Parimi i funksionimit të një turbine me gaz. Dizajni dhe parimi i funksionimit të një turbine me gaz

Oriz. 6. Cikli rigjenerues, me një bosht

GTU: 1 - rigjenerues; 2 - kompresor; 3 - dhoma e djegies;

4 - turbinë; 5 - superngarkues (ngarkesë)

Në një impiant turbinash me gaz me një bosht të një cikli të thjeshtë të hapur (Fig. 5) hyn lëngu i punës (ajri). kompresor 1 nga atmosfera, ngjeshet dhe dërgohet në dhomën e djegies 2, në të cilën nxehet në një temperaturë të caktuar. Pastaj hyn lëngu i punës (ajri). turbina 3, ku zgjerohet, duke prodhuar punë dhe lëshohet në atmosferë. E veçanta e këtij cikli është se kompresori, turbina dhe mbingarkuesi centrifugal 4 (ngarkesa) janë të lidhura mekanikisht. Një superngarkues centrifugal i drejtuar nga një njësi turbine me gaz me një bosht mund të funksionojë vetëm në një gamë relativisht të ngushtë të shpejtësive të rrjedhës së gazit.

Në një cikël të hapur, lëngu i punës (ajri) hyn në njësinë e turbinës me gaz nga atmosfera dhe lëshohet në atmosferë. Në një cikël të mbyllur, riqarkullimi i lëngut të punës (ajrit) ndodh pa lidhje me atmosferën.

Në një njësi turbine me gaz me një bosht të një cikli rigjenerues (Fig. 6), përdoret gjithashtu një rigjenerues - një shkëmbyes nxehtësie që transferon nxehtësinë nga gazrat e shkarkimit në lëngun e punës (ajrin) përpara se të hyjë në dhomën e djegies. Cikli rigjenerues - një cikël termodinamik që përdor nxehtësinë e lëngut të punës të shpenzuar. Ai përbëhet nga ngjeshja e njëpasnjëshme, ngrohja rigjeneruese, djegia, zgjerimi dhe ftohja rigjeneruese e lëngut punues (transferimi i nxehtësisë nga gazi i shkarkimit në lëngun e punës prapa kompresorit). Për të zgjeruar gamën e rregullimit dhe funksionimin e qëndrueshëm, përdoret një njësi turbine me gaz me shumë bosht ose me një bosht të ndarë. (Fig. 7). Një njësi e tillë turbinash me gaz ka të paktën dy turbina, dhoma e djegies 2, duke punuar në boshte të pavarura. Kompresori 1 drejtohet nga një turbinë me presion të lartë (TVD) 3, A turbina e fuqisë (turbinë me presion të ulët ose LPT) 4 ofron makinë superngarkues 5(ngarkesa). Një instalim i turbinës me gaz me një bosht të ndarë siguron çdo mënyrë funksionimi të tubacionit të gazit pa ulur presionin e shkarkimit, pasi duke ndryshuar shpejtësinë e rrotullimit të boshtit të energjisë LPT, është e mundur të përputhet fuqia e konsumuar nga mbingarkuesi me fuqinë e dobishme të instalimin.

Në një turbinë gazi të ciklit rigjenerues me një bosht të ndarë, shfaqet një element shtesë - një rigjenerues, i cili kryen të njëjtat funksione si rigjeneruesi i një turbine me gaz me një bosht. (shih Fig. 6).

Procesi i punës në një turbinë gazi me shumë boshte me kompresim të shkallëzuar dhe djegie të karburantit në faza ndryshon nga procesi i punës së turbinave të tjera me gaz në atë që ajri është i ngjeshur me ftohje të ndërmjetme dhe djegia ndodh në dy dhoma djegie të vendosura përpara secilës turbine. (Fig. 8). Me të njëjtin raport produktiviteti dhe kompresimi në një instalim me ftohje të ndërmjetme, kostot e punës për kompresimin në kompresorët me presion të ulët dhe të lartë (LPC dhe HPC) janë më të vogla se në një instalim pa ftohje. Përdorimi i djegies së shkallëzuar çon në një rritje të lehtë të hp. instalimet. Por në një instalim të tillë, sistemet e karburantit dhe naftës bëhen më të ndërlikuara, krijohet një rrjet më i gjerë tubacionesh ajri dhe gazi, i cili rrit madhësinë dhe peshën e instalimit. Prandaj, CS nuk gjeti zbatim praktik të dizajnit të turbinës me gaz me djegie në faza. Ata përdorin kryesisht turbina me gaz të bëra sipas një cikli të thjeshtë rigjenerues (për shembull, GTK-10) ose jo-rigjenerues (për shembull, GTN-16) me një bosht të ndarë.

