Teil des Dampfturbinendesigns, das zur Energieerzeugung ausgelegt ist. Es gibt auch Anlagen, die neben Strom auch Wärmeenergie erzeugen können - der Dampf, der durch die Dampfschaufeln getreten ist, gelangt in die Warmwasserbereiter des Netzes. Dieser Turbinentyp wird als Industrieheizung oder Heizturbine bezeichnet. Im ersten Fall erfolgt die Dampfentnahme für industrielle Zwecke in der Turbine. Zusammen mit einem Generator ist eine Dampfturbine eine Turbineneinheit.

Typen von Dampfturbinen

Turbinen werden je nach Richtung, in die sich der Dampf bewegt, in Radial- und Axialturbinen unterteilt. Der Dampfstrom in Radialturbinen ist senkrecht zur Achse gerichtet. Dampfturbinen können ein-, zwei- und dreifach sein. Die Dampfturbine ist mit verschiedenen technischen Einrichtungen ausgestattet, die das Eindringen von Umgebungsluft in das Gehäuse verhindern. Dies sind eine Vielzahl von Dichtungen, die in geringer Menge mit Wasserdampf versorgt werden.

Am vorderen Teil der Welle befindet sich ein Sicherheitsregler, der die Dampfzufuhr abschaltet, wenn die Turbinendrehzahl zunimmt.

Eigenschaften der Hauptparameter der Nennwerte

· Nennleistung der Turbine- die maximale Leistung, die die Turbine über einen langen Zeitraum an den Klemmen des elektrischen Generators entwickeln muss, bei normalen Werten der Hauptparameter oder wenn sie sich innerhalb der von der Industrie festgelegten Grenzen ändern und staatliche Normen. Eine geregelte Dampfentnahmeturbine kann über ihre Nennleistung hinaus Leistung entwickeln, wenn dies den Festigkeitsverhältnissen ihrer Teile entspricht.

· Wirtschaftskraft der Turbine- die Leistung, bei der die Turbine mit dem größten Wirkungsgrad arbeitet. Abhängig von den Frischdampfparametern und dem Verwendungszweck der Turbine kann die Nennleistung gleich der Wirtschaftsleistung oder um 10-25 % höher sein.

· Solltemperatur der regenerativen Speisewassererwärmung- die Temperatur des Speisewassers nach dem letzten Erhitzer in Wasserrichtung.

· Kühlwassernenntemperatur- die Temperatur des Kühlwassers am Eintritt in den Kondensator.

Gasturbine(v. Turbine ab lat. Turbo Wirbel, Rotation) ist eine kontinuierliche Wärmekraftmaschine, in deren Schaufelapparat die Energie von komprimiertem und erhitztem Gas in mechanische Arbeit an der Welle umgewandelt wird. Es besteht aus einem Rotor (auf Scheiben montierte Laufschaufeln) und einem Stator (im Gehäuse befestigte Leitschaufeln).

Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck tritt durch die Turbinendüsenvorrichtung in den Niederdruckbereich hinter dem Düsenteil ein, wobei es gleichzeitig expandiert und beschleunigt. Ferner tritt der Gasstrom in die Turbinenschaufeln ein, gibt ihnen einen Teil seiner kinetischen Energie und überträgt Drehmoment auf die Schaufeln. Die Rotorblätter übertragen das Drehmoment über die Turbinenscheiben auf die Welle. Vorteilhafte Eigenschaften Gasturbine: Eine Gasturbine z. B. treibt mit ihr einen Generator an, der sich auf derselben Welle befindet nützliche Arbeit Gasturbine.

Gasturbinen werden als Teil von Gasturbinentriebwerken (für den Transport) und Gasturbineneinheiten (in Wärmekraftwerken als Teil von stationären GTUs, CCGTs) verwendet. Gasturbinen werden durch den thermodynamischen Zyklus von Brayton beschrieben, bei dem Luft zuerst adiabatisch komprimiert, dann bei konstantem Druck verbrannt und dann adiabatisch wieder auf den Ausgangsdruck expandiert wird.

Arten von Gasturbinen

- Flugzeug- und Strahltriebwerke

- Hilfsstromeinheit

- Industrielle Gasturbinen zur Stromerzeugung

- Turbowellenmotoren

- Radiale Gasturbinen

- Mikroturbinen

Mechanisch können Gasturbinen wesentlich einfacher sein als Hubkolben-Verbrennungsmotoren. Einfache Turbinen können ein bewegliches Teil haben: Welle/Kompressor/Turbine/alternative Rotorbaugruppe (siehe Abbildung oben), ohne das Kraftstoffsystem.

Komplexere Turbinen (die in modernen Strahltriebwerken verwendet werden) können mehrere Wellen (Spulen), Hunderte von Turbinenschaufeln, bewegliche Statorschaufeln und ein umfangreiches System komplexer Rohrleitungen, Brennkammern und Wärmetauscher haben.

Als allgemeine Regel gilt: Je kleiner der Motor, desto höher die Drehzahl der Welle(n), die erforderlich ist, um die maximale lineare Geschwindigkeit der Blätter aufrechtzuerhalten. Höchstgeschwindigkeit Turbinenschaufeln bestimmen den maximal erreichbaren Druck maximale Leistung unabhängig von der Motorgröße. Düsentriebwerk dreht sich mit einer Frequenz von etwa 10.000 U / min und eine Mikroturbine - mit einer Frequenz von etwa 100.000 U / min.

Eine Gasturbine wird üblicherweise als kontinuierlich arbeitender Motor bezeichnet. Als nächstes werden wir darüber sprechen, wie eine Gasturbine angeordnet ist, was das Funktionsprinzip der Einheit ist. Ein Merkmal eines solchen Motors ist, dass in seinem Inneren durch komprimiertes oder erhitztes Gas Energie erzeugt wird, deren Ergebnis die mechanische Arbeit an der Welle ist.

Geschichte der Gasturbine

Interessanterweise werden Turbinenmechanismen schon sehr lange von Ingenieuren entwickelt. Die erste primitive Dampfturbine entstand im 1. Jahrhundert v. e.! Natürlich ist es unerlässlich
Dieser Mechanismus hat erst jetzt seine Blütezeit erreicht. Turbinen wurden Ende des 19. Jahrhunderts gleichzeitig mit der Entwicklung und Verbesserung der Thermodynamik, des Maschinenbaus und der Metallurgie aktiv entwickelt.

Die Prinzipien von Mechanismen, Materialien und Legierungen haben sich geändert, alles wurde verbessert, und heute kennt die Menschheit die perfekteste aller bisher existierenden Formen einer Gasturbine, die in verschiedene Typen unterteilt ist. Es gibt eine Fluggasturbine und eine industrielle.

Es ist üblich, eine Gasturbine als eine Art Wärmekraftmaschine zu bezeichnen, deren Arbeitsteile nur mit einer Aufgabe vorbestimmt sind - sich aufgrund der Wirkung eines Gasstrahls zu drehen.

Es ist so angeordnet, dass der Hauptteil der Turbine durch ein Rad dargestellt wird, an dem Schaufelsätze befestigt sind. , wirkt auf die Schaufeln einer Gasturbine, bringt sie in Bewegung und dreht das Rad. Das Rad wiederum ist starr an der Welle befestigt. Dieses Tandem hat einen besonderen Namen - den Turbinenrotor. Als Ergebnis dieser Bewegung, die innerhalb des Gasturbinentriebwerks stattfindet, wird mechanische Energie gewonnen, die an einen elektrischen Generator, an einen Schiffspropeller, an einen Flugzeugpropeller und andere Antriebsmechanismen eines ähnlichen Funktionsprinzips übertragen wird.

Aktiv- und Strahlturbinen

Der Aufprall des Gasstrahls auf die Turbinenschaufeln kann zweifach sein. Daher werden Turbinen in Klassen eingeteilt: die Klasse der aktiven und reaktiven Turbinen. Reaktive und aktive Gasturbinen unterscheiden sich im Prinzip der Vorrichtung.

