Gaz türbinleri modern enerji santrallerinin güvenilir güç üniteleridir. Gaz türbini ünitesi (GTU veya GPU) Gaz türbini türleri

Pirinç. 6. Rejeneratif çevrim, tek şaftlı

GTU: 1 - rejeneratör; 2 - kompresör; 3 - yanma odası;

4 - türbin; 5 - süper şarj cihazı (yük)

Açık basit çevrimli tek şaftlı bir gaz türbini tesisinde (Şekil 5)çalışma sıvısı (hava) girer kompresör 1 atmosferden sıkıştırılır ve belirli bir sıcaklığa ısıtıldığı yanma odası 2'ye gönderilir. Daha sonra çalışma sıvısı (hava) girer türbin 3 burada genişler, iş üretir ve atmosfere salınır. Bu çevrimin özelliği, kompresörün, türbinin ve santrifüjlü süper şarj cihazının (4) (yük) mekanik olarak bağlı olmasıdır. Tek şaftlı bir gaz türbini ünitesi tarafından çalıştırılan santrifüjlü bir süper şarj cihazı, yalnızca nispeten dar bir gaz akış hızı aralığında çalışabilir.

Açık çevrimde, çalışma akışkanı (hava) gaz türbini ünitesine atmosferden girer ve atmosfere salınır. Kapalı bir çevrimde, çalışma sıvısının (havanın) yeniden sirkülasyonu atmosferle bağlantısı olmadan gerçekleşir.

Rejeneratif çevrimin tek şaftlı bir gaz türbini ünitesinde (Şekil 6), ek olarak bir rejeneratör kullanılır - ısıyı yanma odasına girmeden önce egzoz gazlarından çalışma akışkanına (hava) aktaran bir ısı eşanjörü. Rejeneratif döngü - harcanan çalışma sıvısının ısısını kullanan bir termodinamik döngü. Çalışma akışkanının ardışık sıkıştırılması, rejeneratif ısıtılması, yanması, genleştirilmesi ve rejeneratif soğutulmasından (egzoz gazından kompresörün arkasındaki çalışma akışkanına ısı transferi) oluşur. Düzenleme aralığını ve kararlı çalışmayı genişletmek için çok şaftlı veya bölünmüş şaftlı bir gaz türbini ünitesi kullanılır. (Şekil 7). Böyle bir gaz türbini ünitesi en az iki türbine sahiptir, yanma odası 2 bağımsız miller üzerinde çalışmaktadır. Kompresör 1, yüksek basınç türbini tarafından tahrik edilir (TVD) 3, A güç türbini (alçak basınç türbini veya LPT) 4 sürüş sağlar süper şarj cihazı 5(yükler). Bölünmüş şaftlı bir gaz türbini kurulumu, LPT güç şaftının dönüş hızını değiştirerek, süper şarj cihazı tarafından tüketilen gücü, süper şarj cihazının faydalı gücüyle eşleştirmek mümkün olduğundan, boşaltma basıncını düşürmeden gaz boru hattının herhangi bir çalışma modunu sağlar. montaj.

Bölünmüş şaftlı bir rejeneratif çevrim gaz türbininde, tek şaftlı bir gaz türbininin rejeneratörüyle aynı işlevleri yerine getiren bir rejeneratör olan ek bir eleman ortaya çıkar. (bkz. Şekil 6).

Kademeli sıkıştırmalı ve kademeli yakıt yanmalı çok şaftlı bir gaz türbinindeki çalışma süreci, havanın ara soğutma ile sıkıştırılması ve yanmanın her türbinin önünde bulunan iki yanma odasında gerçekleşmesi bakımından diğer gaz türbinlerinin çalışma sürecinden farklıdır. (Şekil 8). Ara soğutmalı bir kurulumda aynı üretkenlik ve sıkıştırma oranıyla, düşük ve yüksek basınçlı kompresörlerde (LPC ve HPC) sıkıştırmaya yönelik iş maliyetleri, soğutmasız bir kuruluma göre daha azdır. Kademeli yanmanın kullanılması hp'de hafif bir artışa yol açar. kurulumlar. Ancak böyle bir kurulumda yakıt ve yağ sistemleri daha karmaşık hale gelir, daha kapsamlı bir hava ve gaz boru hatları ağı oluşturulur, bu da kurulumun boyutunu ve ağırlığını artırır. Bu nedenle CS, kademeli yanmalı gaz türbini tasarımının pratik uygulamasını bulamadı. Çoğunlukla basit bir rejeneratif (örneğin, GTK-10) veya rejeneratif olmayan çevrime (örneğin, GTN-16) göre bölünmüş şaftlı gaz türbinleri kullanırlar.

