ГТУ с регулируемым сопловым аппаратом

Дальнейшее расширение области работы и приемистости двухвальной ГТУ может быть обеспечено введением в СТ регулируемого соплово­го аппарата (РСА). Для безрегенеративного цикла преимущества такой конструкции присутствуют не всегда. К такому решению может вынуж­дать неудачная характеристика осевого компрессора с близкой к рабочей линии границей помпажа, необходимость сузить рабочий диапазон изме­нения частот вращения ротора газогенератора из-за высоких напряжений в его лопаточных аппаратах и др.

Следует учитывать, что введение РСА не безболезненно для работы СТ. При его повороте с уменьшением угла установки КПД СТ снижается из-за уменьшения U/Co и появления положительных углов атаки на рабо­чие лопатки. Растет их вибронапряженность.

Введение РСА становится высокоэффективным в ГТУ регенера­тивного цикла. Здесь описанные издержки (в том числе удорожание регу­лирования) окупаются возможностью сохранения номинального КПД ГТУ вплоть до 70% нагрузки осуществлением программы регулирования T₁=const.

Замкнутые ГТУ

Основная идея - повышение единичной мощности и эффективно­сти ГТУ за счёт изменения массового расхода рабочего тела при неизменной степени повышения давления в цикле, что невозможно в ГТУ открытого цикла.

Принципиальная схема замкнутой ГТУ показана на рис. 1.6. Отработавший в турбине 3 газ после регенератора 6 не удаляется

Рис. 1.6 Принципиальная схема замкнутой ГТУ:

1-нагрватель (Воздушный котёл); 3-нагрузка; 3-турбина; 4-компрессор;

5-оладитель; 6-регенератор

в атмосферу, как в ГТУ откры­того типа, а направляется в охладитель 5. Там он охлаж­дается до температуры Т₃, при этом давление его снижа­ется до P₂. Охладитель представляет собой теплообмен­ник поверхностного типа, в котором охлаждающей средой служит обычная вода. С точки зрения термодинамики, охлади­тель 5 выполняет роль теплоприёмника (холодного источни­ка). Охлажденный газ поступа­ет в компрессор 4, где сжимается от P₂ до P₁, за счет че­го температура его повышается от Т₃ до Т₄. После компрессора газ направляется в регенератор 6, в котором подогревается за счёт газов, выходящих из турбины 3. В замкнутых ГТУ вместо камеры сгорания устанавливается нагреватель 1, в котором рабочее тело (газ или воздух) пропускается внутри трубок. Снаружи эти трубки нагреваются за счет тепла, выделяющего при сгорании топлива в топке, которая по принципу работы схожа с топкой паровых котлов. Поэтому нагреватель ГТУ иногда называют "воздушным котлом". В нагревателе 1, температура рабочего газа резко возрастает до Т₁, далее газ поступает в тур­бину 3, где расширяется, совершая работу. Температура при этом падает до T₂. Турбина вращает компрессор 4, а избыточную часть своей мощности отдает потребителю 2. Далее отработавший газ, имея достаточно высокую температуру, направляется в регенератор, где отдает часть своего тепла на подогрев газа, движущегося из компрессора 4 в нагреватель 1.

Затем цикл снова повторяется.

Нетрудно заметить, что в замкнутой ГТУ циркулирует одно и то же массовое количество рабочего тела, если не считать незна­чительной по величине утечки газа из контура через различные неплотности, которая автоматически восполняется из специального устройства (на рис. 1.6 не показано). Мощность установки регулируется изменением давления газа в её контуре за счет изменения массового расхода рабочего газа при сохранении практически неизменными степени повышения давления p, а также Т₁ и Т₃ (максимальной и минимальной температур цикла) с помощью специ­ального центробежного регулятора (на рис. 1.3 также не показан). Кроме того, при уменьшении нагрузка число оборотов турбины уменьшается, т.е. уменьшается число циклов за единицу времена.