Oriz. 7. Turbinë gazi me cikël të thjeshtë, me bosht të ndarë me turbinë të veçantë fuqie

Oriz. 8. Cikli me ftohje të ndërmjetme dhe ngrohje të ndërmjetme, njësi turbine me gaz me shumë bosht me një konsumator të energjisë neto në boshtin me presion të ulët: 1 - dhoma e djegies; 2 - frigorifer i ndërmjetëm; 3 - dhoma e ndërmjetme e djegies së ngrohjes; 4 - superngarkues (ngarkesë)

Herë pas here ata thonë në lajme se, për shembull, në një termocentral të qarkut shtetëror, ndërtimi i një CCGT 400 MW është në lëvizje të plotë, dhe në një tjetër CHPP-2 instalimi i një njësie turbine me gaz të tillë. shumë MW janë vënë në punë. Ngjarje të tilla janë shkruar dhe mbuluar, pasi përfshirja e njësive të tilla të fuqishme dhe efikase nuk është vetëm një "shënues" në zbatim. program shtetëror, por edhe një rritje reale e efiçencës së termocentraleve, sistemit energjetik rajonal dhe madje edhe sistemit të unifikuar energjetik.

Por unë do të doja të sjell në vëmendjen tuaj jo për zbatimin e programeve shtetërore ose treguesve të parashikimit, por për PSU dhe GTU. Jo vetëm një person mesatar, por edhe një inxhinier fillestar i energjisë mund të ngatërrohet në këto dy terma.

Le të fillojmë me atë që është më e thjeshtë.

GTU - njësia e turbinës me gaz - është një turbinë me gaz dhe një gjenerator elektrik të kombinuara në një strehim. Është e dobishme ta instaloni atë në termocentralet. Kjo është efektive dhe shumë rindërtime të termocentraleve synojnë instalimin e turbinave të tilla.

Këtu është një cikël i thjeshtuar i funksionimit të një stacioni termik:

Gazi (karburanti) hyn në bojler, ku digjet dhe transferon nxehtësinë në ujë, i cili del nga kaldaja si avull dhe rrotullon turbinën me avull. Dhe turbina me avull e kthen gjeneratorin. Ne marrim energji elektrike nga gjeneratori dhe marrim avull për nevoja industriale (ngrohje, ngrohje) nga turbina nëse është e nevojshme.

Dhe në një instalim të turbinës me gaz, gazi djeg dhe rrotullon një turbinë me gaz, e cila gjeneron energji elektrike, dhe gazrat e shkarkimit e kthejnë ujin në avull në një kazan të nxehtësisë së mbeturinave, d.m.th. gazi punon me përfitim të dyfishtë: fillimisht digjet dhe rrotullohet turbina, pastaj ngroh ujin në bojler.

Dhe nëse vetë instalimi i turbinës me gaz tregohet edhe më në detaje, do të duket kështu:

Kjo video tregon qartë se çfarë procesesh ndodhin në një impiant turbinash me gaz.

Por do të ketë edhe më shumë përfitim nëse avulli që rezulton funksionon - vendoseni në një turbinë me avull në mënyrë që një gjenerator tjetër të funksionojë! Atëherë njësia jonë e turbinës me gaz do të bëhet një NJËSIA E AVULLI-GAZIT (SGU).

Si rezultat, PSU është një koncept më i gjerë. Ky instalim është një njësi e pavarur e energjisë, ku karburanti përdoret një herë dhe energjia elektrike prodhohet dy herë: në një njësi turbine me gaz dhe në një turbinë me avull. Ky cikël është shumë efikas dhe ka një efikasitet prej rreth 57%! Ky është një rezultat shumë i mirë, i cili ju lejon të ulni ndjeshëm konsumin e karburantit për kilovat-orë energji elektrike!

Në Bjellorusi, për të rritur efikasitetin e termocentraleve, njësitë e turbinave me gaz përdoren si një "superstrukturë" për skemën ekzistuese të termocentralit dhe njësitë e turbinave me ciklin të kombinuar ndërtohen në termocentralet e qarkut shtetëror si njësi të pavarura të energjisë. Duke funksionuar në termocentrale, këto turbina me gaz jo vetëm që rrisin “treguesit tekniko-ekonomikë të parashikimit”, por gjithashtu përmirësojnë menaxhimin e gjenerimit, pasi kanë manovrim të lartë: shpejtësinë e fillimit dhe prodhimin e energjisë.

Ja sa të dobishme janë këto turbina me gaz!

