2015-08-21
1084
Если не учитывать применение в авиации, газовые турбины для производства мощности на валу, делятся на две основные категории: аэро – производные и тяжелые (или промышленные). Первая категория представляет собой непосредственную адаптацию авиационных двигателей, со многими общими деталями. При разработке турбин, относящихся ко второй категории, акцент делался на низкую стоимость, а не низкий вес, следовательно, в них могут использоваться цельнокованые роторы и толстые обшивки.
Газотурбинные циклы: Обобщенная теория и экономика [3]
Как мы видели в первой главе, базовый цикл газовой турбины состоит из четырех основных процессов. Оптимизация этого цикла часто включает в себя сокращение потребления топлива. Это сокращение требует внесения в базовый цикл изменений, позволяющих использовать одно и то же топливо для обеспечения большей мощности.
Энергетика является крупнейшей отраслью в мире, имеющей самые высокие темпы роста по сравнению с другими отраслями. Поэтому далее рассматривается изменение базового цикла газовой турбины, в основном, для производства электроэнергии. Однако, в модификациях для других отраслей промышленности используется та же логика, и технология может быть практически аналогичной. Например, в наземной энергетике отработанные газы газовой турбины используются для генерации пара, который затем приводит в действие паровую турбину. Такая конфигурация называется комбинированным циклом. Еще один вариант для этого цикла: к смеси выхлопных газов газовой турбины (которые все еще богаты кислородом) добавляется топливо и общая смесь поджигается. Именно по этому принципу работает форсажная камера авиационных двигателей.
Аналогично, "активный контроль клиренса" (ACC), то есть способ оптимизации охлаждения горячих турбинных лопаток, позволяющий турбине увеличить расход топлива (и, следовательно, конечную мощность), используется в технологии, как для наземных, так и для авиационных двигателей. Оригинальные производители двигателей (OEM) иногда используют те же термины, такие как ACC, для описания систем, которые могут значительно отличаться.
Используя ACC в наземных турбинах в режиме комбинированного цикла, OEM имеют возможность использовать пар в качестве охлаждающей среды. В этом случае пар обеспечивает более сильное охлаждение, чем воздух. Кроме того, охлаждающий пар может быть введен обратно в газовую турбину для повышения общей выработки электроэнергии в связи с нагнетанием пара.
Однако, в авиационных двигателях пар обычно не доступен. Охлаждающей средой является воздух.
Но авиационные двигатели могут иметь вентиляторы больших размеров, чем у наземных двигателей, что позволяет им "поглощать" больше воздуха, использовать больше топлива для объединения с воздухом, и, таким образом, увеличивать вырабатываемую мощность.
Итак, рассмотрим самые существенные модификации основных циклов наземных газовых турбин. Как правило, эти изменения происходят при использовании турбины для выработки электроэнергии, хотя они также применяются при использовании турбины в качестве механического привода, а также в установках, работающих в открытом море. В конечном счете, решение об использовании любого из этих изменений цикла зависит от допусков по весу (намного ниже в двигателях для самолетов и морских платформ), от имеющегося пространства, и от того, будет ли доступен пар.
Успех этих изменений цикла часто определяется используемым топливом. Конструкторы газовых турбин рекомендуют сжигать топливо "с низкими значениями BTU" и отработанное топливо (такое, побочные продукты при производстве бумаги и дымовые газы сталелитейного завода) всех видов. Топливо более подробно обсуждается в главе 7.
Дополнительные модификации цикла с учетом конкретных приложений обсуждаются с различных точек зрения на протяжении всей этой книги, например, в главе 10 об оптимизации производительности, так что материал этой главы лишь закладывает основы дальнейшего обсуждения.
Как мы видели ранее, основными сферами применения газовых турбин являются:
Авиационные двигатели - большие турбовентиляторы (прямоточный воздушно-реактивный двигатель), вертолет (питание через трансмиссию ротора).
Прямой привод, наземное применение – производство энергии.
Механический привод - приведение в действие компрессоров, насосов, вентиляторов (как правило, через коробку передач).
Использование в морских условиях - производство электроэнергии на борту или для приведения в движение.
При наземном и морском применении, основные преимущества газотурбинных установок, относительно паротурбинных установок, состоят в следующем:
• небольшие размеры, масса и стоимость в расчете на единицу мощности.
• быстрая установка; а иногда и лучший срок поставки.
• быстрый запуск (запуск на полную скорость ~ 10 сек); возможность дистанционного запуска.
• плавный ход.
• коэффициент использования установленной мощности (продолжительность работы при полной мощности) 96-98%.
• Может работать на самых разнообразных видах топлива, включая газифицированный уголь, дымовые газы от металлургических заводов, биомассу, отходы производства.
• Вопросы, связанные с экологическими соображениями и ограничениями, могут решаться с меньшими затратами (например, пылеуловители и сероочистка дымовых газов).
