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

вок для покрытия мощностей 10 000-И00 ООО кВт. Вследствие

дится в районе, где имеется острый дефицит в охлаждаю­ щей воде.

Для современного газотур­ бостроения характерно увели­ чение начальной температуры газа и степени повышения дав­ ления. Но наряду с этим суще­ ствует стремление сократить применение аустенитных ста­ лей, особенно для роторов тур­ бин, компенсируя это за счет использования различных эф­ фективных способов их охлаж­ дения. Для повышения надеж­ ности, долговечности и мобиль­ ности ГТУ за последнее время появилась тенденция к упро­ щению их схем, причем даже для установок большой мощнос­ ти — свыше 15 МВт.

Путем утилизации тепла от­ ходящих газов в теплофика­ ционных установках, котлахутилизаторах коэффициент ис­ пользования тепла топлива в ГТУ повышают до 70% и бо­ лее.

В настоящее время стремят­ ся увеличивать единичную мощ­ ность установок на электростан­ циях. В нашей стране создана самая мощная в мире ГТУ типа ГТ-100-750-2, тепловая схема которой рассмотрена в § 2-6. Эта установка двухвальная, но все ее основные агрегаты ском-

217

понованы в одну линию (рис. 2-29). Причем компрессор высокого дав­ ления 1, камера сгорания высокого давления 2, турбина высокого давления 3, камера сгорания низкого давления 4 и турбина низкого давления 5 имеют общий корпус. Компрессор же низкого давления 6 заключен в отдельный корпус. Он осевой, восьмиступенчатый, обеспе­ чивает степень повышения давления $ = 4,3 и работает с высокой окружной скоростью порядка 325 м/с. Ротор компрессора 6 состоит из вала с насадными дисками, соединенными между собой болтами. Рабочие лопатки из нержавеющей стали устанавливаются в диски с торцевой стороны и крепятся замком типа «ласточкин хвост». Высота лопаток первой ступени равна 520 мм, а диаметр облопачивания составляет 750 мм. Компрессор высокого давления 1 имеет 13 ступеней и обеспе­ чивает степень повышения давления (3 = 6,3. Ротор его барабанного типа, сборный. Рабочие лопатки кованые, из нержавеющей стали. Направляющие аппараты сварные, объединены в обоймы. Вал компрес­ сора 1 соединен фланцем с турбиной высокого давления 3, которая имеет 3 ступени. Ротор ее составной, из трех соединенных болтами дисков. Лопатки первых двух ступеней турбины изготовлены из жаропрочного сплава на никелевой основе, а лопатки третьей ступе­ ни — из аустенитной стали.

Электрогенератор и компрессор низкого давления 6 приводятся во вращение от пятиступенчатой турбины низкого давления 5. Лопат­ ки первых двух ее ступеней также изготовлены из сплава на никеле­ вой основе, третьей и четвертой ступеней — из аустенитной стали, а пятой ступени-—из высокохромистой нержавеющей стали. Ротор турбины 5 составной из соединенных болтами дисков, которые изготов­ лены так же, как и диски ротора турбины высокого давления 3, из стали перлитного класса. Роторы обеих турбин 3 и 5 охлаждаются продувкой воздуха через монтажные зазоры хвостовиков рабочих лопаток.

Камеры сгорания высокого давления 2 и низкого давления 4ана­ логичны по конструкции. Каждая из них образована двенадцатью пламенными трубами, которые расположены вокруг турбомашин. В каждой из труб установлена комбинированная горелка, предназна­ ченная для сжигания жидкого и газообразного топлива.

Запуск установки осуществляется с помощью специальной пуско­ вой паровой турбины, вращающей через редуктор с расцепным устрой­ ством вал компрессора высокого давления 1. Установка имеет дистан­ ционное управление. Системы ее автоматического регулирования и защиты обеспечивают устойчивую и надежную работу на пусковых и рабочих режимах как на газообразном, так и на жидком топливе.

Благодаря небольшим весо-габаритным показателям, простоте обслуживания и маневренности ГТУ успешно применяются для пере­ движных электростанций, которые обычно делаются в виде энерго­ поездов, состоящих из одного или двух вагонов, либо в виде прицепных автофургонов. Мощность таких электростанций достигает 6000 кВт, к.п.д. — 18-f-20% и более. Установки вводятся в действие за 5-г-20 мин.

В качестве примера можно назвать серийно выпускаемые в нашей стране автоматизированные газотурбинные электростанции типа

218

ПАЭС-1600-Т/6,3 и ПАЭС-1250-Т/6.3, мощность которых соответствен­ но равна 1600 и 1250 кВт. Каждая такая электростанция монтируется в двух полуприцепах-фургонах, транспортировка которых осуществля­ ется автотягачами.

Газотурбогенератор электростанции имеет систему автоматическо­ го запуска и приема нагрузки за время не более 5 мин. При работе он не требует непрерывного наблюдения со стороны обслуживающего персонала, управляется с местного пульта или телесигналами, имеет автоматическую защиту по всем основным параметрам турбогенера­

Для привода электрогенератора использован конвертированный авиационный турбовинтовой двигатель АИ-20, который очень компак­ тен, легок, не требует охлаждающей воды, надежен в эксплуатации и удобен в обслуживании. Чтобы обеспечить достаточно длительный моторесурс газотурбинного двигателя, температура газа перед турби­ ной снижена (примерно до 950 К) по сравнению с авиационным ва­ риантом двигателя АИ-20.