Ajri i kompresuar atmosferik nga kompresori hyn në dhomën e djegies, ku përzihet me karburant dhe përzierja ndizet. Si rezultat i djegies, rritet temperatura, shpejtësia dhe vëllimi i rrjedhës së gazit. Më pas, energjia e gazit të nxehtë shndërrohet në punë. Me hyrjen në pjesën e hundës së turbinës, gazrat e nxehtë zgjerohen dhe energjia e tyre termike shndërrohet në energji kinetike. Më pas, në pjesën e rotorit të turbinës, energjia kinetike e gazeve bën që rotori i turbinës të rrotullohet. Një pjesë e fuqisë së turbinës përdoret për të funksionuar kompresorin, dhe pjesa e mbetur është fuqia e dobishme dalëse. Motori i turbinës me gaz drejton një gjenerator me shpejtësi të lartë të vendosur në të njëjtin bosht. Puna e konsumuar nga kjo njësi është puna e dobishme e motorit të turbinës me gaz. Energjia e turbinës përdoret në aeroplanë, trena, anije dhe tanke.

Histori

60: Turbina e parë me avull e Heronit të Aleksandrisë ( aeolipile) - u trajtua si lodër për shekuj dhe nuk u eksplorua plotësisht potenciali i saj.
1500: Një "ombrellë tymi" shfaqet në vizatimet e Leonardo da Vinçit. Ajri i nxehtë nga zjarri ngrihet përmes një sërë tehësh që lidhen me njëra-tjetrën dhe rrotullojnë heshtin për tiganisje.
1551: Taghi-al-Din shpiku një turbinë me avull, e cila u përdor për të fuqizuar një pështymë vetë-rrotulluese.
1629: Një avion i fortë avulli ktheu një turbinë, e cila më pas ktheu një mekanizëm të drejtuar, duke lejuar që mulliri i Giovanni Branca të funksiononte.
1678: Ferdinand Verbeist ndërtoi një model të një karroce të bazuar në një motor me avull.
1791: Anglezi John Barber mori një patentë për turbinën e parë të vërtetë të gazit. Shpikja e tij kishte shumicën e elementeve që gjenden në turbinat moderne me gaz. Turbina ishte projektuar për të fuqizuar një karrocë pa kuaj.
1872: Franz Stolz zhvilloi motorin e parë të vërtetë të turbinës me gaz.
1894: Sir Charles Parsons patentoi idenë e një anijeje të fuqizuar nga një turbinë me avull dhe ndërtoi një anije demonstrimi (Turbinia). Ky parim i tërheqjes përdoret edhe sot.
1895: Tre gjeneratorë të fluksit radial Parsons prej katër tonësh dhe 100 kW u instaluan në Stacionin e Energjisë së Kembrixhit dhe u përdorën për të siguruar ndriçimin elektrik për rrugët e qytetit.
1903: Një norvegjez, Egidius Elling, ishte në gjendje të ndërtonte turbinën e parë me gaz që mund të prodhonte më shumë energji sesa kërkohej për ta përdorur atë, gjë që shihej si një arritje e rëndësishme në një kohë kur njohuritë për termodinamikën ishin të kufizuara. Duke përdorur kompresorë dhe turbina rrotulluese, prodhoi 11 kf (të rëndësishme për kohën e tij).

Puna e tij u përdor më pas nga Sir Frank Whittle.

1913: Nikola Tesla patentoi turbinën Tesla bazuar në efektin e shtresës kufitare.
1918: General Electric, një nga prodhuesit kryesorë të turbinave sot, nisi divizionin e saj të turbinave me gaz.
1920: Teoria praktike e rrjedhës së gazit nëpër kanale u zhvillua në një teori më të formalizuar (dhe të aplikuar në turbina) të rrjedhës së gazit përgjatë një fletë ajrore nga Dr. Alan Arnold Griffitz.
1930: Sir Frank Whittle patenton një turbinë me gaz për shtytje jet. Ky motor u përdor për herë të parë me sukses në prill 1937.
1934: Raul Pateras Pescara patentoi një motor pistoni si gjenerator për një turbinë me gaz.
1936: Hans von Ohain dhe Max Hahn në Gjermani zhvilluan motorin e tyre të patentuar në të njëjtën kohë që Sir Frank Whittle po e zhvillonte atë në Angli.

Teoria e operimit

Turbinat me gaz përshkruhen nga cikli termodinamik Brayton, në të cilin ajri fillimisht kompresohet në mënyrë adiabatike, pastaj digjet me presion konstant, i ndjekur nga zgjerimi adiabatik përsëri në presionin fillestar.

