Газовая турбина — это самый распространенный и известный тип турбин. Газовые турбины или газовые двигатели наиболее широко используются во всем мире для различных целей. В настоящее время эти турбины являются наиболее широко используемыми технологиями производства электроэнергии. Эти типы турбин в основном используются для производства дешевой электроэнергии за счет использования газа в качестве рабочей жидкости. В предыдущих статьях мы обсудили паровые турбины, ветровые турбины и водяные турбины. Поэтому в этой статье мы рассмотрим различные аспекты газовой турбины.
Что такое газовая турбина?
Газовая турбина — это тип двигателя внутреннего сгорания, который преобразует кинетическую энергию газа в энергию вращения (механическую энергию). Эта механическая энергия далее приводит в действие газовый генератор, который преобразует эту механическую энергию в электричество.
Он известен как «газовая турбина», поскольку в качестве рабочей жидкости в нем используется газ. По сути, эту турбину можно представить как преобразователь энергии, который может преобразовывать накопленную энергию газа во вращательную энергию. Эта вращательная сила приводит в действие генератор, который вырабатывает электричество. После выработки электричества оно подается по кабелям на различные предприятия и в дома.
В 1791 году Джон Барбер изобрел первый газотурбинный двигатель. Его конструкция включала большинство деталей, используемых в новейших газовых турбинах. Планировалось, что он будет приводить в движение безлошадные автомобили.
Новейшие газовые турбины работают при значительно более высокой температуре по сравнению с паровыми турбинами. Максимальная эффективность газовой турбины достигает 60%.
Принцип работы газовой турбины
Газовая турбина работает на основе цикла Брейтона. В ходе этого цикла воздушно-топливная смесь находится под давлением, сгорает, проходит через газовую турбину и выбрасывается.
В рабочем цикле газовой турбины в качестве рабочей среды используется воздух. Работа газовой турбины состоит из следующих этапов:
1) Процесс всасывания: —
Прежде всего, турбина всасывает воздух из атмосферы в камеру сжатия турбины и направляет этот воздух в компрессор.
2) Процесс сжатия: —
Когда воздух попадает в компрессор, он сжимает воздух и преобразует кинетическую энергию воздуха в энергию давления. После этого он преобразует воздух в воздух высокого давления.
3) Процесс сгорания: —
После процесса сжатия сжатый воздух поступает в камеру сгорания. В камере сгорания инжектор впрыскивает топливо, которое смешивается с воздухом. После смешивания в камере сгорания происходит воспламенение топливовоздушной смеси. В результате процесса воспламенения воздушно-топливная смесь превращается в газы высокого давления и высокой температуры.
4) Секция турбины: —
Когда сгоревший газ поступает в турбинную секцию, часть энергии этого газа превращается в механическую энергию, а часть энергии отводится.
Когда сгорающий газ расширяется в турбине, он вращает лопатки турбины. Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они приводят в действие компрессор для забора большего количества воздуха для работы, а также приводят в действие газовый генератор, соединенный с турбиной.
5) Процесс выработки электроэнергии: —
Генератор соединен с валом турбины. Генератор получает механическую энергию от турбины и преобразует ее в электрическую.
Бесполезная энергия выходит из выхлопных газов. Выхлопные газы могут быть использованы для решения внешних задач, например, для создания тяги непосредственно в турбореактивном двигателе или для вращения второй независимой турбины (называемой силовой турбиной), которая может быть подключена к электрогенератору, пропеллеру или вентилятору.
Цикл газовой турбины
Газовая турбина работает по циклу Брейтона (или Джоуля). Рабочий цикл газовой турбины объясняется ниже с помощью P-V диаграммы:
Рабочий цикл газовой турбины
Сжатие (A — B): —
Когда окружающий воздух поступает в компрессор, компрессор сжимает его и повышает давление. После сжатия воздух поступает в камеру сгорания (в точке B на диаграмме выше).
Сгорание (от B до C): -.
Когда сжатый воздух поступает в камеру сгорания (линия от B до C), инжектор впрыскивает топливо, которое смешивается с воздухом. Воспламенитель поджигает эту топливно-воздушную смесь и повышает ее давление и температуру.
Расширение (от C до D).
После прохождения процесса сгорания воздух поступает в турбинную секцию (линия C — D представляет этот процесс), где он расширяется.
Расширяясь, воздух вращает лопатки турбины, которые далее вращают вал турбины и компрессор. Часть энергии этого расширенного воздуха используется для привода компрессора, а оставшаяся энергия используется для привода соединенного генератора. Генератор преобразует эту энергию в электричество.
