Газовые турбины

Принцип работы газовой турбины

Газовая турбина получает энергию в результате сгорания топлива в камере сгорания и использует быстро движущиеся газы под давлением для приведения в действие по тому же принципу, что и паровые турбины.

Основным отличием является то, что газовая турбина имеет вторую часть, работающую как воздушный компрессор, установленную на одном валу. Воздушная турбина (турбокомпрессор) захватывает воздух, сжимает его и под высоким давлением подаёт в камеру сгорания, увеличивая интенсивность горения.

Этот механизм имеет положительную обратную связь. Как только газ в турбине ускоряется, это приводит к ускорению компрессора и подаче большего количества воздуха в камеру сгорания, что увеличивает скорость горения и давление горячих газов, что ускоряет турбину ещё больше. Неконтролируемый выбег предотвращается с помощью ограничения подачи топлива, что и позволяет ограничить скорость вращения.

Термодинамический процесс, протекающий в газовой турбине известен под названием цикла Брайтона. Аналогично циклу Карно, в котором эффективность увеличивается с ростом разницы температур между рабочими телами на входе и выходе из машины, в цикле Брайтона эффективность увеличивается с ростом разности давлений на входе и выходе машины. Газовая турбина состоит из трёх основных частей: компрессора, камеры сгорания и турбины. Рабочее тело, воздух, сжимается компрессором (адиабатическая компрессия - теплота не передаётся), затем смешивается с топливом и сжигается в камере сгорания при постоянном давлении. В результате горячие газы расширяются через турбину, выполняя работу (адиабатическое расширение). Большое количество энергии, вырабатываемой турбиной, используется для привода компрессора, оставшаяся часть используется для снабжающих компонентов и полезной работы. Система является открытой из-за того, что воздух не повторяет свой цикл, поэтому четвёртый этап в цикле, охлаждение, отсутствует.

Газотурбинные авиационные двигатели

Газотурбинные двигатели имеют очень высокое отношение мощности к весу, поэтому достаточно лёгкие и маленькие по сравнению с двигателями внутреннего сгорания той же мощности. К тому же они механически проще, чем возвратно-поступательные двигатели; их характеристики, в частности, высокие скорости вращения и температуры работы, требуют высокоточных компонентов и редких материалов, что делает их достаточно дорогостоящими в производстве.

История

Генерирование электрической энергии

В установках по генерированию электрической энергии турбина используется для привода синхронного генератора, который вырабатывает переменный ток, но из-за того, что турбина работает при высокой частоте вращения от 12000 об./мин и выше, её присоединение требует редуктора, поскольку электрические машины обычно не рассчитываются на частоты вращения выше 3000 об./мин.

Конфигурации турбины

Газотурбинные генераторы используют две основные конфигурации:

• Простая система содержит газотурбинную установку и электрический генератор

  
• Комбинированная газотурбинная система, которая конструируется для достижения максимальной эффективности, в которой горячие газы из газовой турбины используются для выработки пара и питания паровой турбины, при этом каждая из турбин соединяется с электрическим генератором.

  

Эффективность турбин

• Выходная мощность турбин

  Для минимизации размера и веса турбины при фиксированной выходной мощности, выход воздуха должен быть максимальным. Это достигается максимизацией воздушного потока через турбину, который зависит от сжатия воздуха. Основным коэффициентом является сжатие воздуха в компрессоре, которое может достигать 40:1 в современных газовых турбинах. В простых системах сжатие превращается в эффективность увеличением температуры горения, но существует предел, при котором увеличение давления требует больше энергии, чем будет получено в результате дополнительной компрессии.

• Системная эффективность

  Термальная эффективность так же важна, поскольку влияет на потребление топлива и стоимость обслуживания.

• Турбины простого цикла

  Газовые турбины потребляют заметное количество мощности только на привод компрессора. Как и в случае с другими циклическими тепловыми двигателями, увеличение рабочей температуры означает рост эффективности (закон Карно), но в турбине это так же означает, что больше энергии потеряется в результате нагревания в выхлопных газах, температура которых обычно не ниже 1000°C. Следовательно, эффективность турбин простого цикла достаточно низка. Для больших станций проектная эффективность обычно составляет 30-40% (эффективность авиационных двигателей составляет 38-42%, но маломощные микротурбины мощностью менее 100 кВт достигают только 18-22%). Таким образом, увеличение температуры сжигания увеличивает выходную мощность при заданном давлении, но при этом в жертву приносится эффективность из-за увеличения потерь на охлаждающий воздух для обеспечения компонентов турбины соответствующей рабочей температурой.

• Турбины комбинированного цикла

  Возможно получение части энергии из тепловых потерь в турбинах простого цикла использованием выхлопных газов в гибридных когенерационных системах для выработки пара и привода паровых турбин и электрогенераторов. В этом случае температура выходящих газов может быть снижена до 140°C, позволяя повысить эффективность комбинированного цикла до 60%.

  В установках комбинированного цикла коэффициент сжания имеет меньший эффект на эффективности, поскольку большой вклад происходит за счёт увеличения эффективности цикла Карно за счёт повышения температуры горения. Поэтому эффективность простого цикла увеличивается с ростом коэффициента сжания, эффективность комбинированного цикла же достигается за счёт ограниченного сжатия и большей рабочей температуры.

Смотрите так же страницу тепловых двигателей.

Топливо

Одним из преимущество газовых турбин является их гибкость в топливном плане. Они могут быть адаптированы для использования горящих газов или лёгких продуктов нефти, например, бензина, дизеля или керосина, в зависимости от доступности, до природного газа, как наиболее распространённого топлива. Сырая нефть и другие тяжёлые масла тоже могут быть использованы в качестве топлива, если они предварительно будут нагреты и их вязкость снизиться до подходящего для сжигания в камере сгорания значения.

Применение

Газовые турбины могут быть использованы для генерирования больших мощностей. Примерами могут служить 600 мегаваттные турбины из 400 мегаваттной газовой турбины и 200 мегаваттной паровой турбины в цикле когенерации. Такие установки обычно не используются для базовой выработки электрической энергии, но служат для питания удалённых площадок, например, разработки нефтяных или газовых месторождений. Они могут находить своё применение в электрических сетях при сглаживании нагрузки или обеспечении экстренного питания. Низкомощные газовые трубины с установленной мощностью до 5 МВт могут быть установлены в транспортные контейнеры для обеспечения экстренного электроснабжения и доставляться на место с помощью грузовика.

Окружающая среда

Все газовые турбины работают на ископаемом топливе, поэтому наследуют недостатки этих конструкций, то есть выбрасывают парниковые газы.

Смотрите так же паровые турбины и генераторы.

Подробнее об истории реактивных двигателей.