Në praktikë, fërkimi dhe turbulenca shkaktojnë:

Kompresimi jo-adiabatik: Për një raport të caktuar presioni të përgjithshëm, temperatura e shkarkimit të kompresorit është më e lartë se idealja.
Zgjerimi jo-adiabatik: Megjithëse temperatura e turbinës bie në nivelin e kërkuar për funksionimin, kompresori nuk ndikohet, raporti i presionit është më i lartë, duke rezultuar në zgjerim të pamjaftueshëm për të siguruar funksionim të dobishëm.
Humbjet e presionit në hyrjen e ajrit, dhomën e djegies dhe daljen: si rezultat, zgjerimi nuk është i mjaftueshëm për të siguruar funksionim të dobishëm.

Cikli Brighton

Llojet e turbinave me gaz

Motorët e aviacionit dhe avionëve

Diagrami i motorit me turbina me gaz

Turbinat me gaz përdoren shpesh në shumë raketa me karburant të lëngshëm dhe gjithashtu për të fuqizuar turbopompat, duke i lejuar ato të përdoren në rezervuarë të lehtë me presion të ulët që ruajnë masë të konsiderueshme të thatë.

Motorët e avionëve gjithashtu përdoren shpesh për të gjeneruar energji elektrike për shkak të aftësisë së tyre për të nisur, ndalur dhe ndryshuar ngarkesat më shpejt se makinat industriale. Ato përdoren gjithashtu në industrinë detare për të ulur peshën. GE LM2500 dhe LM6000 janë dy modele përfaqësuese të këtij lloji makinerie.

Turbinat me gaz hobi

Ekziston një hobi popullor - ndërtimi i turbinave me gaz nga turbongarkuesit e automobilave. Dhoma e djegies është montuar nga pjesë të veçanta dhe është instaluar vertikalisht midis kompresorit dhe turbinës. Si shumë hobi të bazuara në teknologji, herë pas here ato zhvillohen në prodhim. Disa kompani të vogla prodhojnë turbina të vogla dhe pjesë këmbimi për hobiistët.

Njësia e fuqisë ndihmëse

Njësia e fuqisë ndihmëse - një turbinë e vogël me gaz që është burim shtesë fuqia, për shembull, për të ndezur motorët shtytës të avionëve. APU siguron sisteme në bord me ajër të kompresuar (përfshirë ventilimin e kabinës), energji elektrike dhe krijon presion në sistemin hidraulik të avionit.

Turbina industriale me gaz për prodhimin e energjisë elektrike

Turbina me gaz të serisë GE H: Ky impiant turbinash 480 megavat ka një efikasitet termik prej 60% në konfigurimet e ciklit të kombinuar.

Dallimi midis turbinave të gazit industrial dhe atyre të aviacionit është se karakteristikat e peshës dhe madhësisë së tyre janë shumë më të ulëta; ato kanë një kornizë, kushineta dhe sistem tehe të një dizajni më masiv. Turbinat industriale variojnë në madhësi nga njësitë e lëvizshme të montuara në kamion deri te sistemet e mëdha komplekse. Turbinat me cikël të kombinuar mund të kenë efikasitet të lartë - deri në 60% - ndërsa nxehtësia nga shkarkimi i turbinës me gaz përdoret në një gjenerator avulli rikuperues për të funksionuar turbinën me avull. Ata gjithashtu mund të funksionojnë në konfigurimin e kogjeneratorëve: shkarkimi përdoret për ngrohje ose ngrohje të ujit, ose në frigoriferë përthithës. Efikasiteti i karburantit në modalitetin e bashkëgjenerimit mund të kalojë 90%.Turbinat në turbinat e mëdha industriale me gaz funksionojnë me shpejtësi sinkrone të rrjetit prej 3000 ose 3600 rrotullime në minutë (rpm). Turbinat e gazit me cikël të thjeshtë në industrinë e energjisë kërkojnë kosto më të ulëta kapitale sesa termocentralet e qymyrit ose ato bërthamore dhe mund të prodhohen si në aplikime me fuqi të lartë ashtu edhe në ato të ulëta. I gjithë procesi i instalimit mund të përfundojë në disa javë (disa muaj), krahasuar me vitet e nevojshme për ndërtimin e termocentraleve bazë me avull. Avantazhi tjetër i tyre kryesor është aftësia për t'u ndezur/fikur brenda pak minutash, duke dhënë energji shtesë gjatë ngarkesave maksimale. Për shkak se ato janë më pak efikase se termocentralet me cikël të kombinuar, ato zakonisht përdoren si termocentrale të pikut dhe funksionojnë nga disa orë në ditë deri në disa duzina orë në vit, në varësi të kërkesës për energji dhe kapacitetit gjenerues të rajonit. Në zonat me ngarkesë bazë të pamjaftueshme dhe në termocentralet ku energjia elektrike furnizohet në bazë të ngarkesës, një impiant turbinash me gaz mund të funksionojë rregullisht gjatë pjesës më të madhe të ditës dhe madje edhe në mbrëmje. Një turbinë tipike e madhe me cikël të thjeshtë mund të prodhojë 100 deri në 300 megavat (MW) fuqi dhe të ketë një efikasitet termik prej 35-40%. Efikasiteti i turbinave më të mira arrin në 64%.