Pirinç. 7. Ayrı güç türbinli basit çevrimli, bölünmüş şaftlı gaz türbini

Pirinç. 8. Ara soğutmalı ve ara ısıtmalı çevrim, düşük basınçlı şaftta net güç tüketicisi olan çok şaftlı gaz türbini ünitesi: 1 - yanma odası; 2 - ara buzdolabı; 3 - ara ısıtma yanma odası; 4 - süper şarj cihazı (yük)

Gaz türbin ünitelerinin çalışma prensibi

Şekil 1. Basit çevrimli tek şaftlı gaz türbini motorlu bir gaz türbini ünitesinin şeması

Gaz türbini güç ünitesinin kompresörüne (1) temiz hava verilir. Yüksek basınç altında kompresörden gelen hava, ana yakıt olan gazın sağlandığı yanma odasına (2) yönlendirilir. Karışım tutuşur. Bir gaz-hava karışımı yandığında, sıcak gaz akışı şeklinde enerji üretilir. Bu akış yüksek hızla türbin pervanesine (3) doğru hücum eder ve onu döndürür. Türbin şaftından geçen dönme kinetik enerjisi, kompresörü ve elektrik jeneratörünü (4) çalıştırır. Elektrik jeneratörünün terminallerinden üretilen elektrik, genellikle bir transformatör aracılığıyla elektrik şebekesine, enerji tüketicilerine gönderilir.

Gaz türbinleri Brayton termodinamik çevrimi ile tanımlanır.Brayton/Joule çevrimi, gaz türbini, turbojet ve ramjet içten yanmalı motorların yanı sıra gaz türbinli dıştan yanmalı motorların kapalı bir gaz döngüsüne sahip çalışma süreçlerini tanımlayan termodinamik bir çevrimdir. (tek fazlı) çalışma sıvısı.

Çevrim, adını bu çevrimde çalışan pistonlu içten yanmalı motoru icat eden Amerikalı mühendis George Brayton'dan almıştır.

Bazen bu döngüye, ısının mekanik eşdeğerini kuran İngiliz fizikçi James Joule'ün onuruna Joule döngüsü de denir.

İncir. 2. Brayton döngüsünün P,V diyagramı

İdeal Brayton çevrimi aşağıdaki süreçlerden oluşur:

1-2 İzoentropik sıkıştırma.
2-3 İzobarik ısı kaynağı.
3-4 İzoentropik genişleme.
4-1 İzobarik ısının uzaklaştırılması.

İzantropik olanlardan gerçek adyabatik genişleme ve sıkıştırma süreçleri arasındaki farklar dikkate alınarak, gerçek bir Brayton döngüsü oluşturulur (T-S diyagramında 1-2p-3-4p-1) (Şekil 3)

Şek. 3. Brayton döngüsünün T-S diyagramı
Mükemmel (1-2-3-4-1)
Gerçek (1-2p-3-4p-1)

İdeal bir Brayton çevriminin termal verimliliği genellikle aşağıdaki formülle ifade edilir:

burada P = p2 / p1, izentropik sıkıştırma sürecindeki basınç artış derecesidir (1-2);
k - adyabatik indeks (1,4'e eşit hava için)

Döngü verimliliğini hesaplamaya yönelik bu genel kabul görmüş yöntemin, gerçekleşen sürecin özünü gizlediğine özellikle dikkat edilmelidir. Bir termodinamik çevrimin sınırlayıcı verimliliği, Carnot formülü kullanılarak sıcaklık oranı aracılığıyla hesaplanır:

burada T1 buzdolabının sıcaklığıdır;
T2 - ısıtıcı sıcaklığı.

