Содержание
Одновальные и многовальные двигатели — Студопедия
Поделись
Газотурбинный двигатель
План:
Введение
- 1 Одновальные и многовальные двигатели
- 2 Турбореактивный двигатель
- 2.1 Турбореактивный двигатель с форсажной камерой
- 3 Турбовинтовой двигатель
- 3.1 Турбовальный двигатель
- 4 Двухконтурные двигатели
- 4.1 Двухконтурный турбореактивный двигатель
- 4.2 Турбовентиляторный двигатель
- 4.3 Турбовинтовентиляторный двигатель
- 5 Наземные двигательные установки
- 6 Газовая турбина с замкнутым циклом
- 7 Конструкторы газотурбинных двигателей
Введение
Схема газотурбинного двигателя.
Газотурбинный двигатель (ГТД, ТРД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.
В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.
Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.
В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.
Одновальные и многовальные двигатели
Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности.
Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.
Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.
Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона.
Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.
Одновальные и многовальные двигатели
Схема газотурбинного двигателя.
Газотурбинный двигатель (ГТД, ТРД)
— тепловой
двигатель, в котором газ сжимается
и нагревается, а затем энергия сжатого
и нагретого газа преобразуется в
механическую
работу на валу газовой
турбины.
В отличие от поршневого
двигателя, в ГТД процессы
происходят в потоке движущегося газа.
Сжатый атмосферный воздух из компрессора
поступает в камеру сгорания, туда же
подаётся топливо,
которое, сгорая, образует большое
количество продуктов сгорания под
высоким давлением. Затем в газовой
турбине энергия газообразных продуктов
сгорания преобразуется в механическую
работу за счёт вращения струёй газа
лопаток,
часть которой расходуется на сжатие
воздуха в компрессоре.
Остальная часть
работы передаётся на приводимый агрегат.
Работа, потребляемая этим агрегатом,
является полезной работой ГТД.
Газотурбинные двигатели имеют самую
большую удельную
мощность среди ДВС,
до 6 кВт/кг.
В качестве топлива могут использоваться
любое горючее, которое можно диспергировать:
бензин,
керосин,
дизельное
топливо, мазут,
природный
газ, судовое
топливо, водяной
газ, спирт
и даже измельченный уголь.
Простейший газотурбинный двигатель
имеет только одну турбину, которая
приводит компрессор
и одновременно является источником
полезной мощности. Это накладывает
ограничение на режимы работы двигателя.
Иногда двигатель выполняется многовальным.
В этом случае имеется несколько
последовательно стоящих турбин, каждая
из которых приводит свой вал. Турбина
высокого давления (первая после камеры
сгорания) всегда приводит компрессор
двигателя, а последующие могут приводить
как внешнюю нагрузку (винты вертолёта
или корабля,
мощные электрогенераторы и т.
д.), так и
дополнительные компрессоры самого
двигателя, расположенные перед основным.
Преимущество многовального двигателя
в том, что каждая турбина работает при
оптимальном числе оборотов и нагрузке.
При нагрузке, приводимой от вала
одновального двигателя, была бы очень
плоха приемистость двигателя, то есть
способность к быстрой раскрутке, так
как турбине требуется поставлять
мощность и для обеспечения двигателя
большим количеством воздуха (мощность
ограничивается количеством воздуха),
и для разгона нагрузки. При двухвальной
схеме легкий ротор высокого давления
быстро выходит на режим, обеспечивая
двигатель воздухом, а турбину низкого
давления большим количеством газов для
разгона. Также есть возможность
использовать менее мощный стартер для
разгона при пуске только ротора высокого
давления.
Схема турбореактивного двигателя: 1 —
входное устройство; 2 — осевой компрессор;
3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки
турбины; 5 — сопло.
В полёте поток воздуха тормозится во
входном устройстве перед компрессором,
в результате чего его температура и
давление повышается.
На земле во входном
устройстве воздух ускоряется, его
температура и давление снижаются.
Проходя через компрессор, воздух
сжимается, его давление повышается в
10—45 раз, возрастает его температура.
Компрессоры газотурбинных двигателей
делятся на осевые и центробежные. В наши
дни в двигателях наиболее распространены
многоступенчатые осевые компрессоры.
Центробежные компрессоры, как правило,
применяются в малогабаритных силовых
установках.