Типы газотурбинных двигателей
- турбовинтовой двигатель
- реактивный двигатель
- турбореактивный
- Турбовентилятор
- Турбовальный
- Аэродинамическая турбина
- Микротурбины
1) Турбовинтовой газовый двигатель
Первым типом газового двигателя является турбовинтовой двигатель. Турбовинтовой двигатель имеет проталкивающее сопло, турбину, горелку, компрессор, впускное отверстие и редуктор.
Этот газовый двигатель использует понижающий редуктор для приведения в движение винта самолета. Турбовинтовой двигатель используется в небольших самолетах, таких как военный учебный самолет Embraer EMB312 Tucano и караван General Aviation Cessna 208.
Турбовинтовой двигатель также используется в больших самолетах, таких как Airbus A400M. Также он используется в средних пригородных самолетах, таких как Bombardier Dash 8.
Выхлопные газы приводят в действие силовую турбину, которая соединяется с валом, который далее приводит в действие понижающую передачу. Турбовинтовые двигатели требуют наличия понижающего редуктора, поскольку наилучшие характеристики винта достигаются на скоростях, значительно меньших, чем рабочая скорость двигателя.
Рис: Турбовинтовой двигатель
Эти типы газовых турбин имеют чрезвычайную эффективность при скорости 250-400 миль/ч и высоте 18 000-30 000 футов.
Самый низкий расход топлива для турбовинтовых турбин обычно наблюдается в диапазоне высот от 25 000 футов до тропопаузы. Эта турбина использует приблизительно 80-85% вырабатываемой энергии для работы пропеллера. Оставшаяся доступная энергия используется в качестве тяги для удаления выхлопных газов.
2) Турбореактивный двигатель
Второй тип газовой турбины — это реактивный двигатель. Это оптимизированная газовая турбина. Она вырабатывает энергию с помощью выхлопных газов или канального вентилятора, соединенного с турбиной. Двигатели, генерирующие мощность за счет прямых импульсов выхлопных газов, называются турбореактивными двигателями.
Турбореактивный газовый двигатель используется в самолетах. Эти двигатели были впервые разработаны в Великобритании и Германии перед Второй мировой войной и были самыми простыми по сравнению с другими реактивными двигателями.
Турбореактивный двигатель имеет тот недостаток, что он обладает высоким уровнем шума и потребляет большое количество. Эти типы двигателей имеют ограниченный диапазон и долговечность. В настоящее время они используются в основном в военной авиации.
- Камера сгорания
- турбина
- Выхлоп
Компрессорная часть всасывает воздух, сжимает его и на высокой скорости передает сжатый воздух в камеру сгорания. Камера сгорания имеет топливную форсунку и запальник для воспламенения воздушно-топливной смеси.
Расширенный газ приводит в действие турбину. Эта турбина соединена с компрессором и двигателем через вал и поддерживает работу двигателя.
3) Турбовентиляторный двигатель
Реактивный двигатель, вырабатывающий энергию с помощью канального вентилятора, обычно называют турбовентиляторным двигателем. Слово «турбовентилятор» представляет собой комбинацию слов «турбина» и «вентилятор»: слово «турбина» обозначает газовую турбину, которая получает механическую энергию от камеры сгорания, а «вентилятор» — канальный вентилятор, который получает механическую энергию от турбины, чтобы гнать воздух назад.
Этот двигатель использует канальный вентилятор и выхлоп для создания пульсации. Турбовентиляторные двигатели также наиболее широко используются в самолетах.
Эволюция турбовентиляторных двигателей представляет собой сочетание некоторых лучших характеристик турбовинтовых и турбореактивных двигателей. Эти газовые двигатели разработаны для создания дополнительной тяги путем перенаправления вторичного воздушного потока вокруг камеры сгорания.
Турбовентиляторный газовый двигатель имеет низкий уровень шума и потребляет мало топлива по сравнению с другими реактивными двигателями. Он имеет два или более валов внутри двигателя.
4) Масштабный реактивный двигатель
Масштабный реактивный двигатель — это пятый тип. Эти двигатели также называют микрореактивными. Пионер новейших микрореактивных двигателей Курт Шреклинг разработал первые в мире микротурбины (FD3/67).
Эти двигатели могут генерировать силу в 22 Н. Кроме того, его может изготовить большинство профессионалов с опытом работы в машиностроении, используя необходимые технические инструменты.
