Comprimido aire atmosférico Del compresor ingresa a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y la mezcla se enciende. Como resultado de la combustión, aumentan la temperatura, la velocidad y el volumen del flujo de gas. A continuación, la energía del gas caliente se convierte en trabajo. Al entrar en la parte de tobera de la turbina, los gases calientes se expanden y su energía térmica se convierte en energía cinética. Luego, en la parte del rotor de la turbina, la energía cinética de los gases hace que el rotor de la turbina gire. Parte de la potencia de la turbina se utiliza para hacer funcionar el compresor y el resto es potencia útil. El motor de turbina de gas acciona un generador de alta velocidad ubicado en el mismo eje. El trabajo consumido por esta unidad es el trabajo útil del motor de turbina de gas. La energía de las turbinas se utiliza en aviones, trenes, barcos y tanques.
Historia
- 60: Primera turbina de vapor de Herón de Alejandría ( eolipila) - fue tratado como un juguete durante siglos y no se exploró todo su potencial.
- 1500: Aparece un “paraguas de humo” en los dibujos de Leonardo da Vinci. El aire caliente del fuego asciende a través de una serie de aspas que están conectadas entre sí y hacen girar el asador para freír.
- 1551: Taghi-al-Din inventó una turbina de vapor, que se utilizaba para impulsar un asador giratorio.
- 1629: Un fuerte chorro de vapor hizo girar una turbina, que a su vez hizo girar un mecanismo accionado, permitiendo el funcionamiento del molino de Giovanni Branca.
- 1678: Ferdinand Verbeist construye un modelo de carruaje basado en una máquina de vapor.
- 1791: el inglés John Barber recibe una patente para la primera turbina de gas verdadera. Su invento tenía la mayoría de los elementos que se encuentran en las turbinas de gas modernas. La turbina fue diseñada para impulsar un carruaje sin caballos.
- 1872: Franz Stolz desarrolla el primer motor de turbina de gas auténtico.
- 1894: Sir Charles Parsons patenta la idea de un barco propulsado por una turbina de vapor y construye un barco de demostración (Turbinia). Este principio de tracción todavía se utiliza hoy en día.
- 1895: Se instalaron tres generadores de flujo radial Parsons de 100 kW y cuatro toneladas en la central eléctrica de Cambridge y se utilizaron para proporcionar iluminación eléctrica a las calles de la ciudad.
- 1903: un noruego, Egidius Elling, pudo construir la primera turbina de gas que podía producir más energía de la necesaria para operarla, lo que se consideró un logro significativo en una época en la que el conocimiento de la termodinámica era limitado. Utilizando compresores rotativos y turbinas, producía 11 CV (significativo para su época).
Posteriormente, su trabajo fue utilizado por Sir Frank Whittle.
- 1913: Nikola Tesla patenta la turbina Tesla basada en el efecto de capa límite.
- 1918: General Electric, uno de los principales fabricantes de turbinas de la actualidad, lanza su división de turbinas de gas.
- 1920: El Dr. Alan Arnold Griffitz desarrolló la teoría práctica del flujo de gas a través de canales hasta convertirla en una teoría más formalizada (y aplicada a las turbinas) del flujo de gas a lo largo de un perfil aerodinámico.
- 1930: Sir Frank Whittle patenta una turbina de gas para propulsión a chorro. Este motor se utilizó con éxito por primera vez en abril de 1937.
- 1934: Raúl Pateras Pescara patenta un motor de pistón como generador de una turbina de gas.
- 1936: Hans von Ohain y Max Hahn en Alemania desarrollaron su propio motor patentado al mismo tiempo que Sir Frank Whittle lo desarrollaba en Inglaterra.
Teoría de funcionamiento
Las turbinas de gas se describen mediante el ciclo termodinámico de Brayton, en el que el aire primero se comprime adiabáticamente, luego se quema a presión constante y luego se expande adiabáticamente hasta la presión inicial.
En la práctica, la fricción y la turbulencia provocan:
- Compresión no adiabática: para una relación de presión general determinada, la temperatura de descarga del compresor es superior a la ideal.
- Expansión no adiabática: aunque la temperatura de la turbina cae al nivel requerido para su funcionamiento, el compresor no se ve afectado, la relación de presión es mayor, lo que resulta en una expansión insuficiente para proporcionar un funcionamiento útil.
- Pérdidas de presión en la entrada de aire, cámara de combustión y salida: como resultado, la expansión no es suficiente para proporcionar un funcionamiento útil.
ciclo de Brighton
Tipos de turbinas de gas
Motores de aviación y a reacción.
Diagrama del motor a reacción de turbina de gas
Las turbinas de gas se utilizan a menudo en muchos cohetes de combustible líquido y también para impulsar turbobombas, lo que permite su uso en tanques livianos de baja presión que almacenan una cantidad significativa de masa seca.
