Die Vorrichtung und das Funktionsprinzip einer Gasturbine. Gasturbinen sind zuverlässige Antriebsaggregate moderner Kraftwerke Wirkungsgrad von Gasturbinen

Eine Turbine ist eine rotierende Vorrichtung, die die Energie eines sich bewegenden Arbeitsfluids (Fluids) nutzt, um Arbeit zu erzeugen. Typische Turbinenflüssigkeiten sind: Wind, Wasser, Dampf und Helium. Windmühlen und Wasserkraftwerke nutzen Turbinen seit Jahrzehnten, um elektrische Generatoren anzutreiben und Energie für Industrie und Wohnungsbau zu erzeugen. Einfache Turbinen sind schon viel länger bekannt, die ersten davon tauchten im antiken Griechenland auf.

In der Geschichte der Stromerzeugung allerdings eigentlich Gasturbinen erschien vor nicht allzu langer Zeit. Die erste praktische Gasturbine begann 1939 in Neuchâtel, Schweiz, mit der Stromerzeugung. Es wurde von der Brown Boveri Company entwickelt. Auch die erste Gasturbine zum Antrieb eines Flugzeugs lief 1939 in Deutschland mit einer von Hans P. von Ohain konstruierten Gasturbine. In England in den 1930er Jahren führte die Erfindung und Konstruktion der Gasturbine durch Frank Whittle 1941 zum ersten Flug mit Turbinenantrieb.

Abbildung 1. Schema einer Flugzeugturbine (a) und einer Gasturbine für den Bodeneinsatz (b)

Der Begriff „Gasturbine“ ist leicht irreführend, da er für viele ein Turbinentriebwerk bedeutet, das Gas als Brennstoff verwendet. Tatsächlich hat eine Gasturbine (in Abbildung 1 schematisch dargestellt) einen Kompressor, der Gas (normalerweise Luft) liefert und komprimiert; die Brennkammer, in der das komprimierte Gas durch die Verbrennung von Brennstoff erhitzt wird, und die Turbine selbst, die dem Strom heißer, komprimierter Gase Energie entzieht. Diese Energie reicht aus, um den Kompressor anzutreiben, und bleibt für nützliche Anwendungen übrig. Eine Gasturbine ist ein Verbrennungsmotor (ICE), der die kontinuierliche Verbrennung von Brennstoff nutzt, um nützliche Arbeit zu leisten. Darin unterscheidet sich die Turbine von Vergaser- oder Diesel-Verbrennungsmotoren, bei denen der Verbrennungsprozess intermittierend ist.

Da der Einsatz von Gasturbinen 1939 gleichzeitig in der Energiewirtschaft und in der Luftfahrt begann, werden unterschiedliche Bezeichnungen für Flug- und landgestützte Gasturbinen verwendet. Fluggasturbinen werden als Turbostrahl- oder Strahltriebwerke bezeichnet, und andere Gasturbinen werden als Gasturbinentriebwerke bezeichnet. BEIM Englische Sprache es gibt noch mehr Namen für diese im Allgemeinen ähnlichen Motoren.

Einsatz von Gasturbinen

In einem Flugzeug-Turbojet treibt die Energie der Turbine einen Kompressor an, der Luft in das Triebwerk saugt. Das die Turbine verlassende heiße Gas wird durch die Schubdüse in die Atmosphäre ausgestoßen, wodurch Schub erzeugt wird. Auf Abb. 1a zeigt ein Diagramm eines Strahltriebwerks.

Abbildung 2. Schematische Darstellung eines Flugzeug-Turbostrahltriebwerks.

Ein typisches Turbojet-Triebwerk ist in Abb. 1 gezeigt. 2. Solche Motoren erzeugen einen Schub von 45 kgf bis 45.000 kgf bei einem Eigengewicht von 13 kg bis 9.000 kg. Die kleinsten Triebwerke treiben Marschflugkörper an, die größten - riesige Flugzeuge. Die Gasturbine in Abb. 2 ist ein Turbofan-Triebwerk mit einem Kompressor mit großem Durchmesser. Schub entsteht sowohl durch die vom Kompressor angesaugte Luft als auch durch die Luft, die durch die Turbine selbst strömt. Das Triebwerk ist groß und in der Lage, bei niedrigen Startgeschwindigkeiten einen hohen Schub zu erzeugen, wodurch es am besten für Verkehrsflugzeuge geeignet ist. Das Turbojet-Triebwerk hat keinen Lüfter und erzeugt Schub mit Luft, die vollständig durch den Gasweg strömt. Turbojets haben kleine Frontabmessungen und erzeugen bei hohen Geschwindigkeiten den größten Schub, wodurch sie sich am besten für den Einsatz in Kampfflugzeugen eignen.