Ruajtja e ajrit të kompresuar

Një nga zhvillimet moderne për të rritur efikasitetin është ndarja e kompresorit dhe turbinës me një strukturë magazinimi të ajrit të kompresuar. Në një turbinë tradicionale, deri në gjysma e fuqisë së gjeneruar përdoret për të drejtuar kompresorin. Në një konfigurim të ruajtjes së ajrit të kompresuar, energjia nga, për shembull, një fermë ere ose e blerë në tregun e hapur me një kosto të ulët përdoret për të drejtuar kompresorin dhe ajri i kompresuar lëshohet për të funksionuar turbinën sipas nevojës.

Motorët me turbobosht

Mikroturbina ka një kompresor, një turbinë radiale njëfazore, një inverter dhe një rekuperator. Nxehtësia nga gazrat e gripit mund të përdoret për të ngrohur ujin, ajrin, proceset e dehumidifikimit ose në makinat ftohëse thithëse - ABHM, të cilat krijojnë të ftohtë për klimatizimin duke përdorur energji termike të lirë në vend të energjisë elektrike.

Efikasiteti i mikroturbinave tipike të prodhuara në masë arrin 35%. Në mënyrën e prodhimit të kombinuar të energjisë elektrike dhe energjisë termike - kogjenerimi, mund të arrihet një faktor i lartë i shfrytëzimit të karburantit - FCI, mbi 85%.

Përparësitë e mikroturbinave:

Elasticiteti dhe përshtatshmëria ndaj perceptimit të ngarkesave elektrike në rangun nga 1 deri në 100% mundësia e funksionimit afatgjatë të mikroturbinës me fuqi jashtëzakonisht të ulët - 1%, niveli i ulët i emetimeve, mungesa e oxhaqeve, mungesa e vajit motorik dhe lubrifikantëve në mikroturbina, mungesa e ftohësve, lidhje e shpejtë dhe teknologjike me linjat e karburantit, komunikimet elektrike dhe rrjetet e ngrohjes, shërbimi i mikroturbinave - 1 ditë, 1 herë në vit, niveli i ulët i zhurmës, niveli jashtëzakonisht i ulët i dridhjeve të mikroturbinës, sistemi me telekomandë, dimensionet kompakte të mikroturbinës, mundësia e vendosjes së termocentralit të mikroturbinës në çatitë e ndërtesave, cilësi e lartë e energjisë elektrike të prodhuar për shkak të pranisë së një inverteri, prodhim i kombinuar i energjisë elektrike dhe nxehtësisë (kogjenerimi).

Në djegien e jashtme, qymyri i pluhurosur ose biomasa e bluar imët (për shembull, tallash) përdoret si lëndë djegëse. Djegia e gazit të jashtëm përdoret drejtpërdrejt dhe indirekt. Në një sistem të drejtpërdrejtë, produktet e djegies kalojnë përmes turbinës. Në një sistem indirekt, përdoret një shkëmbyes nxehtësie dhe ajri i pastër kalon nëpër një turbinë. Efikasiteti termik është më i ulët në një sistem me djegie të jashtme indirekte, por tehet nuk janë të ekspozuara ndaj produkteve të djegies.

Përdorimi në automjete

Rover JET1 i vitit 1950

Një Howmet TX e vitit 1968 është turbina e vetme në histori që fiton një garë makinash.

Turbinat me gaz përdoren në anije, lokomotiva, helikopterë dhe tanke. Shumë eksperimente janë kryer në makina të pajisura me turbina me gaz.

Në vitin 1950, projektuesi F.R. Bell dhe kryeinxhinieri Maurice Wilkes në kompaninë britanike Rover njoftuan makinën e parë të fuqizuar nga një motor me turbinë me gaz. JET1 me dy vende kishte një motor të vendosur pas sediljeve, grilat e marrjes së ajrit në të dy anët e makinës dhe portat e shkarkimit në pjesën e sipërme të bishtit. Gjatë testimit, makina arriti një shpejtësi maksimale prej 140 km/h, me një shpejtësi turbine prej 50,000 rpm. Makina punonte me benzinë, parafinë ose vaj dizel, por problemet me konsumin e karburantit rezultuan të pakapërcyeshme për prodhimin e makinave. Aktualisht është ekspozuar në Londër në Muzeun e Shkencës.

