Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.Эта отметка стоит на статье с 13 мая 2011.
Реферат на тему:
Промышленная газовая турбина в разобранном виде.
| | В этой статье не хватает информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.Эта отметка стоит на статье с 13 мая 2011. |
Газовая турбина (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу.[источник не указан 423 дня] Состоит из ротора (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статора (направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).
Газ, имеющий высокую температуру и давление, поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления за сопловой частью, попутно расширяется и ускоряется. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Полезные свойства газовой турбины: газовая турбина, например, приводит во вращение находящийся с ней на одном валу генератор, что и является полезной работой газовой турбины.
Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей (применяются для транспорта) и газотурбинных установок (применяются на ТЭЦ в составе стационарных ГТУ, ПГУ).
Его работа впоследствии была использована сэром Фрэнком Уиттлом.
Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона, в котором сначала происходит адиабатическое сжатие воздуха, затем сжигание при постоянном давлении, а после этого осуществляется адиабатическое расширение обратно до стартового давления.
На практике, трение и турбулентность вызывают:
цикл Брайтона
Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которые, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.
Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор, турбину, рекуператор, и воздушные подшипники.
Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал / компрессор / турбина / альтернативный ротор в сборе (см. изображение выше), не учитывая топливную систему.
Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток, движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.
Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток. Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.
Упорные подшипники и радиальные подшипники являются критическими элементом разработки. Традиционно они были гидродинамические, или охлаждаемые маслом шарикоподшипники. Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно используются в микротурбинах и вспомогательных силовых установках.
Схема турбореактивного
Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине. Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.
Газовые турбины часто используются во многих ракетах на жидком топливе, а также для питания турбонасосов, что позволяет использовать их в легковесных резервуарах низкого давления, хранящих значительную сухую массу.
Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины. Они также используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.
Любительские газовые турбины
Существует популярное хобби — конструировать газовые турбины из автомобильных турбокомпрессоров. Камера сгорания собирается из отдельных частей и устанавливается вертикально между компрессором и турбиной. Как и многие хобби, основанные на технологии, время от времени они перерастают в производство. Несколько мелких компаний производят маленькие турбины и запасные части для любителей.
Вспомогательная силовая установка — небольшая газовая турбина, являющаяся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.
Газовая турбина серии GE H. Эта 480-мегаваттная турбинная установка имеет тепловой кпд 60 % в конфигурациях комбинированного цикла.
Отличие промышленных газовых турбин от авиационных в том, что их массогабаритные характеристики значительно выше, они имеют каркас, подшипники и лопастную систему более массивной конструкции. По размерам промышленные турбины варьируются от монтируемых на грузовики мобильных установок до огромных комплексных систем. Парогазовые турбины могут иметь высокий КПД — до 60 % — при этом теплота выхлопа газовой турбины используется в рекуперативном генераторе пара для работы паровой турбины. Они также могут работать в когенераторных конфигурациях: выхлоп используется для обогрева или нагрева воды или в абсорбционных холодильниках. Коэффициент использования топлива в когенераторном режиме может превышать 90 %. Турбины в больших промышленных газовых турбинах работают на синхронных с электросетью скоростях — 3000 или 3600 оборотов в минуту (об./мин.). Газовые турбины простого цикла в индустрии электропитания требуют меньших капитальных затрат, чем угольные или ядерные энергоустановки, и могут выпускаться как для большой, так и для малой мощности. Весь процесс монтажных работ может быть выполнен за нескольких недель (нескольких месяцев), в сравнении с годами, требуемыми для создания паровых электростанций базовой мощности. Другое их главное преимущество — способность включаться/выключаться в течение нескольких минут, поставляя добавочную мощность во время пиковых нагрузок. Поскольку они менее эффективны, чем электростанции комбинированного цикла, они обычно используются как пиковые электростанции и работают от нескольких часов в день до пары дюжин часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии и генерирующей емкости региона. В областях с недостаточной базовой нагрузкой и на электростанциях, где электрическая мощность выдается в зависимости от нагрузки, газотурбинная установка может регулярно работать в течение большей части дня и даже вечером. Типичная большая турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40 %. КПД лучших турбин достигает 41 %.
