Надо Знать

добавить знаний



Газовая турбина



План:


Введение

Типичная осевая газовая турбина турбореактивных, J85, выставлена ​​с четвертичным разрезом. Поток воздуха при работе прошел бы слева направо: через многоступенчатый компрессор (слева), в камеру сгорания (по центру), на двухступенчатую турбину (справа)
Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор, турбина, рекуператор, и воздушные подшипники.

Газовая турбина ( фр. Turbine от лат. Turbo - вихрь, вращение) - это тепловой двигатель непрерывного действия, на лопатках которого энергия сжатого и нагретого газа превращается в механическую работу на вала.

Состоит из компрессор а, соединенного непосредственно с турбиной, и камерой сгорания между ними. (Срок Газовая турбина может также относится к самому элемента турбина.)

Сжатый атмосферный воздух компрессора поступает в камеру сгорания, где смешиваясь с топливом и происходит горения смеси. В результате сгорания растет температура, скорость и объем потока газа. Далее энергия горячего газа превращается в работу. При входе в сопловую часть турбины горячие газы расширяются, и их тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Затем, в роторной части турбины, кинетическая энергия газов заставляет оборачиваться ротор турбины. Часть мощности турбины расходуется на работу компрессора, а остальные полезна выходной мощностью. Газотурбинный двигатель приводит во вращение высокоскоростной генератор с помощью вала. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Энергия турбины используется в самолетах, поездах, кораблях и танках.


1. История

  • 60: Первая паровая турбина Герона Александрийского (Еолипил) - в течение столетий рассматривалась как игрушка и ее полный потенциал не был изучен.
  • 1500: В чертежах Леонардо да Винчи встречается "дымовая зонт". Горячий воздух от огня поднимается через ряд лопаток, которые соединены между собой и вращают вертел для жарки.
  • 1551: Таги-аль-Дин придумал паровую турбину, которая использовалась для питания самообертального вертела.
  • 1629: Сильная струя пару обращал турбину, которая затем вращала ведомый механизм, позволяющий работать мельнице Джованни Бранка.
  • 1678: Фердинанд Вербейст построил модель повозки на основе паровой машины.
  • 1791: Англичанин Джон Барбер получил патент на первую настоящую газовую турбину. Его изобретение было большинство элементов, имеющихся в современных газовых турбинах. Турбина была разработана для приведения в действие безлошадного телеги.
  • 1872: Франц Штольц разработал первый настоящий газотурбинный двигатель.
  • 1894: Сэр Чарльз Парсонс запатентовал идею корабля, приводимого в действие паровой турбиной и построил демонстрационное судно (Турбиния). Этот принцип тяги используется до сих пор.
  • 1895: Три четырехтонную 100 кВт генераторы радиального потока Парсонса были установлены на электростанции в Кембридже и использовались для электрического освещения улиц города.
  • 1903: Норвежец Еджидиус Эллинг построил первую газовую турбину, которая могла выдать больше энергии, чем необходимо для ее работы, что рассматривалось как значительное достижение по тем временам, когда знания о термодинамике были ограничены. Используя вращения компрессора и турбины, она производила 11 hp (достаточно много для того времени).

Его работа впоследствии была использована сэром Фрэнком Виттл.

  • 1913: Никола Тесла запатентовал турбину Тесла, основанную на эффекте граничного слоя.
  • 1918: General Electric, один из ведущих производителей турбин в настоящее время, запустил свое подразделение газовых турбин.
  • 1920: Практическая теория протекания газового потока через каналы была переработана в более формализованную (и применяемую к турбинам) теорию течения газа вдоль аэродинамической поверхности доктором Аланом Арнольдом Грифицем.
  • 1930: Ср Фрэнк Виттл запатентовал газовую турбину для реактивного движения. Впервые этот двигатель был успешно использован в апреле 1937.
  • 1934: Рауль Патерас Пескара запатентовал поршневой двигатель как генератор для газовой турбины.
  • 1936: Ханс фон Аккуратно и Макс Хан в Германии разработали собственный запатентованный двигатель в то же самое время, когда сэр Фрэнк Виттл разрабатывал его в Англии.

2. Теория работы

Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона, в котором сначала происходит адиабатическое сжатие воздуха, затем сжигание при постоянном давлении, а после этого осуществляется адиабатическое расширение снова до стартового давления.