Tam olarak aynı sıcaklık oranı, çevrimde kullanılan basınç oranlarının büyüklüğü ve adyabatik indeks aracılığıyla ifade edilebilir:

Dolayısıyla Brayton çevriminin verimliliği, Carnot çevriminin verimliliğiyle tamamen aynı şekilde çevrimin başlangıç ve son sıcaklıklarına bağlıdır. Çalışma akışkanının (2-3) çizgisi boyunca sonsuz derecede ısıtılması durumunda, prosesin izotermal olduğu ve tamamen Carnot çevrimine eşdeğer olduğu düşünülebilir. Bir izobarik işlem sırasında çalışma akışkanı T3'ün ısınma miktarı, çevrimde kullanılan çalışma akışkanı miktarıyla ilgili iş miktarını belirler, ancak çevrimin termal verimliliğini hiçbir şekilde etkilemez. Ancak çevrimin pratik uygulamasında, çalışma akışkanını sıkıştıran ve genişleten mekanizmaların boyutunu en aza indirmek amacıyla, ısıtma genellikle kullanılan malzemelerin ısı direnciyle sınırlı olarak mümkün olan en yüksek değerlerde gerçekleştirilir.

Pratikte sürtünme ve türbülans aşağıdakilere neden olur:

Adyabatik olmayan sıkıştırma: Belirli bir genel basınç oranı için kompresör çıkış sıcaklığı idealden yüksektir.
Adyabatik olmayan genleşme: Türbin sıcaklığının çalışması için gerekli seviyeye düşmesine rağmen kompresör etkilenmez, basınç oranı daha yüksek olur, bu da genleşmenin faydalı çalışmayı sağlayacak kadar yetersiz olmasına neden olur.
Hava girişindeki, yanma odasındaki ve çıkışındaki basınç kayıpları: Sonuç olarak genleşme, faydalı bir çalışma sağlamak için yeterli değildir.

Tüm çevrimsel ısı motorlarında olduğu gibi, yanma sıcaklığı ne kadar yüksek olursa verim de o kadar yüksek olur. Sınırlayıcı faktör, motoru oluşturan çelik, nikel, seramik veya diğer malzemelerin ısıya ve basınca dayanma yeteneğidir. Türbin parçalarından ısının uzaklaştırılmasına çok fazla mühendislik harcanıyor. Çoğu türbin, aksi takdirde boşa gidecek olan egzoz gazlarından ısıyı da geri kazanmaya çalışır.

Reküperatörler, yanmadan önce ısıyı egzoz gazlarından basınçlı havaya aktaran ısı eşanjörleridir. Kombine çevrimde ısı, buhar türbini sistemlerine aktarılır. Kombine ısı ve güç üretiminde (kojenerasyon) atık ısı, sıcak su üretmek için kullanılır.

Mekanik olarak gaz türbinleri, pistonlu içten yanmalı motorlardan önemli ölçüde daha basit olabilir. Basit türbinlerin tek bir hareketli parçası olabilir: yakıt sistemi hariç, şaft/kompresör/türbin/alternatif rotor tertibatı (aşağıdaki resme bakın).

Şekil 4. Bu makine tek kademeli radyal kompresöre sahiptir.
türbin, reküperatör ve hava yatakları.

Daha karmaşık türbinler (modern jet motorlarında kullanılanlar) birden fazla şafta (bobin), yüzlerce türbin kanadına, hareketli stator kanatlarına ve karmaşık borular, yanma odaları ve ısı eşanjörlerinden oluşan kapsamlı bir sisteme sahip olabilir.

Genel olarak, motor ne kadar küçük olursa, kanatların maksimum doğrusal hızını korumak için gereken şaft(lar)ın hızı da o kadar yüksek olur.

Türbin kanatlarının maksimum hızı, elde edilebilecek maksimum basıncı belirler ve motor boyutundan bağımsız olarak maksimum güç elde edilir. Jet motoru yaklaşık 10.000 rpm'de, mikro türbin ise yaklaşık 100.000 rpm'de döner.

Türbin, sıkıştırılabilir bir akışkanın potansiyel enerjisinin kanat aparatında kinetik enerjiye dönüştürüldüğü ve pervanelerdeki kinetik enerjinin sürekli dönen bir mile iletilen mekanik işe dönüştürüldüğü bir motordur.

Tasarım gereği buhar türbinleri sürekli çalışan bir ısı motorudur. Çalışma sırasında akış kısmına giren aşırı ısıtılmış veya doymuş su buharı, genleşmesi nedeniyle rotoru dönmeye zorlar. Dönme, buhar akışının bıçak aparatı üzerindeki etkisinin bir sonucu olarak meydana gelir.

Buhar türbini, enerji üretmek üzere tasarlanmış buhar türbini yapısının bir parçasıdır. Elektriğe ek olarak termal enerji üretebilen tesisler de vardır - buhar kanatlarından geçen buhar, ağ su ısıtıcılarına verilir. Bu tür türbinlere endüstriyel ısıtma veya bölgesel ısıtma tipi türbin adı verilir. İlk durumda endüstriyel amaçlar için türbindeki buharın çıkarılması sağlanır. Bir jeneratörle tamamlanan buhar türbini bir türbin ünitesidir.

