Zusammensetzung eines Gasturbinentriebwerks. Wie funktioniert ein Gasturbinentriebwerk? Einsatz in Landfahrzeugen

Strahlturbine Eine Strahlturbine ist eine Turbine, die durch eine spezielle Gestaltung der Schaufelkanäle des Laufrads die potentielle Energie des Arbeitsmediums (Dampf, Gas, Flüssigkeit) in mechanische Arbeit umwandelt. Sie stellen seitdem eine Strahldüse dar

Luftatmende Motoren werden basierend auf der Methode der Vorkomprimierung der Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer in Kompressor- und Nichtkompressormotoren unterteilt. Luftatmende Motoren ohne Kompressor nutzen Hochgeschwindigkeitsluftdruck. Bei Kompressormotoren wird Luft durch einen Kompressor komprimiert. Ein luftatmendes Kompressortriebwerk ist ein Turbostrahltriebwerk (TRE). Die Gruppe, die als gemischte oder kombinierte Triebwerke bezeichnet wird, umfasst Turboprop-Triebwerke (TVD) und Zweikreis-Turbostrahltriebwerke (DTRE). Der Aufbau und das Funktionsprinzip dieser Triebwerke ähneln jedoch in vielerlei Hinsicht denen von Turbostrahltriebwerken. Häufig werden alle Arten dieser Triebwerke unter der allgemeinen Bezeichnung Gasturbinentriebwerke (GTE) zusammengefasst. Gasturbinentriebwerke nutzen Kerosin als Treibstoff.

Turbostrahltriebwerke

Strukturdiagramme. Ein Turbostrahltriebwerk (Abb. 100) besteht aus einem Eingangsgerät, einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Gasturbine und einem Ausgangsgerät.

Die Einlassvorrichtung dient zur Luftzufuhr zum Motorkompressor. Abhängig von der Position des Triebwerks am Flugzeug kann es Teil der Flugzeugstruktur oder der Triebwerksstruktur sein. Die Einlassvorrichtung erhöht den Luftdruck vor dem Kompressor.

Im Kompressor kommt es zu einem weiteren Anstieg des Luftdrucks. Turbojet-Triebwerke verwenden Radialkompressoren (Abb. 101) und Axialkompressoren (siehe Abb. 100).

Wenn sich in einem Axialkompressor der Rotor dreht, wirken die Arbeitsschaufeln auf die Luft, verdrehen sie und zwingen sie, sich entlang der Achse in Richtung des Auslasses des Kompressors zu bewegen.

Wenn sich bei einem Radialkompressor das Laufrad dreht, wird die Luft von den Schaufeln mitgerissen und bewegt sich unter dem Einfluss der Zentrifugalkräfte zur Peripherie. Die am weitesten verbreiteten Triebwerke in der modernen Luftfahrt sind Triebwerke mit Axialverdichter.

Ein Axialkompressor besteht aus einem Rotor (rotierender Teil) und einem Stator (stationärer Teil), an dem das Eingabegerät befestigt ist. Manchmal werden in den Einlassvorrichtungen Schutzgitter installiert, um zu verhindern, dass Fremdkörper in den Kompressor eindringen und die Schaufeln beschädigen könnten.

Der Kompressorrotor besteht aus mehreren Reihen profilierter Arbeitsschaufeln, die um den Umfang herum angeordnet sind und sich nacheinander entlang der Rotationsachse abwechseln. Rotoren sind in Trommel (Abb. 102, a), Scheibe (Abb. 102, b) und Trommelscheibe (Abb. 102, c) unterteilt.

Der Verdichterstator besteht aus einem ringförmigen Satz profilierter Schaufeln, die im Gehäuse befestigt sind. Eine Reihe stationärer Schaufeln, sogenannte Richtschaufeln, werden zusammen mit einer Reihe von Arbeitsschaufeln als Verdichterstufe bezeichnet.

Moderne Flugzeugtriebwerke verwenden mehrstufige Kompressoren, die die Effizienz des Luftkompressionsprozesses erhöhen. Die Verdichterstufen sind so aufeinander abgestimmt, dass die aus einer Stufe austretende Luft die Schaufeln der nächsten Stufe gleichmäßig umströmt.

Die erforderliche Luftführung zur nächsten Stufe wird durch den Richtapparat sichergestellt. Den gleichen Zweck erfüllt auch die vor dem Kompressor installierte Leitschaufel. Einige Motorkonstruktionen verfügen möglicherweise nicht über eine Leitschaufel.

Eines der Hauptelemente eines Turbostrahltriebwerks ist die Brennkammer hinter dem Kompressor. Strukturell sind Brennkammern rohrförmig (Abb. 103), ringförmig (Abb. 104), rohrförmig (Abb. 105).

Die rohrförmige (einzelne) Brennkammer besteht aus einem Flammrohr und einem Außenmantel, die durch Aufhängetöpfe miteinander verbunden sind. Vor der Brennkammer sind installiert Einspritzdüsen und einen Wirbeler, der zur Stabilisierung der Flamme dient. Das Flammrohr verfügt über Löcher zur Luftzufuhr, wodurch eine Überhitzung des Flammrohrs verhindert wird. Die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches in den Flammrohren erfolgt durch spezielle Zündvorrichtungen, die in separaten Kammern installiert sind. Die Flammrohre sind durch Rohre miteinander verbunden, die eine Zündung des Gemisches in allen Kammern gewährleisten.