Одна из современных разработок для повышения КПД заключается в том, чтобы разделить компрессор и турбину хранилищем сжатого воздуха. В традиционной турбине, до половины генерируемой мощности используется для привода компрессора. В конфигурации с хранилищем сжатого воздуха для привода компрессора используется мощность, к примеру, ветровой электростанции или купленная на открытом рынке по низкой цене, а сжатый воздух освобождается для работы турбины, по мере необходимости.
Турбовальные двигатели часто используются для привода линии компрессоров (например, в газонасосных станциях или на установках по сжижению природного газа), а также во всех современных вертолетах. Первый вал служит опорой компрессора и высокоскоростной турбины (часто упоминается как «Gas Generator» или «N1»), второй вал служит опорой низкоскоростной турбины (часто упоминается как «Power Turbine» или «N2»). Такая компоновка используется для повышения гибкости в скорости и выходной мощности.
В 1963 в Норвегии Жан Мовиль предложил эту разработку на фабрике Кениксберга. Многочисленные последователи добились существенного прогресса в совершенствовании этого механизма. Благодаря конфигурации, в которой тепло удалялось от определенных подшипников, увеличилась долговечность этой машины и в то же время радиальная турбина стала лучше соответствовать требованиям по скорости.
Размерные реактивные двигатели — уменьшенные версии ранних полноразмерных двигателей
Также известны как миниатюрные газовые турбины или микроджеты.
Многие инженеры наслаждаются тем, что повторно создают копии больших инженерных достижений сегодняшнего дня в виде крошечных рабочих моделей. Идея повторного создания мощных двигателей, таких, как реактивные, вдохновляла любителей с тех пор, как были изобретены первые большие двигатели Хансом фон Охайном и Фрэнком Уиттлом в 1930-е.
Повторное создание машин другого размера — не простое занятие. Из-за закона квадрата-куба при изменении размеров, не многие машины ведут себя также, как их прототипы; в лучшем случае, это приводит к существенным потерям мощности или КПД, а, в худшем случае, машины вообще отказываются работать. Например, если сделать точную копию автомобильного двигателя, размером с человеческую руку, то он работать не будет.
Помня об этом, пионер современных микроджетов, Курт Шреклинг, создал первую в мире микротурбину, FD3/67. Этот двигатель производил силу тяги до 22Н и мог быть построен большинством людей с техническим мышлением при помощи базовых инженерных приспособлений, например, таких, как токарный станок. Его радиальный компрессор (холодный) маленький, и горячая осевая турбина подвержена большим центробежным силам, подразумевается, что дизайн ограничен числом Маха. Управляющие лопасти используются для удерживания пускового устройства, после рабочего колеса компрессора и перед турбиной. В пределах двигателя байпас не используется.
Также известны как микротурбогенераторы и микротурбины
Отчасти, успех микротурбин обусловлен развитием электроники, делающей возможной работу оборудования без вмешательства человека. Микротурбины применяются в самых сложных проектах автономного электроснабжения.
Микротурбинные системы имеют множество преимуществ перед автономными электростанциями на базе поршневых двигателей: более высокая плотность мощности (с учетом занимаемой площади и веса), экстремально низкие эмиссии или всего несколько (или одна) движущихся частей. Микротурбины Capstone разрабатываются с воздушными подшипниками и охлаждаются воздухом без использования моторного масла и смазочно-охлаждающих жидкостей. Преимущество микротурбин также заключается в том, что большая часть выделяемой тепловой энергии сосредоточена в системе выхлопа с относительно высокой температурой в то время, как выделяемое тепло возвратно-поступательных двигателей распределяется между выхлопом и охлаждающей системой.