Los motores de avión también se utilizan a menudo para generar energía eléctrica debido a su capacidad para arrancar, detener y cambiar cargas más rápido que las máquinas industriales. También se utilizan en la industria marina para reducir el peso. Los GE LM2500 y LM6000 son dos modelos representativos de este tipo de máquinas.
Turbinas de gas para aficionados
Existe un pasatiempo popular: construir turbinas de gas a partir de turbocompresores de automóviles. La cámara de combustión se ensambla a partir de piezas separadas y se instala verticalmente entre el compresor y la turbina. Como muchos pasatiempos basados en la tecnología, de vez en cuando se convierten en producción. Varias pequeñas empresas fabrican pequeñas turbinas y repuestos para aficionados.
Unidad de potencia auxiliar
Una unidad de energía auxiliar es una pequeña turbina de gas que es una fuente adicional de energía, por ejemplo, para arrancar los motores de propulsión de un avión. La APU proporciona a los sistemas de a bordo aire comprimido (incluso para la ventilación de la cabina), electricidad y crea presión en el sistema hidráulico de la aeronave.
Turbinas de gas industriales para generar electricidad.
Turbina de gas GE Serie H: Esta planta de turbina de 480 megavatios tiene una eficiencia térmica del 60% en configuraciones de ciclo combinado.
La diferencia entre las turbinas de gas industriales y las de aviación es que sus características de peso y tamaño son mucho menores; tienen un marco, cojinetes y un sistema de palas de diseño más macizo; Las turbinas industriales varían en tamaño, desde unidades móviles montadas en camiones hasta sistemas enormes y complejos. Las turbinas de ciclo combinado pueden tener una alta eficiencia (hasta el 60%) mientras que el calor del escape de la turbina de gas se utiliza en un generador de vapor recuperativo para operar la turbina de vapor. También pueden funcionar en configuraciones de cogenerador: el escape se utiliza para calefacción o calentamiento de agua, o en refrigeradores de absorción. La eficiencia del combustible en modo de cogeneración puede superar el 90%. Las turbinas de las grandes turbinas de gas industriales funcionan a velocidades sincrónicas de la red de 3.000 o 3.600 revoluciones por minuto (rpm). Las turbinas de gas de ciclo simple en la industria energética requieren costos de capital más bajos que las plantas de energía nuclear o de carbón y pueden producirse en aplicaciones tanto de alta como de baja potencia. todo el proceso trabajo de instalación se puede completar en unas pocas semanas (varios meses), en comparación con los años necesarios para construir centrales eléctricas de vapor básicas. Su otra ventaja principal es la capacidad de encenderse/apagarse en cuestión de minutos, entregando energía adicional durante las cargas máximas. Debido a que son menos eficientes que las centrales eléctricas de ciclo combinado, normalmente se utilizan como centrales eléctricas de pico y funcionan desde unas pocas horas al día hasta un par de docenas de horas al año, dependiendo de la demanda de electricidad y la capacidad de generación de la región. En zonas con una carga base insuficiente y en centrales eléctricas donde la energía eléctrica se suministra en función de la carga, una planta de turbinas de gas puede funcionar regularmente durante la mayor parte del día e incluso hasta la noche. Una típica turbina grande de ciclo simple puede producir de 100 a 300 megavatios (MW) de potencia y tener una eficiencia térmica del 35-40%. La eficiencia de las mejores turbinas alcanza el 64%.
Almacenamiento de aire comprimido
Uno de los avances modernos para aumentar la eficiencia es separar el compresor y la turbina con una instalación de almacenamiento de aire comprimido. En una turbina tradicional, hasta la mitad de la energía generada se utiliza para accionar el compresor. En una configuración de almacenamiento de aire comprimido, para accionar el compresor se utiliza energía procedente, por ejemplo, de un parque eólico o adquirida en el mercado abierto a bajo coste, y aire comprimido liberado para el funcionamiento de la turbina según sea necesario.
Motores turboeje
La microturbina cuenta con un compresor, una turbina radial de una etapa, un inversor y un recuperador. El calor de los gases de combustión se puede utilizar para calentar agua, aire, procesos de deshumidificación o en máquinas de refrigeración por absorción - ABHM, que generan frío para el aire acondicionado utilizando gratuitamente energía termal, en lugar de energía eléctrica.
La eficiencia de las microturbinas típicas producidas en masa alcanza el 35%. En el modo de generación combinada de electricidad y energía térmica (cogeneración), se puede lograr un alto factor de utilización de combustible (FCI), superior al 85%.