Ekipet e Rover dhe British Racing Motors (BRM) (Formula 1) bashkuan forcat për të krijuar Rover-BRM, një makinë me turbinë me gaz që konkurroi në 24 Orët e Le Mans të vitit 1963, drejtuar nga Graham Hill dhe Gitner Ritchie. Ai kishte një shpejtësi mesatare prej 107.8 mph (173 km/h) dhe një shpejtësi maksimale prej 142 mph (229 km/h). Kompanitë amerikane Ray Heppenstall, Howmet Corporation dhe McKee Engineering u bashkuan për të zhvilluar së bashku makinat e tyre sportive me turbina me gaz në 1968, Howmet TX mori pjesë në disa gara amerikane dhe evropiane, duke përfshirë dy fitore, dhe gjithashtu mori pjesë në

Parimi i funksionimit të njësive të turbinave me gaz

Fig.1. Skema e një njësie turbine me gaz me një motor turbinë me gaz me një bosht të një cikli të thjeshtë

Ajri i pastër furnizohet me kompresorin (1) të njësisë së fuqisë së turbinës me gaz. Nën presion të lartë, ajri nga kompresori drejtohet në dhomën e djegies (2), ku furnizohet karburanti kryesor, gazi. Përzierja ndizet. Kur një përzierje gaz-ajër digjet, energjia gjenerohet në formën e një rryme gazesh të nxehtë. Kjo rrjedhë nxiton me shpejtësi të lartë mbi shtytësin e turbinës (3) dhe e rrotullon atë. Energjia kinetike rrotulluese përmes boshtit të turbinës drejton kompresorin dhe gjeneratorin elektrik (4). Nga terminalet e gjeneratorit elektrik, energjia elektrike e prodhuar, zakonisht nëpërmjet një transformatori, dërgohet në rrjetin elektrik, tek konsumatorët e energjisë.

Turbinat me gaz përshkruhen nga cikli termodinamik Brayton. Cikli Brayton/Joule është një cikël termodinamik që përshkruan proceset e funksionimit të motorëve me djegie të brendshme me turbina me gaz, turbojet dhe ramjet, si dhe motorët me djegie të jashtme me turbina me gaz me një qark të mbyllur të një gazi. lëng pune (njëfazor).

Cikli është emëruar pas inxhinierit amerikan George Brayton, i cili shpiku një motor me djegie të brendshme pistoni që funksiononte në këtë cikël.

Ndonjëherë ky cikël quhet edhe cikli Joule - për nder të fizikanit anglez James Joule, i cili vendosi ekuivalentin mekanik të nxehtësisë.

Fig.2. Diagrami P,V i ciklit Brayton

Cikli ideal Brayton përbëhet nga proceset e mëposhtme:

1-2 Kompresimi izoentropik.
2-3 Furnizimi me nxehtësi izobarike.
3-4 Zgjerimi izoentropik.
4-1 Heqja e nxehtësisë izobare.

Duke marrë parasysh ndryshimet midis proceseve reale adiabatike të zgjerimit dhe ngjeshjes nga ato isentropike, ndërtohet një cikël i vërtetë Brayton (1-2p-3-4p-1 në diagramin T-S) (Fig. 3)

Fig.3. Diagrami T-S i ciklit Brayton
E përsosur (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)

Efikasiteti termik i një cikli ideal Brayton zakonisht shprehet me formulën:

ku P = p2 / p1 është shkalla e rritjes së presionit në procesin e kompresimit isentropik (1-2);
k - indeksi adiabatik (për ajrin e barabartë me 1.4)

Duhet të theksohet veçanërisht se kjo metodë e pranuar përgjithësisht e llogaritjes së efikasitetit të ciklit errëson thelbin e procesit që po zhvillohet. Efikasiteti kufizues i një cikli termodinamik llogaritet përmes raportit të temperaturës duke përdorur formulën Carnot:

ku T1 është temperatura e frigoriferit;
T2 - temperatura e ngrohësit.

