Turbina gazowa Urządzenie i zasada działania. Urządzenia przemysłowe

"Turbodoładowanie", "turboodrzutowy", "turbośmigłowy", - terminy te są mocno włączone do leksykonu inżynierów XX wieku, zajmujących się projektowaniem i konserwacją pojazdów i stacjonarnych instalacji elektrycznych. Są one używane nawet w powiązanych obszarach i reklamie, gdy chcą nadać produktowi pewną wskazówkę o specjalnej mocy i wydajności. W lotnictwie, rakietach, statkach i elektrowniach najczęściej stosowane są turbiny gazowe. Jak to się układa? Czy działa na gaz ziemny (jak sama nazwa wskazuje) i jaki to rodzaj gazu? Co sprawia, że ​​turbina różni się od innych typów silników spalinowych? Jakie są jego zalety i wady? W tym artykule podjęto próbę udzielenia odpowiedzi na te pytania w możliwie najszerszym zakresie.

Rosyjski kierownik techniczny

Rosja, w przeciwieństwie do wielu innych niepodległych państw, które powstały po rozpadzie ZSRR, udało się w dużej mierze utrzymać przemysł inżynieryjny. W szczególności firma "Saturn" zajmuje się produkcją elektrowni specjalnego przeznaczenia. Turbiny gazowe tej firmy są wykorzystywane w przemyśle stoczniowym, surowcowym i energetycznym. Produkty high-tech wymagają specjalnego podejścia podczas instalacji, debugowania i obsługi, a także specjalnej wiedzy i kosztownego sprzętu do planowej konserwacji. Wszystkie te usługi są dostępne dla klientów firmy "ODK - Gas Turbines", więc dziś nazywa się. Nie ma tak wielu takich przedsiębiorstw na świecie, chociaż na pierwszy rzut oka zasada organizacji głównych produktów jest prosta. Ogromne znaczenie ma zgromadzone doświadczenie, które pozwala uwzględnić wiele szczegółów technologicznych, bez których niemożliwe jest osiągnięcie długotrwałej i niezawodnej pracy urządzenia. Oto tylko część oferty produktów UEC: turbiny gazowe, elektrownie, urządzenia do przesyłu gazu. Wśród klientów są Rosatom, Gazprom i inne "wieloryby" przemysłu chemicznego i energetycznego.

Produkcja takich złożonych maszyn wymaga w każdym przypadku indywidualnego podejścia. Obliczenia turbiny gazowej są obecnie w pełni zautomatyzowane, ale materiały i cechy schematów elektrycznych w każdym indywidualnym przypadku mają znaczenie.

Wszystko zaczęło się po prostu ...

Wyszukiwania i pary

Pierwsze eksperymenty transformacji energii translacyjnej strumienia w siłę obrotową zostały przeprowadzone przez ludzkość w starożytności, przy użyciu konwencjonalnego koła wodnego. Wszystko jest bardzo proste, ciecz płynie od góry do dołu, ostrza są umieszczane w jej strumieniu. Koło, wyposażone w koła wokół obwodu, obraca się. Działa również wiatrak. Potem nastała epoka pary, a obrót koła przyspieszył. Nawiasem mówiąc, tak zwana "eolipil", wymyślona przez starożytnego Greka Herona około 130 lat przed Chrystusem, była silnik parowy działa dokładnie na tej zasadzie. W istocie była to pierwsza turbina gazowa znana nauce historycznej (w końcu para jest gazowym stanem skupienia wody). Dzisiaj nadal zwyczajowo oddziela się te dwie koncepcje. Wynalezienie Czapli w Aleksandrii zareagowało bez większego entuzjazmu, choć z ciekawością. Turbinowe urządzenia przemysłowe pojawiły się dopiero pod koniec XIX wieku, po stworzeniu Szweda przez Gustafa Lavala, pierwszego na świecie czynnego bloku energetycznego wyposażonego w dyszę. W przybliżeniu w tym samym kierunku pracował inżynier Parsons, dostarczając swojemu samochodowi kilka funkcjonalnie połączonych stopni.

