Циклы газотурбинных установок

В газотурбинных установках (ГТУ) используется рабочее тело в виде газов, которые производят техническую работу в газовых турбинах (ГТ).

ГТУ могут иметь замкнутый (р.8.1) и разомкнутый (р. 8.2) циклы.

В ГТУ, выполненной по замкнутому циклу, газ компрессором нагнетается в теплообменник, где к нему подводится теплота от внешнего источника (это могут быть продукты сгорания органического топлива), и поступают в газовую турбину. Здесь они, расширяясь до меньшего давления, совершают полезную техническую работу, часть которой идет на привод компрессора. Из турбины газы поступают в охладитель, где от них отводится теплота во внешнюю среду (например, за счет пропуска воды из внешнего водоема через охладитель). Из охладителя газы поступают в компрессор и далее цикл повторяется. Компрессор и газовая турбина расположены на одном валу с электрическим генератором. Пусковой двигатель приводит во вращение вал ГТУ только при ее пуске, в рабочем режиме его отключают от вала специальной муфтой сцепления.

ГТУ с замкнутым циклом практически не используются в современной энергетике. Основными недостатками таких ГТУ являются: громоздкость, обусловленная большими размерами газовых теплообменников; низкий КПД, который сильно зависит от температур газов перед турбиной (наличие теплообменника ТО снижает эту температуру по отношению к температуре греющих газов на 50 ^оС и более) и перед компрессором (охладитель ОХЛ повышает температуру газов по отношению к температуре внешней среды на 20 ^оС и более). Как будет показано в дальнейшем, снижение температуры газов перед турбиной и повышение температуры газов перед компрессором всегда приводят к снижению КПД ГТУ.

Применение в энергетике ГТУ с разомкнутым циклом (рис. 8.2).

В таких ГТУ воздух забирается компрессором из атмосферы и при большом давлении подается в камеру сгорания, где осуществляется изобарное сжигание жидкого или газообразного топлива. Продукты сгорания органического топлива имеют температуру более 2000 ^оС. При таких высоких температурах металл камеры сгорания может разрушиться, поэтому в камеру сгорания подается в 5 и более раз больше воздуха, чем требуется для сгорания топлива, что позволяет снизить температуру газов и осуществить воздушную защиту металла камеры сгорания. Схема камеры сгорания показана на рис. 8.3. Топливо подается в форсунку (или газовую горелку) 1, расположенную внутри жаропрочной трубы 2, куда поступает воздух и происходит сгорание топлива. Жаропрочных труб в камере сгорания несколько. Они концентрически расположены одна в другой и смещены по ходу движения газа. В зазоры между трубами поступает воздух, который создает теплоизоляционный слой, защищающий их от выгорания. Сами трубы и омывающий их поток воздуха снаружи защищают корпус камеры сгорания 3 от высоких температур продуктов сгорания топлива. В связи с тем, что для охлаждения камеры сгорания в нее поступает воздуха больше, чем необходимо для сгорания топлива, температура газов на выходе из камеры сгорания ниже температуры горения топлива.

Снижение температуры продуктов сгорания топлива обусловлено не только условием надежной работы металла камеры сгорания, но и требованиями к допустимым значениям температур металла первых ступеней газовой турбины. На сегодня металл газовых турбин способен выдержать температуру 1000 – 1300 ^оС. Такие температуры газов на выходе из камеры сгорания и применяются на современных ГТУ.