Ventajas de las microturbinas:
Elasticidad y adaptabilidad a la percepción de cargas eléctricas en el rango de 1 a 100% posibilidad de funcionamiento prolongado de la microturbina a potencia extremadamente baja - 1%, bajo nivel de emisiones, ausencia de chimeneas, ausencia de aceite de motor y lubricantes en microturbinas, ausencia de refrigerantes, conexión rápida y tecnológica a líneas de combustible, comunicaciones eléctricas y redes de calefacción, servicio de microturbinas - 1 día, 1 vez al año, bajo nivel de ruido, nivel extremadamente bajo de vibración de la microturbina, sistema de control remoto, dimensiones compactas de la microturbina, posibilidad de colocar la central eléctrica de microturbina en los tejados de los edificios, alta calidad de la electricidad producida gracias a la presencia de un inversor, producción combinada de electricidad y calor (cogeneración).
En la combustión externa se utiliza como combustible carbón pulverizado o biomasa finamente molida (por ejemplo, aserrín). La combustión de gas externo se utiliza tanto directa como indirectamente. En un sistema directo, los productos de combustión pasan a través de la turbina. En un sistema indirecto, se utiliza un intercambiador de calor y el aire limpio pasa a través de una turbina. La eficiencia térmica es menor en un sistema de combustión externa indirecta, pero las aspas no están expuestas a los productos de combustión.
Uso en vehículos
El Rover JET1 de 1950
Una Howmet TX de 1968 es la única turbina de la historia que gana una carrera automovilística.
Las turbinas de gas se utilizan en barcos, locomotoras, helicópteros y tanques. Se han realizado muchos experimentos en automóviles equipados con turbinas de gas.
En 1950, el diseñador F.R. Bell y el ingeniero jefe Maurice Wilkes de la British Rover Company anunciaron el primer automóvil propulsado por un motor de turbina de gas. El JET1 biplaza tenía un motor ubicado detrás de los asientos, rejillas de entrada de aire a ambos lados del automóvil y salidas de escape en la parte superior de la cola. Durante las pruebas, el coche alcanzó una velocidad máxima de 140 km/h, con una velocidad de turbina de 50.000 rpm. El coche funcionaba con gasolina, parafina o gasóleo, pero los problemas de consumo de combustible resultaron insuperables para la producción de automóviles. Actualmente se exhibe en el Museo de Ciencias de Londres.
Los equipos Rover y British Racing Motors (BRM) (Fórmula 1) unieron fuerzas para crear el Rover-BRM, un automóvil propulsado por turbinas de gas que compitió en las 24 Horas de Le Mans de 1963, conducido por Graham Hill y Gitner Ritchie. tenia velocidad promedio- 173 km/h (107,8 mph) y una velocidad máxima de 229 km/h (142 mph). Las empresas estadounidenses Ray Heppenstall, Howmet Corporation y McKee Engineering se unieron para desarrollar conjuntamente sus propios coches deportivos con turbinas de gas. En 1968, Howmet TX participó en varias carreras americanas y europeas, incluidas dos victorias, y también participó en la
Arroz. 6. Ciclo regenerativo, monoeje.
GTU: 1 - regenerador; 2 - compresor; 3 - cámara de combustión;
4 - turbina; 5 - sobrealimentador (carga)
En una planta de turbina de gas de un solo eje y de ciclo simple abierto. (Figura 5) el fluido de trabajo (aire) entra compresor 1 de la atmósfera, se comprime y se envía a la cámara de combustión 2, donde se calienta hasta una determinada temperatura. Luego entra el fluido de trabajo (aire) turbina 3, donde se expande, produce trabajo y se libera a la atmósfera. La peculiaridad de este ciclo es que el compresor, la turbina y el sobrealimentador centrífugo 4 (carga) están conectados mecánicamente. Un sobrealimentador centrífugo impulsado por una unidad de turbina de gas de un solo eje puede funcionar sólo en un rango relativamente estrecho de caudales de gas.
En un ciclo abierto, el fluido de trabajo (aire) ingresa a la turbina de gas desde la atmósfera y se libera a la atmósfera. En un ciclo cerrado, la recirculación del fluido de trabajo (aire) se produce sin conexión con la atmósfera.
En una unidad de turbina de gas de un solo eje de ciclo regenerativo (Fig.6), se utiliza adicionalmente un regenerador: un intercambiador de calor que transfiere calor de los gases de escape al fluido de trabajo (aire) antes de que ingrese a la cámara de combustión. Ciclo regenerativo: un ciclo termodinámico que utiliza el calor del fluido de trabajo gastado. Consiste en compresión sucesiva, calentamiento regenerativo, combustión, expansión y enfriamiento regenerativo del fluido de trabajo (transferencia de calor desde los gases de escape al fluido de trabajo detrás del compresor). Para ampliar el rango de control y un funcionamiento estable, se utiliza una unidad de turbina de gas de eje múltiple o con eje dividido. (Figura 7). Una unidad de turbina de gas de este tipo tiene al menos dos turbinas, cámara de combustión 2, operando sobre ejes independientes. El compresor 1 es accionado por una turbina de alta presión. (TVD) 3, A turbina de potencia (turbina de baja presión o LPT) 4 proporciona impulso sobrealimentador 5(cargas). Una instalación de turbina de gas con eje dividido proporciona cualquier modo de funcionamiento del gasoducto sin reducir la presión de descarga, ya que al cambiar la velocidad de rotación del eje de potencia del LPT, es posible igualar la potencia consumida por el sobrealimentador con la potencia útil de la instalación.