Impulsturbine

Eine aktive Turbine zeichnet sich dadurch aus, dass eine hohe Gasströmung zu den Rotorblättern erfolgt. Mit Hilfe einer gekrümmten Schaufel weicht der Gasstrahl von seiner Flugbahn ab. Als Ergebnis der Umlenkung entwickelt sich eine große Zentrifugalkraft. Mit Hilfe dieser Kraft werden die Klingen in Bewegung versetzt. Während des gesamten beschriebenen Weges des Gases geht ein Teil seiner Energie verloren. Diese Energie wird auf die Bewegung des Laufrads und der Welle gerichtet.

Strahlturbine

Bei einer Strahlturbine ist das etwas anders. Dabei erfolgt die Gasströmung zu den Rotorblättern mit geringer Geschwindigkeit und unter Einwirkung eines hohen Druckniveaus. Auch die Form der Schaufeln ist hervorragend, wodurch die Gasgeschwindigkeit deutlich erhöht wird. Der Gasstrahl erzeugt also eine Art Reaktionskraft.

Aus dem oben beschriebenen Mechanismus folgt, dass die Vorrichtung einer Gasturbine ziemlich kompliziert ist. Damit ein solches Gerät reibungslos funktioniert und seinem Besitzer Gewinn und Nutzen bringt, sollten Sie seine Wartung Fachleuten anvertrauen. Auf Service spezialisierte Unternehmen bieten Servicewartung von Anlagen mit Gasturbinen, Lieferungen von Komponenten, allen Arten von Teilen und Teilen. DMEnergy ist ein solches Unternehmen (), das seinen Kunden die Gewissheit gibt, dass er mit den Problemen, die beim Betrieb einer Gasturbine auftreten, nicht allein gelassen wird.

Das Funktionsprinzip von Gasturbinenanlagen

Abb.1. Schema einer Gasturbineneinheit mit einem Einwellen-Gasturbinentriebwerk eines einfachen Zyklus

Der Verdichter (1) des Gasturbinenaggregates wird mit versorgt frische Luft. Unter hohem Druck wird Luft vom Kompressor in die Brennkammer (2) geleitet, wo auch der Hauptbrennstoff Gas zugeführt wird. Das Gemisch entzündet sich. Bei der Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches wird Energie in Form eines heißen Gasstroms erzeugt. Diese Strömung strömt mit hoher Geschwindigkeit auf das Turbinenrad (3) zu und dreht es. Die kinetische Rotationsenergie durch die Turbinenwelle treibt den Kompressor und den elektrischen Generator (4) an. Von den Anschlüssen des Stromgenerators wird der erzeugte Strom, normalerweise über einen Transformator, an das Stromnetz zu den Energieverbrauchern gesendet.

Gasturbinen werden durch den thermodynamischen Brayton-Zyklus beschrieben.Der Brayton/Joule-Zyklus ist ein thermodynamischer Zyklus, der die Arbeitsprozessevon Gasturbinen-, Turbostrahl- und Staustrahl-Verbrennungsmotoren sowie Gasturbinen-Verbrennungsmotorenmit äußerer Verbrennung mit einem geschlossenen Kreislauf eines Gases beschreibt (einphasiges) Arbeitsmedium.

Der Zyklus ist nach dem amerikanischen Ingenieur George Brighton benannt, der den Hubkolben-Verbrennungsmotor erfand, der mit diesem Zyklus betrieben wurde.

Manchmal wird dieser Kreislauf auch als Joule-Zyklus bezeichnet – zu Ehren des englischen Physikers James Joule, der das mechanische Äquivalent von Wärme etablierte.

Abb.2. P,V-Diagramm Brighton-Zyklus

Der ideale Brayton-Zyklus besteht aus den Prozessen:

1-2 Isentrope Kompression.
2-3 Isobarer Wärmeeintrag.
3-4 Isentrope Expansion.
4-1 Isobare Wärmeabfuhr.

Unter Berücksichtigung der Unterschiede zwischen realen adiabatischen Expansions- und Kontraktionsprozessen und isentropischen Prozessen wird ein echter Brayton-Zyklus konstruiert (1-2p-3-4p-1 im T-S-Diagramm) (Abb. 3).

Abb. 3. T-S-Diagramm Brighton-Zyklus
Optimal (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Der thermische Wirkungsgrad eines idealen Brayton-Zyklus wird normalerweise durch die Formel ausgedrückt:

wobei P = p2 / p1 - der Grad der Druckerhöhung im Prozess der isentropischen Kompression (1-2);
k - Adiabatischer Index (für Luft gleich 1,4)

Es sei besonders darauf hingewiesen, dass diese allgemein anerkannte Art der Berechnung der Kreislaufeffizienz das Wesentliche des laufenden Prozesses verschleiert. Der Grenzwirkungsgrad des thermodynamischen Kreisprozesses wird über das Temperaturverhältnis nach der Carnot-Formel berechnet:

wobei T1 die Kühlschranktemperatur ist;
T2 - Heizungstemperatur.

Genau das gleiche Temperaturverhältnis lässt sich durch die im Kreislauf verwendeten Druckverhältnisse und den Adiabatenindex ausdrücken:

Somit hängt die Effizienz des Brayton-Zyklus genauso von der Anfangs- und Endtemperatur des Zyklus ab wie die Effizienz des Carnot-Zyklus. Bei einer infinitesimalen Erwärmung des Arbeitsmediums entlang der Linie (2-3) kann der Prozess als isotherm angesehen werden und ist dem Carnot-Kreisprozess vollständig äquivalent. Die Erwärmungsmenge des Arbeitsfluids T3 im isobaren Prozess bestimmt die Arbeitsmenge in Bezug auf die Menge des im Kreislauf verwendeten Arbeitsfluids, beeinflusst aber in keiner Weise den thermischen Wirkungsgrad des Kreislaufs. Allerdings wann praktische Anwendung Der Heizzyklus wird normalerweise auf die höchstmöglichen Werte durchgeführt, die durch die Wärmebeständigkeit der verwendeten Materialien begrenzt sind, um die Größe der Mechanismen zu minimieren, die das Arbeitsmedium komprimieren und expandieren.

In der Praxis verursachen Reibung und Turbulenzen:

Nicht-adiabatische Verdichtung: Bei einem gegebenen Gesamtdruckverhältnis ist die Austrittstemperatur des Verdichters höher als ideal.
Nichtadiabatische Expansion: Obwohl die Turbinentemperatur auf das für den Betrieb notwendige Niveau sinkt, wird der Kompressor nicht beeinflusst, das Druckverhältnis ist höher, wodurch die Expansion nicht ausreicht, um nützliche Arbeit zu leisten.
Druckverluste im Lufteinlass, Brennraum und Auslass: Dadurch reicht die Expansion nicht aus, um nutzbare Arbeit zu leisten.

Wie bei allen zyklischen Wärmekraftmaschinen gilt: Je höher die Verbrennungstemperatur, desto höher der Wirkungsgrad. Der begrenzende Faktor ist die Fähigkeit von Stahl, Nickel, Keramik oder anderen Materialien, aus denen der Motor besteht, Hitze und Druck standzuhalten. Ein Großteil der technischen Arbeit konzentriert sich darauf, Wärme von Teilen der Turbine abzuführen. Die meisten Turbinen versuchen auch, Wärme aus Abgasen zurückzugewinnen, die ansonsten verschwendet werden.

Rekuperatoren sind Wärmetauscher, die vor der Verbrennung Wärme von Abgasen auf Druckluft übertragen. In einem kombinierten Zyklus wird Wärme an die Dampfturbinensysteme übertragen. Und in der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird Abwärme zur Warmwasserbereitung genutzt.

Abb.4. Diese Maschine hat einen einstufigen Radialkompressor,
Turbine, Rekuperator und Luftlager.