Микротурбины могут работать на большей части промышленных топлив таких, как природный газ, пропан, дизельное топливо, и керосин, также могут использоваться возобновляемые виды топлива: E85, биодизель и биогаз.
Микротурбина имеет компрессор, одноступенчатую радиальную турбину, инвертор и рекуператор. Тепло дымовых газов может быть использовано для подогрева воды, воздуха, процессов осушения или в абсорбционно-холодильных машинах — АБХМ, которые создают холод для кондиционированния воздуха, используя бесплатную тепловую энергию, вместо электрической энергии.
КПД типовых микротурбин массового производства достигает 35 %. В режиме комбинированной генерации электричества и тепловой энергии — когенерации, может достигаться высокий коэффициент использования топлива — КИТ, выше 85 %.
Преимущества микротурбин:
эластичность и адаптивность к восприятию электрических нагрузок в диапазоне от 1 до 100% возможность длительной работы микротурбины на предельно низкой мощности - 1%, низкий уровень эмиссий, отсутствие дымовых труб, отсутствие в микротурбинах моторного масла, смазки отсутствие охлаждающих жидкостей, быстрое и технологичное подключение к топливным магистралям, электрическим коммуникациям и тепловым сетям, сервисное обслуживание микротурбины – 1 день, 1 раз в году, низкий уровень шума, предельно малый уровень вибраций микротурбины, система дистанционного контроля, компактные размеры микротурбины, возможность размещения микротурбинной электростанции на крышах зданий, высокое качество производимой электроэнергии ввиду наличия инвертора, комбинированное производство электроэнергии и тепла (когенерация).Массачусетский технологический институт (МИТ) начал проект разработки миллиметровых двигателей турбин в середине 1990-х, когда профессор аэронавтики и астронавтики Алан Епштейн обосновал возможность создания персональных турбин, которые будут способны удовлетворить персональные потребности в электричестве современного человека, по примеру того, как большая турбина может удовлетворить потребности в электричестве небольшого города. Согласно исследованиям профессора Епштейна существующие в настоящее время промышленные литий-ионные аккумуляторы поставляют около 120—150 Вт·ч. Миллиметровая турбина МИТ будет поставлять около 500—700 Вт·ч в ближайшем будущем, и в дальнейшем эта величина вырастет до 1200—1500 Вт·ч.
Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.
При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.
Rover JET1
STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газовой турбиной Pratt & Whitney.
A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.
Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах, вертолетах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.
В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.
Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость - 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость - 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.
На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке "Инди-500"; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).
Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.
Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты и крупные катера, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере и мощности.
wreferat.baza-referat.ru
Самые мощные двигатели в мире машин — это турбины. Они различаются по конструкции, роду рабочего вещества и принципу работы. Что же представляют собой эти уникальные агрегаты, каковы их конструкционные особенности, способы приведения в действие и области применения?
Очень упрощенно турбину можно представить себе как колесо с лопастями, приводимое во вращение потоком пара, газа или воды.
Её далеким прообразом является Александрийский шар, о котором уже шла речь в докладе о двигателях.
По мере накопления знаний и технического опыта появлялись более совершенные модели этих устройств. Например, водяное колесо. Если расположить по его ободу лопасти или черпаки и поставить вертикально под поток льющейся воды, колесо придет во вращение. Таким образом приводились в движение жернова на водяных мельницах. На этом же принципе работают и ветряные мельницы, использующие энергию ветра.
Начиная с XVI века, создатели турбин в качестве рабочего тела стали использовать пар, выходящий из специального сопла. Всего за 2 десятка лет были запатентованы несколько сотен изобретений относящихся к паровым турбинам. Но только шведскому инженеру Густаву Лавалю удалось создать такую модель, которую можно было реально использовать в промышленности.