Narodziny turbin gazowych

Sto lat wcześniej pewna genialna idea pojawiła się u pewnego Johna Barbera. Dlaczego najpierw musimy podgrzewać parę, czy nie jest łatwiejsze użycie gazów spalinowych generowanych podczas spalania paliwa bezpośrednio, a tym samym eliminować niepotrzebne pośrednictwo w procesie konwersji energii? Tak więc pierwsza prawdziwa turbina gazowa okazała się. Patent 1791 przedstawia podstawowy pomysł wykorzystania go w powozie bez konia, ale jego elementy są obecnie używane w nowoczesnych rakietach, samolotach i silnikach samochodowych. Początek procesu budowy silników odrzutowych podjął w 1930 r. Frank Whittle. Wpadł na pomysł użycia turbiny do napędzania samolotu. Później został opracowany w licznych projektach turbośmigłowych i turboodrzutowych.

Turbina gazowa Nikola Tesla

Znany naukowiec-naukowiec zawsze podchodził do zagadnień będących przedmiotem badań poza polem. Wszystkim wydawało się oczywiste, że koła z ostrzami lub ostrzami "chwytają" ruch medium lepiej niż płaskie przedmioty. Tesla, jak zwykle, udowodnił, że jeśli układ wirnika jest złożony z dysków, rozmieszczonych na osi szeregowo, to dzięki złapaniu warstw granicznych za pomocą przepływu gazu, nie obróci się on gorzej, aw niektórych przypadkach nawet lepiej niż śmigło z wieloma łopatami. To prawda, że ​​orientacja środowiska mobilnego musi być styczna, co nie zawsze jest możliwe lub pożądane w nowoczesnych urządzeniach, ale projekt jest znacznie uproszczony - w ogóle nie potrzebuje ostrzy. Turbina gazowa zgodnie z planem Tesli nie została jeszcze zbudowana, ale być może pomysł właśnie czeka na swój czas.

Schemat schematyczny

Teraz o podstawowym urządzeniu urządzenia. Jest to zestaw wirujący, zamontowany na osi (wirnik) i części stałej (stojan). Na wale umieszczona jest tarcza z roboczymi ostrzami tworzącymi koncentryczną siatkę, na którą wpływa gaz dostarczany pod ciśnieniem przez specjalne dysze. Następnie rozprężony gaz dostaje się do wirnika, również wyposażonego w ostrza zwane robotnikami. Do przyjmowania mieszanki paliwowo-powietrznej i wydechowej należą specjalne połączenia. Również w ogólnym schemacie zastosowano kompresor. Można go przeprowadzić według innej zasady, w zależności od wymaganego ciśnienia roboczego. Za jego pracę z osi energii pobierana jest kompresja powietrza. Turbina gazowa działa dzięki procesowi spalania mieszanki paliwowo-powietrznej, czemu towarzyszy znaczny wzrost jej objętości. Wał obraca się, jego energia może być użyteczna. Schemat ten nazywa się pojedynczym obwodem, ale jeśli się powtarza, wówczas jest uważany za wieloetapowy.

Zalety turbin lotniczych

Około połowy lat pięćdziesiątych pojawiła się nowa generacja samolotów, w tym pasażerskich (w ZSRR jest to IL-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124 itp.), Przy projektowaniu których tłokowe silniki lotnicze zostały ostatecznie i nieodwołalnie zastąpione silnikami turbinowymi. Wskazuje to na większą wydajność tego typu elektrowni. Charakterystyki turbiny gazowej pod wieloma względami przewyższają parametry silników gaźników, w szczególności pod względem mocy / masy, co ma ogromne znaczenie dla lotnictwa, a także nie mniej ważne wskaźniki niezawodności. Niższe zużycie paliwa, mniej części ruchomych, lepsze parametry środowiskowe, zredukowany hałas i wibracje. Turbiny mają mniejsze znaczenie dla jakości paliwa (co nie ma miejsca w przypadku układów paliwowych), są łatwiejsze w utrzymaniu, nie wymagają dużo oleju smarującego. Ogólnie rzecz biorąc, na pierwszy rzut oka wydaje się, że nie składają się one z metalu, ale z solidnych cnót. Niestety, nie jest.

Są turbiny gazowe i wady

Podczas pracy turbina gazowa nagrzewa się i przenosi ciepło do otaczających elementów konstrukcyjnych. Jest to szczególnie ważne w lotnictwie, gdy stosuje się przerysowany układ obejmujący mycie strumieniem dolnej części zespołu ogonowego. Tak, a sama obudowa silnika wymaga specjalnej izolacji i zastosowania specjalnych materiałów ogniotrwałych, które są odporne na wysokie temperatury.