Als allgemeine Regel gilt: Je kleiner der Motor, desto höher die Drehzahl der Welle(n), die erforderlich ist, um die maximale lineare Geschwindigkeit der Blätter aufrechtzuerhalten.

Die maximale Drehzahl der Turbinenschaufeln bestimmt den maximal erreichbaren Druck, was zu maximaler Leistung führt, unabhängig von der Motorgröße. Das Strahltriebwerk dreht sich mit etwa 10.000 U/min und die Mikroturbine mit etwa 100.000 U/min.

Eine traditionelle moderne Gasturbinenanlage (GTP) ist eine Kombination aus einem Luftkompressor, einer Brennkammer und einer Gasturbine sowie Hilfssystemen, die ihren Betrieb sicherstellen. Die Kombination aus einer Gasturbine und einem elektrischen Generator wird als Gasturbineneinheit bezeichnet.

Es ist notwendig, einen wichtigen Unterschied zwischen GTU und PTU hervorzuheben. Die Zusammensetzung der PTU enthält keinen Kessel, genauer gesagt wird der Kessel als separate Wärmequelle betrachtet; Mit dieser Überlegung ist der Kessel eine „Black Box“: Speisewasser tritt mit einer Temperatur von $t_(p.w)$ ein und Dampf tritt mit den Parametern $p_0$, $t_0$ aus. Eine Dampfturbinenanlage kann ohne einen Kessel als physisches Objekt nicht betrieben werden. In einer Gasturbine ist die Brennkammer ihr integraler Bestandteil. In diesem Sinne ist die GTU autark.

Gasturbinenanlagen sind äußerst vielfältig, vielleicht sogar mehr als Dampfturbinen. Im Folgenden betrachten wir die vielversprechendsten und am häufigsten verwendeten Gasturbinen eines einfachen Zyklus in der Energiewirtschaft.

Ein schematisches Diagramm einer solchen Gasturbine ist in der Figur gezeigt. Luft aus der Atmosphäre tritt in den Einlass eines Luftkompressors ein, der eine rotierende Turbomaschine mit einem Strömungsweg ist, der aus rotierenden und feststehenden Gittern besteht. Kompressordruckverhältnis p b auf den Druck vor ihm p ein wird das Kompressionsverhältnis eines Luftkompressors genannt und wird normalerweise als p to (p to = pb/p ein). Der Verdichterrotor wird von einer Gasturbine angetrieben. Der Druckluftstrom wird in eine, zwei oder mehrere Brennkammern geleitet. Dabei wird in den meisten Fällen der vom Kompressor kommende Luftstrom in zwei Ströme aufgeteilt. Der erste Strom wird zu den Brennern geleitet, wo auch Brennstoff (Gas oder Flüssigbrennstoff) zugeführt wird. Wenn Kraftstoff verbrannt wird, werden Hochtemperatur-Verbrennungsprodukte gebildet. Die relativ kalte Luft des zweiten Stroms wird mit ihnen gemischt, um Gase (sie werden üblicherweise als Arbeitsgase bezeichnet) mit einer für Teile einer Gasturbine akzeptablen Temperatur zu erhalten.

Arbeitsgase mit Druck rs (rs < p b aufgrund des hydraulischen Widerstandes der Brennkammer) in den Strömungsweg der Gasturbine eingespeist, deren Wirkungsweise sich nicht von der Wirkungsweise der Dampfturbine unterscheidet (der einzige Unterschied besteht darin, dass die Gasturbine nachläuft). Brennstoffverbrennungsprodukte und nicht auf Dampf). In einer Gasturbine expandieren die Arbeitsgase auf nahezu Atmosphärendruck. p d treten in den Auslassdiffusor 14 ein und von dort - entweder sofort in den Schornstein oder zuvor in einen beliebigen Wärmetauscher, der die Wärme der Gasturbinenabgase nutzt.

Durch die Expansion von Gasen in der Gasturbine erzeugt diese Strom. Ein sehr bedeutender Teil davon (etwa die Hälfte) wird für den Kompressorantrieb und der Rest für den elektrischen Generatorantrieb ausgegeben. Dies ist die Nettoleistung der Gasturbine, die angezeigt wird, wenn sie markiert ist.

Zur Darstellung von Gasturbinendiagrammen werden ähnliche Symbole wie für PTU verwendet.

Es kann keine einfachere Gasturbine geben, da sie ein Minimum an notwendigen Komponenten enthält, die aufeinanderfolgende Prozesse der Kompression, Erwärmung und Expansion des Arbeitsmediums ermöglichen: einen Kompressor, eine oder mehrere Brennkammern, die unter denselben Bedingungen arbeiten, und eine Gasturbine. Neben einfachen Kreisgasturbinen gibt es komplexe Kreisgasturbinen, die mehrere Verdichter, Turbinen und Brennkammern enthalten können. Zu diesem Gasturbinentyp gehören insbesondere die in den 70er Jahren in der UdSSR gebauten GT-100-750.

Es ist doppelt gemacht. Hochdruckkompressor auf einer Welle KVD und die ihn antreibende Hochdruckturbine TVD; Diese Welle hat eine variable Geschwindigkeit. Auf der zweiten Welle befindet sich die Niederdruckturbine TND, der den Niederdruckkompressor antreibt KND und Stromgenerator Z.B; daher hat diese Welle eine konstante Drehzahl von 50 s –1 . Luft in einer Menge von 447 kg/s tritt aus der Atmosphäre ein KND und wird darin auf einen Druck von ca. 430 kPa (4,3 atm) verdichtet und anschließend dem Luftkühler zugeführt IN, wo es mit Wasser von 176 auf 35 °C gekühlt wird. Dies verringert die Arbeit, die erforderlich ist, um die Luft im Hochdruckkompressor zu komprimieren. KVD(Verdichtungsverhältnis p k = 6,3). Von dort gelangt Luft in die Hochdruckbrennkammer. KSVD und Verbrennungsprodukte mit einer Temperatur von 750 °C zugeleitet werden TVD. Aus TVD Gase, die eine erhebliche Menge Sauerstoff enthalten, treten in die Niederdruckbrennkammer ein KSND, in dem zusätzlicher Kraftstoff verbrannt wird, und daraus - hinein TND. Abgase mit einer Temperatur von 390 °C treten entweder in den Kamin oder in einen Wärmetauscher aus, um die Wärme der Abgase zu nutzen.

GTU ist aufgrund der hohen Temperatur der Rauchgase nicht sehr wirtschaftlich. Die Kompliziertheit der Schaltung ermöglicht es, ihre Effizienz zu steigern, erfordert aber gleichzeitig eine Erhöhung der Kapitalinvestitionen und kompliziert den Betrieb.

Die Abbildung zeigt die GTU V94.3 von Siemens. Atmosphärische Luft aus dem komplexen Luftreinigungsgerät (KVOU) tritt in die Mine ein 4 , und von dort - zum Strömungsteil 16 Luftkompressor. Im Kompressor wird Luft komprimiert. Das Verdichtungsverhältnis in typischen Kompressoren beträgt p k = 13–17, und somit überschreitet der Druck im Gasturbinentrakt 1,3–1,7 MPa (13–17 atm) nicht. Dies ist ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen einer Gasturbine und einer Dampfturbine, bei der der Dampfdruck 10-15 Mal höher ist als der Gasdruck in der Gasturbine. Der niedrige Druck des Arbeitsmediums bestimmt die geringe Wandstärke der Gehäuse und die Leichtigkeit ihrer Erwärmung. Das macht die Gasturbine sehr wendig, d.h. in der Lage, schnell zu starten und zu stoppen. Dauert der Start einer Dampfturbine je nach anfänglichem Temperaturzustand 1 Stunde bis mehrere Stunden, so kann die Gasturbine in 10-15 Minuten in Betrieb genommen werden.