5) Турбовальный двигатель
Газовый двигатель, оптимизированный для создания мощности на валу вместо реактивной тяги, называется турбовальным.
Принцип работы турбовального двигателя очень похож на турбореактивный двигатель, но с дополнительным турбо, расширением для отбора тепловой энергии из выхлопных газов и преобразования ее в выходную мощность вала. В 1949 году французская компания Turbomeca построила первый турбовальный газотурбинный двигатель.
Турбовальный газотурбинный двигатель
Главный вал двигателя оснащен компрессором и его турбиной, и оба соединены со сгоранием, называется газогенератором. Отдельно вращающаяся турбина используется для приведения в движение роторов вертолета. Вы можете добавить гибкости конструкции, вращая силовую турбину и газогенератор с соответствующими скоростями.
Основное различие между турбовальным и турбореактивным двигателями заключается в том, что в турбовальном двигателе большая часть энергии, выделяемой расширяющимся газом, используется для питания турбины, а не для создания тяги.
Эти газовые двигатели лучше всего подходят для тех применений, где требуется малый вес, небольшие размеры, высокая надежность и постоянная высокая производительность. Большинство вертолетов оснащены турбовальным двигателем. Турбовальный двигатель также используется в качестве вспомогательного двигателя для больших самолетов. Эти двигатели также используются на станциях сжижения природного газа.
6) Аэродинамическая газовая турбина
Прежде всего, они часто создаются на базе газотурбинных двигателей существующих самолетов. Промышленные газовые турбины более обширны, чем аэродеривативные.
Во-вторых, они используются для производства электроэнергии. Поскольку эти турбины выключаются быстрее, чем промышленные двигатели, и могут быстро реагировать на изменение нагрузки, они также используются в морской промышленности для снижения веса. Аэродеривативная газовая турбина
7) Микротурбины
Микротурбина — это газовая турбина, которая в небольших масштабах вырабатывает как электроэнергию, так и тепло. Этот газотурбинный двигатель разработан на основе турбокомпрессоров поршневых двигателей, небольших реактивных двигателей или авиационных APU. Их размер соответствует холодильнику мощностью 25-500 кВт.
КПД микротурбин составляет около 15% без теплообменника, в то время как с теплообменником этот КПД составляет от 20% до 30%. При комбинированном использовании тепла и электроэнергии суммарный термоэлектрический КПД может достигать 85%.
- Низкая стоимость энергии
- Низкий уровень выбросов
- Легкий вес
- Высокая эффективность
- Компактная конструкция
- Малое количество подвижных частей
- Возможность использования отработанного топлива. Рекуперация отработанного тепла также может быть использована в этих турбинах для достижения КПД более 80%.
Ожидается, что микротурбины займут значительную часть рынка распределенной генерации благодаря низким затратам на обслуживание и эксплуатацию, низким капитальным затратам, малым размерам и автоматическому электронному управлению.
Эти типы газовых турбин предлагают эффективное и чистое решение для рынков с прямым приводом, например, компрессоров и кондиционеров воздуха.
Эффективность газовой турбины
Рабочая температура (температура воспламенения) газовой турбины влияет на ее эффективность. Если температура выше, то и КПД турбины будет выше. Однако температура на входе в турбину фиксируется с помощью тепловых условий, которые могут выдержать лопатки турбины.
В максимальных случаях температура газа на входе в турбину колеблется в пределах 1200°C-1400°C . Тем не менее, некоторые конструкторы повышают температуру на входе до 1600°C, разрабатывая кожухи лопаток и системы охлаждения, которые предохраняют металлургические детали от термического повреждения.
Из-за мощности, необходимой для работы компрессора, эффективность преобразования энергии одноцикловой газовой турбины составляет от 20% до 35%, и даже самая эффективная конструкция имеет эффективность до 40%.
Компоненты газотурбинного двигателя
- Турбина
- Компрессор
- Вал
- Камера сгорания
- Редуктор
- Выхлоп
1) Компрессор : —
Компрессор входит в состав основных компонентов газовых турбин. Сначала компрессор всасывает воздух в турбину. После этого он нагнетает воздух и увеличивает давление этого воздуха в соответствии с требованиями турбины. Наконец, компрессор направляет воздух в камеру сгорания со скоростью сотни километров в час.
2) Вал : —
Вращающийся вал позволяет компрессору непрерывно всасывать воздух и нагнетать больше воздуха для регулирования непрерывного горения. Он имеет несколько турбинных лопаток. Вал вращается вместе с вращением лопастей турбины. Избыточная мощность вала используется для работы генератора, вырабатывающего электрическую энергию.
