1. Основной принцип работы газовой турбины
Газовая турбина — это высокоэффективное и экологически чистое устройство для преобразования энергии, основной принцип работы которого заключается в использовании энергии, выделяемой в результате непрерывного процесса сгорания, для приведения вращение турбины и, как следствие, генерации механической энергии. Этот процесс требует согласованной работы нескольких ключевых компонентов, включая компрессор, камеру сгорания и турбину. Благодаря продуманному сочетанию и эффективной работе этих элементов газовая турбина обеспечивает высокую эффективность преобразования и использования энергии.
◇ Воздухозабор и сжатие
В процессе работы газовой турбины воздух сначала поступает извне через впускную трубу. Затем он попадает в компрессор, состоящий из нескольких ступеней лопаток. По мере движения воздуха внутри компрессора лопатки каждой ступени создают усилие, которое постепенно повышает давление и температуру воздуха. Например, в авиационных газовых турбинах компрессор может повысить давление воздуха до десятков атмосфер, хотя этот процесс схож с циклом сжатия в поршневых двигателях, но он является непрерывным и высокоэффективным.
◇ Сгорание
Высокотемпературный и высоконапорный воздух, подаваемый через компрессор, поступает в камеру сгорания. Там вводится топливо, такое как природный газ или авиационное бензиновое топливо, которое тщательно смешивается с воздухом. После воспламенения процесс выделяет огромное количество тепловой энергии, что приводит к быстрому повышению температуры газа внутри камеры сгорания. Обычно температура газа на выходе из камеры сгорания достигает 1000–1500 °C, и именно этот высокотемпературный газ является ключевым источником энергии, необходимым для выработки мощности в газовых турбинах.
◇ Работа за счёт расширения
Высокотемпературный и высоконапорный газ, выходящий из камеры сгорания, далее поступает в турбинную часть. Турбина также состоит из многоступенчатых лопаток, в которых происходит расширение этого высокотемпературного газа, что приводит к вращению турбинных лопаток. Поскольку турбина тесно соединена с компрессором и внешними нагрузками (такими как генераторы, авиационные винты и т.д.), вращательное движение турбины не только обеспечивает непрерывную работу компрессора, но и передаёт механическую работу наружу. Например, в газовых турбинах, используемых для выработки электроэнергии, вращение турбины приводит к генерации электричества в генераторе; в авиационных газовых турбинах же турбина напрямую приводит в движение винт самолёта или создаёт реактивную тягу.
◇ Отвод газа
Газ, прошедший турбинное расширение и совершившее работу, хотя и понизил температуру и давление, всё ещё сохраняет значительную энергию. Затем этот газ выводится из газовой турбины через выпускной канал. В некоторых системах комбинированного цикла газовых турбин эти выделяемые газы используются умело, например, для нагрева пара, что позволяет приводить паровую турбину в действие для дальнейшей работы, тем самым повышая эффективность выработки электроэнергии всей системой.
2. Ключевые компоненты газовых турбин и принцип их работы
Газовая турбина состоит в основном из ключевых компонентов, таких как компрессор, камера сгорания и турбина. Принцип её работы заключается в следующем: компрессор сжимает воздух и подаёт его в камеру сгорания, где он смешивается с топливом и сжигается, образуя высокотемпературный и высокого давления газ, который приводит в движение турбину, а затем — генератор для выработки электроэнергии. В процессе выхлопные газы по-прежнему содержат значительную энергию, которую можно дополнительно использовать для нагрева пара или других целей, тем самым повышая эффективность всей системы выработки электроэнергии.
◇ Компрессор
Компрессор является одним из ключевых компонентов газовых турбин, принцип работы которого основывается на сжатии воздушного потока лопатками. Существует два основных типа лопаток компрессора: осевые и центробежные. В осевых компрессорах лопатки расположены по оси, воздух движется вдоль оси, и после многоступенчатого сжатия через последовательное прохождение лопаток давление постепенно повышается. В центробежных компрессорах давление воздуха увеличивается за счёт вращения рабочего колеса, которое отбрасывает входящий воздух к краю колеса. Современные крупные газовые турбины обычно используют многоступенчатые осевые компрессоры для достижения более высокого коэффициента сжатия.
Производительность компрессора имеет решающее значение для общей эффективности газовой турбины. Чем выше коэффициент сжатия, тем больше давление воздуха, поступающего в камеру сгорания, и тем больше энергии можно выработать при одинаковом количестве топлива. Однако чрезмерно высокий коэффициент сжатия может вызывать определённые проблемы, например, флаттер компрессора, который возникает из-за нестабильного потока воздуха внутри устройства. Чтобы избежать этого явления, необходимо использовать сложные системы управления для мониторинга и регулировки.
◇ Обратная камера сгорания
Основная задача обратной камеры — обеспечить стабильное и эффективное сгорание топлива. Её внутренняя конструкция должна быть тщательно спроектирована, чтобы гарантировать полное смешивание топлива с воздухом и его полное сжигание. Обратные камеры сгорания бывают различных форм, включая кольцевые трубчатые камеры, кольцевые камеры и другие. В процессе сгорания топливо точно подаётся через форсунки, а ключевым моментом проектирования является обеспечение хорошей распылительной способности, что способствует равномерному смешиванию топлива с воздухом.
Кроме того, камера сгорания сталкивается с рядом проблем, таких как поддержание стабильности горения, контроль скорости распространения пламени и управление температурой сгорания. Чтобы предотвратить повреждение лопаток турбины высокими температурами и при этом обеспечить стабильность процесса сгорания, в камере сгорания применяются передовые технологии, такие как охлаждение газовой плёнкой и конвективное охлаждение. В условиях растущего внимания к экологическим аспектам при проектировании необходимо также тщательно учитывать способы снижения выбросов загрязняющих веществ (например, оксидов азота).
◇ Турбина
Основной принцип работы турбины заключается в том, что расширение горячего газа приводит к вращению лопаток. Для повышения эффективности преобразования энергии газа в работу лопаток форма и конструкция турбинных лопаток тщательно оптимизированы. Поскольку лопатки турбины подвержены воздействию высокотемпературного газа и значительным механическим напряжениям, их обычно изготавливают из высокотемпературных материалов.
Эффективность турбины зависит от множества факторов, включая аэродинамические характеристики лопаток и количество ступеней турбины. Многоступенчатые турбины позволяют более эффективно использовать энергию газа, однако одновременно увеличивают сложность конструкции и стоимость производства. В процессе работы газовых турбин существует соотношение мощности между турбиной и компрессором, и система управления должна обеспечивать их согласованную работу для поддержания стабильной эксплуатации газовой турбины.