Saktësisht i njëjti raport i temperaturës mund të shprehet përmes madhësisë së raporteve të presionit të përdorur në cikël dhe indeksit adiabatik:

Kështu, efikasiteti i ciklit Brayton varet nga temperaturat fillestare dhe përfundimtare të ciklit në të njëjtën mënyrë si efikasiteti i ciklit Carnot. Me një ngrohje pafundësisht të vogël të lëngut të punës përgjatë vijës (2-3), procesi mund të konsiderohet izotermik dhe plotësisht i barabartë me ciklin Carnot. Sasia e ngrohjes së lëngut të punës T3 gjatë një procesi izobarik përcakton sasinë e punës që lidhet me sasinë e lëngut punues të përdorur në cikël, por nuk ndikon në asnjë mënyrë në efikasitetin termik të ciklit. Megjithatë, në zbatimin praktik të ciklit, ngrohja kryhet zakonisht në vlerat më të larta të mundshme, e kufizuar nga rezistenca ndaj nxehtësisë së materialeve të përdorura, për të minimizuar madhësinë e mekanizmave që ngjeshin dhe zgjerojnë lëngun e punës.

Në praktikë, fërkimi dhe turbulenca shkaktojnë:

Kompresimi jo-adiabatik: Për një raport të caktuar presioni të përgjithshëm, temperatura e shkarkimit të kompresorit është më e lartë se idealja.
Zgjerimi jo-adiabatik: Megjithëse temperatura e turbinës bie në nivelin e kërkuar për funksionimin, kompresori nuk ndikohet, raporti i presionit është më i lartë, duke rezultuar në zgjerim të pamjaftueshëm për të siguruar funksionim të dobishëm.
Humbjet e presionit në hyrjen e ajrit, dhomën e djegies dhe daljen: si rezultat, zgjerimi nuk është i mjaftueshëm për të siguruar funksionim të dobishëm.

Ashtu si me të gjithë motorët me nxehtësi ciklike, sa më e lartë të jetë temperatura e djegies, aq më i lartë është efikasiteti. Faktori kufizues është aftësia e çelikut, nikelit, qeramikës ose materialeve të tjera që përbëjnë motorin për t'i bërë ballë nxehtësisë dhe presionit. Shumë inxhinieri shkon në heqjen e nxehtësisë nga pjesët e turbinës. Shumica e turbinave gjithashtu përpiqen të rikuperojnë nxehtësinë nga gazrat e shkarkimit që përndryshe do të shpërdoroheshin.

Rekuperatorët janë shkëmbyes nxehtësie që transferojnë nxehtësinë nga gazrat e shkarkimit në ajrin e kompresuar përpara djegies. Në ciklin e kombinuar, nxehtësia transferohet në sistemet e turbinave me avull. Dhe në prodhimin e kombinuar të nxehtësisë dhe energjisë (kogjenerimi), nxehtësia e mbetur përdoret për të prodhuar ujë të nxehtë.

Mekanikisht, turbinat me gaz mund të jenë dukshëm më të thjeshta se motorët me djegie të brendshme me piston. Turbinat e thjeshta mund të kenë një pjesë lëvizëse: boshtin / kompresorin / turbinën / montimin e rotorit alternativ (shih figurën më poshtë), duke mos përfshirë sistemin e karburantit.

Fig.4. Kjo makinë ka një kompresor radial me një fazë,
turbina, rekuperatori dhe kushinetat e ajrit.

Turbinat më komplekse (ato të përdorura në motorët modernë të avionëve) mund të kenë boshte të shumëfishta (mbështjellje), qindra tehe turbinash, fletë statori lëvizëse dhe një sistem të gjerë tubacionesh komplekse, dhoma me djegie dhe shkëmbyes nxehtësie.

Në përgjithësi, sa më i vogël të jetë motori, aq më e lartë është shpejtësia e boshtit(ave) e nevojshme për të ruajtur shpejtësinë maksimale lineare të tehuve.

Shpejtësia maksimale e fletëve të turbinës përcakton presionin maksimal që mund të arrihet, duke rezultuar në fuqinë maksimale, pavarësisht nga madhësia e motorit. Motori reaktiv rrotullohet me rreth 10,000 rpm dhe mikroturbina me rreth 100,000 rpm.

Turbinat me gaz janë të pranishme në shumë modele të raketave me lëndë djegëse të lëngshme, si dhe në turbopompa, gjë që lejon që këto të fundit të përdoren në rezervuarë të lehta, me presion të ulët që përmbajnë masë të konsiderueshme të thatë.

Llojet e turbinave me gaz

Le të shohim se çfarë lloje të turbinave me gaz ekzistojnë

Industriale - për prodhimin e energjisë elektrike

Dallimi i tyre nga ato të aviacionit është përmasat e tyre dukshëm më të mëdha. Korniza, kushinetat dhe sistemi i tehut në turbinat me gaz industrial janë shumë më masivë. Madhësitë e turbinave industriale ndryshojnë shumë - nga njësitë e lëvizshme kompakte të montuara në kamionë deri te komplekset e mëdha të turbinave me gaz.