Beim Komprimieren in einem Kompressor erwärmt sich die Luft. Diese Erwärmung kann durch eine einfache Näherungsbeziehung abgeschätzt werden:

$$T_a/T_b = \pi_k^(0,25)$$

indem T b und T ein- absolute Lufttemperaturen hinter und vor dem Kompressor. Wenn zum Beispiel T ein= 300 K, d.h. die Umgebungstemperatur beträgt 27 ° C und p k \u003d 16, dann T b= 600 K und folglich wird die Luft erwärmt um

$$\Delta t = (600-273)-(300-273) = 300°C.$$

Somit beträgt die Lufttemperatur hinter dem Kompressor 300-350 °C. Die Luft zwischen den Wänden des Flammrohrs und dem Körper der Brennkammer bewegt sich zum Brenner, dem das Brenngas zugeführt wird. Da der Kraftstoff in die Brennkammer gelangen muss, wo der Druck 1,3–1,7 MPa beträgt, muss der Gasdruck hoch sein. Um seine Strömung in die Brennkammer steuern zu können, ist der Gasdruck etwa doppelt so hoch wie der Druck in der Kammer. Wenn in der Gasversorgungsleitung ein solcher Druck herrscht, wird das Gas direkt vom Gasverteilungspunkt (BIP) in die Brennkammer geliefert. Reicht der Gasdruck nicht aus, wird zwischen dem Hydraulic Fracturing und der Kammer ein Booster-Gaskompressor installiert.

Der Brenngasverbrauch beträgt nur etwa 1-1,5 % des Luftstroms aus dem Kompressor, so dass die Schaffung eines hochwirtschaftlichen Booster-Gaskompressors gewisse technische Schwierigkeiten mit sich bringt.

Im Flammrohr 10 Hochtemperatur-Verbrennungsprodukte werden gebildet. Nach dem Mischen von Sekundärluft am Ausgang der Brennkammer nimmt sie etwas ab, erreicht aber dennoch 1350–1400 °C in typischen modernen Gasturbinen.

Heiße Gase aus der Brennkammer treten in den Strömungsweg ein 7 Gasturbine. Darin expandieren Gase auf nahezu atmosphärischen Druck, da der Raum hinter der Gasturbine entweder mit einem Schornstein oder mit einem Wärmetauscher kommuniziert, dessen hydraulischer Widerstand gering ist.

Wenn Gase in einer Gasturbine expandieren, wird an ihrer Welle Strom erzeugt. Diese Leistung wird teilweise zum Antrieb des Luftkompressors verwendet, und ihr Überschuss wird zum Antrieb des Rotors verwendet 1 Generator. Einer von Charakteristische Eigenschaften GTP ist, dass der Kompressor etwa die Hälfte der von der Gasturbine entwickelten Leistung benötigt. Beispielsweise beträgt bei einer Gasturbinenanlage mit einer Leistung von 180 MW (das ist die Nettoleistung), die in Russland gebaut wird, die Kompressorleistung 196 MW. Dies ist einer der grundlegenden Unterschiede zwischen einer Gasturbine und einer Dampfturbine: Bei letzterer beträgt die Leistung, mit der das Speisewasser sogar bis zu einem Druck von 23,5 MPa (240 atm) komprimiert wird, nur wenige Prozent der Dampfturbinenleistung . Dies liegt daran, dass Wasser eine wenig komprimierbare Flüssigkeit ist und Luft zum Komprimieren viel Energie benötigt.

In erster, eher grober Näherung lässt sich die Gastemperatur hinter der Turbine aus einer einfachen Beziehung ähnlich wie folgt abschätzen:

$$T_c/T_d = \pi_k^(0,25).$$

Also, wenn $\pi_k = 16$, und die Temperatur vor der Turbine Ts\u003d 1400 ° C \u003d 1673 K, dann ist die Temperatur dahinter ungefähr K:

$$T_d=T_c/\pi_k^(0,25) = 1673/16^(0,25) = 836,$$

Daher ist die Gastemperatur hinter der Gasturbine ziemlich hoch, und eine erhebliche Menge an Wärme, die aus der Brennstoffverbrennung stammt, geht buchstäblich in den Schornstein. Daher ist während des autonomen Betriebs einer Gasturbine ihr Wirkungsgrad gering: Für typische Gasturbinen beträgt er 35–36 %, d. h. deutlich geringer als die Leistungsfähigkeit von Berufsschulen. Die Sache ändert sich jedoch drastisch, wenn am "Heck" der Gasturbine ein Wärmetauscher (ein Netzerhitzer oder ein Abhitzekessel für ein Kombikraftwerk) installiert wird.

Hinter der Gasturbine ist ein Diffusor installiert - ein sich gleichmäßig erweiternder Kanal, während der Strömung, in dem der Geschwindigkeitsdruck von Gasen teilweise in Druck umgewandelt wird. Dadurch ist es möglich, einen Druck hinter der Gasturbine zu haben, der kleiner als der atmosphärische Druck ist, was den Wirkungsgrad von 1 kg Gas in der Turbine erhöht und folglich ihre Leistung erhöht.

Luftkompressorgerät. Wie bereits erwähnt, ist ein Luftkompressor eine Turbomaschine, deren Welle Energie von einer Gasturbine zugeführt wird; diese Leistung wird auf die durch den Strömungsweg des Verdichters strömende Luft übertragen, wodurch der Luftdruck auf den Druck im Brennraum ansteigt.

Die Figur zeigt einen Gasturbinenrotor, der in Drucklagern angeordnet ist; im Vordergrund sind die Rotor- und Statorelemente des Kompressors deutlich sichtbar.

Von meinen 4 Luft tritt in die von den Drehflügeln gebildeten Kanäle ein 2 nicht rotierender Einlassleitschaufel (VNA). Die Hauptaufgabe des VNA besteht darin, die Strömung, die sich in axialer (oder radial-axialer) Richtung bewegt, über eine Rotationsbewegung zu informieren. VNA-Kanäle unterscheiden sich nicht grundlegend von den Düsenkanälen einer Dampfturbine: Sie sind verwirrend (verjüngend), und die Strömung in ihnen beschleunigt sich, wobei sie gleichzeitig eine Uerhalten.

Bei modernen Gasturbinen ist die Eintrittsleitschaufel drehbar ausgeführt. Die Notwendigkeit eines rotierenden VNA wird durch den Wunsch verursacht, eine Verringerung des Wirkungsgrads zu verhindern, wenn die GTU-Last reduziert wird. Der Punkt ist, dass die Wellen des Kompressors und des elektrischen Generators die gleiche Drehzahl haben, die der Frequenz des Netzwerks entspricht. Wenn daher kein VNA verwendet wird, ist die vom Kompressor der Brennkammer zugeführte Luftmenge konstant und hängt nicht von der Turbinenlast ab. Und Sie können die Leistung der Gasturbine nur ändern, indem Sie den Kraftstofffluss in die Brennkammer ändern. Daher sinkt bei sinkendem Brennstoffverbrauch und konstanter vom Verdichter zugeführter Luftmenge die Temperatur der Arbeitsgase sowohl vor als auch nach der Gasturbine. Dies führt zu einer sehr deutlichen Verringerung des Wirkungsgrades der Gasturbine. Drehung der Blätter mit abnehmender Last um die Achse 1 um 25 - 30° ermöglicht es, die Strömungsquerschnitte der VNA-Kanäle zu verengen und den Luftstrom in die Brennkammer zu reduzieren, wobei ein konstantes Verhältnis zwischen Luft- und Kraftstoffverbrauch aufrechterhalten wird. Durch den Einbau des Vorleitrades ist es möglich, die Gastemperatur vor der Gasturbine und dahinter im Leistungsbereich von ca. 100-80% konstant zu halten.

Die Abbildung zeigt das VNA-Blade-Laufwerk. An den Achsen jeder Klinge ist ein Drehhebel angebracht 2 , die durch den Hebel 4 verbunden mit einem Schwenkring 1 . Tauschen Sie ggf. den Luftleitring aus 1 dreht sich mit Hilfe von Stangen und einem Elektromotor mit Getriebe; während Sie alle Hebel gleichzeitig drehen 2 und dementsprechend die VNA-Blades 5 .