Bei nicht luftfahrttechnischen Gasturbinen wird ein Teil der Energie der Turbine zum Antrieb des Verdichters verwendet. Die restliche Energie – „Nutzenergie“ – wird der Turbinenwelle an einer Energienutzungseinrichtung wie einem elektrischen Generator oder einer Schiffsschraube entnommen.

Eine typische landgestützte Gasturbine ist in Fig. 1 gezeigt. 3. Solche Anlagen können Energie von 0,05 MW bis 240 MW erzeugen. Die in Abb. 3 ist eine vom Flugzeug abgeleitete, aber leichtere Gasturbine. Schwerere Einheiten sind speziell für den Bodeneinsatz konzipiert und werden als Industrieturbinen bezeichnet. Obwohl von Flugzeugen abgeleitete Turbinen zunehmend als primäre Stromgeneratoren verwendet werden, werden sie immer noch am häufigsten als Kompressoren zum Pumpen von Erdgas, zum Antreiben von Schiffen und als zusätzliche Stromgeneratoren in Zeiten mit Spitzenbedarf verwendet. Gasturbinengeneratoren können sich schnell einschalten und Energie liefern, wenn sie am dringendsten benötigt wird.

Abbildung 3. Die einfachste, einstufige, landgestützte Gasturbine. Zum Beispiel im Bereich Energie. 1 - Kompressor, 2 - Brennkammer, 3 - Turbine.

Die wichtigsten Vorteile einer Gasturbine sind:

1. Es ist in der Lage, bei relativ geringer Größe und Gewicht viel Leistung zu erzeugen.
2. Die Gasturbine arbeitet im Gegensatz zu Kolbenmotoren, die mit ständig wechselnden Lasten arbeiten, in einem konstanten Rotationsmodus. Daher halten Turbinen lange und benötigen relativ wenig Wartung.
3. Obwohl die Gasturbine mit Hilfsgeräten wie Elektromotoren oder einer anderen Gasturbine gestartet wird, dauert das Starten Minuten. Zum Vergleich wird die Anlaufzeit einer Dampfturbine in Stunden gemessen.
4. Eine Gasturbine kann eine Vielzahl von Brennstoffen verwenden. Typischerweise werden große Landturbinen verwendet Erdgas, während in der Luftfahrt hauptsächlich leichte Destillate (Kerosin) verwendet werden. Es kann auch Dieselkraftstoff oder speziell behandeltes Heizöl verwendet werden. Es ist auch möglich, brennbare Gase aus dem Prozess der Pyrolyse, Vergasung und Ölraffination sowie Biogas zu verwenden.
5. Typischerweise verwenden Gasturbinen atmosphärische Luft als Arbeitsmedium. Bei der Stromerzeugung benötigt eine Gasturbine kein Kühlmittel (z. B. Wasser).

In der Vergangenheit war einer der Hauptnachteile von Gasturbinen ihr geringer Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren oder Dampfturbinen in Kraftwerken. In den letzten 50 Jahren haben Verbesserungen in ihrem Design jedoch den thermischen Wirkungsgrad von 18 % im Jahr 1939 bei einer Neuchatel-Gasturbine auf den aktuellen Wirkungsgrad von 40 % im einfachen Zyklusbetrieb und etwa 55 % im kombinierten Zyklus erhöht (mehr dazu weiter unten). . In Zukunft wird der Wirkungsgrad von Gasturbinen noch weiter steigen, wobei der Wirkungsgrad im einfachen Zyklus auf 45-47 % und im kombinierten Zyklus auf bis zu 60 % steigen soll. Diese erwarteten Wirkungsgrade sind wesentlich höher als bei anderen gängigen Motoren wie Dampfturbinen.

Gasturbinenzyklen

Das Ablaufdiagramm zeigt, was passiert, wenn Luft in die Gasturbine eintritt, durch den Gasweg strömt und aus der Gasturbine austritt. Typischerweise zeigt ein Zyklogramm die Beziehung zwischen Luftvolumen und Systemdruck. Auf Abb. 4a zeigt den Brayton-Zyklus, der die Änderung der Eigenschaften eines festen Luftvolumens zeigt, das durch eine Gasturbine während ihres Betriebs strömt. Die wesentlichen Bereiche dieses Zyklogramms sind auch in der schematischen Darstellung der Gasturbine in Abb. 1 dargestellt. 4b.

Abbildung 4a. Brayton-Zyklusdiagramm in P-V-Koordinaten für das Arbeitsmedium, das die Arbeits- (W) und Wärmeströme (Q) zeigt.

Abbildung 4b. Schematische Darstellung einer Gasturbine mit Punkten aus dem Brayton-Zyklusdiagramm.

Die Luft wird von Punkt 1 nach Punkt 2 komprimiert. Der Druck des Gases steigt, während das Volumen des Gases abnimmt. Die Luft wird dann bei konstantem Druck von Punkt 2 nach Punkt 3 erhitzt. Diese Wärme wird dadurch erzeugt, dass der Brennstoff in die Brennkammer eingeführt wird und kontinuierlich verbrennt.