Buhar türbini türleri

Türbinler buharın hareket yönüne bağlı olarak radyal ve eksenel türbinlere ayrılır. Radyal türbinlerde buhar akışı eksene dik olarak yönlendirilir. Buhar türbinleri tek, çift ve üç gövdeli olabilir. Buhar türbini, ortam havasının mahfazaya girmesini önleyen çeşitli teknik cihazlarla donatılmıştır. Bunlar az miktarda su buharının sağlandığı çeşitli contalardır.

Şaftın ön kısmında, türbin dönüş hızı arttığında buhar beslemesini kapatmak üzere tasarlanmış bir emniyet regülatörü bulunmaktadır.

Nominal değerlerin ana parametrelerinin özellikleri

· Türbin anma gücü- Türbinin, elektrik jeneratörünün terminallerinde, ana parametrelerin normal değerlerinde veya endüstri ve devlet standartlarının belirlediği sınırlar dahilinde değiştiğinde uzun süre geliştirmesi gereken maksimum güç. Kontrollü buhar çıkışına sahip bir türbin, eğer parçalarının mukavemet şartlarını karşılıyorsa, nominal değerinin üzerinde güç üretebilir.

· Ekonomik türbin gücü- türbinin en verimli şekilde çalıştığı güç. Taze buharın parametrelerine ve türbinin amacına bağlı olarak nominal güç, ekonomik güce eşit veya %10-25 oranında daha fazla olabilir.

· Rejeneratif besleme suyu ısıtmanın nominal sıcaklığı- su akışı boyunca son ısıtıcının arkasındaki besleme suyunun sıcaklığı.

· Nominal soğutma suyu sıcaklığı- kondenser girişindeki soğutma suyunun sıcaklığı.

Gaz türbini(Latin turbo'dan Fransız türbini girdap, dönüş) bıçak aparatında sıkıştırılmış ve ısıtılmış gazın enerjisinin şaft üzerinde mekanik çalışmaya dönüştürüldüğü sürekli bir ısı motorudur. Bir rotordan (disklere monte edilmiş çalışan kanatlar) ve bir statordan (mahfazaya sabitlenmiş kılavuz kanatlar) oluşur.

Yüksek sıcaklık ve basınca sahip olan gaz, türbin nozulundan geçerek nozulun arkasındaki alçak basınç alanına girerek eş zamanlı olarak genişler ve hızlanır. Daha sonra gaz akışı türbin kanatlarına çarparak kinetik enerjisinin bir kısmını onlara verir ve kanatlara tork verir. Rotor kanatları, torku türbin diskleri aracılığıyla mile iletir. Bir gaz türbininin faydalı özellikleri: Örneğin bir gaz türbini, gaz türbininin faydalı çalışması olan aynı şaft üzerinde bulunan bir jeneratörü döndürür.

Gaz türbinleri, gaz türbini motorlarının (nakliye için kullanılan) ve gaz türbini ünitelerinin (termik santrallerde sabit gaz türbini ünitelerinin, kombine çevrim gaz türbini ünitelerinin bir parçası olarak kullanılır) bir parçası olarak kullanılır. Gaz türbinleri, havanın adyabatik olarak sıkıştırılmasını, sabit basınçta yanmayı ve daha sonra başlangıç basıncına kadar adyabatik genleşmeyi içeren Brayton termodinamik döngüsü ile tanımlanır.

Gaz türbini türleri

- Havacılık ve jet motorları

- Yardımcı güç ünitesi

- Elektrik üretimine yönelik endüstriyel gaz türbinleri

- Turboşaft motorlar

- Radyal gaz türbinleri

- Mikrotürbinler

Genel olarak, motor ne kadar küçük olursa, kanatların maksimum doğrusal hızını korumak için gereken şaft(lar)ın hızı da o kadar yüksek olur. Türbin kanatlarının maksimum hızı, elde edilebilecek maksimum basıncı belirler ve motor boyutundan bağımsız olarak maksimum güç elde edilir. Jet motoru yaklaşık 10.000 rpm'de, mikro türbin ise yaklaşık 100.000 rpm'de döner.

