ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

Введение

Выбор типа двигателя, а также их количества для привода электрогенераторов на электростанции любой мощности является сложной технико-экономической задачей. Попытки сравнить между собой в качестве привода поршневые и газотурбинные двигатели чаще всего делаются при условии использования в качестве топлива природного газа. Их принципиальные преимущества и недостатки анализировались в технической литературе [1, 2], в рекламных проспектах производителей электростанций с поршневыми двигателями и даже на страницах Интернета.

Как правило, приводятся обобщенные сведения о разнице в расходах топлива, в стоимости двигателей без всякого учета их мощности и условий работы. Часто отмечается, что состав электростанций мощностью 10–12 МВт предпочтительнее формировать на базе поршневых двигателей, а большей мощности – на базе газотурбинных. Принимать эти рекомендации как аксиому не следует. Очевидно одно: каждый тип двигателя имеет свои преимущества и недостатки, и при выборе привода нужны некоторые, хотя бы ориентировочные, количественные критерии их оценки.

В настоящее время на российском энергетическом рынке предлагается достаточно широкая номенклатура как поршневых, так и газотурбинных двигателей. Среди поршневых превалируют импортные двигатели, а среди газотурбинных – отечественные.

Сведения о технических характеристиках газотурбинных двигателей и электростанциях на их базе, предлагаемых для эксплуатации в России, в последние годы регулярно публикуются в «Каталоге газотурбинного оборудования» [3].

Аналогичные сведения о поршневых двигателях и электростанциях, в состав которых они входят, можно почерпнуть только из рекламных проспектов российских и иностранных фирм, поставляющих это оборудование. Информация о стоимости двигателей и электростанций чаще всего не публикуется, а опубликованные сведения [3] часто не соответствуют действительности.

Спиннер под капотом

Установить на автомобиль газотурбинный двигатель пытались — с переменным успехом — почти четверть века. Увы, несмотря на компактность и мощность агрегата, автопроизводители в конце концов отказались от затеи — последняя большая программа разработки легковых авто с ГТД была свернута компанией Chrysler ровно 40 лет назад. Однако в этом столетии газовые турбины могут вернуться на автомобили — хотя и в неожиданной комбинации.

Как ни странно, турбина была едва ли не первым двигателем, изобретенным человечеством, — эолипил греческого механика Герона Александрийского был создан еще в 50 году нашей эры. Впрочем, чтобы занятная игрушка превратилась в пламенный мотор, потребовались почти два тысячелетия.

Конец XIX века ознаменовался бурным развитием транспортной индустрии и, как следствие, поисками новых, более эффективных, чем паровая машина, способов приводить в движение корабли, «безлошадные экипажи» и (в самых смелых мечтаниях того времени) летательные аппараты. В 1890-е швед Густав Лаваль и британец Чарлз Парсонс создали первые пригодные к практическому применению паровые турбины, а в 1903 году норвежец Эгидиус Эллинг сумел воплотить в металле и газотурбинный движок мощностью 11 лошадиных сил (немало для той поры).

Несмотря на относительную простоту конструкции и большую компактность по сравнению с поршневыми моторами, развитие газотурбинных двигателей тормозило из-за отсутствия как необходимых термостойких материалов для лопаток, так и теоретической базы. С развитием технологий и прорывами в газо- и термодинамике к середине ХХ века промышленные газовые турбины, а также авиационные и судовые газотурбинные двигатели стали реальностью. Тогда же возник и замысел оснастить ими автомобили.

Rover JET1

Фото: Ron Gerelli / Express / Getty Images

Главным недостатком газотурбинного двигателя остается его низкий (по сравнению с ДВС) коэффициент полезного действия, но компактность и большая мощность, по мнению инженеров 1950-х, компенсировали его с лихвой. Первым газотурбинным легковым прототипом стал в 1950 году созданный главным инженером британской компании Rover Морисом Уилксом двухместный родстер JET1. Двигатель располагался за задними сиденьями и мог работать на бензине, керосине или дизельном топливе (еще одно преимущество ГТД) на испытаниях машина показала максимальную скорость в 140 километров в час, а после ряда усовершенствований в 1952 году достигла на трассе в Яббеке (Бельгия) результата в 240 километров в час.

Rover продолжил эксперименты с ГТД, собрав еще три прототипа дорожных автомобилей, а в начале 1960-х представил гоночную модель Rover-BRM, не без успеха участвовавшую в «24 часах Ле-Мана» в 1962-64 годах. Знаменитый гонщик Грэм Хилл так описывал свои впечатления от болида: «Ты сидишь в этой штуке, которую можно назвать автомобилем, но в следующую минуту она звучит так, словно у тебя за спиной «Боинг 707», который сейчас всосет тебя и слопает, как какой-то гигантский монстр».

Fiat Turbina

Фото: Roberto Zilli / Shutterstock.com

В 1954 году свой концепт с ГТД показали итальянцы. Автомобиль, названный без лишних изысков Fiat Turbina, был оснащен 300-сильным ГТД, позволявшим футуристичному купе развивать скорость до 250 километров в час. Кстати, кузов машины обладал рекордно низким коэффициентом аэродинамического сопротивления — 0,14 (у современного BMW i8, к примеру, этот показатель равен 0,26). Модель так и осталась прототипом — из-за очень большого расхода топлива (беда всех первых газотурбинных моторов) и проблем с охлаждением двигателя. Тогда же опытный рекордный болид с ГТД выкатили и французы: Renault Étoile Filante в 1956 году развил скорость 308,6 километров в час на соляном озере Бонневиль в США, установив рекорд для своего класса. Впрочем, дальнейшего развития проект также не получил.