Следует отметить, что у нас в стране и за рубежом в последнее время все в более широком масштабе используются авиационные га­ зотурбинные двигатели (АГТД) в энергетике и промышленности. АГТД являются более отработанными и совершенными в конструктив­ ном отношении двигателями. Они могут работать в любых климатиче­ ских условиях, не нуждаются в охлаждающей воде, быстро запуска­ ются и способны принимать нагрузку без предварительного прогрева. Благодаря массовости производства АГТД имеют относительно низ­ кую стоимость, более компактны, имеют еще меньшие вес и габариты, чем ГТУ энергетического типа. В результате этого для их установки требуются легкие и простые фундаменты, небольшие по размерам помещения, что в итоге позволяет резко снизить затраты на капиталь­ ное строительство [5]. За счет автоматизации и дистанционного управ­ ления для АГТД требуется крайне ограниченное число обслуживаю­ щего персонала. При применении АГТД в качестве пиковых и резерв­ ных установок при снижении частоты тока в сети они обычно включа­ ются автоматически или дистанционно (по радио либо телефону) при полностью автоматизированной системе управления.

Недостатками АГТД являются меньшие моторесурс и экономич­ ность по сравнению с ГТУ энергетического типа.

При конвертировании АГТД на выходе газов из двигателя вместо реактивного сопла устанавливается силовая турбина, мощность ко­ торой передается на электрогенератор либо каким-то другим потреби­ телям. Так, американской фирмой «Дженерал Электрик» разработана установка, в которой 10 АГТД работают на одну консольно установ­ ленную одноступенчатую турбину, соединенную с электрогенератором

219

соединены в установке последовательно, мощность всей установки составляет 120 ООО кВт [5].

В связи с бурным развитием добычи и использования природного газа за последние десятилетия резко возросла протяженность магист­ ральных газопроводов. При перекачке газа по газопроводам его тре­ буется сжимать до 50 бар, вследствие чего возникла необходимость в большом количестве газоперекачивающих станций. На этих стан­ циях обычно устанавливаются мощные высокооборотные компрессоры с приводом от ГТУ. У нас в стране для этой цели сейчас широко при­ меняются ГТУ типа ГТ-700-5 НЗЛ и ГТН-9-750 ЛМЗ, топливом для которых служит природный газ, поступающий непосредственно из газопровода.

Показанная на рис. 2-30 установка ГТ-700-5 выполнена с «раз­ резным валом» и регенерацией тепла отходящих газов. Турбина вы­ сокого давления 3 вращается со скоростью 5000 об/мин и служит при­ водом осевого компрессора 1, который имеет 11 ступеней и обеспечи­ вает степень повышения давления [3 = 3,9. Ротор компрессора / цель­ нокованый, барабанного типа, со сквозным центральным отверстием. Турбина низкого давления 4 силовая, она приводит во вращение через зубчатый редуктор центробежный нагнетатель газа. Число оборотов ее может регулироваться в диапазоне 38004-5750 об/мин. Передаваемая нагнетателю газа мощность составляет 42504-4300 кВт. Температура газов перед турбиной 3 равна 970 К. К.п.д. ГТУ на номинальной мощ­ ности при регенерации тепла и расчетных параметрах газа достигает 25%. Турбина высокого давления 3 двухступенчатая, а турбина низ­ кого давления 4 — одноступенчатая. Турбины имеют дисковые рото­ ры, которые охлаждаются воздухом. Обе турбины заключены в общий корпус 2, имеющий горизонтальный и вертикальный разъемы. Корпус отлит из перлитной стали, внутри него имеется тонкостенный экран, изготовленный из листовой аустенитной стали. Благодаря тому, что между экраном и корпусом размещен слой теплоизоляционного мате­ риала 5, температура наружной поверхности корпуса сравнительно невелика.

Все шире внедряются газовые турбины в различные отрасли про­ мышленности. Особенно большой технико-экономический эффект дает применение газовых турбин в ряде производств, когда ГТУ непосред­ ственно включаются в тот или иной технологический процесс. При­ мером тому могут служить процессы, для осуществления которых тре­ буется большое количество сжатого воздуха, и в то же время в них выделяется много тепла. Так, на нефтеперегонных заводах при кре­ кинг-процессе подается сжатый воздух с давлением 3,54-4 бар, а из крекинг-установок отходит газ с температурой 7204-770 К при р « 3 бар. В этом случае для сжатия воздуха успешно используются

осевые компрессоры с приводом от газовых турбин, работающих на отходящем газе.

В химической промышленности целый ряд установок по производ­ ству слабой азотной кислоты работает, потребляя большое количество воздуха при давлении 64-9 бар. В результате процесса окисления ам­ миака в этих установках выделяется много тепла. Применение в дан-

220