Heiße Druckluft aus Punkt 3 beginnt sich zwischen den Punkten 3 und 4 auszudehnen. In diesem Intervall sinken Druck und Temperatur, das Gasvolumen nimmt zu. Bei dem Motor in Abb. In 4b ist dies durch den Gasstrom von Punkt 3 durch die Turbine zu Punkt 4 dargestellt. Dadurch wird Energie erzeugt, die dann genutzt werden kann. In Abb. In Fig. 1a wird die Strömung von Punkt 3" nach Punkt 4 durch die Austrittsdüse geleitet und erzeugt Schub. "Nutzarbeit" in Fig. 4a wird durch die Kurve 3'-4 gezeigt. Dies ist die Energie, die in der Lage ist, die Antriebswelle von a anzutreiben Bodenturbine oder Schuberzeugung für ein Flugzeugtriebwerk Der Zyklus Brighton endet in Abb. 4 mit einem Prozess, bei dem das Volumen und die Temperatur der Luft abnehmen, wenn Wärme an die Atmosphäre abgegeben wird.

Abbildung 5. System mit geschlossenem Kreislauf.

Die meisten Gasturbinen arbeiten in einem Modus mit offenem Kreislauf. In einem offenen Kreislauf wird Luft aus der Atmosphäre entnommen (Punkt 1 in Abb. 4a und 4b) und an Punkt 4 wieder in die Atmosphäre ausgestoßen, sodass das heiße Gas in der Atmosphäre gekühlt wird, nachdem es aus dem Motor ausgestoßen wurde. In einer Gasturbine, die in einem geschlossenen Kreislauf arbeitet, wird das Arbeitsmedium (Flüssigkeit oder Gas) ständig verwendet, um die Abgase (am Punkt 4) im Wärmetauscher (in Abb. 5 schematisch dargestellt) zu kühlen und zum Verdichtereinlass zu leiten . Da ein geschlossenes Volumen mit einer begrenzten Gasmenge verwendet wird, ist eine Turbine mit geschlossenem Kreislauf kein Verbrennungsmotor. In einem geschlossenen Kreislaufsystem kann die Verbrennung nicht aufrechterhalten werden und die herkömmliche Brennkammer wird durch einen Sekundärwärmetauscher ersetzt, der die komprimierte Luft erwärmt, bevor sie in die Turbine eintritt. Wärme wird von einer externen Quelle bereitgestellt, wie etwa einem Kernreaktor, einem kohlebefeuerten Wirbelschichtofen oder einer anderen Wärmequelle. Es wurde vorgeschlagen, Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf bei Flügen zum Mars und anderen Langzeit-Weltraumflügen einzusetzen.

Eine Gasturbine, die nach dem Bryson-Kreisprozess (Abbildung 4) konstruiert und betrieben wird, wird als Einfachkreislauf-Gasturbine bezeichnet. Die meisten Gasturbinen in Flugzeugen arbeiten mit einem einfachen Zyklus, um das Gewicht und die Frontabmessung des Triebwerks so gering wie möglich zu halten. Für Land- oder Seenutzung wird es jedoch möglich, hinzuzufügen optionale Ausrüstung zu einer einfachen Zyklusturbine, um die Effizienz und/oder Leistung des Motors zu erhöhen. Es werden drei Arten von Modifikationen verwendet: Regeneration, Zwischenkühlung und doppelte Erwärmung.

Regeneration sieht die Installation eines Wärmetauschers (Rekuperators) auf dem Weg der Abgase vor (Punkt 4 in Abb. 4b). Druckluft von Punkt 2 in Abb. 4b wird am Wärmetauscher durch Abgase vorgewärmt, bevor sie in die Brennkammer eintreten (Abb. 6a).

Wenn die Regeneration gut implementiert ist, dh der Wirkungsgrad des Wärmetauschers hoch und der Druckabfall darin gering ist, ist der Wirkungsgrad größer als bei einem einfachen Turbinenkreislauf. Allerdings sollten auch die Kosten des Regenerators berücksichtigt werden. Die Regeneratoren wurden in Gasturbinentriebwerken in den Panzern Abrams M1 – dem Hauptkampfpanzer der Operation Desert Storm – und in experimentellen Gasturbinentriebwerken von Fahrzeugen eingesetzt. Gasturbinen mit Regeneration erhöhen den Wirkungsgrad um 5-6 % und ihr Wirkungsgrad ist sogar noch höher, wenn sie unter Teillast betrieben werden.