Далее сжатый воздух попадает в камеру
сгорания, в так называемые жаровые трубы
(имеется более прогрессивная конструкция
— кольцевая камера сгорания, состоящая
не из отдельных труб, а выполненная
цельным кольцевым элементом). В наши
дни кольцевые камеры сгорания являются
наиболее распространёнными. Трубчатые
камеры сгорания используются гораздо
реже, в основном на военных самолётах.
Воздух на входе в камеру сгорания
разделяется на первичный, вторичный и
третичный. Первичный воздух поступает
в камеру сгорания через специальное
окно в передней части, по центру которого
расположен фланец крепления форсунки
и участвует непосредственно в окислении
(сгорании) топлива (формировании
топливо-воздушной смеси).
Вторичный
воздух поступает в камеру сгорания
сквозь отверстия в стенках жаровой
трубы, охлаждая, придавая форму факелу
и не участвуя в горении. Третичный воздух
подаётся в камеру сгорания уже на выходе
из неё, для выравнивания поля температур.
При работе двигателя в передней части
жаровой трубы всегда вращается вихрь
раскалённого газа (что обусловлено
специальной формой передней части
жаровой трубы), постоянно поджигающего
формируемую топливовоздушную смесь,
происходит сгорание топлива (керосина,
газа), поступающего через форсунки в
парообразном состоянии.
Газовоздушная смесь расширяется и часть
её энергии преобразуется в турбине
через рабочие лопатки в механическую
энергию вращения основного вала. Эта
энергия расходуется, в первую очередь,
на работу компрессора, а также используется
для привода агрегатов двигателя
(топливных подкачивающих насосов,
масляных насосов и т. п.) и привода
электрогенераторов, обеспечивающих
энергией различные бортовые системы.
Основная часть энергии расширяющейся
газовоздушной смеси идёт на ускорение
газового потока в сопле и создание
реактивной тяги.
Чем выше температура сгорания, тем выше
КПД двигателя. Для предупреждения
разрушения деталей двигателя используют
жаропрочные
сплавы, оснащённые системами
охлаждения, и термобарьерные
покрытия.
Газовая турбина с одним валом, газовая турбина с двумя валами и газовая турбина с несколькими золотниками. Обсуждение трубопроводов
Основные принципы работы газовой турбины можно увидеть в приведенном выше видео. Газовые турбины поставляются с различным расположением вала в зависимости от области применения. В соответствии с этим газовую турбину можно разделить на одновальную, двухвальную или многовальную.
Одновальная газовая турбина — часть, выделенная желтым цветом, находится на одном валу
В одновальных газовых турбинах турбина, компрессор и ведомая нагрузка находятся на одном общем валу.
Горячий газ из камеры сгорания приводит в действие турбину, турбина, в свою очередь, приводит в действие компрессор, используя часть энергии, а оставшаяся энергия используется для работы нагрузки (генератора, компрессора, насосов и т. д.). На практике около 80% мощности, развиваемой в турбине за счет сгорания, необходимо для привода компрессора, и только около 20% «полезной нагрузки» остается для привода нагрузки. Поскольку компрессор и турбина вращаются на одном валу, они работают с одинаковой скоростью. В одновальной газовой турбине силовая турбина обычно связана с ведомой нагрузкой (генератором или компрессором) через редуктор. Таким образом, компрессор и силовая турбина работают с фиксированной скоростью, которая представляет собой произведение скорости генератора на передаточное число.
Двухвальная газовая турбина — часть, выделенная желтым цветом, находится на 1-м валу, а выделенная синим — на 2-м валу.
Двухвальные газовые турбины имеют два номера турбины. Одна из них — турбина высокого давления (высокого давления), а другая — турбина низкого давления (турбина низкого давления или силовая турбина).
Горячий газ из камеры сгорания приводит в действие турбины высокого и низкого давления. Турбина высокого давления приводит в движение только компрессор, так как они находятся на одном валу. Турбина низкого давления работает на втором валу и приводит в движение нагрузку, обычно со скоростью, отличной от скорости компрессора/турбины высокого давления. В двухвальной турбине компрессор и силовая турбина могут работать и работают с разными скоростями. Силовая турбина связана с нагрузкой и работает с регулируемой скоростью, но скорость компрессора зависит от нагрузки. При небольшой нагрузке он будет работать на холостом ходу, но по мере увеличения нагрузки он увеличивает свою скорость до полной нагрузки, когда обычно он будет работать намного быстрее, чем силовая турбина. Эта функция значительно улучшает экономию топлива и продлевает срок службы газовой турбины.