Die mit Hilfe von VNA verwirbelte Luft tritt in die 1. Stufe des Luftkompressors ein, der aus zwei Gittern besteht: einem rotierenden und einem stationären. Beide Gitter haben im Gegensatz zu Turbinengittern sich erweiternde (Diffusor-)Kanäle, d.h. Einlassluftkanalbereich F 1 weniger als F 2 am Ausgang.

Wenn sich Luft in einem solchen Kanal bewegt, nimmt ihre Geschwindigkeit ab ( w 2 < w 1) und der Druck steigt ( R 2 > R ein). Leider, um den Diffusorgrill wirtschaftlich zu machen, d.h. damit die Durchflussmenge w 1 bis zum maximalen Grad in Druck und nicht in Wärme umgewandelt werden, was nur bei geringem Kompressionsgrad möglich ist R 2 /R 1 (normalerweise 1,2 - 1,3), was zu einer großen Anzahl von Kompressorstufen führt (14 - 16 mit einem Kompressorkompressionsverhältnis p k \u003d 13 - 16).

Die Abbildung zeigt den Luftstrom in der Verdichterstufe. Aus der Eingangsrotationsdüsenvorrichtung (feststehend) tritt die Luft mit einer Geschwindigkeit aus c 1 (siehe oberes Drehzahldreieck) mit der nötigen Umfangsverwindung (a 1< 90°). Если расположенная за ВНА вращающаяся (рабочая) решетка имеет скорость u 1 , dann die relative Eintrittsgeschwindigkeit w 1 ist gleich der Differenz der Vektoren c 1 und u 1 , und dieser Unterschied wird größer sein als c 1 d.h. w 1 > c ein . Beim Bewegen im Kanal verringert sich die Luftgeschwindigkeit auf den Wert w 2 und tritt in einem durch die Neigung der Profile bestimmten Winkel b 2 aus. Aufgrund der Rotation und Energiezufuhr der Luft von den Rotorblättern nimmt jedoch ihre Geschwindigkeit ab mit 2 in absoluter Bewegung wird größer sein als c ein . Die Lamellen des Festgitters sind so eingebaut, dass der Lufteintritt in den Kanal stoßfrei erfolgt. Da sich die Kanäle dieses Gitters ausdehnen, nimmt die Geschwindigkeit darin auf den Wert ab c" 1 , und der Druck steigt ab R 1 zu R 2. Das Gitter ist so ausgelegt, dass c" 1 = c 1, a a "1 = a 1. Daher wird in der zweiten Stufe und den nachfolgenden Stufen der Kompressionsvorgang auf ähnliche Weise ablaufen. In diesem Fall nimmt die Höhe ihrer Gitter entsprechend der erhöhten Luftdichte aufgrund der Kompression ab .

Manchmal werden die Leitschaufeln der ersten Stufen des Kompressors auf die gleiche Weise wie die VNA-Schaufeln drehbar gemacht. Dadurch kann der Leistungsbereich der Gasturbine erweitert werden, in dem die Temperatur der Gase vor und hinter der Gasturbine unverändert bleibt. Dementsprechend steigt auch die Wirtschaft. Durch den Einsatz mehrerer rotierender Leitschaufeln können Sie im Bereich von 100 - 50 % der Leistung wirtschaftlich arbeiten.

Die letzte Stufe des Verdichters ist genauso angeordnet wie die vorherigen, mit dem einzigen Unterschied, dass die Aufgabe der letzten Leitschaufel übernommen wird 1 soll nicht nur den Druck erhöhen, sondern auch den axialen Austritt des Luftstroms gewährleisten. Luft tritt in den ringförmigen Auslassdiffusor ein 23 wohin der Druck steigt höchster Wert. Mit diesem Druck tritt Luft in die Verbrennungszone ein 9 .

Luft wird aus dem Luftkompressorgehäuse entnommen, um die Elemente der Gasturbine zu kühlen. Zu diesem Zweck werden in seinem Körper ringförmige Kammern hergestellt, die mit dem Raum hinter der entsprechenden Stufe in Verbindung stehen. Die Luft aus den Kammern wird durch Rohrleitungen abgeführt.

Außerdem verfügt der Kompressor über sogenannte Anti-Surge-Ventile und Bypassleitungen. 6 , Luft von den Zwischenstufen des Kompressors in den Auslassdiffusor der Gasturbine umgeleitet, wenn sie gestartet und gestoppt wird. Dadurch wird der instabile Betrieb des Kompressors bei niedrigen Luftdurchsätzen (dieses Phänomen wird als Pumpen bezeichnet) beseitigt, der sich in intensiven Vibrationen der gesamten Maschine äußert.

Die Schaffung hochwirtschaftlicher Luftkompressoren ist eine äußerst komplexe Aufgabe, die im Gegensatz zu Turbinen nicht nur durch Berechnung und Konstruktion gelöst werden kann. Da die Kompressorleistung ungefähr gleich der Leistung der Gasturbine ist, führt eine Verschlechterung des Wirkungsgrads des Kompressors um 1 % zu einer Abnahme des Wirkungsgrads der gesamten Gasturbine um 2–2,5 %. Daher ist die Schaffung eines guten Kompressors eines der Schlüsselprobleme bei der Herstellung von Gasturbinen. Normalerweise werden Kompressoren durch Modellieren (Skalieren) unter Verwendung eines Modellkompressors erstellt, der durch lange experimentelle Verfeinerung erstellt wurde.

Gasturbinenbrennkammern sind sehr vielfältig. Oben ist eine Gasturbine mit zwei Außenkammern. Die Abbildung zeigt eine GTU Typ 13E mit einer Leistung von 140 MW von ABB mit einer entfernten Brennkammer, deren Vorrichtung ähnlich der Vorrichtung der in der Abbildung gezeigten Kammer ist. Die Verdichterluft aus dem Ringdiffusor tritt in den Raum zwischen Kammerkörper und Flammrohr ein und wird dann zur Gasverbrennung und zur Kühlung des Flammrohres verwendet.

Hauptnachteil entfernte Brennkammern - große Abmessungen, die aus der Abbildung deutlich hervorgehen. Rechts von der Kammer befindet sich eine Gasturbine, links ein Kompressor. Von oben sind im Körper drei Löcher zur Aufnahme von Anti-Surge-Ventilen und dann - des VNA-Antriebs sichtbar. In modernen Gasturbinen werden hauptsächlich eingebaute Brennkammern verwendet: ringförmig und röhrenförmig.

Die Abbildung zeigt eine integrierte Ringbrennkammer. Der Ringraum für die Verbrennung wird durch den Innenraum gebildet 17 und im Freien 11 feurige Pfeifen. Von innen sind die Rohre mit speziellen Einsätzen ausgekleidet 13 und 16 mit einer thermischen Sperrbeschichtung auf der der Flamme zugewandten Seite; auf der gegenüberliegenden Seite sind die Einsätze gerippt, was ihre Kühlung durch Luft verbessert, die durch die Ringspalte zwischen den Einsätzen in das Flammrohr eindringt. So beträgt die Temperatur des Flammrohres in der Verbrennungszone 750-800 °C. Die frontale Microflare-Brennervorrichtung der Kammer besteht aus mehreren hundert Brennern 10 , dem Gas aus vier Kollektoren zugeführt wird 5 -8 . Wenn Sie die Kollektoren wiederum ausschalten, können Sie die Leistung der Gasturbine ändern.