Ladeluftkühlung beinhaltet auch die Verwendung von Wärmetauschern. Ein Ladeluftkühler (Intercooler) kühlt das Gas während seiner Verdichtung. Wenn der Kompressor beispielsweise aus zwei Modulen besteht, Hoch- und Niederdruck, sollte ein Zwischenkühler zwischen ihnen installiert werden, um den Gasstrom zu kühlen und die zum Verdichten im Hochdruckkompressor erforderliche Arbeitsmenge zu reduzieren (Abb. 6b). Das Kühlmittel kann atmosphärische Luft (sog. Luftkühler) oder Wasser (z. B. Meerwasser in einer Schiffsturbine) sein. Es ist leicht zu zeigen, dass die Leistung einer Gasturbine mit einem gut ausgelegten Ladeluftkühler erhöht wird.

doppelte Heizung wird in Turbinen verwendet und ist eine Möglichkeit, die Leistungsabgabe einer Turbine zu erhöhen, ohne den Betrieb des Kompressors zu ändern oder die Betriebstemperatur der Turbine zu erhöhen. Wenn die Gasturbine zwei Module hat, Hoch- und Niederdruck, wird ein Überhitzer (normalerweise eine weitere Brennkammer) verwendet, um den Gasstrom zwischen der Hoch- und der Niederdruckturbine zu erhitzen (Abb. 6c). Es kann die Ausgangsleistung um 1-3% erhöhen. Die doppelte Erwärmung in Flugzeugturbinen wird durch Hinzufügen eines Nachbrenners an der Turbinendüse realisiert. Das erhöht die Traktion, erhöht aber den Kraftstoffverbrauch deutlich.

GuD-Gasturbinenkraftwerk wird oft als CCGT abgekürzt. Kombinierter Zyklus bedeutet ein Kraftwerk, in dem eine Gasturbine und eine Dampfturbine zusammen verwendet werden, um einen höheren Wirkungsgrad als bei getrennter Verwendung zu erreichen. Die Gasturbine treibt einen elektrischen Generator an. Aus Turbinenabgasen wird in einem Wärmetauscher Dampf erzeugt, der eine Dampfturbine antreibt, die ebenfalls Strom erzeugt. Wird mit Dampf geheizt, spricht man von einem Blockheizkraftwerk. Mit anderen Worten, in Russland ist die Abkürzung CHP (Heat and Power Plant) gebräuchlich. Aber in KWK-Anlagen arbeiten in der Regel keine Gasturbinen, sondern gewöhnliche Dampfturbinen. Und der gebrauchte Dampf wird zum Heizen verwendet, also sind BHKW und BHKW nicht synonym. Auf Abb. 7 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Blockheizkraftwerks, das zwei in Reihe installierte Wärmekraftmaschinen zeigt. Der oberste Motor ist eine Gasturbine. Es überträgt Energie auf den unteren Motor - die Dampfturbine. Die Dampfturbine überträgt die Wärme dann auf den Kondensator.

Abbildung 7. Diagramm eines GuD-Kraftwerks.

Die Effizienz des kombinierten Zyklus \(\nu_(cc) \) kann durch einen ziemlich einfachen Ausdruck dargestellt werden: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) Mit anderen Worten, es ist die Summe der Effizienz jeder Stufe abzüglich ihrer Arbeit. Diese Gleichung zeigt, warum Kraft-Wärme-Kopplung so effizient ist. Angenommen, \(\nu_B = 40%\) ist eine vernünftige Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Brayton-Zyklus-Gasturbine. Eine vernünftige Schätzung des Wirkungsgrads einer Dampfturbine, die im Rankine-Zyklus in der zweiten Stufe der Kraft-Wärme-Kopplung arbeitet, ist \(\nu_R = 30% \). Setzen wir diese Werte in die Gleichung ein, erhalten wir: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58 \). Das heißt, der Wirkungsgrad eines solchen Systems beträgt 58%.

Dies ist die Obergrenze für den Wirkungsgrad eines Blockheizkraftwerks. Der praktische Wirkungsgrad wird aufgrund des unvermeidlichen Energieverlusts zwischen den Stufen geringer sein. In der Praxis wurde bei den in den letzten Jahren in Betrieb genommenen KWK-Anlagen ein Wirkungsgrad von 52-58 % erreicht.

Gasturbinenkomponenten

Der Betrieb einer Gasturbine lässt sich am besten in drei Teilsysteme unterteilen: Verdichter, Brennkammer und Turbine, wie in Abb. 1. Als nächstes werden wir jedes dieser Subsysteme kurz betrachten.

Kompressoren und Turbinen

Der Kompressor ist über eine gemeinsame Welle mit der Turbine verbunden, so dass die Turbine den Kompressor drehen kann. Eine Einwellen-Gasturbine hat eine einzige Welle, die die Turbine und den Verdichter verbindet. Eine zweiwellige Gasturbine (Fig. 6b und 6c) hat zwei konische Wellen. Der längere ist mit einem Niederdruckkompressor und einer Niederdruckturbine verbunden. Er rotiert in einer kürzeren Hohlwelle, die den Hochdruckverdichter mit der Hochdruckturbine verbindet. Die Welle, die Turbine und Hochdruckverdichter verbindet, dreht sich schneller als die Welle von Turbine und Niederdruckverdichter. Eine Dreiwellen-Gasturbine hat eine dritte Welle, die die Turbine und den Mitteldruckverdichter verbindet.