Зато в конкурировавших в области технологий сверхдержавах за ГТД взялись основательно. Об использовании их в качестве силовых установок для бронетехники и скоростных военных кораблей (например, ракетных катеров) знают многие. Но фантазия инженеров на военном применении не остановилась.

В Советском Союзе 1960-х легковые авто все еще были мало кому доступной роскошью, так что использование ГТД на «москвичах» и «волгах» осталось вне обсуждения. Зато успешно прошел испытания гоночный «Пионер-1» с двумя газотурбинными двигателями, поставивший несколько национальных рекордов скорости. Проводились и эксперименты по использованию турбин на коммерческих (точнее, как тогда они назывались в СССР, народнохозяйственных) автомобилях. Министерство обороны финансировало работы по созданию газотурбинного тяжелого грузовика. КрАЗ-Э260Е заметно выделялся внешне невероятным — почти в половину грузового отсека — капотом. Увы, автомобиль оказался крайне прожорливым, а коробка передач венгерского производства постоянно выходила из строя, так что проект был свернут. По тем же причинам неудачей окончилась и программа НАМИ по разработке газотурбинного автобуса на базе ЗИЛ-127.

GM Firebird I

Фото: Wikimedia

Американцы также экспериментировали с газотурбинными грузовиками, но проект оказался экономически невыгодным: экономия на массе двигателя (турбина весом чуть более 100 килограммов против дизеля равной мощности весом в тонну) сводилась на нет необходимостью возить огромный запас топлива для прожорливого ГТД. Зато программы по разработке газотурбинных легковушек растянулись на два десятка лет.

Четыре прототипа корпорации General Motors под общим названием Firebird (не путать с одноименными «пони-карами» Pontiac, выпускавшимися с 1967 по 2002 год) до сих пор внушают трепет своим космическим дизайном — многие современники искренне принимали эти машины за аппараты на реактивной тяге. В реальности установленные в них ГТД, разумеется, вращали через понижающий редуктор обычные колеса. Однако другие инновации, использованные в машинах, опережали свое время на десятилетия.

GM Firebird III на Всемирной выставке в Сиэтле, 1962 год

Фото:

К примеру, Firebird III (1958) был оборудован системой круиз-контроля, дистанционным открыванием дверей и системой управления при помощи джойстика, на манер авиационной. Авиационной была и система экстренного торможения — при помощи парашюта в кормовом отсеке. Впрочем, General Motors не планировал создания на базе «жар-птиц» серийных автомобилей, а вот конкуренты из Chrysler серьезно рассматривали такую возможность.

Chrysler TurboFlite

Фото: Daniel Fallot / INA / Getty Images

Концепт Chrysler, предшествовавший серийному Turbine Car.

Более того, в 1962-64 годах компания действительно выпустила малой серией (50 экземпляров) газотурбинный Chrysler Turbine Car. Из почти 30 тысяч американских водителей, желавших принять участие в тестировании элегантного купе в кузове итальянской фирмы Ghia, было отобрано около двух сотен, равномерно распределенных по территории страны. Автомобили передавались во временное пользование; топливо оплачивали сами участники испытаний.

Отзывы по результатам были в целом благожелательными — большинству понравился даже характерный звук двигателя, напоминавший «свист» реактивного самолета (при этом уровень шума внутри салона оказался значительно ниже, чем у обычного автомобиля). Испытатели также отмечали комфортность автомобилей благодаря повышенной плавности хода. Однако расход топлива оказался, судя по всему, катастрофически высоким — представители Chrysler не разглашали данных и запретили делать это принимавшим в программе испытаний водителям, но неофициально признавали его кошмарным.

Chrysler Turbine Car

Фото: Goddard Automotive / Alamy / Diomedia

К тому же в качестве топлива рекомендовалось использовать керосин или, в крайнем случае, низкооктановый бензин — на самый распространенный этилированный был наложен запрет, так как он приводил к быстрой порче силового агрегата. Были и курьезы: один из автомобилей был отправлен в Мексику для презентации. Во время осмотра новинки президент страны Адольфо Лопес Матеос поинтересовался, сможет ли она работать на текиле. После краткой консультации по телефону с инженерами в Детройте авто заправили национальным напитком и успешно прокатили Матеоса, к полному восторгу публики и прессы.

Howmet TX

Фото: Bryn Lennon / Getty Images

Окончательный же удар нанесли, как это всегда бывает, бухгалтеры — цена машины при серийном производстве составила бы около 50 тысяч тогдашних долларов (386 тысяч сегодняшних). За такие деньги покупателей нашлось бы крайне мало, так что, хотя фирма продолжила экспериментировать с ГТД, в 1977 году программа была окончательно свернута.

Зато на гоночных трассах газотурбинные двигатели нашли применение — по крайней мере, пока мода на них не сошла на нет к середине 1980-х. Тут можно вспомнить такие машины, как STP-Paxton Turbocar и созданный на его основе Lotus 56, использовавшие авиационный двигатель Pratt & Whitney Canada PT6.

Lotus 56

Фото: pbpgalleries / Alamy / Diomedia

Определенные признаки возобновившегося интереса к ГТД появились уже в нашем веке. Можно упомянуть и совершеннейшую экзотику вроде единственного, а также самого дорогого — 185 тысяч долларов — и самого мощного (385 лошадиных сил) в мире мотоцикла MTT Y2K Turbine Motorcycle. Благодаря газотурбинному двигателю Rolls-Royce M250 (такие же стоят, например, на вертолетах МВВ Во-105) впервые представленный в 2000 году байк разгоняется до скорости 365 километров в час.