En una unidad de turbina de gas de ciclo regenerativo con eje dividido, elemento adicional- un regenerador que realiza las mismas funciones que el regenerador de una turbina de gas de un solo eje (ver figura 6).
El proceso de trabajo en una turbina de gas de ejes múltiples con compresión por etapas y combustión de combustible por etapas se diferencia del proceso de trabajo de otras turbinas de gas en que el aire se comprime con enfriamiento intermedio y la combustión se produce en dos cámaras de combustión ubicadas frente a cada turbina. (Figura 8). Con las mismas prestaciones y relación de compresión en una instalación con refrigeración intermedia, los costes de trabajo para la compresión en baja y presión alta(factor de presión y acumulación de presión) es menor que en una instalación sin refrigeración. El uso de combustión por etapas conduce a un ligero aumento de los caballos de fuerza. instalaciones. Pero en una instalación de este tipo, los sistemas de combustible y aceite se vuelven más complicados, se crea una red más extensa de tuberías de aire y gas, lo que aumenta el tamaño y el peso de la instalación. Por eso no lo encontraron en el KS. aplicación práctica Esquemas de plantas de turbinas de gas con combustión por etapas. Utilizan principalmente turbinas de gas fabricadas según un ciclo regenerativo simple (por ejemplo, GTK-10) o no regenerativo (por ejemplo, GTN-16) con eje dividido.
Arroz. 7. Turbina de gas de ciclo simple y eje dividido con turbina de potencia separada
Arroz. 8. Ciclo con refrigeración intermedia y calefacción intermedia, unidad de turbina de gas de ejes múltiples con consumidor neto de energía en el eje de baja presión: 1 - cámara de combustión; 2 - frigorífico intermedio; 3 - cámara de combustión de calentamiento intermedio; 4 - sobrealimentador (carga)
Una turbina es un motor en el que la energía potencial de un fluido comprimible se convierte en energía cinética en el aparato de palas, y esta última en los impulsores se convierte en trabajo mecánico transmitido a un eje que gira continuamente.
Por diseño, las turbinas de vapor son un motor térmico que está constantemente en funcionamiento. Durante el funcionamiento, se genera vapor de agua sobrecalentado o saturado, que ingresa a la parte de flujo y, debido a su expansión, obliga al rotor a girar. La rotación se produce como resultado de la acción del flujo de vapor sobre el aparato de cuchillas.
La turbina de vapor es parte de una estructura de turbina de vapor, que está diseñada para generar energía. También hay instalaciones que, además de electricidad, son capaces de generar energía térmica: el vapor que pasa por las palas de vapor va a los calentadores de agua de la red. Este tipo de turbina se denomina turbina de calefacción industrial o calefacción urbana. En el primer caso, la extracción de vapor en la turbina se realiza con fines industriales. Completa con un generador, la turbina de vapor es una unidad de turbina.
Tipos de turbinas de vapor
Las turbinas se dividen, según la dirección en la que se mueve el vapor, en turbinas radiales y axiales. El flujo de vapor en las turbinas radiales se dirige perpendicular al eje. Las turbinas de vapor pueden ser de carcasa simple, doble y triple. La turbina de vapor está equipada con una variedad de dispositivos técnicos que evitan que entre aire ambiental en la carcasa. Se trata de varias juntas a las que se suministran pequeñas cantidades de vapor de agua.
En la sección frontal del eje hay un regulador de seguridad, diseñado para cortar el suministro de vapor cuando aumenta la velocidad de la turbina.
Características de los principales parámetros de los valores nominales.
· Potencia nominal de la turbina- la potencia máxima que la turbina debe desarrollar durante un tiempo prolongado en los terminales del generador eléctrico, con los valores normales de los principales parámetros o cuando cambian dentro de los límites especificados por las normas industriales y estatales. Una turbina con extracción controlada de vapor puede desarrollar potencia superior a su valor nominal si ésta cumple con las condiciones de resistencia de sus piezas.
· Potencia económica de turbina- potencia a la que la turbina funciona de manera más eficiente. Dependiendo de los parámetros del vapor fresco y del propósito de la turbina, la potencia nominal puede ser igual o mayor que la potencia económica en un 10-25%.