3) Камера сгорания.
Она состоит из ряда форсунок, которые подают постоянный поток топлива в систему сгорания и смешивают его с воздухом в камере сгорания. Смесь сгорает при температуре выше 2 000 градусов по Фаренгейту.
Камера сгорания также включает в себя основные компоненты газовой турбины. Она создает поток газа под высоким давлением, который поступает в турбину и частично расширяется.
4) Секция турбины :-.
Она состоит из сложного набора неподвижных и вращающихся лопаток. Когда горячий дымовой газ расширяется, проходя через турбину, вращающиеся лопатки поворачиваются.
- Во-первых, это позволяет компрессору всасывать больше сжатого воздуха в зону сгорания.
- Он вращает генератор для выработки электрической энергии.
5) Редуктор
Редуктор турбины обеспечивает крутящий момент для приводимого оборудования.
6) Выхлоп :-
Эта часть обеспечивает низкий уровень выбросов из турбинной секции.
Преимущества и недостатки газовых турбин
Преимущества и недостатки газовой турбины приведены ниже:
Преимущества газовой турбины
- Эти турбины легко транспортировать и быстро запускать.
- Глобальная поддержка и обслуживание.
- Низкие затраты и низкое потребление смазочных материалов.
- Можно использовать различные виды топлива.
- Благодаря избытку воздуха, она полностью сжигает воздух, и пламя на холодной поверхности не «гасится», что приводит к очень низким токсичным выбросам CO и HC.
- Высокая эксплуатационная готовность.
- Высокая надежность.
- Низкая стоимость эксплуатации.
- Использование других чистых, возобновляемых видов топлива.
- Газовые турбины имеют высокую удельную мощность.
- Выделяют мало токсичных газов.
- Низкая стоимость строительства.
- Комплексная производительность модульного блока.
Недостатки газовой турбины
- Требует высоких затрат на обслуживание.
- Низкое соотношение мощность: вес.
- Использование экзотических материалов может увеличить стоимость основного двигателя.
- КПД газовых турбин ниже, чем у поршневых двигателей на холостом ходу.
- Более длительное время запуска по сравнению с поршневым двигателем.
- Характерные жалобы могут быть сложными для контроля.
Области применения газовой турбины
- Эти турбины используются для привода самолетов.
- Они используются в поездах.
- Эти турбины используются для привода судов.
- Газотурбинный двигатель также используется для привода электрических генераторов.
- Они используются для питания насосов.
- Газовая турбина используется в различных приложениях газовых компрессоров.
Разница между газовой турбиной с открытым циклом и газовой турбиной с закрытым циклом
Раздел часто задаваемых вопросов
Кто изобрел газовую турбину?
В 1791 году Джон Барбер изобрел первый газотурбинный двигатель.
По какому циклу работает газовая турбина?
Газовая турбина работает на основе цикла Брейтона (или Джоуля).
Для чего используются газовые турбины?
Газовые турбины используются для привода:
- Поезда
- Резервуары
- Насосы
- Промышленное оборудование
- Корабли
- Газовые компрессоры
Какое топливо использует газовая турбина?
Газовая турбина использует такие виды топлива, как испарившийся мазутный газ, угольный газ с низкой теплотворной способностью, технологический газ и природный газ. Но 90% газовых турбин в мире используют в качестве рабочего топлива сжиженный природный газ или природный газ.
Почему газовая турбина называется газовой?
Эта турбина известна как газовая, потому что в качестве рабочего газа в ней используется газ.
Какой тип компрессора используется в газотурбинной установке?
В сажевых газотурбинных установках используется многоступенчатый осевой компрессор.
Сколько времени требуется для запуска газовой турбины?
Газовая турбина с двигателем внутреннего сгорания может запуститься менее чем за 5 минут до достижения полной нагрузки, в то время как газовым турбинам комбинированного цикла может потребоваться 30 минут и более для запуска.
Какие существуют типы газовых турбин?
- Микротурбины
- Аэродинамическая турбина
- Турбовальный
Стоимость газовых турбин очень низкая по сравнению с другими типами турбин. Благодаря этому эти турбины наиболее широко используются во всем мире. Эти турбины имеют высокую удельную мощность. Эти турбины слишком полезны в нашей промышленности. Они имеют низкую стоимость эксплуатации и высокую надежность.
Я надеюсь, что вам будут ясны все понятия, связанные с этой темой. Если у вас возникнут вопросы, то вы можете задать их мне без всяких колебаний.
