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

лаждающей средой служит обычно вода. С точки зрения термодина­ мики, охладитель 4 выполняет роль теплоприемника. Охлажденный газ поступает далее в компрессор 5, где сжимается от давления р^ до р2, за счет чего температура его повышается с 7^ до Т2. После компрес­ сора 5 газ направляется в регенератор 12, в котором подогревается до температуры Т3; давление его вследствие гидравлических потерь не­ сколько снижается от р2 до р3.

Рис. 2-13. Принципиальная схема замкнутой ГТУ

В замкнутых ГТУ вместо камеры сгорания устанавливается нагре­ ватель 1, в котором рабочее тело (газ или воздух) пропускается внутри трубок. Снаружи эти трубки нагреваются за счет тепла, выделяюще­ гося при сжигании топлива в топке, которая по принципу работы схо­ жа с топкой паровых котлов. Благодаря сходству нагреватель замкну­ тых ГТУ иногда называют еще «воздушным котлом». В нагревателе / температура рабочего газа резко возрастает до Т4 , а давление, опятьтаки за счет гидравлических потерь, снижается до р 4 . С этими пара­ метрами газ поступает в турбину 3, где, совершая работу, расширя­ ется до давления р5\ температура его при этом падает до Т5. Турбина 5 вращает компрессор 5, а избыточную часть своей мощности отдает на привод электрогенератора 2.

Так как температура отработавшего газа еще достаточно высока, то после турбины он направляется в регенератор 12, где отдает часть тепла на подогрев газа, движущегося из компрессора 5 в нагреватель 1.

Нетрудно заметить, что в замкнутой ГТУ циркулирует одно и то же весовое количество рабочего тела, если не считать незначительной по величине утечки газа из контура через различные неплотности, которая автоматически восполняется из аккумулятора высокого дав­ ления 8.

178

Мощность установки регулируется изменением давления газа в ее контуре при сохранении практически неизменными степени повы­ шения давления, а также наименьшей и наибольшей температуры газа. Следовательно, без изменений остаются тепловые перепады в турбине и компрессоре, а также треугольники скоростей и внутренние к.п.д. турбомашин.

Рассмотрим этот способ регулирования. При увеличении нагрузки число оборотов турбины 3 уменьшается, в результате чего центробеж­ ный регулятор 6 перемещает регулирующий орган 10 вниз (см. рис. 2-13). Тем самым он сообщает аккумулятор высокого давления 8 с контуром ГТУ. При этом давление газа, циркулирующего в конту­ ре, а следовательно, и весовой расход его возрастают. Мощность ГТУ увеличивается пропорционально росту весового расхода газа. При уменьшении нагрузки вследствие увеличения числа оборотов турбины грузы регулятора 6 расходятся и перемещают регулирующий орган 10 вверх. В этом случае часть газа из контура ГТУ перетекает в акку­ мулятор низкого давления 9. В результате давление в контуре, а зна­ чит, и весовой расход циркулирующего газа уменьшаются, что при­ водит к снижению мощности установки.

В связи с тем что скорость регулятора 6 изменяется в зависимости от нагрузки в пределах неравномерности регулирования, то, для того чтобы регулирующий орган 10 в положении равновесия был закрыт, установлен регулятор давления 7. В рассматриваемой ГТУ каждой нагрузке соответствует определенное давление газа в контуре, в том числе и после компрессора 5 (область высокого давления). Поэтому при каждой нагрузке регулятор давления 7, а значит, и муфта регуля­ тора скорости 6 будут находиться в каком-то вполне определенном положении.

При небольших временных колебаниях нагрузки часть сжатого газа перепускается из области высокого давления ГТУ непосредствен­

Аккумулятор высокого давления 8 пополняется с помощью не­ большого вспомогательного компрессора, перекачивающего в него газ из аккумулятора низкого давления 9 так, чтобы давление в нем было всегда несколько выше, чем в области высокого давления уста­ новки при максимальной нагрузке.