Gaz türbini üniteleri (GTU) endüstride, ulaşımda talep görmektedir ve enerji endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu ekipmanın tasarımı çok karmaşık değildir, yüksek verime sahiptir ve kullanımı ekonomiktir.

Gaz türbinleri birçok yönden dizel veya benzinle çalışan motorlara benzer: içten yanmalı motorlarda olduğu gibi, yakıtın yanmasından elde edilen termal enerji mekanik enerjiye dönüştürülür. Bu durumda açık tip tesislerde yanma ürünleri kullanılırken, kapalı sistemlerde gaz veya normal hava kullanılır. Her ikisi de eşit derecede talep görüyor. Açık ve kapalının yanı sıra turbokompresörlü türbinler ve serbest pistonlu gaz jeneratörlü tesisler de bulunmaktadır.

En kolay yol, sabit basınçta çalışan turbo kompresör tipi bir tesisteki gaz türbininin tasarımını ve çalışma prensibini dikkate almaktır.

Gaz türbini tasarımı

Bir gaz türbini, bir kompresör, bir hava kanalı, bir yanma odası, bir nozul, bir akış yolu, sabit ve çalışan kanatlar, bir egzoz gazı borusu, bir dişli kutusu, bir pervane ve bir marş motorundan oluşur.

Marş motoru türbinin çalıştırılmasından sorumludur. İstenilen hıza kadar dönen kompresörü çalıştırır. Daha sonra:

kompresör atmosferden havayı alır ve sıkıştırır;
hava, bir hava kanalı yoluyla yanma odasına gönderilir;
yakıt aynı odaya nozülden girer;
gaz ve hava karışır ve sabit basınçta yanar, bu da yanma ürünlerinin oluşmasına neden olur;
yanma ürünleri hava ile soğutulduktan sonra akış kısmına girerler;
sabit kanatlarda gaz karışımı genişler ve hızlanır, ardından çalışan kanatlara yönlendirilir ve onları harekete geçirir;
harcanan karışım türbini borudan terk eder;
Türbin kinetik enerjiyi bir dişli kutusu aracılığıyla kompresöre ve pervaneye aktarır.

Böylece, havayla karışan gaz, yanan, kanatları ve arkalarında pervaneyi genişleten, hızlandıran ve döndüren bir çalışma ortamı oluşturur. Daha sonra kinetik enerji elektriğe dönüştürülür veya gemiyi hareket ettirmek için kullanılır.

Isı geri kazanım prensibini kullanarak yakıttan tasarruf edebilirsiniz. Bu durumda türbine giren hava, egzoz gazları tarafından ısıtılır. Sonuç olarak ünite daha az yakıt kullanır ve daha fazla kinetik enerji üretir. Havanın ısıtıldığı rejeneratör aynı zamanda egzoz gazlarının soğutulmasına da hizmet eder.

Kapalı gaz türbinlerinin özellikleri

Açık tip gaz türbini havayı atmosferden alır ve egzoz gazını dışarıya atar. Bu çok etkili değildir ve kurulum insanların çalıştığı kapalı bir alanda bulunuyorsa tehlikelidir. Bu durumda kapalı tip gaz türbini ünitesi kullanılır. Bu tür türbinler, harcanan çalışma sıvısını atmosfere salmaz, kompresöre yönlendirir. Yanma ürünleriyle karışmaz. Sonuç olarak türbin içinde dolaşan çalışma ortamı temiz kalır, bu da tesisatın ömrünü uzatır ve arıza sayısını azaltır.

Ancak kapalı türbinler çok büyüktür. Dışarı çıkmayan gazların yeterince etkili bir şekilde soğutulması gerekir. Bu ancak büyük ısı eşanjörlerinde mümkündür. Bu nedenle yeterli alanın bulunduğu büyük gemilerde tesisatlar kullanılmaktadır.

Kapalı gaz türbinlerinde nükleer reaktör de bulunabilir. Soğutucu olarak karbondioksit, helyum veya nitrojen kullanırlar. Gaz bir reaktörde ısıtılır ve bir türbine gönderilir.

Gaz türbinleri ve buhar türbinleri ve içten yanmalı motorlardan farklılıkları

Gaz türbinleri, daha basit tasarımları ve onarım kolaylığı nedeniyle içten yanmalı motorlardan farklıdır. İçten yanmalı motoru hantal ve ağır yapan krank mekanizmasının bulunmaması da önemlidir. Türbin, benzer güce sahip bir motordan yaklaşık iki kat daha hafif ve daha küçüktür. Ayrıca düşük dereceli yakıtla da çalışabilir.