Струя пара, исходящая из расширяющегося сопла, оказывала давление на лопатки, закрепленные на ободе колеса. Это воздействие и приводило колесо (ротор) во вращение. Отработанный пар конденсировался, и полученная вода возвращалась в паровой котел. Такие турбины получили название активных.
В отличие от них существуют реактивные турбины, где лопасти снабжены специальными каналами. Перемещаясь в них, рабочее тело расширяется и создает реактивную силу, вращающую ротор турбины.
Про изобретение паровых двигателей →
Газовые турбины отличаются от паровых тем, что в качестве рабочего вещества в них используется газ, образующийся при сгорании топлива. Первые патенты на них были получены лишь в начале XX века.
Турбины с любым видом рабочего вещества используются для приведения в действие все возможных машин. Для этого вал турбины соединяют с валом рабочей машины. В зависимости от назначения этой машины турбина может быть использована в различных областях народного хозяйства: энергетике, металлургии, на транспорте и т. д.
Паровые турбины вместе со вспомогательным оборудованием представляют собой паротурбинную установку. Именно они являются основным типом двигателя на современных атомных и тепловых электростанциях, на которых вырабатывается до 95% всей электроэнергии в мире.
Свежий пар приводит во вращение турбину, которая вращает ротор генератора электрического тока. А отработанный пар охлаждается и конденсируется в специальном конденсаторе. Полученный конденсат насосами перекачивается в котельный агрегат и используется для получения новой порции пара.
Подобным образом работают и гидравлические турбины, которые устанавливают на гидроэлектростанциях (ГЭС). Их обычно строят на реках, а для получения необходимого напора воды, сооружают плотины и водохранилища. Рабочее колесо турбины, взаимодействуя с водным потоком, приходит во вращение, приводя в действие генератор электрического тока.
ГЭС относятся к возобновляемым и экологичным источникам энергии, поскольку они не дают вредных выбросов в атмосферу.
В газовых турбинах рабочее вещество представляет собой газ, образующийся при сгорании самого разнообразного топлива — нефтепродуктов и даже измельченного угля. Обычно эти турбины входят в состав газотурбинных установок и газотурбинных двигателей.
Газотурбинные установки используют, в основном, для получения электроэнергии. Рабочее колесо турбины приводится во вращение потоком раскаленных газов. Это вращение передается на ротор генератора электрического тока. Вырабатываемое им электричество поставляется к потребителю. Специальное оборудование позволяет использовать отработанные горячие газы для отопления помещений и других нужд. Т.е. газотурбинная установка выполняет функции теплоэлектроцентрали.
Весьма важным аспектом применения турбин является турбонаддув. Эта функция позволяет увеличить мощность и динамичность двигателя. Она заключается в подаче воздуха в цилиндры двигателя под давлением. Для создания необходимого давления используется тепловая энергия выхлопных газов. Перед выбросом в атмосферу они попадают на турбину, приводят её во вращение. На одном валу с колесом турбины находится компрессор, который засасывает воздух из атмосферы и подает его в цилиндры двигателя.
Применение турбонаддува — эффективное средство для повышения мощности двигателя. Он с успехом применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Причём для дизелей он более эффективен, поскольку они допускают бОльшую степень сжатия.
Управление давлением нагнетаемого воздуха осуществляется с помощью специального клапана, который может стравливать избыток давления в атмосферу.
Столь эффективный метод, повышающий эффективность работы двигателя не мог пройти мимо авиации. Ещё в первой мировой войне для достижения достаточного давления в двигателях на больших высотах, где воздух разряжен, использовали турбонаддув.
В настоящее время газовые турбины используются в авиации как важнейший компонент двигателя. Так в вертолетах и турбовинтовых самолетах они используются для приведения в действие воздушного винта.
В тридцатых годах прошлого столетия одного умного английского инженера посетила мысль создать авиационный двигатель без пропеллера. Тогда многие посчитали его идею безумной. Но этот принцип и ныне используется в современных турбореактивных двигателях (ТРД.)