Замкнутые ГТУ по сравнению с открытыми обладают следующими преимуществами:

1. Благодаря отсутствию в циркулирующем газе веществ, вызы­ вающих коррозию и эрозию лопаточного аппарата, значительно по­ вышается надежность и долговечность турбины.

3.Замкнутые ГТУ могут успешно работать на атомной энергии совместно с газовым атомным реактором.

4.Путем повышения начального давления газа перед компрессо-

179

ром можно в широких пределах увеличивать его весовой расход в ГТУ. А это дает возможность либо в соответствующее число раз уве­ личить единичную мощность установки, либо же при неизменной мощ­ ности значительно снизить вес ее, прежде всего за счет уменьшения поверхности теплообменников, размеров газовой турбины и диаметров трубопроводов.

5.В связи с тем что в замкнутых ГТУ мощность регулируется из­ менением давления газа в контуре, к.п.д. установки на различных режимах нагрузки в широком диапазоне остается почти неизменным.

6.В замкнутых ГТУ в качестве рабочего тела кроме воздуха мож­ но использовать любые газообразные вещества, либо обладающие лучшими теплофизическими свойствами, либо позволяющие сделать цикл установки более совершенным и выгодным с термодинамической стороны, либо имеющие какие-то другие ценные достоинства. Приме­ ром тому может служить гелий, который обладает лучшими теплофизическими свойствами, чем воздух, но он значительно дороже и от­ личается огромной текучестью. Однако то обстоятельство, что гелий при прохождении через атомный реактор не становится радиоактив­ ным, является решающим в деле использования его в качестве тепло­

носителя в атомных установках с газовыми реакторами [7].

В настоящее время ведутся работы по созданию замкнутых ГТУ, работающих совместно с высокотемпературными газоохлаждаемыми атомными реакторами. Разработано большое число проектов у нас в стране и за рубежом. Установлено, что ГТУ этого типа являются чрезвычайно перспективными, так как обладают существенными пре­ имуществами по сравнению с паротурбинными атомными установка­ ми. Так, они экономичнее, более компактны и требуют значительно меньших капиталовложений. Но на сегодняшний день постройка атом­ ных ГТУ упирается в целый ряд еще не разрешенных технических задач.

Наряду с отмеченными достоинствами замкнутые ГТУ по сравне­ нию с установками открытого типа отличаются большей сложностью и громоздкостью. Вместо малогабаритной камеры сгорания у них имеется громоздкий «воздушный котел», соразмерный при одинаковой мощности установок с паровым котлом. Кроме того, в ГТУ дополни­ тельно появляется воздухоохладитель, поверхность охлаждения ко­ торого также соразмерна с поверхностью конденсатора паротурбин­ ной установки. Вследствие указанных причин замкнутые ГТУ до сих пор не нашли широкого распространения. Область их применения ограничивается в основном работой на мазуте и твердом топливе: каменном угле и торфе. Наиболее известны ГТУ замкнутого типа про­ изводства швейцарской фирмы «Эшер-Висс», которая много лет спе­ циализируется в этом направлении.

В 1960 г. на ГРЭС № 4 Мосэнерго была запущена замкнутая ГТУ М-56 мощностью 10 ООО кВт, построенная фирмой «Эшер-Висс» для Советского Союза. Топливом для установки служит угольная пыль Подмосковного бассейна. Наряду с производством электроэнергии установка может давать до 32,5 ГДж/ч тепла в виде горячей воды для теплофикационных нужд [7].

180

§ 2-8. ГТУ с поршневыми камерами сгорания, парогазовые установки

Газовые турбины в настоящее время нашли исключительно широ­ кое применение в качестве привода нагнетателей в двигателях внут­ реннего сгорания (ДВС) с наддувом, а также в различных схемах ком­ бинированных турбопоршневых двигателей. Все большее распростра­ нение получают и энергетические установки, в которых газовая тур­ бина работает совместно со свободно-поршневым генератором газа

Р и с . 2-14. Принципиальная схема ГТУ с СПГГ

(СПГГ). В этих установках удачно сочетаются положительные ка­ чества турбины (меньшие вес и габариты, способность рабо­ тать с большим числом оборотов и т. д.) с высокой экономичностью ДВС.