Gaz türbinleri, küçük boyutları ve kolay çalıştırılmaları nedeniyle buhar türbinlerinden farklılık gösterir. Bakımı buharla çalışan ünitelere göre daha kolaydır.

Türbinlerin dezavantajları da vardır: İçten yanmalı motorlara göre daha ekonomik değildirler, daha fazla ses çıkarırlar ve daha çabuk bozulurlar. Ancak bu, gaz türbini ünitelerinin ulaşımda, sanayide ve hatta günlük yaşamda kullanılmasını engellemez. Türbinler deniz ve nehir gemilerine kurulmakta, enerji santrallerinde, pompalama ekipmanlarında ve diğer birçok alanda kullanılmaktadır. Kullanışlı ve hareketlidirler, bu nedenle oldukça sık kullanılırlar.

Buhar türbünü. 19. yüzyılın ortalarına kadar buhar motoruyla yarışabilecek kapasitede bir buhar türbini tasarlanmaya çalışıldı. buhar jetinin kinetik enerjisinin yalnızca küçük bir kısmı türbin dönüşünün mekanik enerjisine dönüştürülebildiğinden başarısız oldu. Mesele şu ki, mucitler

türbin verimliliğinin buhar hızı oranına ve türbin kanatlarının doğrusal hızına bağımlılığını hesaba katmamıştır.

Gaz akışının hızının ve türbin kanadının doğrusal hızının hangi oranında, gaz akışının kinetik enerjisinin türbin kanadına en eksiksiz aktarımının gerçekleşeceğini bulalım (Şekil 36). Buharın kinetik enerjisi tamamen türbin kanadına aktarıldığında, jetin Dünya'ya göre hızı sıfıra eşit olmalıdır, yani.

Hızla hareket eden bir referans çerçevesinde jetin hızı şuna eşittir: .

Bu referans çerçevesinde kanat, jet ile etkileşim anında hareketsiz olduğundan, elastik yansımadan sonra jetin hızının büyüklüğü değişmeden kalır, ancak yönü tersine değişir:

Tekrar Dünya ile ilişkili referans çerçevesine giderek, yansıma sonrasında jetin hızını elde ederiz:

O zamandan beri

Türbin kanatlarının doğrusal hareket hızının jet hızının yarısı olması koşuluyla jetin kinetik enerjisinin türbine tam aktarımının gerçekleşeceğini bulduk.Pratik uygulama alanı bulan ilk buhar türbini tarafından üretildi. 1889'da İsveçli mühendis Gustav Laval. Dönüş hızı rpm'de gücü daha düşüktü

Pirinç. 36. Buhar jetinin kinetik enerjisinin türbin kanadına aktarılması

Yaklaşık 1200 m/s tutarındaki ortalama basınç düşüşlerinde bile yüksek gaz akış hızı, verimli çalışma için türbin kanatlarının yaklaşık 600 m/s doğrusal hıza sahip olmasını gerektirir. Sonuç olarak yüksek verim değerlerine ulaşmak için türbinin yüksek hızlı olması gerekir. 1 m yarıçaplı rotor jantı üzerinde yer alan 1 kg ağırlığındaki bir türbin kanadına 600 m/s kanat hızında etki eden atalet kuvvetini hesaplamak kolaydır:

Temel bir çelişki ortaya çıkıyor: Türbinin ekonomik olarak çalışması için süpersonik rotor hızları gerekiyor, ancak bu hızlarda türbin atalet kuvvetleri tarafından yok edilecek. Bu çelişkiyi çözmek için, optimalden daha düşük bir hızda dönen, ancak buhar jetinin kinetik enerjisinden tam olarak yararlanacak türbinler tasarlamak, onları çok kademeli hale getirmek ve ortak bir şaft üzerine artan çapta birkaç rotor yerleştirmek gerekir. Türbinin yeterince yüksek dönme hızı nedeniyle buhar, kinetik enerjisinin yalnızca bir kısmını daha küçük çaplı rotora aktarır. Daha sonra birinci aşamada atılan buhar, daha büyük çaplı ikinci rotora yönlendirilerek kanatlarına kalan kinetik enerjinin bir kısmını verir, vb. Egzoz buharı soğutucu-yoğunlaştırıcıda yoğunlaştırılır ve kazana ılık su gönderilir. .