На практике, трения и турбулентность вызывают:

  1. Неадиабатичне сжатия: для данного общего коэффициента давления температура нагнетания компрессора выше идеальной.
  2. Неадиабатичне расширение: хотя температура турбины падает до уровня, необходимого для работы, на компрессор это не влияет, коэффициент давления выше, в результате расширения - не достаточно для обеспечения полезной работы.
  3. Потери давления в Воздухозаборники, камере сгорания и на выходе: в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
цикл Брайтона
Лопатка турбины

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики и 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 рекуперуваты тепло выхлопных газов, которое, в противном случае теряется впустую. Рекуператор - это теплообменник, который передает тепло выхлопных газов сжатом воздухе перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. При комбинированном производстве тепла и электроэнергии ( когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну подвижную часть: вал / компрессор / турбина / альтернативный ротор в сборе (см. изображение выше), не учитывая топливную систему.

Сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов, сотни турбинных лопаток (подвижных) и статорных лопаток (неподвижных), 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 10 000 об / мин а микро-турбина - с частотой около 100 000 об / мин.

Упорные подшипники и радиальные подшипники являются критическими элементом разработки. Традиционно они были гидродинамическими или охлаждаемыми маслом шарикоподшипниками. Их превзошли воздушные подшипники, которые успешно используются в микротурбин и вспомогательных силовых установках.


3. Типа газовых турбин

3.1. Авиационные двигатели

См.. Авиационные реактивные и газотурбинные двигатели

Диаграмма реактивного двигателя газовой турбины

Повітряно-реактивний двигун - газовий двигун, оптимізований для отримання тяги від вихлопних газів або від тунельного вентилятора, приєднаного до газової турбіни. Реактивні двигуни, які виробляють тягу, головним чином, від прямого імпульсу вихлопних газів, часто називаються турбореактивними, в той час, як ті, які створюють тягу від тунельного вентилятора, часто називаються турбовентиляторними.

Газові турбіни часто використовуються в багатьох ракетах на рідкому паливі, а також для живлення турбонасосів, що дозволяє використовувати їх у легковагих резервуарах низького тиску, що зберігають значну суху масу.

Авіаційні двигуни також часто використовуються для генерації електричної потужності, завдяки їх здатності запускатися, зупинятися і змінювати навантаження швидше, ніж промислові (стаціонарні) двигуни. Вони також використовуються в судновій промисловості для зниження ваги. GE LM2500 та LM6000 - дві характерні моделі цього типу машин.

Любительские газовые турбины Существует популярное хобби - конструировать газовые турбины с 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.


3.2. Вспомогательная силовая установка

Вспомогательная силовая установка (ДСУ) - небольшая газовая турбина, что является дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ДСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом (в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.

3.3. Промышленные газовые турбины для генерации электричества

Газовая турбина серии GE H. Эта 480-мегаваттного турбина установка имеет тепловой кпд 60% в конфигурациях комбинированного цикла.

Отличие промышленных (стационарных) газовых турбин от авиационных в том, что их массогабаритные характеристики значительно выше, они имеют каркас, подшипники и лопастные системы массивной конструкции. По размерам промышленные турбины могут быть от - мобильных установок, монтируемых на грузовики - 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 когенераторних конфигурациях: выхлопные газы используются для нагрева воды или в абсорбционных холодильниках. Коэффициент использования топлива в когенераторному режиме может превышать 90%. Турбины в промышленных газовых установках 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 большой, так и малой мощности. Весь процесс монтажных работ может быть выполнен за несколько недель (несколько месяцев), по сравнению с годами, необходимыми для создания паровых электростанций базовой мощности. Другое их главное преимущество - способность включаться / выключаться в течение нескольких минут, поставляя дополнительную 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 сотен часов в год, в зависимости, от потребности в электроэнергии 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 дня в час пик. Типичная стационарная турбина простого цикла может выдавать от 100 до 300 мегаватт (МВт) мощности и иметь тепловой КПД 35-40%. КПД лучших турбин достигает 64%.


3.3.1. Хранилища сжатого воздуха

Одна из современных разработок для повышения КПД заключается в том, чтобы разделить компрессор и турбину хранилищем сжатого воздуха. В традиционной турбине, до половины производимой мощности используется для привода компрессора. В конфигурации с хранилищем сжатого воздуха для привода компрессора используется мощность, например, ветровой электростанции, а сжатый воздух производится для работы турбины, по мере необходимости.