MTT Y2K Turbine Motorcycle

Фото: Chafford Hundred / Wikimedia

Но более перспективным представляется использование ГТД в гибридных силовых установках. Например, в опытном Jaguar C-X75, показанном на Парижском автосалоне 2010 года, микротурбины служили дополнительными источниками энергии для подзарядки аккумуляторов при движении на дальние расстояния.

Jaguar C-X75

Фото: Olga Besnard / Shutterstock.com

Для XXI столетия немаловажно и то, что ГТД выбрасывают в атмосферу гораздо меньше вредных веществ. А проблема с низкой эффективностью, возможно, также близка к разрешению — в 2011 году компания Mitsubishi продемонстрировала первый промышленный газотурбинный двигатель с КПД более 60 процентов.

Непосредственное сравнение поршневых и газотурбинных двигателей

Обработка имеющейся информации позволяет сформировать приведенную ниже таблицу, которая содержит как количественную, так и качественную оценку преимуществ и недостатков поршневых и газотурбинных двигателей. К сожалению, часть характеристик взята из рекламных материалов, проверить полную достоверность которых чрезвычайно трудно или практически невозможно. Необходимые для проверки данные о результатах работы отдельных двигателей и электростанций, за редким исключением [4], не публикуются.

Естественно, что приведенные цифры являются обобщенными, для конкретных двигателей они будут строго индивидуальными. Кроме того, некоторые из них даны в соответствии со стандартами ISO, а фактические условия работы двигателей существенно отличаются от стандартных.

Представленные сведения дают только качественную характеристику двигателей и не могут использоваться при подборе оборудования для конкретной электростанции. К каждой позиции таблицы можно дать некоторые комментарии.

На энергетическом рынке представлен очень большой выбор двигателей, имеющих существенные различия в технических характеристиках. Конкуренция между двигателями рассматриваемых типов возможна только в диапазоне единичной электрической мощности до 16 МВт. При более высоких мощностях газотурбинные двигатели вытесняют поршневые практически полностью.

Необходимо учитывать, что каждый двигатель имеет индивидуальные характеристики, и только их следует использовать при выборе типа привода. Это позволяет формировать состав основного оборудования электростанции заданной мощности в нескольких вариантах, варьируя, в первую очередь, электрическую мощность и количество необходимых двигателей. Многовариантность затрудняет выбор предпочтительного типа двигателя.

Виды газотурбинных двигателей

Среди основных видов, используемых при производстве легковых автомобилей, называют два типа двигателей:

• Двухвальный с теплообменником. Такой тип можно встретить чаще всего. Использование таких двигателей улучшает динамические свойства машины и сводит к минимуму количество ступеней в коробке передач. Автомобили с реактивными двигателями такого типа при разгоне практически не требуют переключения коробки передач. Среди недостатков можно назвать увеличение массы агрегата за счет использования дополнительных деталей (воздуховода и теплообменника).

Двухвальный газотурбинный двигатель

• Двигатель со свободно-поршневым газовым генератором. Такой тип считается самым перспективным в плане конструкции легковых автомобилей нового типа. Схема конструкции двигателя представляет собой блок, который объединяет двухтактный дизель и поршневой компрессор.

Принцип работы свободно-поршневого газотурбинного двигателя

О КПД поршневых и газотурбинных двигателей

Важнейшей характеристикой любого двигателя в составе электростанций является КПД по выработке электроэнергии (КПДэ), определяющий основной, но не полный объем потребления газа. Обработка статистических данных по значениям КПДэ позволяет наглядно показать области применения, в которых по этому показателю один тип двигателя имеет преимущества перед другим.

Взаимное расположение и конфигурация трех выделенных на рис. 1 зон, в пределах которых находятся точечные изображения значений электрического КПД различных двигателей, позволяет сделать некоторые выводы:

• даже в пределах одного типа двигателей одинаковой мощности наблюдается значительный разброс значений КПД по выработке электроэнергии;
• при единичной мощности более 16 МВт газотурбинные двигатели в комбинированном цикле обеспечивают значение КПДэ выше 48% и монопольно владеют рынком;
• электрический КПД газотурбинных двигателей мощностью до 16 МВт, работающих как в простом, так и в комбинированном цикле, ниже (иногда очень существенно), чем у поршневых двигателей;
• газотурбинные двигатели единичной мощностью до 1 МВт, появившиеся на рынке в последнее время, по значению КПДэ превосходят двигатели мощностью 2–8 МВт, наиболее часто применяемые сегодня в составе электростанций;
• характер изменения КПДэ газотурбинных двигателей имеет три зоны: две с относительно постоянным значением – 27 и 36% соответственно и одну с переменным – от 27 до 36%; в пределах двух зон КПДэ слабо зависит от электрической мощности;
• значение КПД по выработке электроэнергии поршневых двигателей находится в постоянной зависимости от их электрической мощности.

Однако эти факторы не являются основанием для того, чтобы отдать приоритет поршневым двигателям. Даже если электростанция будет вырабатывать только электрическую энергию, при сравнении вариантов состава оборудования с различным типом двигателей потребуется выполнить экономические расчеты. Необходимо доказать, что стоимость сэкономленного газа окупит разницу в стоимости поршневых и газотурбинных двигателей, а также дополнительного оборудования к ним. Количество сэкономленного газа не может быть определено, если неизвестен режим работы станции по отпуску электроэнергии в зимнее и летнее время. Идеально, если известны необходимые электрические нагрузки – максимальные (зимний рабочий день) и минимальные (летний выходной день).