Ниже выделен отрывок из книги «HIH Saravanamutto, H. Cohen, GFC Rogers, 2013, Теория газовых турбин , Пирсон»
Высокий тепловой КПД газовой турбины может быть достигнут путем получения соотношение.
Для сжатия в газовой турбине в основном используется осевой компрессор. При полной мощности плотность воздуха на заднем конце осевого компрессора намного выше, чем на входе. Лопасти ротора компрессора и размеры компрессора в настоящее время разработаны в соответствии с этим потоком и плотностью. Однако, когда компрессор работает со скоростью ниже расчетной, плотность воздуха сзади слишком низкая (не выше расчетной). Это приводит к чрезмерным скоростям и нарушению потока, что может вызвать сильную аэродинамическую вибрацию и изменение направления потока. Это состояние может существовать при малой мощности или во время пуска, вызывая остановку или перегрев газовой турбины. Это особенно серьезно при попытке получить соотношение давлений 8:1 в одном компрессоре.
Одним из способов решения этой проблемы является разделение компрессора на одну или несколько секций. В этом контексте мы имеем в виду механическое разделение, позволяющее каждой секции работать с разными скоростями вращения.
Компрессор низкого давления приводится в действие турбиной низкого давления, а компрессор высокого давления — турбиной высокого давления. Мощность может отбираться либо от вала низкого давления, либо от отдельной силовой турбины. Показанная ниже конфигурация обычно называется многовальным или двухконтурным двигателем.
Газовая турбина с несколькими золотниками
Подводя итог вышеизложенному, можно сказать, что многовальные двигатели имеют более двух валов. Он имеет две секции компрессора, компрессор высокого и низкого давления. Есть также две турбины, турбина высокого и низкого давления. Компрессор низкого давления приводится в движение турбиной низкого давления на валу, который вращается концентрически внутри вала, используемого турбиной высокого давления для привода компрессора высокого давления. Эти два вала работают с разной скоростью. Энергия, оставшаяся в газе после этого процесса, используется для привода силовой турбины (на третьем, отдельном валу) или вал низкого давления используется как выходной вал.
Схема с двумя золотниками была в первую очередь разработана для авиационных двигателей, но есть много примеров производных от них мощности на валу. Текущие примеры включают SGT A35 (Industrial RB211) и GE LM 1600.
В одновальных двигателях стартер должен вращать газовый компрессор, турбину и редуктор. Но в случае двухвального двигателя силовая турбина, редуктор неподвижны до тех пор, пока газогенератор не достигнет примерной частоты вращения холостого хода. Таким образом, пусковой двигатель в случае двухвального двигателя должен приводить в действие только газовую турбину, что снижает требуемый общий пусковой крутящий момент по сравнению с газовой турбиной с одним валом.
В одновальных турбинах регулятор регулирует скорость, регулируя газовый регулирующий клапан или клапан жидкого топлива. В двухвальных ГТУ сам регулятор приводится от вала силовой турбины, но регулирует подачу топлива в газогенератор. Он работает с такой скоростью, чтобы подавать достаточно газа на силовую турбину, чтобы поддерживать ее правильную скорость.
Таким образом, при увеличении нагрузки газогенератор разгоняется, но силовая турбина остается на постоянной скорости.
В случае электрических генераторов скорость нагрузки в основном остается постоянной. В таких случаях, когда газовая турбина должна приводить в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию, часто указывается машина с одним валом, поскольку она может эффективно работать при постоянной скорости. Гибкость работы, т. е. скорость, с которой машина может приспосабливаться к изменениям нагрузки и скорости вращения, в данном случае не имеет значения.
В когенерационной установке или электростанции с комбинированным циклом одновальная газовая турбина имеет небольшой недостаток по сравнению с двухвальным двигателем. Это связано с тем, что при снижении нагрузки генератора постоянный расход воздуха и мощность компрессора в блоке с одним валом приводят к большему снижению температуры выхлопных газов. Это, в свою очередь, требует сжигания дополнительного топлива в котле-утилизаторе.
Если бы это была двухвальная газовая турбина, сжигание лишнего топлива было бы ненужным, поскольку она может поддерживать оптимальную скорость для газогенератора даже при уменьшенной нагрузке.