Turbinat me cikël të kombinuar kanë një efikasitet deri në 60% - nëse shkarkimi përdoret në një gjenerator avulli rikuperues. Funksionimi në konfigurimet e kogjeneratorëve rrit efikasitetin, kur shkarkimi përdoret për ngrohje ose, në makinat ftohëse, për të prodhuar të ftohtë. Është gjithashtu e mundur të prodhohet nxehtësi dhe të ftohtë në të njëjtën kohë - ky proces quhet trigjenerim.
Turbinat e gazit me cikël të thjeshtë kanë shkallë të ndryshme të fuqisë. Duhen vetëm disa minuta për të hyrë në modalitetin e funksionimit, i cili ju lejon ta përdorni atë gjatë ngarkesave maksimale. Për shkak të efikasitetit më të ulët në krahasim me termocentralet e kombinuara, kjo lloj turbine përdoret rrallë - nga disa orë në disa dhjetëra orë në vit, më shpesh në ngarkesat e pikut. Në zonat me ngarkesë bazë të ulët dhe ku energjia elektrike varet nga ngarkesa, një turbinë me gaz si kjo funksionon shumicën e ditës.

Mikroturbinat

Suksesi i tyre është pjesërisht për shkak të përhapjes së shpejtë të elektronikës, e cila ka marrë përsipër disa nga funksionet e njerëzve. Mikroturbinat përdoren në sistemet më komplekse të furnizimit me energji autonome. Le t'i hedhim një vështrim më të afërt në to.

Mikroturbinat preferohen nga termocentralet autonome reciproke në një sërë aspektesh. Pra, ata kanë një zonë të shtuar të fuqisë, emetime jashtëzakonisht të ulëta dhe vetëm një ose disa pjesë të lëvizshme. Disa modele kanë kushineta ajri dhe një sistem ftohjeje ajri që nuk kërkon vaj motori ose ftohës.

Një avantazh tjetër i mikroturbinave është se pjesa më e madhe e nxehtësisë së gjeneruar përqendrohet në sistemin e shkarkimit në një temperaturë mjaft të lartë, ndërsa nxehtësia e gjeneruar nga motorët reciprokë shpërndahet midis sistemit të ftohjes dhe shkarkimit.

Mikroturbinat operojnë me lloje të ndryshme të lëndëve djegëse industriale: gaz natyror, propan, vajguri, naftë dhe gaz nafte të lidhur. Është e mundur të përdoren lëndë djegëse të rinovueshme: biogaz, bionaftë, E85.

Mikroturbina përbëhet nga një kompresor, një tub radial me një fazë, një inverter dhe një rekuperator. Nxehtësia e gazrave të shkarkimit të shkarkimit ngroh ujin dhe ajrin; Përdoret gjithashtu për të hequr lagështinë ose për të prodhuar të ftohtë për klimatizimin në makinat ftohëse. Kështu, energjia termike e lirë përdoret në vend të energjisë elektrike.

Efikasiteti i mikroturbinave standarde arrin 35%; në modalitetin e bashkëprodhimit, shkalla e përdorimit të karburantit arrin 85%.

Le të përmbledhim avantazhet kryesore të mikroturbinave:

Aftësia për të përballuar ngarkesat elektrike në intervalin 1-100%;
Mundësia e funksionimit afatgjatë me fuqi ultra të ulët - 1%;
Emetimet e ulëta;
Nuk ka oxhaqe;
Mos kërkoni lubrifikantë ose ftohës;
Mundësia e lidhjes së shpejtë me rrjetet elektrike dhe të ngrohjes, linjat e karburantit;
Mirëmbajtja zgjat 1 ditë në vit;
Nivele të reduktuara të zhurmës dhe dridhjeve;
Mundësia e telekomandimit;
Kompaktësia - një termocentral me mikroturbina mund të vendoset në çatitë e ndërtesave;
Falë inverterit, prodhohet energji elektrike me cilësi të lartë;
Kogjenerimi - prodhim i përbashkët i energjisë elektrike dhe ngrohjes;
Mundësia e funksionimit në kushte ekstreme klimatike (në Arktik, Veriun e Largët).

Karakteristikat dhe avantazhet e mikroturbinave përcaktojnë fushën e zbatimit të tyre. Kjo:

Furnizimi me energji i qendrave tregtare, qendrave të të dhënave, kantiereve të ndërtimit, depove farmaceutike, objekteve të sektorit bujqësor;
Furnizimi me energji i zonave me kushte të vështira klimatike (Veriu i Largët);
Në sektorin e naftës dhe gazit - shfrytëzimi i APG;
Furnizimi i decentralizuar me energji.

Këto janë llojet kryesore të turbinave me gaz