Bir buhar türbini kurulumunun çevrimi Şekil 37'de koordinatlarla gösterilmiştir. Kazanda çalışma akışkanı bir miktar ısı alır, ısınır ve sabit basınçta (izobar AB) genleşir. Türbinde buhar adyabatik olarak (adiabat BC) genişleyerek rotoru döndürmek için iş yapar. Örneğin nehir suyuyla yıkanan bir kondenser-soğutucuda buhar, ısıyı suya aktarır ve sabit basınçta yoğunlaşır. Bu işlem bir izobara karşılık gelir. Kondenserden gelen sıcak su kazana pompalanır. Bu işlem bir izokora karşılık gelmektedir.Görüldüğü gibi buhar türbini tesisinin çevrimi kapalıdır. Buharın bir çevrimde yaptığı iş sayısal olarak ABCD şeklinin alanına eşittir.

Modern buhar türbinleri yüksek kinetik dönüşüm verimliliğine sahiptir

Pirinç. 37. Bir buhar türbini tesisinin çalışma döngüsünün şeması

buhar jetinin enerjisi %90'ı biraz aşan mekanik enerjiye dönüştürülür. Bu nedenle, üretilen elektriğin %80'inden fazlasını sağlayan dünyadaki hemen hemen tüm termik ve nükleer santrallerin elektrik jeneratörleri, buhar türbinleri tarafından çalıştırılmaktadır.

Modern buhar türbin tesislerinde kullanılan buharın sıcaklığı 580 C'yi (ısıtıcı sıcaklığı) aşmadığından ve türbin çıkışındaki buharın sıcaklığı da genellikle 30°C'den (buzdolabı sıcaklığı) düşük olmadığından maksimum verim değeri; Bir ısı motoru olarak bir buhar türbini tesisi:

ve buhar türbinli yoğuşmalı enerji santrallerinin gerçek verimlilik değerleri yalnızca %40 civarına ulaşıyor.

Modern kazan-türbin-jeneratör güç ünitelerinin gücü kW'a ulaşıyor. 10. Beş Yıllık Plan'da bir sonraki adım, kW'a kadar kapasiteye sahip güç ünitelerinin inşasıdır.

Buhar türbinli motorlar su taşımacılığında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, kara taşımacılığında ve özellikle havacılıkta kullanımları, bir ateş kutusu ve buhar üretmek için bir kazanın yanı sıra çalışma sıvısı olarak kullanılmak üzere büyük miktarda suya sahip olma ihtiyacı nedeniyle engellenmektedir.

Gaz türbinleri. Yakıtın yanma yerini çalışma sıvısının içine taşıyarak türbinli bir ısı motorunda fırını ve kazanı ortadan kaldırma fikri uzun süredir tasarımcıları meşgul etmiştir. Ancak çalışma akışkanının buhar değil, ısıtmadan genleşen hava olduğu bu tür içten yanmalı türbinlerin gelişimi, yüksek sıcaklıklarda ve yüksek mekanik yüklerde uzun süre çalışabilen malzemelerin bulunmaması nedeniyle sekteye uğradı.

Gaz türbini kurulumu bir hava kompresörü 1, yanma odaları 2 ve bir gaz türbininden 3 oluşur (Şekil 38). Kompresör, türbinle aynı eksene monte edilmiş bir rotor ve sabit bir kılavuz kanattan oluşur.

Türbin çalıştığında kompresör rotoru döner. Rotor kanatları döndüklerinde kompresörün önündeki basınç azalacak ve arkasındaki basınç artacak şekilde şekillendirilmiştir. Hava kompresöre emilir ve ilk rotor kanadı sırasının arkasındaki basınç artar. Birinci rotor kanatları sırasının arkasında, kompresörün sabit bir kılavuz kanadının bir dizi kanadı vardır, bunun yardımıyla hava hareketinin yönü değiştirilir ve ikinci kademenin kanatları kullanılarak daha fazla sıkıştırılma olasılığı sağlanır. Rotorun vb. Kompresör kanatlarının birkaç kademesi hava basıncını 5-7 kat artırır.

Sıkıştırma işlemi adyabatik olarak gerçekleşir, dolayısıyla hava sıcaklığı önemli ölçüde artarak 200 °C veya daha fazlasına ulaşır.

Pirinç. 38. Gaz türbini kurulumu

Basınçlı hava yanma odasına girer (Şek. 39). Aynı zamanda, yüksek basınç altında bir nozül aracılığıyla sıvı yakıt - gazyağı, akaryakıt - enjekte edilir.