Gasturbinen können zentrifugal oder axial oder eine Kombination sein. Der Zentrifugalkompressor, bei dem die Druckluft am äußeren Umfang der Maschine austritt, ist zuverlässig, kostet normalerweise weniger, ist aber auf ein Verdichtungsverhältnis von 6-7 zu 1 begrenzt. Sie waren in der Vergangenheit weit verbreitet und werden noch heute verwendet in kleinen Gasturbinen.

Bei effizienteren und produktiveren Axialkompressoren tritt Druckluft entlang der Achse des Mechanismus aus. Dies ist die häufigste Art von Gaskompressoren (siehe Abbildungen 2 und 3). Radialkompressoren bestehen aus einer großen Anzahl identischer Sektionen. Jeder Abschnitt enthält ein rotierendes Rad mit Turbinenschaufeln und ein Rad mit feststehenden Schaufeln (Statoren). Die Abschnitte sind so angeordnet, dass die Druckluft nacheinander durch jeden Abschnitt strömt und jedem von ihnen einen Teil ihrer Energie gibt.

Turbinen sind einfacher aufgebaut als Kompressoren, da es schwieriger ist, den Gasstrom zu komprimieren, als ihn wieder zu expandieren. Axialturbinen wie die in Abb. 2 und 3 haben weniger Abschnitte als ein Zentrifugalkompressor. Es gibt kleine Gasturbinen, die Zentrifugalturbinen (mit radialer Gaseinspritzung) verwenden, aber Axialturbinen sind am häufigsten.

Die Konstruktion und Herstellung einer Turbine ist schwierig, weil es erforderlich ist, die Lebensdauer der Komponenten im Heißgasstrom zu erhöhen. Das Problem der Konstruktionszuverlässigkeit ist in der ersten Stufe der Turbine am kritischsten, wo die Temperaturen am höchsten sind. Spezielle Materialien und ein ausgeklügeltes Kühlsystem werden verwendet, um Turbinenschaufeln herzustellen, die bei einer Temperatur von 980 bis 1040 Grad Celsius in einem Gasstrom schmelzen, dessen Temperatur 1650 Grad Celsius erreicht.

Die Brennkammer

Ein erfolgreiches Brennkammerdesign muss viele Anforderungen erfüllen, und sein richtiges Design ist seit den Tagen der Whittle- und von Ohin-Turbinen eine Herausforderung. Die relative Wichtigkeit jeder der Anforderungen an die Brennkammer hängt von der Anwendung der Turbine ab, und natürlich stehen einige Anforderungen im Widerspruch zueinander. Bei der Auslegung einer Brennkammer sind Kompromisse unvermeidlich. Die meisten Konstruktionsanforderungen beziehen sich auf den Preis, die Effizienz und die Umweltfreundlichkeit des Motors. Hier ist eine Liste der grundlegenden Anforderungen an eine Brennkammer:

1. Hohe Kraftstoffverbrennungseffizienz unter allen Betriebsbedingungen.
2. Geringe Kraftstoffunterverbrennung und Kohlenmonoxid (Kohlenmonoxid)-Emissionen, geringe Stickoxidemissionen bei hoher Belastung und keine sichtbaren Rauchemissionen (Minimierung der Umweltbelastung).
3. Geringer Druckabfall, wenn Gas durch die Brennkammer strömt. 3-4 % Druckverlust sind ein typischer Druckverlust.
4. Die Verbrennung muss in allen Betriebsarten stabil sein.
5. Die Verbrennung muss bei sehr niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck in großer Höhe (für Flugzeugtriebwerke) stabil sein.
6. Die Verbrennung sollte gleichmäßig sein, ohne Pulsationen oder Unterbrechungen.
7. Die Temperatur muss stabil sein.
8. Lange Lebensdauer (tausende von Stunden), insbesondere für Industrieturbinen.
9. Benutzerfreundlichkeit verschiedene Typen Kraftstoff. Landturbinen verwenden normalerweise Erdgas oder Dieselkraftstoff. Für Flugzeugkerosinturbinen.
10. Länge und Durchmesser des Brennraums müssen der Größe des Motoraggregats entsprechen.
11. Die Gesamtkosten für den Besitz einer Brennkammer sollten auf einem Minimum gehalten werden (dies umfasst Anschaffungskosten, Betriebs- und Wartungskosten).
12. Die Brennkammer für Flugtriebwerke muss ein Mindestgewicht aufweisen.