В газотурбинном (турбореактивном) двигателе самолета турбина приводит в действие компрессор, а оставшаяся энергия вместе с газовой струей выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.
Каждый вид турбин имеет свою сферу применения и свои плюсы и минусы. Максимальная мощность паровых турбин, используемых на АЭС, достигает 1700 МВт. Однако она несравненно меньше, чем мощность двигателей космических кораблей, достигающая 27 млрд. Вт.
Столь глобальное применение турбин не исключает её применение при совершении тонких медицинских манипуляций.
Так, при сверлении зубов, сверло приводится во вращение маленькой воздушной турбинкой, на которую подается струя сжатого воздуха. Эта миниатюрная деталька, вращаясь со скоростью 250 000 об/мин, сокращает время неприятной операции в несколько раз.
С развитием новых технологий и отраслей промышленности сфера применения турбин постоянно расширяется. Так появился интереснейший проект TESLA1, разработчиками которого явилась интернациональная группа конструкторов и дизайнеров.
Они предлагают встроить в автомобиль 5 турбин. Четыре — в колёса, они будут работать за счёт энергии ветра возникающего при вращении колес от двигателя. А пятое — предполагается расположить в задней части машины, где сходятся все воздушные потоки от «колесных» турбин. Эта, пятая турбина, также будет создавать дополнительную реактивную тягу.
Данный проект предполагается осуществить к 2030 году, когда будут проводиться 24 часовые гонки Ле-Мана. Что ж поживем — увидим….
Автор: Драчёва Светлана Семёновна
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:Вы можете оставить комментарий к докладу.
www.doklad-na-temu.ru
Развитие электрических станций в 90-е годы XIX века потребовало создания более мощного и рационального теплового двигателя, каким явилась паровая турбина. С самого начала своего практического применения паровая турбина обладала рядом преимуществ по сравнению с паровой машиной. Она гораздо проще и удобнее осуществляла принцип непрерывного вращательного движения, чем поршневая паровая машина. Турбина могла развивать скорость вращения рабочего вала до значений, исчислявшихся десятками тысяч оборотов в минуту, практически недоступных для паровой машины. Наконец, мощность паровой турбины намного превосходила мощность паровой машины значительно больших габаритов (см. вторую книгу).
Исключительно важным достоинством паровой турбины оказалось удобство ее соединения с электрическим генератором без применения каких-либо промежуточных передач. Турбина легко переносила перегрузки, легко регулировалась по частоте вращения. В сочетании с более высоким к.п.д. турбины, особенно при больших нагрузках, все эти качества и сделали паровую, а позднее и газовую турбину основными приводными двигателями электрогенераторов.
Собственно газовая турбина является такой же лопаточной машиной, что и паровая: в обоих случаях механическая энергия вращения ротора генерируется в результате трансформации на его лопатках кинетической энергии потока рабочего тела (рис. 3.1).
По сути, различаются эти турбины лишь рабочим телом. Если в паровой турбине таковым обычно является водяной пар, то в газовой турбине – газ, т.е. рабочее тело, не изменяющее своего агрегатного состояния в цикле (чаще всего это продукты сгорания или их смесь с воздухом или паром). Для образования каждого из этих рабочих тел требуются определенные комплексы дополнительных агрегатов, образующих вместе с турбиной установку: паротурбинную (ПТУ) – при работе на паре и газотурбинную (ГТУ) – при работе на газе, а также парогазовую (ПГУ) – при работе на паре и газе.