Yakıt yandığında çalışma akışkanı görevi gören hava belli bir miktar ısı alır ve 1500-2200 °C sıcaklığa kadar ısınır. Havanın ısınması sabit basınçta meydana gelir, böylece hava genişler ve hızı artar.

Yüksek hızda hareket eden hava ve yanma ürünleri türbine yönlendirilir. Bir aşamadan diğerine geçerek kinetik enerjilerini türbin kanatlarına verirler. Türbin tarafından alınan enerjinin bir kısmı kompresörü döndürmek için harcanır ve geri kalanı örneğin bir uçak pervanesini veya bir elektrik jeneratörünün rotorunu döndürmek için kullanılır.

Türbin kanatlarını, yanma odasına sıcak ve yüksek hızlı gaz jetinin yıkıcı etkisinden korumak için

Pirinç. 39. Yanma odası

Kompresör, yakıtın tamamen yanması için gerekli olandan önemli ölçüde daha fazla hava pompalar. Yakıt yanma bölgesinin arkasından yanma odasına giren hava (Şekil 38), türbin kanatlarına yönlendirilen gaz jetinin sıcaklığını azaltır. Türbindeki gaz sıcaklığının düşmesi verimliliğin düşmesine neden olur, bu nedenle bilim adamları ve tasarımcılar gaz türbinindeki çalışma sıcaklığının üst sınırını arttırmanın yollarını arıyorlar. Bazı modern havacılık gaz türbinli motorlarda türbin önündeki gaz sıcaklığı 1330 °C'ye ulaşır.

Atmosfere yakın bir basınçta ve 500 °C'nin üzerinde bir sıcaklıkta, 500 m/s'den daha yüksek bir hızda yanma ürünleri ile birlikte egzoz havası genellikle atmosfere boşaltılır veya verimliliği arttırmak için bir ısı eşanjörüne gönderilir. yanma odasına giren havayı ısıtmak için ısının bir kısmını aktarır.

Bir gaz türbini ünitesinin çalışma döngüsü Şekil 40'ta gösterilmektedir. Kompresördeki hava sıkıştırma işlemi, adiabat AB'ye, yanma odasındaki ısıtma ve genleşme işlemine - izobar BC'ye karşılık gelir. Bir türbinde sıcak gazın adyabatik genleşme süreci CD bölümü ile temsil edilir, çalışma sıvısının soğutulması ve hacminin azaltılması süreci DA izobarı ile temsil edilir.

Gaz türbini ünitelerinin verimliliği %25-30'a ulaşır. Gaz türbinli motorlarda, buhar motorları ve buhar türbinleri gibi hantal buhar kazanları bulunmadığı gibi, buhar motorları ve içten yanmalı motorlar gibi ileri geri hareketi dönme hareketine dönüştüren pistonlar ve mekanizmalar da yoktur. Bu nedenle, bir gaz türbini motoru aynı güçteki bir dizel motordan üç kat daha az yer kaplar ve özgül kütlesi (kütle-güç oranı), bir uçağın içten yanmalı pistonlu motorununkinden 6 ila 9 kat daha azdır. Kompaktlık ve hız, birim ağırlık başına yüksek güç ile birleştiğinde, gaz türbini motorlarının pratik olarak önemli ilk uygulama alanı olan havacılık belirlendi.

Bir gaz türbini motorunun şaftına monte edilmiş pervaneli uçak 1944'te ortaya çıktı. AN-24, TU-114, IL-18, AN-22 - “Antey” gibi ünlü uçakların turboprop motorları var.

"Antey"in maksimum kalkış ağırlığı 250 ton, taşıma kapasitesi 80 ton veya 720 yolcudur,

Pirinç. 40. Bir gaz türbini tesisinin çalışma döngüsünün şeması

hız 740 km/saat, dört motorun her birinin gücü kW.

Gaz türbinli motorlar, özellikle askeri gemilerde, su taşımacılığında buhar türbini motorlarının yerini almaya başlıyor. Dizel motorlardan gaz türbinli motorlara geçiş, hidrofil gemilerin taşıma kapasitesinin dört kat, 50 tondan 200 tona çıkarılmasını mümkün kıldı.

Ağır vasıtalara 220-440 kW gücünde gaz türbinli motorlar monte edilmektedir. Gaz türbinli motorlu 120 tonluk BelAZ-549V madencilik sektöründe test ediliyor.