Как работает газовая турбина

10. Газовая турбина

Существует ещё один тип двигателя внутреннего сгорания, о котором следует рассказать. Это — газовая турбина. Предшественником газовой турбины является паровая турбина.

В паровой турбине действует пар высокого давления, поступающий из парового котла. Газовая турбина работает за счёт струи раскалённых газов, получаемых от сжигания горючего в камере сгорания самой турбины.

Любая турбина имеет один или несколько дисков с лопатками наподобие детской игрушки-мельницы. Пар или газ при своём стремительном движении в турбине обтекает эти лопатки и вращает диски, посаженные на вал двигателя.

Так без поступательного движения поршней, преобразуемого коленчатым валом и маховиком во вращение вала мотора, мы сразу получаем круговое вращение вала турбины.

Газовая турбина (рис. 21) состоит из дисков турбины и компрессора, установленных на одном валу. Турбина работает так: воздух нагнетается компрессором в камеру сгорания турбины, куда затем впрыскивается жидкое горючее. Горючая смесь сгорает при очень высокой температуре, газы расширяются, устремляются к выхлопному отверстию, по пути попадают на лопатки турбины и приводят их во вращение. При огромной скорости своего движения газы раскручивают диск с лопатками, подобно тому, как вертушка вращается в руках бегущего ребёнка под действием набегающей струи воздуха. Нередко число оборотов дисков доходит до 16 тысяч в минуту! При этом температура входящих газов достигает тысячи градусов. Даже трудно представить себе — нагретые почти до красного каления лопатки турбины несут на себе очень большую нагрузку. Их разрывает огромная центробежная сила как раз в момент наибольшей их слабости — тогда, когда они накалены. Ни один из обычных материалов не может выдержать такой нагрузки. Это долгое время сдерживало внедрение газовых турбин; конструкторы не могли подобрать соответствующего материала для лопаток: лопатки быстро сгорали.

Рис. 21. Схема работы современной газовой турбины

Лишь несколько лет назад была, наконец, найдена специальная сталь, подходящая для таких условий работы. Это — жароупорная сталь; она не теряет свою прочность при высоких температурах. Теперь газовая турбина входит в практику.

Области применения газовой турбины определяются её особенностями: исключительной лёгкостью, простотой, отсутствием вспомогательных устройств вроде котла и т. п.

Газовая турбина не может соперничать с крупной установкой — паровой или дизельной; в этих условиях турбина «съедает» больше горючего. Но как дополнение к этой установке она вполне оправдывает себя. Поэтому газовая турбина очень часто работает на отходящих газах нефтяных, паросиловых и дизельных установок в качестве вспомогательной машины.

Совершенно особое место заняла газовая турбина в авиации благодаря своему весьма малому весу при значительной мощности. Однако соединить вал газовой турбины с воздушным винтом необходимо через коробку шестерён, снижающую число оборотов. Газовая турбина вращается значительно быстрее, чем это необходимо винту.

С успехом осуществлены опыты применения газовых турбин для турболокомотивов и для морских турбоходов.

В борьбе газа с паром особенно важным обстоятельством является то, что газовой турбине не нужна вода. Это делает её особенно ценной в безводных пустынных районах.

Недостаток газовой турбины, который, правда, с каждым годом всё более и более преодолевается, — это низкий коэффициент полезного действия турбины. Компрессор газотурбинной установки подаёт в камеру сгорания очень много воздуха. На вращение компрессора уходит много энергии. Первые газовые турбины имели весьма низкий коэффициент полезного действия. В усовершенствованных турбинах производится повышение температуры сжигания топлива, осуществляется охлаждение воздуха в компрессоре и подогрев его отходящими газами в регенераторе перед поступлением в камеру сгорания. Всё это намного повышает коэффициент полезного действия современной газовой турбины.

Дальнейшее улучшение этого, по существу молодого ещё, двигателя сулит ему большие возможности, особенно если газ будет получаться не от сжигания нефти, а от сжигания угля непосредственно под землёй, как это уже и осуществляется в Советском Союзе, претворяя в жизнь предложение великого учёного России Д. Менделеева.

Устройство газовой турбины и компрессора ГТУ

Устройство газовой турбины и компрессора газотурбинной установки

Рис. Простейшая турбина

Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия газа преобразуется в механическую энергию.

Продольный разрез простейшей газовой турбины показан на рисунке. На вал насажен диск 2, в котором укреплены рабочие лопатки 4. Вал с диском и лопатками в сборе называют ротором. Ротор турбины расположен внутри корпуса 5 и опирается на подшипники скольжения 6. Газ поступает к ротору турбины через сопла, образованные сопловыми лопатками 3. Сопла предназначены для преобразования потенциальной энергии газа в кинетическую. Внутри сопла давление газа уменьшается, а его скорость увеличивается. Перегородки, разделяющие сопла, называют сопловыми лопатками, а все сопловые лопатки, расположенные на одной окружности, — сопловой решеткой.

После сопловой решетки газ поступает к рабочим лопаткам. Промежутки между рабочими лопатками называют рабочими каналами, а все рабочие лопатки на диске — рабочей решеткой. Сопловую решетку и расположенную за ней по ходу газа рабочую решетку называют степенью. Рабочие лопатки изготовлены так, что каналы между ними имеют определенную форму. За счет изменения количества движения газа в рабочих каналах часть его энергии преобразуется в механическую, заставляя вращаться ротор. Ротор соединяется с потребителем механической энергии, которым на электрических станциях является электрический генератор, а на газоперекачивающих — нагнетатель газа.