3.4. Турбовальные двигатели

Турбовальные двигатели часто используются для привода компрессоров линии (например, в газонасосных станциях или на установках по сжижению природного газа), а также во всех современных вертолетах. Первый вал служит приводом компрессора от высокоскоростной турбины (упоминается как "Gas Generator" или "N1"), второй вал служит приводом компрессора от низкоскоростной турбины (упоминается как "Силовая турбина" en "Power Turbine" или "N2"). Такая компоновка используется для повышения гибкости в скорости и выходной мощности.


3.5. Радиальные газовые турбины

В 1963 в Норвегии Жан Мовиль предложил эту разработку на фабрике Кеногсберга. В дальнейшем было достигнуто существенного прогресса в совершенствовании этого механизма. Благодаря конфигурации, в которой тепло выделялось от определенных подшипников, увеличилась долговечность этой машины и в то же время радиальная турбина стала лучше соответствовать требованиям по скорости.

3.6. Размерные реактивные двигатели

Размерные реактивные двигатели - уменьшенные версии ранних полноразмерных двигателей

Также известны как миниатюрные газовые турбины или микроджеты.

Многие инженеры наслаждается 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 аккуратно и Фрэнком Уиттл в 1930 -х.

Воссоздание машин другого размера - не простое занятие. Вследствие закона квадрата-куба при изменении размеров, не много машин ведут себя так же, 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 микроджетив, Курт Шреклинг, создал первую в мире микротурбин, FD3/67. Этот двигатель производил силу тяги к 22Н и мог быть построен большинством людей с техническим мышлением с помощью базовых инженерных устройств, например, таких, как токарный станок. Его радиальный компрессор (холодный) маленький, и горячая осевая турбина подвержена большим центробежным силам, следовательно, - дизайн ограничен числом Маха. Управляющие лопасти используются для содержания пускового устройства, после рабочего колеса компрессора и перед турбиной. В рамках двигателя байпас не используется.


3.7. Микротурбины

Также известны как:

  • Микротурбогенераторы
  • Микротурбин (зарегистрированная торговая марка Capstone Turbine Corporation)

Во многом, успех микротурбин обусловлен развитием электроники, позволяя работу оборудования без вмешательства человека. Микротурбины применяются в самых сложных проектах автономного электроснабжения.

Микротурбинни системы имеют множество преимуществ перед автономными электростанциями на базе поршневых двигателей : более высокая плотность мощности (с учетом занимаемой площади и веса), и всего несколько (или одна) движущихся частей. Mикротурбины 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 выделенной тепловой энергии сосредоточена в системе выхлопа с относительно высокой температурой в то время, как выделяется 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.

Микротурбин имеет компрессор, одноступенчатую радиальную турбину, инвертор и рекуператор. Тепло дымовых газов может быть использовано для подогрева воды, воздуха, процессов осушения или в абсорбционной-холодильных машинах (АБХМ), которые создают холод для кондиционирования воздуха, используя бесплатную тепловую энергию, вместо электрической энергии.

КПД типичных микротурбин массового производства достигает 35%. В режиме комбинированной генерации электричества и тепловой энергии - когенерации, может достигаться высокий коэффициент использования топлива (КВТ) - 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 у микротурбин моторного масла
  • отсутствие охлаждающих жидкостей,
  • быстрое и технологическое подключение к топливным магистралям, электрических коммуникаций и тепловых сетей,
  • сервисное обслуживание микротурбины - 1 день, 1 раз в год,
  • низкий уровень шума,
  • предельно малый уровень вибраций микротурбины,
  • система дистанционного контроля,
  • компактные размеры микротурбины,
  • возможность размещения микротурбиннои электростанции на крышах зданий,
  • высокое качество производимой электроэнергии из-за наличия инвертора,
  • комбинированное производство электроэнергии и тепла (когенерация).

Массачусетский технологический институт начал проект разработки миллиметровых двигателей турбин в середине 1990-х, когда профессор аэронавтики и астронавтики Алан Эпштейн 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 Эпштейна существующие в наше время [ Когда? ] промышленные литий-ионные аккумуляторы поставляют около 120-150 Вт / час. Миллиметровая турбина будет поставлять около 500-700 Вт / ч в ближайшем будущем, и в дальнейшем эта величина возрастет до 1200-1500 Вт / ч


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам