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).