Die Brennkammer besteht aus mindestens drei Hauptteilen: Mantel, Flammrohr und Kraftstoffeinspritzsystem. Das Gehäuse muss dem Betriebsdruck standhalten und kann Teil des Gasturbinendesigns sein. Der Mantel schließt ein relativ dünnwandiges Flammrohr ab, in dem die Verbrennung und das Brennstoffeinspritzsystem stattfinden.

Im Vergleich zu anderen Motortypen wie Diesel- und Hubkolbenmotoren erzeugen Gasturbinen die geringste Menge an Luftschadstoffen pro Leistungseinheit. Unter den Gasturbinenemissionen sind unverbrannter Brennstoff, Kohlenmonoxid (Kohlenmonoxid), Stickoxide (NOx) und Rauch von größter Bedeutung. Obwohl der Beitrag von Flugzeugturbinen zu den gesamten Schadstoffemissionen weniger als 1 % beträgt, verdoppelten sich die Emissionen direkt in die Troposphäre zwischen dem 40. und 60. Grad nördlicher Breite, was zu einem Anstieg der Ozonkonzentration um 20 % führte. In der Stratosphäre, wo Überschallflugzeuge fliegen, verursachen NOx-Emissionen Ozonabbau. Beide Effekte schaden der Umwelt, daher ist die Reduzierung von Stickoxiden (NOx) in Flugzeugtriebwerksemissionen das, was im 21. Jahrhundert geschehen muss.

Dies ist ein ziemlich kurzer Artikel, der versucht, alle Aspekte von Turbinenanwendungen abzudecken, von der Luftfahrt bis zur Energie, ohne sich auf Formeln zu verlassen. Um sich besser in das Thema einzuarbeiten, kann ich das Buch „Gas Turbine on Schienenverkehr» http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html . Wenn wir die Kapitel weglassen, die sich auf die Besonderheiten der Verwendung von Turbinen beziehen, auf Eisenbahn– das Buch ist immer noch sehr übersichtlich, aber viel detaillierter.

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 Wärmekraftmaschine kontinuierliche Aktion, in dessen 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. Nützliche Eigenschaften einer Gasturbine: Eine Gasturbine z. B. treibt mit ihr einen auf der gleichen Welle befindlichen Generator an, was die Nutzarbeit einer Gasturbine ist.

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 ist ein Motor, bei dem das Hauptorgan des Geräts (der Rotor) im Dauerbetrieb (in anderen Fällen Dampf oder Wasser) in mechanische Arbeit umwandelt. Dabei wirkt der Strahl des Arbeitsmittels auf die am Umfang des Rotors befestigten Schaufeln und versetzt diese in Bewegung. In Richtung der Gasströmung werden Turbinen in axial (Gas bewegt sich parallel zur Turbinenachse) oder radial (senkrechte Bewegung relativ zur gleichen Achse) unterteilt. Es gibt sowohl ein- als auch mehrstufige Mechanismen.

Eine Gasturbine kann auf zwei Arten auf die Schaufeln einwirken. Erstens handelt es sich um einen aktiven Prozess, bei dem dem Arbeitsbereich Gas mit hoher Geschwindigkeit zugeführt wird. In diesem Fall bewegt sich der Gasstrom tendenziell geradlinig, und der ihm im Weg stehende gebogene Schaufelteil lenkt ihn ab und dreht sich. Zweitens ist es ein reaktiver Prozess, wenn die Gaszufuhrrate niedrig ist, aber hohe Drücke verwendet werden. Typ in seiner reinen Form wird fast nie gefunden, weil es in ihren Turbinen vorhanden ist, die zusammen mit der Reaktionskraft auf die Schaufeln wirken.

Wo wird die Gasturbine heute eingesetzt? Das Funktionsprinzip des Geräts ermöglicht den Einsatz für Antriebe von Stromgeneratoren, Kompressoren usw. Turbinen dieser Art sind im Transportwesen (Schiffsgasturbinenanlagen) weit verbreitet. Im Vergleich zu Dampf-Pendants haben sie ein relativ geringes Gewicht und Abmessungen, sie erfordern keine Anordnung eines Heizraums, einer Kondensationseinheit.

Die Gasturbine ist nach dem Start recht schnell betriebsbereit, entwickelt in ca. 10 Minuten die volle Leistung, ist wartungsfreundlich, benötigt wenig Wasser zur Kühlung. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren hat es keine Trägheitseffekte vom Kurbelmechanismus. eineinhalb Mal kürzer als Dieselmotoren und mehr als doppelt so leicht. Die Geräte können mit Kraftstoff betrieben werden Geringe Qualität. Die oben genannten Eigenschaften machen es möglich, Motoren dieser Art als besonders interessant für Schiffe und Tragflügelboote zu betrachten.