Chłodzenie turbin gazowych to trudne wyzwanie techniczne. To nie żart, działają one w trybie praktycznie stałej eksplozji występującej w kadłubie. Wydajność w niektórych trybach jest niższa niż w przypadku silników z gaźnikami, jednak w przypadku stosowania schematu z dwoma obwodami, ta wada jest wyeliminowana, chociaż konstrukcja jest skomplikowana, tak jak w przypadku włączenia do sprężania "sprężania" w obwodzie. Przyspieszenie turbiny i tryb pracy wymagają trochę czasu. Im częściej urządzenie się uruchamia i zatrzymuje, tym szybciej się zużywa.

Prawidłowa aplikacja

Cóż, żaden system nie jest pozbawiony wad. Ważne jest znalezienie takiego wniosku dla każdego z nich, w którym jego zalety będą wyraźniej manifestować. Na przykład czołgi, takie jak amerykańskie "Abrams", stanowią podstawę elektrowni, która - turbina gazowa. Można tankować wszystko, co pali, od wysokooktanowej benzyny po whisky, i dostarcza więcej energii. Przykład może nie być bardzo udany, ponieważ doświadczenie w Iraku i Afganistanie wykazało wrażliwość ostrzy sprężarki na piasek. Naprawa turbin gazowych musi być wykonana w Stanach Zjednoczonych w fabryce. Weź zbiornik, a następnie z powrotem, i koszt samej usługi, plus składniki ...

Helikoptery, rosyjskie, amerykańskie i inne kraje, a także potężne łodzie motorowe, są mniej dotknięte drewniakami. W płynnych rakietach nie może obejść się bez nich.

Nowoczesne okręty wojenne i statki cywilne również mają silniki z turbiną gazową. I energia.

Elektrownie trójgeneracyjne

Problemy, z którymi borykają się producenci samolotów, nie martwią się o tych, którzy produkują urządzenia przemysłowe do produkcji energii elektrycznej. Waga w tym przypadku nie jest tak ważna i można skupić się na parametrach, takich jak wydajność i ogólna wydajność. Generatory turbin gazowych mają masywną ramę, niezawodną ramę i grubsze ostrza. Możliwe jest pozbywanie się wytworzonego ciepła, z wykorzystaniem różnych potrzeb - od wtórnego recyklingu w samym systemie, do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych i zasilania cieplnego absorpcyjnych urządzeń chłodniczych. To podejście nazywa się trigeneratorem, a wydajność w tym trybie zbliża się do 90%.

Elektrownie jądrowe

W przypadku turbiny gazowej nie ma zasadniczej różnicy, co źródło nagrzanego medium oddaje energię swoim ostrzom. Może to być spalona mieszanka powietrzno-paliwowa lub po prostu przegrzana para wodna (niekoniecznie woda), o ile zapewnia nieprzerwaną moc. Zasadniczo elektrownie wszystkich elektrowni jądrowych, okrętów podwodnych, lotniskowców, lodołamaczy i niektórych wojskowych okrętów nawodnych (na przykład krążownik rakietowy Petera Wielkiego) są oparte na turbinie gazowej (GTU) obracanej parą. Zagadnienia bezpieczeństwa i ochrony środowiska narzucają zamkniętą pętlę obwodu pierwotnego. Oznacza to, że pierwotny czynnik termiczny (w pierwszych próbkach, ołowiu grał tę rolę, teraz został zastąpiony parafiną), nie opuszcza strefy bliskiego reaktora, opływając wokół elementów paliwowych w kółko. Substancję roboczą ogrzewa się w kolejnych obwodach i odparowuje dwutlenek węgla hel lub azot obraca koło turbiny.

Powszechne użycie

Złożone i duże instalacje są prawie zawsze wyjątkowe, ich produkcja odbywa się w małych partiach lub pojedyncze egzemplarze są w ogóle wytwarzane. Najczęściej jednostki wytwarzane w dużych ilościach są wykorzystywane w pokojowych sektorach gospodarki, na przykład do pompowania węglowodorów przez rurociągi. Są to te produkowane przez ODK pod marką "Saturn". Turbiny gazowe przepompownie W pełni zgodny z zamierzoną nazwą. Naprawdę pompują gaz ziemny, wykorzystując własną energię do swojej pracy.