Файл: Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие.pdf

грев воздуха в регенераторе Р; 5—/ — подвод тепла в первой камере сгорания КСй 1—2* — расширение газа в первой турбине 77; 2*—;*—подвод тепла во второй камере сгорания КС2; 1*—2—расши­ рение газа во второй турбине Т2\ 2—6 — отдача тепла газом в регене­ раторе Р; 6—3 — отвод тепла с отработавшим газом в атмосферу (ус­ ловное замыкание цикла).

Внутренний к.п.д. ГТУ с промежуточным подогревом и регенера­ цией

личество тепла, подведенного в первой и второй камерах сгорания;

щая степень расширения, равная степени повышения давления в ком­ прессоре

о = Pllp2 = р.

Из анализа (2-63) следует, что внутренний к.п.д. ГТУ с промежу­

достигает максимума при вполне определенных оптимальных значе­ ниях степени повышения давления в компрессоре (30ПТ и степени рас­

На рис. 2-10 показаны кривые зависимости к.п.д. ГТУ с промежу­ точным подогревом от степени повышения давления ц г п о д = / (|3) для

173

можно отметить, что промежуточный подогрев газа повышает к.п.д.

В практике газотурбостроения при создании мощных ГТУ нередко применяют одновременно промежуточное охлаждение воздуха и про­ межуточный подогрев газа. Такая комбинация, несмотря на усложне­ ние схемы установки, позволяет не только более значительно повы­ сить к.п.д., но и еще в большей степени увеличить оптимальную сте­ пень повышения давления и уменьшить удельный расход газа по срав­ нению с ГТУ, в которых применено только промежуточное охлажде­ ние или только промежуточный подогрев. А в итоге все это дает возможность резко увеличить единичную мощность ГТУ.

§2-6. Сложные и многовальные ГТУ

Внастоящее время существует тенденция к увеличению на элект­ рических станциях единичной мощности турбин, так как это позволя­ ет значительно снизить капитальные затраты и эксплуатационные рас­ ходы. Необходимость в агрегатах большой мощности имеет место также и в судостроении.

Но если единичная мощность паровых турбин сейчас доведена уже до 800 МВт и более, то мощность ГТУ не превышает еще и 100 МВт. Это объясняется следующим образом. Срабатываемый в газовой тур­ бине теплоперепад в 3—5 раз меньше, чем в паровой, поэтому для по­ лучения одинаковой мощности нужно соответственно увеличить ве-

174

совой, а при равных давлениях — и объемный расходы газа, что тре­ бует большей высоты лопаток, особенно первых ступеней.

Но, как известно, напряжения в рабочих лопатках турбин возрас­ тают с увеличением их высоты и числа оборотов турбины. Таким об­ разом, высота лопаток и число оборотов ограничивают единичную мощность турбин. Однако в отличие от паровых турбин, у которых предельная единичная мощность лимитируется высотой лопаток по­ следней ступени, в газовых турбинах эта мощность в ряде случаев может ограничиваться высотой лопаток первой ступени, так как имен­ но эти лопатки работают при наиболее высокой температуре, в самых тяжелых условиях и поэтому в них допускаются значительно более низкие напряжения, чем в лопатках других ступеней. Значительное повышение предельной мощности у турбин достигается за счет приме­ нения лопаток переменного по высоте сечения, что позволяет снизить усилия от действия центробежных сил по сравнению с лопатками по­ стоянного сечения. Следует также отметить, что при активном облопачивании предельная мощность может быть почти в два раза боль­ шей, чем у реактивных турбин. Однако при этом нужно помнить, что реактивные турбины благодаря их более высокой экономичности и ряду других преимуществ часто бывают предпочтительнее, чем ак­ тивные, особенно для больших мощностей.

Наиболее просто вопрос повышения единичной мощности решается в замкнутых ГТУ (см. § 2-7). Там это достигается путем соответствую­ щего увеличения давления, а следовательно, и весового расхода газа, циркулирующего в замкнутом контуре. Так, например, если увели­ чить давление газа перед компрессором в 10 раз, то при неизменных температурах цикла, степени повышения давления и при тех же са­ мых размерах проточной части турбины и компрессора мощность уста­ новки тоже возрастает приблизительно в 10 раз.

С целью увеличения мощности, а также экономичности открытых ГТУ в настоящее время применяются сложные и многовальные схе­ мы, в которых осуществляются ступенчатое сжатие воздуха, ступен­ чатый подогрев газа, регенерация и т. д. В свою очередь мощность этих ГТУ лимитируется пропускной способностью компрессора. При ступенчатом сжатии это будет компрессор низкого давления.