· Temperatura nominal del calentamiento del agua de alimentación regenerativa.- temperatura del agua de alimentación detrás del último calentador a lo largo del flujo de agua.
· Temperatura nominal del agua de refrigeración- temperatura del agua de refrigeración a la entrada del condensador.
Turbina de gas(turbina francesa del latín turbo vórtice, rotación) es un motor térmico continuo, en cuyo aparato de palas la energía del gas comprimido y calentado se convierte en trabajo mecánico sobre el eje. Consta de un rotor (álabes de trabajo montados sobre discos) y un estator (álabes guía fijados en la carcasa).
El gas, que tiene alta temperatura y presión, ingresa a través de la tobera de la turbina al área de baja presión detrás de la tobera, expandiéndose y acelerándose simultáneamente. A continuación, el flujo de gas golpea las palas de la turbina, dándoles parte de su energía cinética e impartiendo par a las palas. Las palas del rotor transmiten el par a través de los discos de la turbina al eje. Propiedades útiles turbina de gas: una turbina de gas, por ejemplo, hace girar un generador situado en el mismo eje, que es el trabajo útil de la turbina de gas.
Las turbinas de gas se utilizan como parte de motores de turbina de gas (utilizados para el transporte) y unidades de turbina de gas (utilizadas en centrales térmicas como parte de unidades de turbina de gas estacionarias, unidades de turbina de gas de ciclo combinado). Las turbinas de gas se describen mediante el ciclo termodinámico de Brayton, que implica la compresión adiabática del aire, la combustión a presión constante y luego la expansión adiabática de regreso a la presión inicial.
Tipos de turbinas de gas
- Motores de aviación y a reacción.
- Unidad de potencia auxiliar
- Turbinas de gas industriales para producción de electricidad.
- motores turboeje
- Turbinas de gas radiales
- Microturbinas
Mecánicamente, las turbinas de gas pueden ser mucho más sencillas que los motores de combustión interna de pistón. Las turbinas simples pueden tener una parte móvil: el conjunto de eje/compresor/turbina/rotor alternativo (ver imagen arriba), sin incluir el sistema de combustible.
Las turbinas más complejas (las utilizadas en los motores a reacción modernos) pueden tener múltiples ejes (bobinas), cientos de álabes de turbina, álabes de estator móviles y un extenso sistema de tuberías, cámaras de combustión e intercambiadores de calor complejos.
En general, cuanto más pequeño es el motor, mayor es la velocidad de los ejes necesaria para mantener la velocidad lineal máxima de las palas. La velocidad máxima de las palas de la turbina determina la presión máxima que se puede alcanzar, lo que da como resultado la máxima potencia, independientemente del tamaño del motor. El motor a reacción gira a unas 10.000 rpm y la microturbina a unas 100.000 rpm.
Las más utilizadas en los motores turborreactores son las turbinas de gas de chorro axial de una y dos etapas.
Una turbina de una sola etapa es aquella que tiene un aparato de boquilla y una fila de melaza de trabajo. El término "axial" indica que el flujo de gas se suministra a las palas de la turbina paralelamente al eje de rotación de la rueda.
Una turbina de gas reactiva es una turbina en la que la expansión de los gases se produce no solo en el aparato de toberas, sino que también continúa en los canales del impulsor de la turbina, y en la que la expansión de los gases termina completamente en el aparato de toberas, se denomina activa. turbina de gas. En una turbina activa, la presión del gas antes y después de la rueda de la turbina es la misma.
El fluido de trabajo en una turbina de gas son gases formados por la combustión de queroseno o algún otro combustible en una corriente de aire comprimido.
Conozcamos el diseño de una turbina de gas axial de una sola etapa. El diagrama de la turbina se muestra en la Fig. 26. La turbina consta de un aparato de tobera, un disco de turbina con álabes de trabajo y un eje con cojinetes.
Arroz. 26. Diagrama de una turbina de gas axial. Arroz. 27. Detalles del aparato de boquilla.
El aparato de boquilla (Fig. 27) tiene bordes externos e internos, entre los cuales se insertan libremente las cuchillas del aparato de boquilla. Este ajuste de las palas asegura su libre alargamiento cuando se calientan (las palas se encuentran en un flujo de gases que tienen una temperatura de 850 - 900 ° C y durante el funcionamiento se calientan hasta un color rojo claro). Para que las palas del aparato de boquilla puedan mucho tiempo Trabajan a altas temperaturas, están fundidos a partir de una aleación resistente al calor.
El disco de la turbina (Fig. 28) está hecho de forma sólida para mayor resistencia, sin un orificio en el centro; se espesa hacia el centro y hacia el borde, donde se unen los omóplatos.
Arroz. 28. Rotor de turbina.