Die Brennervorrichtung ist in der Figur gezeigt. Aus dem Kollektor tritt Gas durch Bohrungen im Vorbau ein 3 zum inneren Hohlraum der Schulterblätter 6 Wirbler. Letzteres ist eine hohle radiale gerade Schaufel, die bewirkt, dass die aus der Brennkammer kommende Luft sich verdreht und um die Achse der Stange dreht. In diesen rotierenden Luftwirbel tritt ein Erdgas aus dem inneren Hohlraum der Drallschaufeln 6 durch kleine Löcher 7 . Dabei bildet sich ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch, das in Form eines Drallstrahls aus der Zone austritt 5 . Ein ringförmiger rotierender Wirbel sorgt für eine stabile Verbrennung des Gases.

Die Abbildung zeigt eine röhrenförmige Brennkammer GTE-180. In den Ringraum 24 zwischen dem Ausgang des Luftkompressors und dem Eingang der Gasturbine mittels Lochkegeln 3 Platziere 12 Flammrohre 10 . Das Flammrohr enthält zahlreiche Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm, die in ringförmigen Reihen im Abstand von 6 mm angeordnet sind; Lochreihenabstand 23 mm. Durch diese Öffnungen tritt von außen „kalte“ Luft ein, die für eine konvektive Filmkühlung sorgt und die Temperatur des Flammrohrs nicht höher als 850 °C ist. Auf der Innenfläche des Flammrohres ist eine 0,4 mm dicke Wärmedämmschicht aufgebracht.

Auf der Frontplatte 8 Flammrohr ist eine Brennereinrichtung eingebaut, bestehend aus einem zentralen Zündbrenner 6 Zünden von Kraftstoff beim Start mit einer Kerze 5 und fünf Hauptmodule, von denen eines in der Abbildung dargestellt ist. Das Modul ermöglicht es Ihnen, Gas zu verbrennen und Dieselkraftstoff. Gasdurchführung 1 nach Filter 6 tritt in den ringförmigen Brenngasverteiler ein 5 , und von dort in Hohlräume mit kleinen Löchern (Durchmesser 0,7 mm, Stufe 8 mm). Durch diese Löcher tritt das Gas in den Ringraum ein. In den Wänden des Moduls befinden sich sechs tangentiale Nuten 9 , durch die die Hauptmenge der vom Luftkompressor zur Verbrennung zugeführten Luft eintritt. In den tangentialen Schlitzen wird die Luft verdreht und gelangt somit in den Hohlraum 8 Es bildet sich ein rotierender Wirbel, der sich zum Ausgang des Brenners bewegt. Zur Peripherie des Wirbels durch die Löcher 3 Gas tritt ein, vermischt sich mit Luft und das resultierende homogene Gemisch verlässt den Brenner, wo es sich entzündet und verbrennt. Die Verbrennungsprodukte treten in den Düsenapparat der 1. Stufe der Gasturbine ein.

Die Gasturbine ist das komplexeste Element der Gasturbine, was vor allem an der sehr hohen Temperatur der durch ihren Strömungsweg strömenden Arbeitsgase liegt: Die Gastemperatur vor der Turbine von 1350 °C gilt derzeit als „Standard“ , und führende Unternehmen, allen voran General Electric, arbeiten daran, die Anfangstemperatur von 1500 °C zu beherrschen. Denken Sie daran, dass die "Standard" -Anfangstemperatur für Dampfturbinen 540 ° C und in Zukunft eine Temperatur von 600 bis 620 ° C beträgt.

Der Wunsch, die Anfangstemperatur zu erhöhen, ist in erster Linie mit dem dadurch erzielten Effizienzgewinn verbunden. Dies wird deutlich aus der Abbildung, die den erreichten Stand des Gasturbinenbaus zusammenfasst: Eine Erhöhung der Anfangstemperatur von 1100 auf 1450 °C ergibt eine Erhöhung des absoluten Wirkungsgrads von 32 auf 40 %, d. h. führt zu Kraftstoffeinsparungen von 25 %. Natürlich ist ein Teil dieser Einsparungen nicht nur mit einer Temperaturerhöhung verbunden, sondern auch mit der Verbesserung anderer Elemente der Gasturbine, und die Anfangstemperatur ist immer noch der bestimmende Faktor.

Um den langfristigen Betrieb einer Gasturbine sicherzustellen, wird eine Kombination aus zwei Mitteln verwendet. Das erste Mittel ist die Verwendung von hitzebeständigen Materialien für die am stärksten belasteten Teile, die der Einwirkung hoher mechanischer Belastungen und Temperaturen widerstehen können (vor allem für Düsen und Rotorblätter). Werden für Dampfturbinenschaufeln Stähle (d. h. Eisenbasislegierungen) mit einem Chromgehalt von 12-13 % und einige andere Elemente verwendet, dann werden für Gasturbinenschaufeln Nickelbasislegierungen (Nimonic) verwendet, die in der Lage sind und die erforderliche Lebensdauer, um Temperaturen von 800-850 °C standzuhalten. Daher wird zusammen mit dem ersten ein zweites Mittel verwendet - das Kühlen der heißesten Teile.

Die meisten modernen Gasturbinen werden mit Zapfluft aus verschiedenen Stufen eines Luftkompressors gekühlt. Es sind bereits Gasturbinen in Betrieb, die zur Kühlung Wasserdampf verwenden, der ein besseres Kühlmittel als Luft ist. Kühlluft wird nach dem Erhitzen im gekühlten Teil in den Strömungsweg der Gasturbine abgegeben. Ein solches Kühlsystem wird als offen bezeichnet. Es gibt geschlossene Kühlsysteme, bei denen das im Bauteil erwärmte Kühlmittel zum Kühlschrank geleitet und dann wieder zurückgeführt wird, um das Bauteil zu kühlen. Ein solches System ist nicht nur sehr kompliziert, sondern erfordert auch die Nutzung von Wärme, die dem Kühlschrank entnommen wird.

Das Gasturbinen-Kühlsystem ist das komplexeste System in einer Gasturbine, das deren Lebensdauer bestimmt. Es bietet nicht nur Wartung akzeptables Niveau Arbeits- und Düsenschaufeln, aber auch Körperelemente, Arbeitsschaufeln tragende Scheiben, Sperrlagerdichtungen bei Ölzirkulationen usw. Dieses System ist extrem verzweigt und organisiert, so dass jedes gekühlte Element Kühlluft mit den Parametern und in der Menge erhält, die erforderlich sind, um seine optimale Temperatur aufrechtzuerhalten. Eine zu starke Kühlung der Teile ist ebenso schädlich wie eine unzureichende, da sie zu erhöhten Kosten für Kühlluft führt, die Turbinenleistung benötigt, um im Kompressor komprimiert zu werden. Darüber hinaus führt ein erhöhter Luftverbrauch zum Kühlen zu einer Abnahme der Temperatur der Gase hinter der Turbine, was sich sehr stark auf den Betrieb der hinter der Gasturbine installierten Ausrüstung auswirkt (z. B. eine als Teil betriebene Dampfturbineneinheit). einer Dampfturbine). Schließlich muss das Kühlsystem nicht nur das erforderliche Temperaturniveau der Teile gewährleisten, sondern auch die Gleichmäßigkeit ihrer Erwärmung, die das Auftreten gefährlicher thermischer Spannungen ausschließt, deren zyklische Wirkung zum Auftreten von Rissen führt.

Die Abbildung zeigt ein Beispiel eines typischen Gasturbinen-Kühlkreislaufs. Die Werte der Gastemperaturen sind in rechteckigen Rahmen angegeben. Vor dem Düsenapparat der 1. Stufe 1 es erreicht 1350 °C. Hinter ihm, d.h. vor dem Arbeitsrost der 1. Stufe sind es 1130 °C. Auch vor der Arbeitsschaufel der letzten Stufe liegt sie bei 600 °C. Gase dieser Temperatur spülen die Düse und die Arbeitsschaufeln, und wenn sie nicht gekühlt würden, wäre ihre Temperatur gleich der Temperatur der Gase und ihre Lebensdauer wäre auf mehrere Stunden begrenzt.