Принципиальная схема ГТУ с СПГГ изображена на рис. 2-14. Роль компрессора и одновременно камеры сгорания выполняет СПГГ, который по принципу действия напоминает двухтактный дизель вы­ сокого наддува с противоположно движущимися поршнями. Поршни 10 компрессоров при движении навстречу друг другу сжимают воздух и вытесняют его из полостей 2 через клапаны 4 в продувочный реси­ вер 11. Оттуда через продувочные окна 6 воздух поступает в «дизель­ ный» цилиндр 9 сначала для продувки его, а затем для наполнения све­ жим зарядом. Когда поршни 5 сблизятся и займут почти крайнее от­ носительно друг друга положение, в цилиндр 9 через форсунку 7 впрыскивается топливо. Так же, как и в дизеле, оно самовоспламеня­ ется от сжатия. Вследствие расширения газов в цилиндре 9 при сгора­ нии топлива поршни 5 начинают расходиться в противоположные стороны. При этом поршни 10, жестко связанные с поршнями 5, сжи-

181

мают воздух в буферных полостях 1. Одновременно через клапаны 3 всасывается атмосферный воздух в компрессорные полости 2. Далее, как только поршень 5 откроет выпускные окна 8, газы из «дизельного» цилиндра 9 выпускаются в уравнительный ресивер 12, а из него смесь газов с продувочным воздухом при температуре 7204-870 К направля­ ется в турбину 13. Развиваемая турбиной мощность почти целиком отдается потребителю. Для перемещения поршней снова навстречу друг к другу используется энергия сжатого воздуха, находящегося в буферных полостях 1. И таким образом весь рабочий процесс повто­ ряется.

Согласованность перемещения правой и левой поршневых групп обеспечивается специальным синхронизирующим механизмом. Число двойных ходов (циклов) в минуту регулируется изменением подачи топлива.

Газотурбинные установки с СПГГ имеют к.п.д. примерно 304-35%. Высокая их экономичность объясняется большим перепадом темпера­ тур, с которым осуществляется рабочий процесс. Высшей является

коэффициент избытка воздуха до а = 44-8, для чего требуется соот­ ветствующее увеличение производительности компрессора, а следова­ тельно, и мощности, затрачиваемой на его привод. В СПГГ необходи­ мое снижение температуры газов достигается в результате их расши­ рения в «дизельном» цилиндре. Причем за счет этого поршни совер­ шают полезную работу — сжатие воздуха в поршневых компрессорах до заданного давления. Относительно низкая температура газа перед турбиной 7204-870 К, которая получается вследствие расширения в «дизельном» цилиндре и добавления продувочного воздуха, дает воз­ можность упростить конструкцию турбины, применить для ее изго­ товления менее жаропрочные и дефицитные материалы, а также по­ зволяет увеличить надежность и долговечность ее работы.

Газотурбинные установки с СПГГ применяются на некоторых судах, локомотивах и на стационарных объектах различного назна­ чения.

Основным недостатком ГТУ с СПГГ является определенная слож­ ность и недоработанность самого СПГГ. Это существенно снижает надежность и долговечность работы установок данного типа, а в итоге ограничивает темпы и масштаб их внедрения.

Стремление повысить технико-экономические показатели энергети­ ческих установок путем рационального сочетания особенностей паро­ вого и газотурбинного циклов привело к созданию парогазовых уста­ новок (ПГУ).

У нас в стране большие работы в данном направлении начиная с 1945 г. были проведены Центральным научно-исследовательским котлотурбинным институтом им. И. И. Ползунова (ЦКТИ). В результате этого к настоящему времени создан ряд комбинированных паро-

182