Компрессор одновального двигателя вынужден вращаться со скоростью, кратной скорости нагрузки, фиксированной передаточным числом трансмиссии, так что снижение скорости нагрузки подразумевает снижение скорости компрессора. Это приводит к снижению массового расхода, а следовательно, мощности и крутящего момента. Но по причине, указанной в предыдущем абзаце, для двухвального двигателя даже при снижении нагрузки компрессор поддерживает постоянную скорость. Для фиксированных условий работы газогенератора снижение выходной скорости приводит к увеличению крутящего момента для двухвальных двигателей.
Двигатели с двумя валами, используемые для привода генератора, свободная силовая турбина может быть рассчитана на работу со скоростью генератора без редуктора.
В случае механических приводов, таких как компрессоры и насосы, нагрузка не всегда постоянна.
Ехать нужно с разной скоростью. В тех случаях, когда важна гибкость работы, часто используется двухвальная конфигурация. Конфигурация с двумя валами обеспечивает большую гибкость в отношении скорости и мощности, чем система с одним валом, поскольку силовая турбина может работать с независимой скоростью. В этом типе силовая турбина может быть спроектирована для работы с той же скоростью, что и приводимое оборудование, что потенциально устраняет необходимость в редукторе и его потери, которые обычно составляют 2–4%.
Одновальная турбина не может обеспечить высокий крутящий момент, необходимый для запуска большого насоса или компрессора при полном давлении. Однако установка электродвигателя с частотно-регулируемым приводом (VSD) для облегчения пуска может позволить использовать такую газовую турбину в поезде с большим насосом или компрессором. Преимущество двухвальной газовой турбины, как обсуждалось ранее, состоит в том, что требуемый крутящий момент стартера будет сравнительно меньше.
Каталожные номера:
«HIH Saravanamutto, H. Cohen, GFC Rogers, 2013, Теория газовых турбин , Pearson»
https://www.turbomachinerymag.com/view/choosing-gas-turbines-single-vs-two-shaft
Выбор газовых турбин: одновальные или двухвальные
Сотрудники и участники TMI
Ниже приведен отрывок из руководства по характеристикам газовых турбин Райнера Курца из Solar Turbines и Клауса Бруна из Southwest Research. института на 3-м Ближневосточном симпозиуме по турбомашиностроению в феврале 2015 г.
Siemens SGT-200 в качестве одновальной турбины[/caption]
Выбор между использованием одновальной или двухвальной силовой установки во многом определяется характеристиками приводимой нагрузки. Если скорость нагрузки постоянна, как в случае с электрогенератором, часто указывается одновальная установка; двигатель, специально разработанный для выработки электроэнергии, будет использовать одновальную конфигурацию.
Альтернативой, однако, является использование двухвального двигателя. Если нагрузка должна приводиться в движение с различными скоростями (компрессоры, насосы), предпочтительными являются двухвальные двигатели.
Эти два типа имеют разные характеристики в отношении подачи тепла выхлопных газов на когенерационную установку или установку с комбинированным циклом, главным образом из-за различий в потоке выхлопных газов при снижении нагрузки; практически постоянный расход воздуха и мощность компрессора в одновальном агрегате приводит к большему снижению температуры выхлопных газов при заданном снижении мощности, что может потребовать сжигания дополнительного топлива в котле-утилизаторе в условиях эксплуатации, где это было бы ненужным. с двухвальным. В обоих случаях температура выхлопных газов может быть увеличена за счет использования регулируемых направляющих лопаток на входе.
Siemens SGT-200 в качестве двухвальной турбины[/caption]
Системы когенерации были успешно построены с использованием как одновальных, так и двухвальных установок.
Характеристики крутящего момента очень разные, и изменение крутящего момента в зависимости от выходной скорости при заданной мощности вполне может определить пригодность двигателя для определенных применений. Компрессор одновального двигателя вынужден вращаться со скоростью, кратной скорости нагрузки, фиксированной передаточным числом трансмиссии, так что снижение скорости нагрузки подразумевает снижение скорости компрессора. Это приводит к снижению массового расхода, а следовательно, мощности и крутящего момента. Этот тип турбины имеет ограниченное применение в качестве механического привода.
Однако двухвальный двигатель со свободной силовой турбиной имеет очень хорошую характеристику крутящего момента. При постоянном расходе топлива и постоянной скорости газогенератора свободная силовая турбина может обеспечивать относительно постоянную мощность в широком диапазоне скоростей. Это связано с тем, что компрессор может обеспечить по существу постоянный расход при заданной скорости компрессора независимо от частоты вращения свободной турбины.