Die Gasturbine als Hauptkomponente des Triebwerks hat eine Reihe erheblicher Nachteile. Unter ihnen stellen sie hohe Geräusche, weniger als Dieselmotoren, Effizienz und kurze Lebensdauer bei hohen Temperaturen fest (wenn das verwendete Gasmedium eine Temperatur von etwa 1100 ° C hat, kann die Turbine durchschnittlich bis zu 750 Stunden verwendet werden).

Der Wirkungsgrad einer Gasturbine hängt von dem System ab, in dem sie eingesetzt wird. Beispielsweise haben in der Energiewirtschaft verwendete Geräte mit einer Anfangstemperatur von Gasen über 1300 Grad Celsius, von Luft im Kompressor nicht mehr als 23 und nicht weniger als 17, während des autonomen Betriebs einen Koeffizienten von etwa 38,5%. Solche Turbinen sind nicht sehr weit verbreitet und werden hauptsächlich zur Abdeckung von Lastspitzen in elektrischen Systemen eingesetzt. Heute laufen etwa 15 Gasturbinen mit einer Leistung von bis zu 30 MW in mehreren thermischen Kraftwerken in Russland. Bei mehrstufigen Anlagen wird durch den hohen Wirkungsgrad der Strukturelemente ein deutlich höherer Wirkungsgrad (ca. 0,93) erreicht.

Thermische Turbine permanente Aktion, bei dem die Wärmeenergie von komprimiertem und erhitztem Gas (normalerweise Kraftstoffverbrennungsprodukte) in mechanische Rotationsarbeit an der Welle umgewandelt wird; ist ein Strukturelement eines Gasturbinentriebwerks.

Die Erwärmung von komprimiertem Gas erfolgt in der Regel in der Brennkammer. Es ist auch möglich, in einem Kernreaktor usw. zu heizen. Gasturbinen tauchten erstmals Ende des 19. Jahrhunderts auf. Als Gasturbinentriebwerk näherten sie sich konstruktiv einer Dampfturbine an. Strukturell ist eine Gasturbine eine Reihe von geordnet angeordneten feststehenden Schaufelkränzen des Düsenapparats und rotierenden Kränzen des Laufrads, die dadurch einen Strömungsteil bilden. Die Turbinenstufe ist ein mit einem Laufrad kombinierter Düsenapparat. Die Stufe besteht aus einem Stator mit feststehenden Teilen (Gehäuse, Leitschaufeln, Deckringe) und einem Rotor mit rotierenden Teilen (wie Laufschaufeln, Scheiben, Welle).

Die Klassifizierung einer Gasturbine erfolgt nach vielen Design-Merkmale: entsprechend der Richtung des Gasstroms, der Anzahl der Stufen, der Methode zur Nutzung der Wärmedifferenz und der Methode der Gaszufuhr zum Laufrad. In Richtung der Gasströmung können Gasturbinen axial (am häufigsten) und radial sowie diagonal und tangential unterschieden werden. Bei axialen Gasturbinen wird die Strömung im Meridianschnitt hauptsächlich entlang der gesamten Turbinenachse transportiert; bei radialen Turbinen hingegen steht sie senkrecht zur Achse. Radialturbinen werden in Zentripetal- und Zentrifugalturbinen unterteilt. Bei einer Diagonalturbine strömt das Gas in einem bestimmten Winkel zur Rotationsachse der Turbine. Das Laufrad einer Tangentialturbine hat keine Schaufeln; solche Turbinen werden bei sehr niedrigen Gasströmungsgeschwindigkeiten verwendet, normalerweise in Messgeräte. Gasturbinen sind ein-, zwei- und mehrstufig.

Die Anzahl der Stufen wird von vielen Faktoren bestimmt: dem Verwendungszweck der Turbine, ihrem Konstruktionsschema, der Gesamtleistung, die von einer Stufe entwickelt wird, sowie dem ausgelösten Druckabfall. Nach der Methode der Nutzung der verfügbaren Wärmedifferenz unterscheidet man Turbinen mit Drehzahlstufen, bei denen sich nur die Strömung im Laufrad dreht, ohne Druckänderung (aktive Turbinen), und Turbinen mit Druckstufen, bei denen der Druck sowohl in der als auch in der Düsenapparate und an den Laufschaufeln (Strahlturbinen). Bei Teilgasturbinen wird dem Laufrad entlang eines Teilumfangs der Düsenvorrichtung oder entlang ihres vollen Umfangs Gas zugeführt.

Bei einer mehrstufigen Turbine besteht der Energieumwandlungsprozess aus mehreren aufeinanderfolgenden Prozessen in einzelnen Stufen. Verdichtetes und erhitztes Gas wird den Zwischenschaufelkanälen der Düsenvorrichtung mit einer Anfangsgeschwindigkeit zugeführt, wo beim Expansionsvorgang ein Teil des verfügbaren Wärmetropfens in die kinetische Energie des ausströmenden Strahls umgewandelt wird. Weitere Expansion des Gases und Umwandlung des Wärmetropfens in nützliche Arbeit treten in den Zwischenschaufelkanälen des Laufrads auf. Der auf die Rotorblätter wirkende Gasstrom erzeugt ein Drehmoment an der Hauptwelle der Turbine. In diesem Fall nimmt die absolute Geschwindigkeit des Gases ab. Je niedriger diese Drehzahl ist, desto mehr Gasenergie wird an der Turbinenwelle in mechanische Arbeit umgewandelt.