Рис. 3.1. Турбина и ее рабочий процесс: 1 — сопловые лопатки; 2,3 — рабочие лопатки; 4—поток рабочего тела
Газотурбинная установка (ГТУ) обладает существенно большими возможностями достижения высокого к.п.д. по сравнению с паротурбинной установкой (ПТУ) благодаря значительно большей температуре рабочего тела (верхней температуре цикла). При этом ей свойственен ряд других конструктивных и эксплуатационных преимуществ перед существующими тепловыми двигателями (ротационными и поршневыми): она может быть выполнена с агрегатной мощностью, сопоставимой с мощностью современных паровых турбин, и при этом позволяет за счет меньшего удельного веса значительно сократить затраты металла на сооружение электростанции (в 5–10 раз), за счет меньших габаритов сократить требуемую площадь и кубатуру помещений для установки оборудования (в 2–3 раза, а в ряде случаев и больше), обеспечить быстрый запуск установки и ее высокую маневренность за счет присущих ГТУ динамических характеристик, надежно и экономично работать на различных видах жидкого и газообразного топлива, сократить в 4–5 раз потребность в охлаждающей воде, а также за счет высокой надежности упростить эксплуатацию, уменьшив в связи с этим расходы на техобслуживание и потребность в обслуживающем персонале. При высокой технологичности газотурбинный двигатель хорошо приспособлен к автоматизации и обладает возможностью агрегатного ремонта, а система его регулирования и защиты обеспечивает в высокой степени постоянство электрической частоты энергосистемы.
Структура современной мировой энергетики включает в качестве основного оборудования тепловых электростанций паровые, газовые, парогазовые и газопаровые установки. При этом наблюдается тенденция увеличения доли парогазовых (ПГУ) и газотурбинных установок (ГТУ) в общем балансе мощности тепловых электростанций.
energetika.in.ua
Реферат на тему:
Промышленная газовая турбина в разобранном виде.
| | В этой статье не хватает информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.Эта отметка стоит на статье с 13 мая 2011. |
Газовая турбина (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу.[источник не указан 423 дня] Состоит из ротора (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статора (направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).
Газ, имеющий высокую температуру и давление, поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления за сопловой частью, попутно расширяется и ускоряется. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Полезные свойства газовой турбины: газовая турбина, например, приводит во вращение находящийся с ней на одном валу генератор, что и является полезной работой газовой турбины.
Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей (применяются для транспорта) и газотурбинных установок (применяются на ТЭЦ в составе стационарных ГТУ, ПГУ).
Его работа впоследствии была использована сэром Фрэнком Уиттлом.
Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона, в котором сначала происходит адиабатическое сжатие воздуха, затем сжигание при постоянном давлении, а после этого осуществляется адиабатическое расширение обратно до стартового давления.
На практике, трение и турбулентность вызывают:
цикл Брайтона
Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которые, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.
Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор, турбину, рекуператор, и воздушные подшипники.
Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал / компрессор / турбина / альтернативный ротор в сборе (см. изображение выше), не учитывая топливную систему.
Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток, движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.
Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток. Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.
Упорные подшипники и радиальные подшипники являются критическими элементом разработки. Традиционно они были гидродинамические, или охлаждаемые маслом шарикоподшипники. Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно используются в микротурбинах и вспомогательных силовых установках.
Схема турбореактивного
Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине. Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.
Газовые турбины часто используются во многих ракетах на жидком топливе, а также для питания турбонасосов, что позволяет использовать их в легковесных резервуарах низкого давления, хранящих значительную сухую массу.
Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины. Они также используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.
Любительские газовые турбины
Существует популярное хобби — конструировать газовые турбины из автомобильных турбокомпрессоров. Камера сгорания собирается из отдельных частей и устанавливается вертикально между компрессором и турбиной. Как и многие хобби, основанные на технологии, время от времени они перерастают в производство. Несколько мелких компаний производят маленькие турбины и запасные части для любителей.
Вспомогательная силовая установка — небольшая газовая турбина, являющаяся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.
Газовая турбина серии GE H. Эта 480-мегаваттная турбинная установка имеет тепловой кпд 60 % в конфигурациях комбинированного цикла.