Las cuchillas de trabajo están hechas de una aleación resistente al calor y están unidas al borde con un bloqueo de "árbol de Navidad", que garantiza un ajuste libre de la cuchilla; la cuchilla puede oscilar (Fig. 29). El castillo se llama castillo del árbol de Navidad porque tiene la forma de un árbol de Navidad.
Arroz. 29. Bloqueo de palas de turbina.
El eje de la turbina está unido a la brida del disco, transmitiendo torque al compresor y a los componentes del motor.
Para reducir la fuga de gases calientes, se mecanizan ranuras de sellado laberínticas a lo largo del borde del disco.
El disco de la turbina con palas y eje se llama rotor. Las palas del aparato de toberas y el disco tienen la apariencia de la sección transversal de perfiles aerodinámicos curvos (alas).
Durante el funcionamiento de un motor turborreactor, los gases calientes de las cámaras de combustión se acercan a la turbina; los gases tienen una presión del orden de 4 - 7 kg/cm2, temperatura 850 - 900° C y velocidad 170 - 180 m/seg.
Consideremos cómo cambian la presión, la temperatura y la velocidad de los gases a medida que fluyen a través de los canales de la turbina y cómo la energía de los gases se convierte en trabajo mecánico. En la figura 1 se muestran secciones transversales típicas del flujo de gas que se mueve a través de los canales de la turbina. 26:
3-3 - en la entrada de gas a la turbina;
A-A- a la salida de gases del aparato de boquilla;
4-4 - en la salida de gases de la rueda de la turbina.
Como se mencionó anteriormente, los gases calientes se acercan a las palas del aparato de boquilla a una velocidad de aproximadamente 170 - 180 m/seg. En el aparato de boquilla en la sección 3 - A Los gases, que se mueven en un canal que se estrecha, aumentan su velocidad de movimiento (debido al aumento de presión y temperatura) a ca = 580 - 600. m/seg. Simultáneamente con la expansión, el aparato de boquilla hace girar el flujo de gas y lo dirige hacia las palas de la rueda en un ángulo a = 20 - 28° (Fig. 30). Las palas de las ruedas se mueven a velocidad periférica. Y. Restar de la velocidad absoluta del gas con un velocidad periférica de rotación de la rueda Y, obtenemos la velocidad relativa del gas yo, con el que el gas ingresa a los canales del impulsor. En el canal entre las palas de la rueda, el gas continúa expandiéndose: su presión cae y la temperatura disminuye. El trabajo de expansión se gasta en acelerar la corriente de gas que se mueve en el canal.
La velocidad absoluta del gas a la salida de la rueda c 4 se determina como la suma de las velocidades periféricas de la rueda. Y y la velocidad relativa del gas que sale de la rueda w a. Para turbinas de motores turborreactores con 4 = 350 - 400 m/seg y está dirigido a lo largo del eje del motor. La velocidad de los gases que salen de la rueda de la turbina es 150 - 200 menor que la velocidad del gas que entra en la rueda. m/seg.
Los perfiles de las palas de las ruedas se seleccionan de modo que entre ellos se formen canales curvados y ahusados. Cuando una corriente de gas fluye a través del canal, éste gira, por lo que las partículas de gas desarrollan fuerzas centrífugas que presionan la superficie cóncava de la pala, la "canal".
Se crea una presión aumentada en la superficie cóncava de las palas y una presión reducida (vacío) en el lado convexo de las palas (en la parte posterior).
La fuerza resultante se dirige en un cierto ángulo con respecto al plano de rotación de la rueda (ver Fig. 30). Esta fuerza se puede dividir en dos componentes. Una fuerza se dirige a lo largo del eje de la rueda: esta es la fuerza axial que carga el cojinete de empuje; Otra fuerza actúa en el plano de rotación de la rueda; esta fuerza se llama fuerza circunferencial.
En una turbina a reacción, cuando una corriente de gas se mueve en un canal cada vez más estrecho entre las palas de la rueda, esta corriente de gas se acelera.
Velocidad relativa del chorro a la salida de la rueda. w 4 mayor que la velocidad relativa del chorro en la entrada de la rueda wa, lo cual es claramente visible en la Fig. 30.
Debido a la aceleración de la corriente de gas se genera una fuerza de reacción, que también genera una fuerza circunferencial.
Así, en una turbina de gas a chorro, la fuerza circunferencial se obtiene como resultado de la rotación de la corriente de gas en el canal de álabes y la aceleración de la misma corriente de gas en el mismo canal.
Arroz. 30. La aparición de una fuerza circunferencial por la rotación de una corriente de gas en el canal entre las palas de la rueda.
Si sumamos todas las fuerzas circunferenciales resultantes de cada pala de rueda, obtenemos la fuerza circunferencial total que hace girar el disco de la turbina.