Der Wirkungsgrad charakterisiert den Wirkungsgrad von Gasturbinen, der das Verhältnis der von der Welle abgeführten Arbeit zur verfügbaren Gasenergie vor der Turbine ist. Der effektive Wirkungsgrad moderner mehrstufiger Turbinen ist ziemlich hoch und erreicht 92-94%.

Das Funktionsprinzip einer Gasturbine ist wie folgt: Gas wird von einem Kompressor in die Brennkammer eingeblasen, mit Luft vermischt, bildet ein Brennstoffgemisch und wird gezündet. Die entstehenden Verbrennungsprodukte mit hoher Temperatur (900-1200 °C) passieren mehrere Reihen von Schaufeln, die auf der Turbinenwelle montiert sind, und bringen die Turbine zum Rotieren. Die resultierende mechanische Energie der Welle wird über ein Getriebe auf einen Generator übertragen, der Strom erzeugt.

Wärmeenergie Gase, die die Turbine verlassen, treten in den Wärmetauscher ein. Anstatt Strom zu erzeugen, kann die mechanische Energie der Turbine auch verwendet werden, um verschiedene Pumpen, Kompressoren usw. zu betreiben. Der am häufigsten verwendete Brennstoff für Gasturbinen ist Erdgas, obwohl dies die Möglichkeit der Verwendung anderer Arten von gasförmigen Brennstoffen nicht ausschließen kann . Aber gleichzeitig sind Gasturbinen sehr launisch und stellen hohe Anforderungen an die Qualität ihrer Herstellung (bestimmte mechanische Einschlüsse, Feuchtigkeit sind notwendig).

Die Temperatur der aus der Turbine austretenden Gase beträgt 450-550 °C. Das quantitative Verhältnis von thermischer zu elektrischer Energie in Gasturbinen reicht von 1,5: 1 bis 2,5: 1, was den Bau von Blockheizkraftwerken ermöglicht, die sich in der Art des Kühlmittels unterscheiden:

1) direkte (direkte) Verwendung von heißen Abgasen;
2) Erzeugung von Nieder- oder Mitteldruckdampf (8-18 kg/cm2) in einem externen Kessel;
3) Warmwasserbereitung (besser, wenn die erforderliche Temperatur 140 °C übersteigt);
4) Erzeugung von Hochdruckdampf.

Einen großen Beitrag zur Entwicklung von Gasturbinen leisteten die sowjetischen Wissenschaftler B. S. Stechkin, G. S. Zhiritsky, N. R. Briling, V. V. Uvarov, K. V. Kholshchevikov, I. I. Kirillov und andere Die Schaffung von Gasturbinen für stationäre und mobile Gasturbinenanlagen wurde von Ausländern erreicht Unternehmen (die Schweizer Brown-Boveri, in der der berühmte slowakische Wissenschaftler A. Stodola arbeitete, und Sulzer, die amerikanische General Electric usw.).

Die Entwicklung von Gasturbinen hängt zukünftig von der Möglichkeit ab, die Gastemperatur vor der Turbine zu erhöhen. Dies liegt an der Schaffung neuer hitzebeständiger Materialien und zuverlässiger Kühlsysteme für Rotorblätter mit einer erheblichen Verbesserung des Strömungspfads usw.

Dank des weit verbreiteten Übergangs in den 1990er Jahren. Erdgas als Hauptbrennstoff für die Stromerzeugung haben Gasturbinen ein bedeutendes Marktsegment besetzt. Obwohl die maximale Effizienz der Geräte bei Leistungen ab 5 MW (bis zu 300 MW) erreicht wird, produzieren einige Hersteller Modelle im Bereich von 1 bis 5 MW.

Gasturbinen werden in der Luftfahrt und in Kraftwerken eingesetzt.

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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. Dieser rotierende Luftwirbel erhält 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, ist es notwendig, zumindest allgemein die Technologie ihrer Herstellung zu betrachten. 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 Technik ist der Luftfahrttechnik entlehnt, wo die erreichten Temperaturen wesentlich höher sind als im stationären Betrieb Dampfturbine. 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. Beim gute Qualität Die Herstellung einer Hirtverbindung gewährleistet die absolute Zentrierung benachbarter Scheiben (dies gewährleistet die Radialität der Hirts) und die Wiederholbarkeit der Montage 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 einer Dampfturbine) und damit ein leichtes Aufheizen und Abkühlen ohne gefährliche thermische 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.