Отличие промышленных газовых турбин от авиационных в том, что их массогабаритные характеристики значительно выше, они имеют каркас, подшипники и лопастную систему более массивной конструкции. По размерам промышленные турбины варьируются от монтируемых на грузовики мобильных установок до огромных комплексных систем. Парогазовые турбины могут иметь высокий КПД — до 60 % — при этом теплота выхлопа газовой турбины используется в рекуперативном генераторе пара для работы паровой турбины. Они также могут работать в когенераторных конфигурациях: выхлоп используется для обогрева или нагрева воды или в абсорбционных холодильниках. Коэффициент использования топлива в когенераторном режиме может превышать 90 %. Турбины в больших промышленных газовых турбинах работают на синхронных с электросетью скоростях — 3000 или 3600 оборотов в минуту (об./мин.). Газовые турбины простого цикла в индустрии электропитания требуют меньших капитальных затрат, чем угольные или ядерные энергоустановки, и могут выпускаться как для большой, так и для малой мощности. Весь процесс монтажных работ может быть выполнен за нескольких недель (нескольких месяцев), в сравнении с годами, требуемыми для создания паровых электростанций базовой мощности. Другое их главное преимущество — способность включаться/выключаться в течение нескольких минут, поставляя добавочную мощность во время пиковых нагрузок. Поскольку они менее эффективны, чем электростанции комбинированного цикла, они обычно используются как пиковые электростанции и работают от нескольких часов в день до пары дюжин часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии и генерирующей емкости региона. В областях с недостаточной базовой нагрузкой и на электростанциях, где электрическая мощность выдается в зависимости от нагрузки, газотурбинная установка может регулярно работать в течение большей части дня и даже вечером. Типичная большая турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40 %. КПД лучших турбин достигает 41 %.
Одна из современных разработок для повышения КПД заключается в том, чтобы разделить компрессор и турбину хранилищем сжатого воздуха. В традиционной турбине, до половины генерируемой мощности используется для привода компрессора. В конфигурации с хранилищем сжатого воздуха для привода компрессора используется мощность, к примеру, ветровой электростанции или купленная на открытом рынке по низкой цене, а сжатый воздух освобождается для работы турбины, по мере необходимости.
Турбовальные двигатели часто используются для привода линии компрессоров (например, в газонасосных станциях или на установках по сжижению природного газа), а также во всех современных вертолетах. Первый вал служит опорой компрессора и высокоскоростной турбины (часто упоминается как «Gas Generator» или «N1»), второй вал служит опорой низкоскоростной турбины (часто упоминается как «Power Turbine» или «N2»). Такая компоновка используется для повышения гибкости в скорости и выходной мощности.
В 1963 в Норвегии Жан Мовиль предложил эту разработку на фабрике Кениксберга. Многочисленные последователи добились существенного прогресса в совершенствовании этого механизма. Благодаря конфигурации, в которой тепло удалялось от определенных подшипников, увеличилась долговечность этой машины и в то же время радиальная турбина стала лучше соответствовать требованиям по скорости.
Размерные реактивные двигатели — уменьшенные версии ранних полноразмерных двигателей
Также известны как миниатюрные газовые турбины или микроджеты.
Многие инженеры наслаждаются тем, что повторно создают копии больших инженерных достижений сегодняшнего дня в виде крошечных рабочих моделей. Идея повторного создания мощных двигателей, таких, как реактивные, вдохновляла любителей с тех пор, как были изобретены первые большие двигатели Хансом фон Охайном и Фрэнком Уиттлом в 1930-е.
Повторное создание машин другого размера — не простое занятие. Из-за закона квадрата-куба при изменении размеров, не многие машины ведут себя также, как их прототипы; в лучшем случае, это приводит к существенным потерям мощности или КПД, а, в худшем случае, машины вообще отказываются работать. Например, если сделать точную копию автомобильного двигателя, размером с человеческую руку, то он работать не будет.