Использование и электрической и тепловой энергии

Если же электростанция должна производить не только электрическую, но и тепловую энергию, то потребуется определить, за счет каких источников можно покрыть тепловое потребление. Таких источников, как правило, два – утилизированная теплота двигателей и/или котельная.

У поршневых двигателей утилизируется теплота охлаждающего масла, сжатого воздуха и выхлопных газов, у газотурбинных – только теплота выхлопных газов. Основное количество теплоты утилизируется из выхлопных газов с помощью утилизационных теплообменников (УТО).

Количество утилизированной теплоты в значительной степени зависит от режима работы двигателя по выработке электроэнергии и от климатических условий. Неверная оценка режимов работы двигателей в зимнее время приведет к ошибкам в определении количества утилизированной теплоты и неправильному выбору установленной мощности котельной.

Графики на рис.2 показывают возможности отпуска утилизированной теплоты от газотурбинных и поршневых двигателей для целей теплоснабжения. Точки на кривых соответствуют данным заводов-изготовителей о возможностях имеющейся техники для утилизации теплоты. На двигателе одной и той же электрической мощности производители устанавливают различные УТО – исходя из конкретных задач.

Преимущества газотурбинных двигателей в части выработки тепла бесспорны. Особенно это касается двигателей электрической мощностью 2–10 МВт, что объясняется относительно низким значением их электрического КПД. По мере роста КПДэ газотурбинных двигателей количество утилизированной теплоты должно неизбежно снижаться.

При выборе поршневого двигателя для электро- и теплоснабжения конкретного объекта необходимость использования котельной в составе электростанции почти не вызывает сомнений. Работа котельной требует увеличения расхода газа сверх необходимого для выработки электроэнергии. Возникает вопрос, как отличаются расходы газа на энергоснабжение объекта, если в одном случае используются только ГТД с утилизацией теплоты выхлопных газов, а в другом – поршневые двигатели с утилизацией теплоты и котельная. Только после досконального изучения особенностей потребления объектом электроэнергии и тепла можно ответить на этот вопрос.

Если принять, что расчетное потребление тепла объектом может быть полностью покрыто утилизированной теплотой ГТД, а недостаток теплоты при использовании поршневого двигателя компенсируется котельной, то можно выявить характер изменения суммарного расхода газа на энергоснабжение объекта.

Используя данные на рис. 1 и 2, можно для характерных точек зон, отмеченных на рис. 1, получить сведения об экономии или перерасходе газа при использовании приводов различного типа. Они представлены в таблице:

Абсолютные значения экономии газа справедливы только для конкретного объекта, характеристики которого были заложены в расчет, но общий характер зависимости отражен правильно, а именно: при относительно близких значениях электрического КПД (разница до 10%) использование поршневых двигателей и котельной приводит к перерасходу топлива;

• при относительно близких значениях электрического КПД (разница до 10%) использовние поршневых двигателей и котельной приводит к перерасходу топлива;
• при разнице значений КПДэ более 10% для работы поршневых двигателей и котельной потребуется меньше газа, чем для ГТД;
• существует некая точка с максимальной экономией газа при использовании поршневых двигателей и котельной, где разница между значениями КПДэ двигателей равна 13–14%;
• чем выше значение КПДэ поршневого двигателя и ниже – газотурбинного, тем больше экономия газа.

Все о транспорте газа

3. ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ ГАЗА В ТУРБИНЕ

В главе рассматриваются следующие вопросы: — назначение газовой турбины в ТРД; — схема и принцип действия осевой газовой турбины; — окружное усилие, эффективная работа газа, кпд и мощность турбины; — основные параметры, определяющие мощность тур­бины; — совместная работа турбины и компрессора в ТРД; — многоступенчатые турбины и особенности работы тур­бин двухвальных двигателей; — выходные устройства ВРД.

3.1. НАЗНАЧЕНИЕ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ В ТРД

Газ, обладающий значительной потенциальной энергией, из камеры сгорания поступает я турбину. Газовая турбина представляет собой лопаточную маши­ну, преобразующую энергию сжатого и нагретого в камерах сгорания газа в механическую работу на валу. В ТРД турбина служит для вращения ротора компрессо­ра и всех обслуживающих агрегатов: топливных, масляных, гидравлических насосов и др. В сравнении с другими двигателями, преобразующими энергию газа в механическую работу, газовая турбина имеет ряд преимуществ: — возможность получения больших мощностей в одном агрегате при малых габаритах и весе; — высокий кпд, что обусловлено хорошей аэродинамикой проточной части и отсутствием крутых поворотов потока; — простота и надежность конструкции. Турбины классифицируют по направлению движения по­тока газа, по числу ступеней и другим признакам. По направлению движения потока газа турбины могут бытьрадиальными, когда поток движется от центра к пери­ферии вдоль радиуса элементов турбин, и осевыми, у которых поток движется вдоль оси турбины. В ТРД применяются осевые турбины. —По числу ступеней турбины ТРД выполняются одно, двух или много ступенчатыми в зависимости от величины степени расширения газа в турбине. Классификация турбин по другим признакам рассматри­вается в следующем параграфе.