Zur Kühlung der Elemente einer Gasturbine wird Luft verwendet, die dem Verdichter in derjenigen Stufe entnommen wird, in der ihr Druck geringfügig höher ist als der Druck der Arbeitsgase in der Zone der Gasturbine, in die Luft zugeführt wird. Beispielsweise wird zum Kühlen der Leitschaufeln der 1. Stufe Kühlluft in einer Menge von 4,5 % des Luftstroms am Verdichtereintritt dem Verdichterauslassdiffusor entnommen, und zum Kühlen der Leitschaufeln der letzten Stufe und der angrenzenden Abschnitt des Gehäuses - von der 5. Stufe des Kompressors. Um die heißesten Elemente einer Gasturbine zu kühlen, wird die aus dem Kompressorauslassdiffusor entnommene Luft manchmal zuerst zu einem Luftkühler geleitet, wo sie (normalerweise mit Wasser) auf 180–200 ° C gekühlt und dann zur Kühlung geleitet wird. In diesem Fall wird weniger Luft zum Kühlen benötigt, aber gleichzeitig entstehen die Kosten für einen Luftkühler, die Gasturbine wird komplizierter und ein Teil der durch das Kühlwasser abgeführten Wärme geht verloren.

Eine Gasturbine hat normalerweise 3-4 Stufen, d.h. 6-8 Gitterränder, und meistens werden die Schaufeln aller Ränder gekühlt, mit Ausnahme der Arbeitsschaufeln der letzten Stufe. Luft zum Kühlen der Düsenschaufeln wird innen durch ihre Enden zugeführt und durch zahlreiche (600–700 Löcher mit einem Durchmesser von 0,5–0,6 mm) Löcher, die sich in den entsprechenden Bereichen des Profils befinden, abgeführt. Kühlluft wird den Arbeitsschaufeln durch Löcher zugeführt, die in den Enden des Schafts angebracht sind.

Um zu verstehen, wie gekühlte Schaufeln angeordnet sind, muss man mindestens allgemein gesagt Betrachten Sie die Technologie ihrer Herstellung. Aufgrund der extremen Schwierigkeit Bearbeitung Nickellegierungen zur Herstellung von Schaufeln werden hauptsächlich im Feinguss verwendet. Um dies umzusetzen, werden zunächst Gusskerne aus Materialien auf Keramikbasis mit einer speziellen Technologie der Formgebung und Wärmebehandlung hergestellt. Der Gusskern ist eine exakte Kopie des Hohlraums im Inneren der späteren Schaufel, in den Kühlluft einströmen und in die gewünschte Richtung strömen wird. Der Gießkern wird in eine Form eingebracht, deren innerer Hohlraum vollständig der zu erhaltenden Schaufel entspricht. Der entstehende Freiraum zwischen Stab und Formwand wird mit einer erwärmten niedrigschmelzenden Masse (z. B. Kunststoff) ausgefüllt, die erstarrt. Der Stab wiederholt sich zusammen mit der ihn umhüllenden erstarrenden Masse äußere Form Klingen, ist ein Investitionsmodell. Es wird in eine Form gegeben, der die Nimonic-Schmelze zugeführt wird. Letzteres schmilzt den Kunststoff, nimmt seinen Platz ein und als Ergebnis erscheint eine gegossene Klinge mit einem inneren Hohlraum, der mit einer Stange gefüllt ist. Der Stab wird durch Ätzen mit speziellen chemischen Lösungen entfernt. Die erhaltenen Düsenschaufeln erfordern praktisch keine zusätzliche Bearbeitung (außer der Herstellung zahlreicher Löcher für den Austritt von Kühlluft). Arbeitende gegossene Klingen erfordern eine Bearbeitung des Schaftes mit einem speziellen Schleifwerkzeug.

Die kurz beschriebene Technologie ist der Luftfahrttechnik entlehnt, wo die erreichten Temperaturen wesentlich höher sind als bei stationären Dampfturbinen. Die Schwierigkeit, diese Technologien zu beherrschen, hängt mit viel größeren Schaufelgrößen für stationäre Gasturbinen zusammen, die proportional zum Gasdurchfluss wachsen, d.h. GTU-Leistung.

Vielversprechend erscheint der Einsatz sogenannter Single-Crystal-Blades, die aus einem einzigen Kristall bestehen. Dies liegt daran, dass das Vorhandensein von Korngrenzen während eines langen Aufenthalts bei hoher Temperatur zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des Metalls führt.

Der Gasturbinenrotor ist eine einzigartige vorgefertigte Struktur. Vor dem Zusammenbau einzelner Scheiben 5 Kompressor und Scheibe 7 Gasturbine beschaufelt und ausgewuchtet, Endteile gefertigt 1 und 8 , Abstandshalter 11 und Mittelstift 6 . Jede der Scheiben hat zwei ringförmige Kragen, auf denen Hirten (benannt nach dem Erfinder Hirth) angebracht sind - streng radiale Zähne mit dreieckigem Profil. Benachbarte Stücke haben genau die gleichen Kragen mit genau den gleichen Hirten. Bei guter Fertigungsqualität der Hirtverbindung ist eine absolute Zentrierung benachbarter Scheiben gewährleistet (dies gewährleistet die Radialität der Hirts) und die Montagewiederholbarkeit nach der Demontage des Rotors.

Der Rotor wird auf einem speziellen Ständer montiert, bei dem es sich um einen Aufzug mit einer ringförmigen Plattform für das Montagepersonal handelt, in dem die Montage durchgeführt wird. Zuerst wird der Endteil des Rotors auf dem Gewinde montiert 1 und Spurstange 6 . Die Stange wird vertikal in die ringförmige Plattform gestellt und die Scheibe der 1. Stufe des Kompressors wird mit Hilfe eines Krans darauf abgesenkt. Die Zentrierung der Scheibe und des Endteils erfolgt durch Hirts. Auf einem speziellen Aufzug bewegt sich das Montagepersonal Scheibe für Scheibe [zuerst der Kompressor, dann das Distanzstück, dann die Turbine und das rechte Ende 8 ] sammelt den gesamten Rotor. Auf das rechte Ende wird eine Mutter geschraubt 9 , und eine hydraulische Vorrichtung wird auf dem verbleibenden Teil des Gewindeteils der Spurstange installiert, drückt die Scheiben zusammen und zieht die Spurstange. Nach dem Ziehen der Stange die Mutter 9 bis zum Anschlag eingeschraubt und die Hydraulikvorrichtung entfernt. Die gestreckte Stange zieht die Scheiben sicher zusammen und verwandelt den Rotor in eine einzige starre Struktur. Der montierte Rotor wird aus dem Montageständer entfernt und ist fertig zum Einbau in die Gasturbine.

Der Hauptvorteil der Gasturbine ist ihre Kompaktheit. Zunächst einmal gibt es in der Gasturbine keinen Dampfkessel - eine Struktur, die eine große Höhe erreicht und einen separaten Raum für die Installation erfordert. Dieser Umstand hängt vor allem mit dem hohen Druck in der Brennkammer (1,2-2 MPa) zusammen; im Kessel erfolgt die Verbrennung bei atmosphärischem Druck und dementsprechend ist das Volumen der gebildeten heißen Gase 12-20 mal größer. Ferner findet in einer Gasturbine der Prozess der Gasexpansion in einer Gasturbine statt, die nur aus 3–5 Stufen besteht, während eine Dampfturbine mit der gleichen Leistung aus 3–4 Zylindern besteht, die 25–30 Stufen enthalten. Selbst unter Berücksichtigung sowohl der Brennkammer als auch des Luftkompressors hat eine 150-MW-Gasturbine eine Länge von 8-12 m, und die Länge einer Dampfturbine gleicher Leistung in Dreizylinderbauweise ist 1,5-mal länger. Gleichzeitig ist für die Dampfturbine neben dem Kessel die Installation eines Kondensators mit Umwälz- und Kondensatpumpen, eines Regenerationssystems mit 7-9 Heizgeräten, der Zufuhr von Turbopumpen (von eins bis drei) vorzusehen. , und ein Entlüfter. Daher kann die Gasturbineneinheit auf einem Betonsockel auf der Nullebene der Turbinenhalle installiert werden, und die STU erfordert ein 9-16 m hohes Rahmenfundament mit der auf der oberen Fundamentplatte platzierten Dampfturbine und darin befindlichen Hilfsgeräten der Kondensationsraum.