Calculemos la potencia de la turbina en función del trabajo de expansión del gas en la turbina.
Trabajo de expansión 1 kilos La cantidad de gas que fluye a través de la turbina está determinada por la ecuación energética del flujo de gas:
donde G ce k es el segundo flujo de gas a través de la turbina; L extender - trabajo de expansión real 1 kilos gases
Tomando C gec - 60 kg/seg y texto L = 20900 kgm/kg, obtenemos N TURB = 13900 hp.
La potencia desarrollada por la turbina debe ser entre un 1,5 y un 2% mayor que la potencia consumida por el compresor. Este exceso de energía se gasta en accionar unidades auxiliares (bombas, generadores, máquinas automáticas) y en superar las fuerzas de fricción en cojinetes y engranajes.
Las principales características de diseño de las turbinas de gas en comparación con las de vapor están determinadas por los siguientes factores principales:
1. En una turbina de gas se lleva a cabo el proceso de expansión de un ambiente de trabajo de alta temperatura, lo que requiere el uso de materiales especiales resistentes al calor (aceros, aleaciones, cerámicas y revestimientos protectores del calor), así como la organización de refrigeración de sus elementos (aparatos de palas, rotor con discos, piezas de carcasa, cojinetes, etc.).
2. Una turbina de gas tiene un número significativamente menor de etapas que una turbina de vapor. Al mismo tiempo GT opera a una presión inicial baja del medio de trabajo, cuyo volumen específico aumenta de 5 a 25 veces durante la expansión (en una turbina de vapor, el volumen específico de vapor de agua aumenta cientos de veces). Por tanto, la diferencia entre la longitud de las palas de la primera etapa y la última es mucho menor que la de una turbina de vapor. Diámetros medios de las etapas de las turbinas. GT más que para etapas HPC PT(diámetros del disco GT hasta 2 m), y su potencia interna es significativamente mayor en comparación con la potencia de las etapas de la turbina de vapor.
3. La componente axial de la velocidad del flujo detrás de la última etapa de la turbina de gas es de 100-230 m/s. Por lo tanto, para reducir la pérdida de energía, la tubería de salida GT Realizado axialmente en base a un canal difusor de alta eficiencia.
4. Debido al gran papel de la eficiencia GT La eficiencia de las turbinas de gas en turbinas de gas no incluye válvulas de control, etapas parciales y otros elementos que reduzcan la eficiencia de las instalaciones.
Rotores de turbina de gas Dependiendo de su tipo, se fabrican en forma de disco, tambor y disco-tambor (Fig. 29.10 - 29.12), y según el método de fabricación, macizos forjados y soldados:
a) Más comunes son los diseños de rotores de disco que no tienen un orificio central, lo que reduce las características de resistencia.
b) Los diseños de rotores macizos forjados tienen un diámetro limitado debido a limitaciones tecnológicas en su fabricación. Por lo tanto se utilizan en GT baja potencia.
c) Los rotores soldados no tienen estas desventajas, pero son más caros de fabricar.
Arroz. 29.10 Diseños de rotores de turbinas de gas.
A) rotor macizo forjado con diseño de tambor; b) rotor tipo voladizo forjado macizo;
cd) rotores soldados; d, Rotor prefabricado con discos conectados mediante pernos de acoplamiento.
En los diseños de rotores prefabricados, los discos se juntan hidráulicamente mediante una varilla central, convirtiendo el rotor en una única estructura rígida. Antes del montaje se equilibran cuidadosamente los discos individuales de la turbina de gas con el aparato de álabes (también del compresor). Cada uno de los discos tiene dos collares anulares (cinturones), sobre los cuales están hechos hilados: dientes radiales de perfil triangular. Si la conexión Hirth es de buena calidad, se garantiza una alineación absoluta de los discos adyacentes. Este diseño se utiliza, por ejemplo, en la unidad de turbina de gas V94.2 " siemens" y GTE-180. En turbinas de gas de la serie G de la empresa. Westinghouse» los discos se aprietan con 12 tornillos pasantes. En la turbina de gas de potencia GT13E " TEJIDO» se utiliza un rotor soldado. En la figura. 29.12 mostrado apariencia rotores de compresor y turbina de gas turbina de gas GT 13E.