3.2. СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТУПЕНИ ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Основными элементами ступени турбины являются сопло­вой аппарат (СА) и рабочее колесо (РК) рис. 26. Лопатки СА и РК образуют систему каналов проточной части турбины, по которым протекает поток газа. Для рассмотрения принципа действия ступени турбины рассечем ее цилиндрической поверхностью а— а и развернем ее на плоскость. Получим плоскостную турбинную решетку, состоящую из сечения СА и РК (рис. 27). В поперечном сечении лопатки СА и РК представляют со­бой аэродинамические профили. Газ из камеры сгорания с абсолютной скоростью потока С3, давлением Р3 и температурой Т3 поступает в каналы соп­лового аппарата. Сопловой аппарат предназначен для преоб­разования потенциальной энергии давления газового потока в кинетическую энергию. С этой целью каналы СА выполне­ны сужающимися по потоку (f3΄< f3, где f — площадь сечения канала).

Рис. 26

Рис. 27

Скорость потока в СА увеличивается от С3 до С3′, а давление и температура газа падают (Р3′<�Р3 и Т3′<�Т3). С абсолютной скоростью С3′ газ поступает на лопатки ра­бочего колеса, вращающегося с окружной скоростью U. В межлопаточном канале РК газ движется с относительной ско­ростью W3′, равной на входе в РК геометрической разности абсолютной С3′ и окружной скорости U, т.е. W3′ = C3′ – U. План скоростей на входе в РК показан на рис. 27. Для обеспечения безударного входа передние кромки ло­паток РК устанавливаются по направлению относительной скорости W3′. В связи с увеличением окружной скорости от основания лопатки к концу и необходимостью обеспечения безударного входа на всех радиусах, лопатка РК подвер­гается «крутке». В рабочем колесе кинетическая энергия газового потока преобразуется в механическую работу. Абсолютная скорость потока уменьшается в каналах РК от С3′ до С4. В зависимости от типа турбины газ в межлопаточных ка­налах РК либо продолжает расширяться (давление падает от Р3′ до Р4), либо только изменяет направление движения, а давление остается неизменным. Турбина, в которой происходит расширение газа в межлопаточных каналах РК, называется реактивной. Турбина, в которой осуществляется только поворот потока в РК, назы­вается активной. В реактивной турбине межлопаточные каналы выполнены сужающимися (f43″). В связи с этим относительная ско­рость газа в каналах РК такой турбины растет от величины Wз’ до W4. План скоростей на выходе из РК и эпюры изме­нения абсолютной С, относительнойW скоростей, давления P и температуры газов Т в сечениях турбины показаны на рис. 27. В ТРД применяются только реактивные турбины. Актив­ные турбины используются в турбодетандерах, турбонасосах. Механическая работа на валу турбины получается за счет того, что на лопатках РК, находящихся под действием газодинамических сил, создаются окружные усилия, т. е. си­лы, совпадающие с направлением скорости. Эти силы созда­ют крутящий момент на валу турбины. В реактивной турбине окружное усилие на лопатках РК возникает по двум причинам:

а) активного импульса газа, связанного с возникновением на лопатке, находящейся в потоке, аэродинамической силы Ра (рис. 28);

Рис. 28

б) за счет реактивной силы Рр , возникающей при разго­не газовой струи от скорости W3′ до W4 > W3′. Силы Ра и Рр можно разложить на осевую и окружную составляющие. Результирующая осевых составляющих активной Рао и реактивной Рро сил, равная ΔРо = Рао — Рро , восприни­мается подшипниками ротора двигателя. Результирующая же окружных составляющих активной Раи и реактивной Рри сил создает окружное усилие Рu = Раu + Рpu, используемое для получения крутящего момента и полезной мощности на валу турбины.

3.3. ОКРУЖНОЕ УСИЛИЕ, ЭФФЕКТИВНАЯ РАБОТА ГАЗА, КПД И МОЩНОСТЬ ТУРБИНЫ

а). Определение величины окружного усилия Рu. Величину силы Рu можно получить на основании изве­стной теоремы технической механики: «Изменение количест­ва движения секундной массы газа в направлении вращения рабочего колеса (окружном направлении) равно секундно­му импульсу силы, действующей в этом же направлении». Для составления уравнения количества движения постро­им совмещенный план скоростей ступени турбины (рис. 29).

Рис. 29

Из совмещенного плана скоростей видно, что W3’u = С3’u — u W4 u = u — С4 u Δ С u = С3’u — С4 u При составлении уравнения изменения количества движения положительным направлением считаем направление враще­ния (направление окружной скорости u). Окончательно окружное усилие равно Рu = [кг]; б). Эффективная работа газа. Работа окружного усилия 1 кГ газа Lu равна гдеGг — секундный расход газа [кГ/сек]. Подставиввеличину окружного усилия, полу­чим формулу работы окружного усилия Работа 1 кГ газа, переданная на вал турбины, называет­ся эффективной работой газа Lэ — Эта работа меньше работы окружного усилия на величину потерь: трение газа, перетекание газа в зазорах, трение в подшипниках, вихреобразование. Перечисленные потери невелики и составляют у мощ­ных турбин 2—3 % от общей мощности. Поэтому с достаточ­ной для практических целей точностью считают, что Lэ Lu. Тогда эффективная работа газа равна Таким образом, эффективная работа газа тем больше, чем больше закрутка газа в рабочем колесе и окружная ско­рость или обороты ротора турбины,

в). К п д турбины.