Die Kompaktheit der Gasturbine ermöglicht ihre Montage im Turbinenwerk, die Lieferung zum Maschinenraum per Bahn oder Straße zur Installation auf einem einfachen Fundament. So werden insbesondere Gasturbinen mit eingebauter Brennkammer transportiert. Beim Transport von Gasturbinen mit entfernten Kammern werden diese separat transportiert, aber einfach und schnell mittels Flanschen am Kompressor-Gasturbinen-Modul befestigt. Die Dampfturbine wird mit zahlreichen Baugruppen und Teilen geliefert, die Installation sowohl selbst als auch zahlreicher Zusatzausrüstungen und Verbindungen zwischen ihnen dauert um ein Vielfaches länger als bei einer Gasturbine.

GTU benötigt kein Kühlwasser. Dadurch fehlt der Gasturbine ein Kondensator und ein Brauchwasserversorgungssystem mit Pumpwerk und Kühlturm (mit Kreislaufwasserversorgung). All dies führt im Ergebnis dazu, dass die Kosten für 1 kW installierter Leistung eines Gasturbinenkraftwerks viel geringer sind. Gleichzeitig sind die Kosten der GTU selbst (Kompressor + Brennkammer + Gasturbine) aufgrund ihrer Komplexität drei- bis viermal höher als die Kosten einer Dampfturbine gleicher Leistung.

Ein wichtiger Vorteil einer Gasturbine ist ihre hohe Manövrierfähigkeit, bedingt durch ein niedriges Druckniveau (im Vergleich zum Druck in Dampfturbine) und damit leichtes Aufheizen und Abkühlen ohne das Auftreten gefährlicher thermischer Spannungen und Verformungen.

Allerdings haben Gasturbinen auch erhebliche Nachteile, von denen zunächst zu erwähnen ist, dass sie weniger wirtschaftlich sind als die eines Dampfkraftwerks. Der durchschnittliche Wirkungsgrad ausreichend guter Gasturbinen beträgt 37-38% und für Dampfturbinenaggregate 42-43%. Die Obergrenze für leistungsstarke Leistungsgasturbinen liegt aus heutiger Sicht bei einem Wirkungsgrad von 41-42% (und vielleicht sogar noch höher, angesichts der großen Reserven für die Erhöhung der Anfangstemperatur). Der geringere Wirkungsgrad der Gasturbine hängt mit der hohen Temperatur der Abgase zusammen.

Ein weiterer Nachteil von Gasturbinen besteht darin, dass zumindest derzeit keine minderwertigen Brennstoffe in ihnen verwendet werden können. Es kann nur mit Gas oder guten flüssigen Kraftstoffen wie Diesel gut funktionieren. Dampfkraftwerke können mit jedem Brennstoff betrieben werden, auch mit der schlechtesten Qualität.

Die niedrigen Anschaffungskosten von Wärmekraftwerken mit Gasturbinen bei gleichzeitig relativ niedrigem Wirkungsgrad und hohen Kosten des verwendeten Brennstoffs und der Manövrierfähigkeit bestimmen den Hauptbereich für den individuellen Einsatz von Gasturbinen: Sie sollten in Stromsystemen als Spitzen- oder Backup verwendet werden Stromquellen, die mehrere Stunden am Tag in Betrieb sind.

Gleichzeitig ändert sich die Situation dramatisch, wenn die Wärme der Gasturbinenabgase in Heizkraftwerken oder in einem kombinierten (Dampf-und-Gas-)Kreislauf genutzt wird.

Hin und wieder heißt es in den Nachrichten, dass zum Beispiel bei dem und dem staatlichen Bezirkskraftwerk der Bau eines GuD-Blocks von 400 MW in vollem Gange ist, und bei einem anderen CHPP-2 eine GTP-Anlage davon viele MW in Betrieb genommen. Über solche Ereignisse wird geschrieben, sie werden abgedeckt, da die Einbeziehung solcher leistungsstarker und effizienter Einheiten nicht nur ein „Häkchen“ in der Umsetzung des Landesprogramms ist, sondern auch eine echte Steigerung der Effizienz von Kraftwerken, des regionalen Energiesystems und sogar das einheitliche Energiesystem.

Aber ich möchte Sie nicht auf die Umsetzung staatlicher Programme oder Prognoseindikatoren aufmerksam machen, sondern auf CCGT und GTU. Bei diesen beiden Begriffen kann nicht nur der Laie, sondern auch der unerfahrene Energietechniker durcheinander kommen.

Beginnen wir mit dem einfacheren.

GTU - Gas Turbine Plant - ist eine Gasturbine und ein elektrischer Generator, die in einem Gebäude vereint sind. Es ist vorteilhaft, es in einem Wärmekraftwerk zu installieren. Das ist effektiv, und viele BHKW-Umbauten zielen darauf ab, genau solche Turbinen zu installieren.

Hier ist ein vereinfachter Betriebszyklus eines Wärmekraftwerks:

Gas (Brennstoff) tritt in den Kessel ein, wo es verbrennt und Wärme auf Wasser überträgt, das den Kessel in Form von Dampf verlässt und die Dampfturbine antreibt. Die Dampfturbine dreht den Generator. Wir beziehen Strom aus dem Generator und nehmen bei Bedarf Dampf für industrielle Zwecke (Heizung, Heizung) aus der Turbine.

Und in einer Gasturbinenanlage brennt das Gas aus und dreht die Gasturbine, die Strom erzeugt, und die austretenden Gase verwandeln Wasser im Abhitzekessel in Dampf, d.h. Gas hat einen doppelten Nutzen: Zuerst verbrennt es und dreht die Turbine, dann erwärmt es das Wasser im Boiler.

Und wenn die Gasturbinenanlage selbst noch detaillierter dargestellt wird, sieht sie so aus:

Dieses Video zeigt anschaulich, welche Prozesse in einer Gasturbinenanlage ablaufen.

Aber es wird noch nützlicher sein, wenn der entstehende Dampf zum Arbeiten gebracht wird - stecken Sie ihn in eine Dampfturbine, damit ein anderer Generator arbeitet! Dann wird aus unserer GTU eine STEAM-GAS UNIT (CCGT).

Infolgedessen ist PSU ein breiteres Konzept. Diese Einheit ist eine unabhängige Energieeinheit, in der Brennstoff einmal verwendet und Strom zweimal erzeugt wird: in einer Gasturbinenanlage und in einer Dampfturbine. Dieser Zyklus ist sehr effizient und hat einen Wirkungsgrad von etwa 57%! Dies ist ein sehr gutes Ergebnis, mit dem Sie den Kraftstoffverbrauch für die Gewinnung einer Kilowattstunde Strom erheblich senken können!

In Belarus werden Gasturbinen als „Überbau“ für das bestehende KWK-System verwendet, um die Effizienz von Kraftwerken zu verbessern, und CCGTs werden in staatlichen Bezirkskraftwerken als unabhängige Kraftwerke gebaut. Diese Gasturbinen, die in Kraftwerken arbeiten, erhöhen nicht nur die "vorhergesagten technischen und wirtschaftlichen Indikatoren", sondern verbessern auch das Management der Erzeugung, da sie eine hohe Manövrierfähigkeit aufweisen: Startgeschwindigkeit und Leistungsgewinn.

So nützlich sind diese Gasturbinen!

Geschichte der Gasturbine

Aktiv- und Strahlturbinen

Impulsturbine

Strahlturbine

Das Funktionsprinzip von Gasturbinenanlagen

Die Wahl des Herausgebers