Поступает газ в турбину через входной патрубок 9, а уходит из нее отработавший газ через выхлопной патрубок 8. Корпус турбины состоит из входного и выхлопного патрубков и той части, где расположены сопловые и рабочие лопатки. Таким образом корпус отделяет газ повышенного давления от окружающей среды. Однако в местах выхода ротора из корпуса имеются зазоры, и чтобы предотвратить утечку газа, в корпусе устанавливают уплотнения 7. Корпус турбины внутри или снаружи обязательно покрывают теплоизоляцией.

Компрессор служит для сжатия газа (воздуха) и повышения его энергии и температуры. При малых степенях сжатия в ГТУ в основном используют осевые компрессоры.

Простейший одноступенчатый компрессор состоит из тех же элементов, что и простейшая турбина. Так же как и турбина, компрессор имеет ротор состоящий из вала 1, диска 2 и рабочих лопаток 4. На внутренней поверхности корпуса компрессора располагаются направляющие лопатки 3. Решетку направляющих лопаток и следующую за ней рабочую решетку называют ступенью компрессора.

Воздух засасывается в компрессор через входной патрубок 9. Каналы между направляющими и рабочими лопатками имеют такую форму, что скорость воздуха в них уменьшается, а давление растет. Чтобы производилась работа сжатия воздуха, от турбины отбирается значительная часть мощности, необходимой для вращения ротора компрессора.

Выхлопной патрубок 8 (диффузор) служит для вывода воздуха из компрессора. Давление воздуха за диффузором значительно выше, чем во входном патрубке, и является наибольшим давлением в ГТУ.

Корпус компрессора состоит из входного патрубка, цилиндрической части, в которой расположены направляющие лопатки, и диффузора. Так же как в турбине, в местах выхода ротора из корпуса компрессора располагаются уплотнения 7. Турбины и компрессоры, имеющие одну ступень, называют одноступенчатыми. Турбины и компрессоры большой мощности с одной ступенью сконструировать обычно не удается. В этом случае на роторе приходится располагать несколько ступеней одну за другой. Такие турбины и компрессоры называют многоступенчатыми.

В поисках утраченной мощности

Пока в России не восстановлены свои технологии производства мощных газовых турбин, большую часть нашего рынка занимают частично локализованные турбины Siemens

Российская теплоэнергетика преимущественно работает на паротурбинных установках (ГТУ). В суммарной установленной электрической мощности ТЭЦ их доля превышает 80%. «Да, в стране достаточно дешевый газ, но при этом парогазовые установки по сравнению с паротурбинными априори имеют КПД выше, — говорит Вадим Розинов из “Сименс Технологии газовых турбин‟. — Отсюда и большой интерес к газовым турбинам». Впрочем, вопрос большей эффективности газовых турбин в российских условиях некоторые эксперты считают дискуссионным. «У современных турбин высокий КПД — под 60 процентов, однако у нас это нивелируется низкой стоимостью газа, нет большой разницы в операционных расходах: что 40–45 процентов КПД, что 55–60 процентов», — полагает Алексей Преснов, управляющий партнер Агентства энергетического анализа. Тем не менее общее мнение правительственных структур однозначно: газовые турбины — главный «субъект» модернизации российской энергетики. Такова специфика «газовой державы». Причем сейчас на первый план выходит необходимость делать свои мощные турбины — с производством малых мы справляемся.

Потребность в новом газовом оборудовании создается во многом программой модернизации теплоэлектростанций ДПМ-2 в перспективе до 2030 года. Кроме того, Минэнерго планирует провести конкурс проектов строительства электростанций с инновационными турбинами. Представитель министерства в феврале сообщил, что планируется строить электростанции, чтобы обеспечить заказами производителей газовых турбин.

Сейчас, по словам Вадима Розинова, готовится «залповый выброс» проектов производства газовых турбин различной мощности и разной степени локализации. «Мне кажется, Siemens оказался наиболее дальновидным и еще до ДПМ-2 серьезно вложился в производство турбин, поэтому у нас есть определенная фора», — говорит он.

В то время как мировой рынок газовых турбин в последние годы сократился в несколько раз, перспективы переоборудования российских ТЭЦ представляются неплохими — по крайней мере, так утверждают производители турбинного оборудования.

Спрос на газовые турбины высокой и средней мощности (от 65 МВт) в «Сименс Технологии газовых турбин» оценивают в 40–50 единиц до 2030 года, ранее представители Минпромторга делали прогноз на уровне 80 турбин до 2035 года.

Алексей Гривач, замдиректора по газовым проектам Фонда национальной энергетической безопасности, добавляет, что мощные турбины нужны также для строительства заводов СПГ, где имеется критическая зависимость от западных технологических партнеров.

Кто вращает турбины

Хотя Россия когда-то успешно развивала технологии производства газовых турбин высокой мощности (у нас была создана и выведена в серию первая в мире газотурбинная установка мощностью 100 МВт), сегодня серийного производства мощных турбин по российским технологиям нет. Технологии, по сути, утрачены — были другие приоритеты. В сегменте ГТУ мощностью 60–80 и 130–180 МВт присутствуют только лицензионные производства.

Мощную турбину (SGT5–2000Е) выпускает СП Siemens и «Силовых маш

Полная версия материала доступна только подписчикам

Читать материалы в полном объеме могут только те, кто оформил платную подписку на ONLINE-версию журнала.