На пути преобразования адиабатической работы расши­рения газа в турбине в механическую работу на ее валу име­ются потери. Величина потерь учитывается эффективным кпд турбины, который равен отношению эффективной рабо­ты Lэ к адиабатической работе расширения газа в турбине L ад расш т.е. Эффективный кпд турбины ηT учитывает как внутренние (гидравлические) потери, так и потери энергии с выходной скоростью . Потеря с выходной скоростью является относительной, так как кинетическая энергия , недоисполь­зованная для создания мощности на валу турбины, в после­дующем используется для создания реактивной тяги двига­теля. У современных одноступенчатых газовых турбин ТРД ве­личина кпд равна ηT = 0,7 — 0,86. г). Мощность, развиваемая турбиной. Мощность турбины — это работа, совершаемая газом в течение одной секунды и переданная на вал турбины. Из определений мощность турбины равна; NT = Мощность турбины определяется вели­чинами секундного весового расхода газа Gг, температуры газа перед турбиной Т3*, степенью расширения газа в турби­не πT и кпд турбины ηT . Мощность турбины тем больше, чем больше величина указанных параметров. В современных ТРД мощность, развиваемая турбиной, достигает больших значений NT=10000—50000 л. с. и более. Эта мощность расходуется в основном на вращение ком­прессора двигателя и только 2—3 % на привод обслуживаю­щих агрегатов.

3.4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ МОЩНОСТЬ ТУРБИНЫ

Основными параметрами, определяющими мощность тур­бины являются: — секундный весовой расход газа Gг; — обороты ротора турбины n; — температура газа перед турбиной Тз*; — степень реактивности турбины ρ.

а). Секундный весовой расход газа Gг. Величину секундного расхода газа можно определить из уравнения неразрывности учитывая, что в сопловом ап­парате обычно устанавливается критический перепад дав­лений или близкий к нему. Это означает, что в узком (критическом) сечении СА (fкр) устанавливается критическая скорость Скр, рав­ная местной скорости звука а. Уравнение для этого слу­чая запишется в виде: где γкр —удельный вес газа в критическом сечении СА [кГ/м3]. Известно, что , а Так как давление и температура газа в критическом сечении СА Ркр и Ткр пропорциональны давлению Рз и темпе­ратуре газа Тз на входе в турбину, то можно написать: или

. Таким образом, при постоянной температуре газа перед турбиной Тз расход газа Gг определяется величиной давления газа Рз перед нею. Увеличение давления газа Рз ведет к увеличению расхода газа и мощности турбины;

б). Обороты ротора турбины n.

При постоянной температуре газа перед турбиной Тз* = Соnst, увеличение оборотов ротора турбины n ведет к увеличению мощности турбины NT. Это объясняется следующим. Увеличение оборотов рото­ра турбины n (ротора двигателя) ведет к увеличению рас­хода воздуха Gв и степени повышения давления воздуха в компрессоре двигателя πК. Увеличение πК приводит к увеличению давления на выходе из компрессора Р2* и на входе а турбину Р3*= σКСР2*. Увеличение давления Рз*, с одной стороны, увеличивает расход газа через турбину Gг, с другой стороны увеличивается степень расширения газа в турбине πТ. Таким образом, при увеличении оборотов ротора турбины мощ­ность турбины N т растет из-за увеличения расхода газа Gг и степени расширения газа в турбине πТ . Известно, что при Тз*=Const мощность турбины NT, про­порциональна числу оборотов турбины n в степени2,5, т. е. NT = f (n2,5)

в). Температура газа перед турбиной Тз* При заданных и постоянных оборотах ротора турбины n= Const увеличение температуры газов перед турбиной Тз* ведет к увеличению мощности турбины NT , так как при этом адиабатическая работа расширения газа в турбине Lадрасш увеличивается, в первой степени, а расход газа через турбину Gг уменьшается в степени 1/2.

Величина температуры газа перед турбиной ограничи­вается прочностью лопаток турбины. В современных двигате­лях она равна Тз* = 1100—1300°К.

г). Степень реактивности турбины ρ.

Степень реактивности турбины характеризует распреде­ление работы расширения газа между сопловым аппаратом и рабочим колесом турбины. Степенью реактивности турбины называется отношение адиабатической работы расширения газа в рабочем колесе Lадрк к адиабатической работе расширения газа в ступени турбины Lадрасш. . Величина степени реактивности турбины может изме­няться от 0 до 1, т. е. 0< ρ <1. Приρ = 0 расширение газа происходит только в сопло­вом аппарате, турбина чисто активная, а при р = 1 турбина чисто реактивная. Величина степени реактивности турбины влияет на кпд турбины, а следовательно, и ее мощность. Зависимость ηT =f(ρ) показана на рис. 30. Характер зависимости таков, что имеется оптимальная величина ρ ≈ 0,5, при кото­рой кпд турбины принимает максимальное значение. Объяс­няется это следующим. Степень расширения газа в турбине πТ = Р3*/Р4 можно рассматривать как произведение степеней расширения газа в СА πСА =Р3*/Рз’ на степень расширения газа в РК πРК = Р’3 / Р4, т.е. πТ = πСА · πРК . При заданной сте­пени расширения газа в турбине πT увеличение степени ре­активности ρ означает увеличение расширения газа в РК, т. е. увеличение πРК. Это возможно за счет увеличения дав­ления газа перед РК Рз’. Увеличение Рз’ сопровождается

Рис. 30

уменьшением абсолютной С’3 и относительной Wз’ скоростей перед РК. Уменьшение скорости Wз’ приводит к уменьшению гидравлических (внутренних) потерь, а следовательно, к уве­личению кпд турбины ηт. С другой стороны, увеличение расширения газа в РК с увеличением степени реактивности турбины ρведет к увеличению потерь с выходной скоростью (увеличивается кинетическая энергия ), что при­водит к уменьшению кпд турбины ηт.