Необходимость в сложных и многовальных схемах вызвана также еще и другим весьма важным обстоятельством, а именно: они дают возможность повысить экономичность ГТУ и особенно при работе на частичных нагрузках. Это наглядно видно из рис. 2-11, где пред­ ставлены кривые изменения относительного к.п.д. в зависимости от

Нетрудно заметить, что слабее всего снижается к.п.д. при уменьше­ нии нагрузки у ГТУ замкнутого типа (кривая 3), в которой мощность регулируется изменением весового расхода газа при неизменной тем­ пературе его перед турбиной. Наиболее резко снижается к.п.д. при

«уменьшении нагрузки у простейшей одновальной ГТУ открытого типа (кривая 1). Происходит это потому, что мощность в установках дан-

175

новки открытого типа (кривая 2), что позволяет сделать вывод о целе­ сообразности применения многовальных ГТУ во всех случаях, когда по условиям эксплуатации установке большую часть времени прихо­

утрех типов установок

Пожалуй, наиболее простая схема из многовальных ГТУ у двух­ вальной установки, часто называемой установкой «с разрезным ва­ лом». В ней турбина разделена на две части. Одна часть, обычно вы­ сокого давления, служит приводом компрессора и может работать с переменным числом оборотов. Вторая часть работает со строго постоян­ ным числом оборотов и только на электрогенератор. Регулирование в ГТУ этого типа осуществляется не только путем изменения расхода топлива, но и за счет изменения расхода воздуха, подаваемого ком­ прессором. Такой метод позволяет значительно меньше снижать на­ чальную температуру газа при работе на частичных нагрузках и тем самым поддерживать к.п.д. цикла на более высоком уровне. Правда, за счет разделения турбины на две части несколько снижается к.п.д. установки на номинальном режиме. В схему установки «с разрезным валом» можно добавить регенератор, а, как уже отмечалось в § 2-4, применение регенерации даже в одновальных ГТУ уже само по себе повышает экономичность на частичных нагрузках.

Характерным примером сложной многовальной ГТУ может слу­ жить самая мощная сейчас в мире установка ГТ-100-750-2 ЛМЗ. Установка эта двухвальная, предназначена для привода электрогене­ ратора мощностью 100 ООО кВт. Тепловая схема ГТ-100-750-2 относи-

176

тельно проста (рис. 2-12), однако она содержит в себе почти все основ­ ные элементы сложной ГТУ, с помощью которых и была достигнута такая высокая мощность при сравнительно хорошей экономичности. В этой ГТУ нет регенератора, но в установке использовано двух­ ступенчатое сжатие воздуха с промежуточным его охлаждением. Ком­ прессор низкого давления 7 приводится во вращение со скоростью 3000 об/мин сидящей на одном с ним валу турбиной низкого давления 6, которая вращает также и электрогенератор 8. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 7 до давления 4,22 бар. Производительность компрессора равна 435 кг/с, а к.п.д. его составляет 88%. Сжатый воздух направляется через охлаждаемый водой двухсекционный воз­ духоохладитель 5 (на рис. 2-12 секции воздухоохладителя 5 показаны разнесенными по схеме) в компрессор высокого давления 1, где до­ полнительно сжимается до 25,5 бар, и после этого поступает в камеру сгорания высокого давления 2. Компрессор высокого давления вра­ щается со скоростью 4100 об/мин турбиной высокого давления 3, ко­ торая установлена на одном с ним валу и передает ему всю свою мощ­ ность. Кроме промежуточного охлаждения воздуха установка имеет еще и промежуточный подогрев рабочего газа (двухступенчатое сгора­ ние). Для этого кроме камеры сгорания высокого давления 2 между газовыми турбинами 6 и 3 установлена камера сгорания низкого дав­ ления 4. Температура газа перед обеими турбинами на номинальном режиме поддерживается на уровне 1020 К, к.п.д. установки при этом достигает 28%.

Так как ГТ-100-750-2 не имеет регенератора, то, для того чтобы использовать тепло отработавших в турбине низкого давления 6 газов, перед выпуском их в атмосферу предусмотрена установка теп­ лофикационного подогревателя 9. Для повышения эффективности теп­ лофикационного подогревателя сетевая вода предварительно пропус-

. кается через одну секцию воздухоохладителя 5.

Применение двухступенчатого сжатия воздуха с промежуточным его охлаждением и промежуточного подогрева газа позволило обес­ печить большую по величине общую степень повышения давления в установке (3 = 26 и получить при относительно высоком к.п.д. ее большую единичную мощность. Соответствующее дополнительное уве­ личение мощности ГТУ в целом было достигнуто также и за счет того, что установка ГТ-100-750-2 выполнена ДЕухвальной. Она рассчитана для работы на природном газе и жидких сортах топлива: соляре, газотурбинном малосернистом дистилляте и малосернистом мазуте. Конструктивное устройство ГТ-100-750-2 рассматривается в § 2-16.

§ 2-7. Замкнутые ГТУ

Принципиальная схема замкнутой ГТУ показана на рис. 2-13. Как можно видеть, отработавший в турбине 3 газ после регенератора 12 не удаляется в атмосферу, как в ГТУ открытого типа, а направля­ ется в охладитель 4. Там он охлаждается до начальной температуры

177