Помня об этом, пионер современных микроджетов, Курт Шреклинг, создал первую в мире микротурбину, FD3/67. Этот двигатель производил силу тяги до 22Н и мог быть построен большинством людей с техническим мышлением при помощи базовых инженерных приспособлений, например, таких, как токарный станок. Его радиальный компрессор (холодный) маленький, и горячая осевая турбина подвержена большим центробежным силам, подразумевается, что дизайн ограничен числом Маха. Управляющие лопасти используются для удерживания пускового устройства, после рабочего колеса компрессора и перед турбиной. В пределах двигателя байпас не используется.
Также известны как микротурбогенераторы и микротурбины
Отчасти, успех микротурбин обусловлен развитием электроники, делающей возможной работу оборудования без вмешательства человека. Микротурбины применяются в самых сложных проектах автономного электроснабжения.
Микротурбинные системы имеют множество преимуществ перед автономными электростанциями на базе поршневых двигателей: более высокая плотность мощности (с учетом занимаемой площади и веса), экстремально низкие эмиссии или всего несколько (или одна) движущихся частей. Микротурбины Capstone разрабатываются с воздушными подшипниками и охлаждаются воздухом без использования моторного масла и смазочно-охлаждающих жидкостей. Преимущество микротурбин также заключается в том, что большая часть выделяемой тепловой энергии сосредоточена в системе выхлопа с относительно высокой температурой в то время, как выделяемое тепло возвратно-поступательных двигателей распределяется между выхлопом и охлаждающей системой.
Микротурбины могут работать на большей части промышленных топлив таких, как природный газ, пропан, дизельное топливо, и керосин, также могут использоваться возобновляемые виды топлива: E85, биодизель и биогаз.
Микротурбина имеет компрессор, одноступенчатую радиальную турбину, инвертор и рекуператор. Тепло дымовых газов может быть использовано для подогрева воды, воздуха, процессов осушения или в абсорбционно-холодильных машинах — АБХМ, которые создают холод для кондиционированния воздуха, используя бесплатную тепловую энергию, вместо электрической энергии.
КПД типовых микротурбин массового производства достигает 35 %. В режиме комбинированной генерации электричества и тепловой энергии — когенерации, может достигаться высокий коэффициент использования топлива — КИТ, выше 85 %.
Преимущества микротурбин:
эластичность и адаптивность к восприятию электрических нагрузок в диапазоне от 1 до 100% возможность длительной работы микротурбины на предельно низкой мощности - 1%, низкий уровень эмиссий, отсутствие дымовых труб, отсутствие в микротурбинах моторного масла, смазки отсутствие охлаждающих жидкостей, быстрое и технологичное подключение к топливным магистралям, электрическим коммуникациям и тепловым сетям, сервисное обслуживание микротурбины – 1 день, 1 раз в году, низкий уровень шума, предельно малый уровень вибраций микротурбины, система дистанционного контроля, компактные размеры микротурбины, возможность размещения микротурбинной электростанции на крышах зданий, высокое качество производимой электроэнергии ввиду наличия инвертора, комбинированное производство электроэнергии и тепла (когенерация).Массачусетский технологический институт (МИТ) начал проект разработки миллиметровых двигателей турбин в середине 1990-х, когда профессор аэронавтики и астронавтики Алан Епштейн обосновал возможность создания персональных турбин, которые будут способны удовлетворить персональные потребности в электричестве современного человека, по примеру того, как большая турбина может удовлетворить потребности в электричестве небольшого города. Согласно исследованиям профессора Епштейна существующие в настоящее время промышленные литий-ионные аккумуляторы поставляют около 120—150 Вт·ч. Миллиметровая турбина МИТ будет поставлять около 500—700 Вт·ч в ближайшем будущем, и в дальнейшем эта величина вырастет до 1200—1500 Вт·ч.
Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.
При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.
Rover JET1
STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газовой турбиной Pratt & Whitney.
A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.
Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах, вертолетах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.
В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.
Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость - 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость - 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.
На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке "Инди-500"; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).
Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.
Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты и крупные катера, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере и мощности.
wreferat.baza-referat.ru