3.5. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ТУРБИНЫ И КОМПРЕССОРА В ТРД

Так как в системе ТРД компрессор и турбина соединены общим валом, то их работа взаимозависима. Взаимозависи­мость их работы, кроме механической связи, обусловлена общим расходом воздуха через компрессор и газа через турби­ну, определяющих их мощности. Мощность, развиваемая турбиной Nт, является распола­гаемой мощностью. Она может быть равна, больше или мень­ше потребной мощности для вращения компрессора NК; В зависимости от этого различают следующие режимы совместной работы турбины и компрессора: 1. Равновесный режим, когда Nт = NК; 2. Режим разгона (увеличения оборотов двигателя), ког­да NТ > NК; 3. Режим торможения уменьшения оборотов двигателя), когда Nт < NК . Очевидно, что изменить режим работы двигателя (управ­лять двигателем) можно путем изменения мощности турби­ны. Наиболее удобным параметром, с помощью которого мож­но изменять мощность турбины является температура газа перед турбиной Тз*. Изменение Тз* достигается изменением количества топлива Gт, подаваемого в камеру сгорания двигателя. Ранее было показано, что мощность, потребная для вра­щения компрессора NК пропорциональна числу оборотов двигателя n в третьей степени, т. е. NК = f (n3), а мощность, развиваемая турбиной Nт, при заданной и по­стоянной температуре газов перед ней Тз*=Const, пропорциональна числу оборотов n в степени 2,5, т. е. NT= f (n2,5). Совмещенные графики зависимостей NК = f (n) и NT= f (n) показаны на рис. 31. Из графика видно, что при увеличении числа оборотов двигателя мощность компрессора NК растет быстрее, чем мощность турбины Nт.

Рис. 31

Мощность турбины пропорциональна температуре газов Тз*. Кривая 1 на графике показывает зависимость NT= f (n) при Тз*max =Соnst, а кривые 2, 3, 4… при меньших, но по­стоянных температурах Тз*. В точках пересечения кривых 1, 2, 3, 4… с кривой NК = f (n) мощности компрессора и турбины равны, т.е. NT = NК. Эти точки определяют равновес­ные режимы. Минимальные nmin и максимальные nmax обо­роты двигателя достигаются при Т3*=Т3*max. Обороты мень­шие nmin или большие nmax могут быть получены только путем повышения температуры выше предельно-допустимой Т3*max, что может привести к выходу из строя турбины. При увеличении оборотов от nmin до nmax температура газа перед турбиной Т3* сначала уменьшается от Т3*max до Т3*min на средних оборотах (рис. 31), а затем снова увели­чивается до Т3*max при n = nmax. Такой характер изменения температуры Т3* объясняется условиями совместной работы компрессора и турбины в системе ТРД и обусловлен разным законом изменения NК и NT по числу оборотов. Высокое значение Тз* на nmax и nmin свидетельствует о большой теплонапряженности двигателя на этих режимах. Поэтому работа двигателя на максимальных оборотах nmaxдопускается ограниченное время (5—10 мин), а обороты ма­лого газа nмг обычно на 1000—1500 об/мин превышают nmin т. е. nмг = (1000—1500) об/мин + nmin . При запуске двигателя на участке оборотов, где NT < NК раскрутка ротора турбокомпрессора производится с по­мощью пусковых двигателей (электростартеров, турбодетандеров и др.). Сначала в раскрутке ротора принимает участие только пусковой двигатель, затем в работу вступает турбина и раскрутка ротора до оборотов nмг продолжается совмест­но пусковым двигателем и турбиной. На оборотах nмг или несколько меньших, но больших nmin пусковой двигатель автоматически отключается. Время непрерывной работы на nмг также ограничивает­ся, так как Т3* относительно велика, а эффективность охлаж­дения деталей турбины на этом режиме недостаточна. Для увеличения оборотов двигателя выше nмг необхо­димо увеличить мощность турбины, что достигается увеличе­нием подачи топлива в камеру сгорания. При этом возрастает температура газа Тз*, появляется избыток мощности турбины Nт и происходит раскрутка ротора двигателя до оборотов, на которых NT = NК (кривые а и б на рис. 31). Уменьшение оборотов ротора до­стигается уменьшением пода­чи топлива в камеру сгорания, уменьшением Тз* и Nт. Обо­роты падают до величины, на которой снова NT = NК (кри­вая в на рис. 31).

3.6. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ТУРБИНЫ И ОСОБЕННО­СТИ РАБОТЫ ТУРБИН ДВУХВАЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 1. Многоступенчатые турбины

Возможности одноступенчатой турбины ограничиваются максимальным (критическим) перепадом давления в сопло­вом аппарате, когда на выходе из него (критическое сече­ние косого среза) скорость потока достигает скорости звука. Этот перепад давлений (он равен примерно 2) обеспечивает получение адиабатической работы расширения газа Lад расш ≤ 25000—30000 кг·м/кГ при температурегаза навходе в турбину 850 — 9б0 °C и окружной скорости на среднем радиусе, равной U =350—370м/сек. Когда в турбине нужно сработать больший перепад дав­лений с целью получения большей величины мощности, применяют двух или многоступенчатые турбины. Многоступенчатая турбина в сравнении с одноступенча­той имеет следующие преимущества: а) меньшие потери энергии газа в проточной части, что обусловлено меньшими скоростями потока по причине мень­ших перепадов давлений в каждой ступени; б) использование эффекта возврата тепла. Вследствие трения газа выделяется тепло, которое в одноступенчатой турбине является потерей, а в многоступенчатой частично ис­пользуется в последующей ступени; в) лучшее использование выходной скорости газаиз пре­дыдущих в последующих ступенях, что снижает потери с вы­ходной скоростью и повышает кпд турбины. Недостатками многоступенчатых турбин являются: а) Конструктивная сложность; б) Увеличение длины и веса (правда, в диаметре много­ступенчатая турбина меньше одноступенчатой); в) Высокий температурный режим лопаток первой ступе­ни и хуже условия охлаждения лопаток второй и последую­щих ступеней. В современных ТРД широкое распространение получили двух и трехступенчатые турбины.