Замкнутее ГТУ по сравнению с открытыми обладают следующими преимуществами:

1) благодаря отсутствию в циркулирующем газе веществ, вы­зывающих коррозию и эрозию лопаточного аппарата, значительно повышается надёжность и долговечность турбины;

2) замкнутые ГТУ могут работать на любых видах топлива, в том числе на твердом и тяжелых сортах жидкого топлива (мазутах);

3) замкнутые ГТУ могут работать на атомной энергии;

4) путем повышения начального давления газа перед компрессором можно в широких пределах увеличивать его весовой расход в ГТУ. А это дает возможность либо в соответствующее число раз увеличить единичную мощность установки, либо же при неизменной мощности значительно снизить вес её за счёт уменьшения поверхности теплообменников, размеров ГТУ и диаметров трубопроводов;

5) в связи с тем, что в замкнутых ГТУ мощность регулируется изменением давления газа в контуре к.п.д. установки раз­личных режимах нагрузки в широком диапазоне остаются не­изменным;

6) в качестве рабочего тела можно использовать, кроме воз­духа, любые газообразные вещества, либо обладающие лучшими теплофизическими свойствами, либо позволяющие сделать цикл установки более совершенным и выгодным о термодинамической точки зре­ния, либо имеющие какие-то другие ценные достоинства.

Примером тому может служить гелий, обладает лучши­ми теплофизическими свойствами, чем воздух, но он значительно дороже и отличается огромной текучестью. Однако то обстоятельство, что гелий при прохождении через атомный реактор не становиться радиоактивным, является решающим в деле использования его в качестве теплоносителя в атомных установках с газовыми реакторами.

Основной недостаток – громоздкость и сложность (громадный "воздушный" котел).

Многовальные ГТУ

Основная идея - деление турбины на две и более ступеней с их независимым друг от друга числом оборотов, что позволяет ре­гулировать мощность ГТУ при частичных нагрузках, не снижая эф­фективности изменением расхода и топлива, и воздуха.

В настоящее время существует тенденция к увеличению едини­чной мощности ГТУ. Наиболее просто вопрос о повышении единичной мощности решается в замкнутых ГТУ. Там это достигается путем соответствующего увеличения давления, а, следовательно, и массо­вого расхода газа, циркулирующего в замкнутом контуре.

Вопрос о повышении единичной мощности, а такие экономично­сти в открытых ГТУ в настоящее время решается путем применения многовальных схем. Многовальные ГТУ дают возможность повысить эффективность ГТУ особенно при работе на частичных (неполных) нагрузках. Это наглядно видно из рис. 1.7. Здесь N_э - нагрузка, в процентном отношении; h - к.п.д. соответствующий различным значениям частичной на­грузки, т.е. при данной нагрузке; h_н - к.п.д. при полной нагрузке; h/h_н - относительный к.п.д. Из графика видно, что слабее всего снижается к.п.д. при умень­шения нагрузки у ГТУ замкнутого типа (кривая 3), в которой мощ­ность регулируется изменением мас­сового расхода рабочего газа при неизменной Т₁. Наиболее резко снижается к.п.д. при уменьшений нагрузки у простой одновальной ГТУ открытого типа (кривая 1). Происходит это потому, что мощ­ность в установке данного типа регулируется только изменением расхода топлива. Воли нагрузка уменьшается, уменьшают расход топлива, а при этом расход воздуха остается постоянная, поскольку компрессор, газовая турбина и нагрузка жестко связаны одним валом. Уменьшение расхода топлива, таким образом, ведет к уменьшению Т₁, что уменьшает к.п.д. ГТУ. Значительно в меньшей сте­пени к.п.д. снижается у двухвальной установки открытого типа (кривая 2).

Рис. 1.7. Изменение относительного к.п.д. ГТУ в зависимости от нагрузки:

1-простая одновальная ГТУ открытого цикла; 2-двухвальная ГТУ открытого цик­ла; 3-замкнутая ГТУ

Отсюда вывод„ что всегда, когда по условиям эксплуатации большую часть времени приходится работать на частичных нагруз­ках, целесообразно применять многовальные ГТУ.

Дадим объяснение этому явлению. Рассмотрим для примера на­иболее простую двухвальную установку с независимой силовой тур­биной (рис. 1.8). В такой установке турбина разделена на 2 ча­сти.

Одна часть, обычно высокого давления 2, служит приводом компрессора 1 и может работать с переменным числом оборотов. Вторая часть, силовая турбина 3, работает со строго постоянным числом оборотов, если она предназначена для привода электрогенератора, и может иметь практически любую скорость вращения, ес­ли она предназначена для привода нагнетателя. Регулирование в ГТУ этого типа осуществляется не только путем изменения расхо­да топлива, но и за счет изменения расхода воздуха, подаваемого компрессором 1.

Такой метод позволяет значительно меньше снижать или вооб­ще не снижать температуру Т₁ при работе на частичных нагрузках и тем самым поддерживать к.п.д. цикла на более высоком уровне.

Рис. 1.8. Схема простой двухвальной ГТУ открытого цикла:

1-компрессор; 2-ТВД; 3-ТНД (силовая); 4-нагрузка; 5-камера сгорания