Arroz. Diseño del rotor 29.12 GT 13E
Carcasa de turbina de gas a diferencia de las carcasas de las turbinas de vapor, funciona en condiciones de temperaturas más altas, pero con una menor caída de presión que actúa sobre las paredes de la carcasa. Elementos del casco GT fabricados con aceros perlíticos. En la mayoría de los diseños, la carcasa tiene un conector horizontal. Requisito básico para cerramientos. GT– rigidez de su diseño, asegurando un espesor de pared uniforme para eliminar la formación de tensiones térmicas y las deformaciones correspondientes, simetría en las secciones transversales para organizar espacios iguales entre las palas de trabajo y el cuerpo. Para reducir las fugas, estos espacios se mantienen mínimos en la dirección radial. En sellos laberínticos de escalones sobre banda y diafragma GT(así como en los compresores) se utilizan inserciones alveolares que se desgastan al tocarlas, lo que evita el desarrollo de situaciones de emergencia. Para reducir la temperatura de las paredes de la carcasa, a veces se cubre desde el interior con una pantalla resistente al calor hecha de una lámina de acero austenítico de paredes delgadas. Se ponen entre ellos material de aislamiento térmico. En algunos casos, en la parte inicial GT Se utiliza un diseño de doble casco, cuando el movimiento del aire de refrigeración se organiza entre las paredes correspondientes.
Una de las principales unidades de turbinas de gas., sobre cuya base se planea crear PGU-325 y otros, es GTE-110 con una capacidad de 110 MW (Fig. 29.13). Tiene un nivel de eficiencia relativamente alto (eficiencia 36%) a una temperatura inicial del gas de 1210°C, pero con una temperatura de gas de combustión baja (517°C), lo que dificulta obtener un alto nivel de eficiencia del ciclo combinado. plantas. La potencia nominal de la unidad de turbina de gas en condiciones de diseño es de 114,5 MW (eficiencia del 36,5%) y la potencia máxima es de 120 MW (eficiencia del 36%). Máxima potencia a temperatura exterior tа =–15 о С norte E = 129,4 MW. El grado de aumento de presión en el compresor a la potencia nominal de la unidad de turbina de gas es p k = 14,75. El caudal de gas de salida de la turbina es de 365 kg/s.
El rotor del diseño de disco de tambor consta de cinco partes conectadas entre sí mediante conexiones de pasador y perno. Los discos del compresor y de la turbina están conectados en secciones mediante soldadura por haz de electrones. Los rodamientos radiales con un diámetro de 400 mm se fabrican con bloques autoalineantes. Entre los segmentos hay boquillas para suministrar aceite para lubricación y refrigeración. El cojinete axial proporciona una percepción bidireccional de la carga axial. Se instala del lado del compresor en su parte fría. Hay 28 pastillas instaladas en el cojinete axial con respecto a la cumbrera, 14 a cada lado.
Arroz. 29.13. Unidad de turbina de gas GTE-110
1 – VNU; 2 – compresor; 3 – cámara de combustión; 4 – turbina de gas; 5 – marco
El sistema de refrigeración de la turbina de gas es convectivo. La turbina enfría las palas de trabajo de las dos primeras etapas y las palas de las toberas de las tres. El consumo total de aire para refrigeración es del 13%. El compresor tiene 15 etapas, su carcasa soldada es de acero EP609Sh. Los dispositivos contra sobretensiones se construyen encima de las palas de trabajo de la primera y segunda etapa en forma de cámaras anulares a las que entra el aire a través de rendijas. Las palas de trabajo de las primeras cuatro etapas están hechas de aleación de titanio VTZ-1, de las etapas 5 a 12, de acero EI 479Sh, y de las etapas 13 a 15, EI 696Sh. Los discos del compresor están fabricados en acero EP609. La purga de aire detrás de la séptima etapa tiene como objetivo enfriar los discos del compresor y detrás de la décima etapa, enfriar el rotor de la turbina de gas.
Sobre el compresor se encuentra una cámara de combustión de anillos tubulares con 20 tubos de llama, lo que reduce la longitud de la línea del eje y la hace más rígida. Los dispositivos de tobera de las etapas de turbina de una turbina de gas están montados en sus carcasas exteriores. La carcasa de la turbina solo tiene conectores verticales. El aparato de toberas de primera etapa consta de 40 aspas fundidas individuales con película convectiva enfriada por aire secundario. El aparato de boquilla de segunda etapa consta de 24 paquetes de palas, moldeados en bloques de dos palas, la tercera, de 18 paquetes de tres palas, y la cuarta, de 16 paquetes de tres palas (huecas, sin enfriar). Todos los paquetes tienen superficies de diafragma fundidas.
La unidad de turbina de gas está asegurada por un soporte delantero y dos traseros. El soporte frontal es fijo y consta de una lámina rígida con nervaduras que se fija a la brida de la carcasa frontal del compresor. Los soportes traseros están unidos al eje del borde de soporte de la turbina y constan de láminas flexibles instaladas en dos niveles en direcciones mutuamente perpendiculares. La carcasa de la turbina de gas se fabrica sobre la base de una estructura de marco de panel con un espesor de panel de 80 mm. La unidad de turbina de gas se pone en marcha desde un generador eléctrico a través de un convertidor de frecuencia de tiristores.