2. Особенности работы турбин двухвальных двигателей

Турбина двухвального двигателя двухступенчатая, но между ступенями имеется только газодинамическая связь. Рабочее колесо турбины первой ступени приводит во враще­ние ротор компрессора высокого давления (РВД), а рабочее колесо второй ступени ротор компрессора низкого давления (РНД). Схема роторов высокого и низкого давления пока­заны на рис. 32. Первая ступень турбины (РВД) и вторая ступень турби­ны (РНД) выполнены так, чтобы на расчетном и близком от него режимах в сопловых аппаратах устанавливались кри­тические (или близкие к нему) перепады давлений. Распре­деление работы расширения газа между ступенями при из­менении режимов работы двигателя происходит автоматиче­ски.Это обусловлено следующими основными причинами.

Рис. 32

а). При изменении оборотов двигателя степени расшире­ния газа на ступенях турбины в некотором диапазоне режи­мов, когда перепад давления в выходном сопле двигателя близок к критическому, остаются практически постоянными, т. е. πТРВД и πТРНД = Соnst, а следовательно, πTΣ = πТРВД · πТРНД = Const; б). При постоянстве степени расширения газа в турбине остается неизменным и кпд турбины, т. е. ηТРВД и ηТРНД = Соnst; в). Так как эффективная работа турбины LЭТ = , то Lэтрнд и Lэтрвд пропорциональнытолько температуре газа перед ступенью турбины Тз*рнд и Тз*рвд соответствен­но. При изменении режима работы двигателя происходит пропорциональное изменение Тз*рнд и Тз* рвд . Поэтому распределение располагаемой эффективной работы между ступенями остается неизменным, т. е. LЭТРНД / LЭТ РВД = Const . Известно, что дросселирование двигателя при­водит к увеличению потребной работы для вращения комп­рессора низкого давления (ступени «затяжеляются») и уменьшению потребной работы для вращения компрессора высокого давления (ступени «облегчаются»). При неизмен­ном распределении располагаемой работы между ступенями турбины это ведет к более интенсивному снижению оборотов РНД, чем РВД; г). При значительном дросселировании двигателя, когда на выходе устанавливается докритический перепад давления, происходит снижение общей степени расширения газа в турбине πTΣ , главным образом, за счет падения πТРНД и LЭТРНД, а πТРВД почти не меняется. Это приводит к еще более интенсивному падению оборотов РНД в сравнении с РВД, что способствует обеспечению устойчивой работы двухкаскадного компрессора.

оглавление

Методическое пособие составил мастер п/о Заболотный В.А.

Прежде чем прочитайте: FAQ

В качестве дополнения

Как правило, задача не ограничивается выбором типа привода, требуется определить состав основного оборудования электростанции – тип агрегатов, их количество, вспомогательное оборудование.

Выбор двигателей для производства нужного количества электроэнергии определяет возможности выработки утилизированной теплоты. При этом надо учесть все особенности изменения технических характеристик двигателя, связанные с климатическими условиями, с характером электрической нагрузки, и определить влияние этих изменений на отпуск утилизированной теплоты.

Необходимо также помнить, что в состав электростанции входят не только двигатели. На ее площадке обычно располагается свыше десятка вспомогательных сооружений, работа которых также влияет на технические и экономические показатели электростанции.

Как уже указывалось, состав оборудования электростанции с технической точки зрения можно сформировать в нескольких вариантах, поэтому его окончательный выбор может быть обоснован только с экономических позиций.

При этом знание характеристик конкретных двигателей и их влияние на экономические показатели будущей электростанции чрезвычайно важно. При выполнении экономических расчетов неизбежен учет моторесурса, ремонтопригодности, сроков проведения и стоимости капитальных ремонтов. Эти показатели также индивидуальны для каждого конкретного двигателя независимо от его типа.

Нельзя исключать влияние экологических факторов на выбор типа двигателей для электростанции. Состояние атмосферы в районе предполагаемой эксплуатации электростанции может стать основным фактором при определении типа двигателя (несмотря ни на какие экономические соображения).

Как уже отмечалось, данные о стоимости двигателей и электростанций на их базе не публикуются. Изготовители или поставщики оборудования ссылаются на возможную разницу в комплектации, условия доставки и другие причины. Только после заполнения фирменного опросного листа будут представлены цены. Поэтому сведения в первой таблице о том, что стоимость поршневых двигателей мощностью до 3,5 МВт ниже стоимости газотурбинных такой же мощности, могут оказаться неверными.

Принцип работы двигателя

Автомобильный двигатель такого типа представляет собой два агрегата: турбину с компрессией и газогенератор. Основное отличие газогенератора автомобильного двигателя от авиационного заключается в том, что газы после выхода из камеры сгорания попадают в турбину, которая собственно и запускает движение колес автомобиля. Основное преимущество – это наличие теплообменника, который снижает расход топлива и уменьшает шум от отработанных газов.

Использование подобной установки компенсирует отсутствие гидротраснформатора и поршневого двигателя. Потому необходимость использования сложных гидромеханических коробок передач отпадает, а также упрощается управление самим автомобилем.