Die ringförmige Brennkammer hat die Form eines ringförmigen Hohlraums, der durch das äußere und innere Gehäuse der Kammer gebildet wird. Im vorderen Teil des Ringkanals ist ein ringförmiges Flammrohr eingebaut, im vorderen Teil des Flammrohrs sind Drallerzeuger und Düsen eingebaut.

Die Rohr-Ring-Brennkammer besteht aus Außen- und Innengehäusen, die einen Ringraum bilden, in dem sich einzelne Flammrohre befinden.

Eine Gasturbine treibt den Kompressor des Turbostrahltriebwerks an. IN moderne Motoren Gasturbinen sind axial. Gasturbinen können einstufig oder mehrstufig (bis zu sechs Stufen) sein. Zu den Hauptkomponenten der Turbine gehören Düsenvorrichtungen (Leitvorrichtungen) und Laufräder, bestehend aus Scheiben und an ihren Rändern angeordneten Arbeitsschaufeln. Die Laufräder sind an der Turbinenwelle befestigt und bilden zusammen mit dieser einen Rotor (Abb. 106). Die Düsenvorrichtungen befinden sich vor den Arbeitsschaufeln jeder Scheibe. Die Kombination aus einem stationären Düsenapparat und einer Scheibe mit Arbeitsschaufeln wird als Turbinenstufe bezeichnet. Die Arbeitsschaufeln werden mit einem Weihnachtsbaumschloss an der Turbinenscheibe befestigt (Abb. 107).

Die Absaugvorrichtung (Abb. 108) besteht aus einem Absaugrohr, einem Innenkegel, einem Ständer und einer Strahldüse. In einigen Fällen wird aufgrund der Triebwerksanordnung des Flugzeugs zwischen dem Abgasrohr und der Strahldüse ein Verlängerungsrohr eingebaut. Strahldüsen können mit verstellbarem oder ungeregeltem Austrittsquerschnitt sein.

Funktionsprinzip. Anders als bei einem Kolbenmotor ist der Arbeitsprozess bei Gasturbinentriebwerken nicht in einzelne Takte unterteilt, sondern erfolgt kontinuierlich.

Das Funktionsprinzip eines Turbostrahltriebwerks ist wie folgt. Während des Fluges gelangt der in das Triebwerk eintretende Luftstrom durch die Einlassvorrichtung in den Kompressor. In der Einlassvorrichtung wird die Luft vorkomprimiert und die kinetische Energie des bewegten Luftstroms teilweise in potentielle Druckenergie umgewandelt. Im Kompressor wird die Luft stärker komprimiert. Bei Turbostrahltriebwerken mit Axialverdichter treiben die Verdichterschaufeln, ähnlich wie Lüfterschaufeln, Luft in Richtung der Brennkammer, wenn sich der Rotor schnell dreht. In den Richtvorrichtungen, die hinter den Laufrädern jeder Verdichterstufe installiert sind, wird aufgrund der Diffusorform der Zwischenschaufelkanäle die kinetische Energie der im Rad aufgenommenen Strömung in potentielle Druckenergie umgewandelt.

Bei Motoren mit Radialkompressor wird die Luft durch die Zentrifugalkraft komprimiert. Die in den Kompressor eintretende Luft wird von den Schaufeln des schnell rotierenden Laufrads aufgenommen und unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft von der Mitte zum Umfang des Kompressorrades geschleudert. Je schneller sich das Laufrad dreht, desto mehr Druck wird vom Kompressor erzeugt.

Dank des Kompressors können Turbostrahltriebwerke im Betrieb vor Ort Schub erzeugen. Effizienz des Luftverdichtungsprozesses in einem Kompressor

gekennzeichnet durch den Druckanstiegsgrad π k, der das Verhältnis des Luftdrucks am Ausgang des Kompressors p 2 zum atmosphärischen Luftdruck p H darstellt

Die im Eingabegerät und Kompressor komprimierte Luft gelangt dann in die Brennkammer und teilt sich in zwei Ströme. Ein Teil der Luft (Primärluft), der 25-35 % des gesamten Luftstroms ausmacht, wird direkt in das Flammrohr geleitet, wo der Hauptverbrennungsprozess stattfindet. Ein anderer Teil der Luft (Sekundärluft) umströmt die äußeren Hohlräume der Brennkammer, kühlt diese und vermischt sich am Ausgang der Kammer mit Verbrennungsprodukten, wodurch die Temperatur des Gas-Luft-Stroms auf einen durch die Brennkammer bestimmten Wert sinkt Hitzebeständigkeit der Turbinenschaufeln. Ein kleiner Teil der Sekundärluft dringt durch die seitlichen Öffnungen des Flammrohrs in die Verbrennungszone ein.

So entsteht in der Brennkammer ein Brennstoff-Luft-Gemisch, indem Brennstoff durch Düsen gesprüht und mit Primärluft vermischt, das Gemisch verbrannt und Verbrennungsprodukte mit Sekundärluft vermischt werden. Beim Starten des Motors wird das Gemisch durch eine spezielle Zündvorrichtung gezündet, beim weiteren Betrieb des Motors wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den vorhandenen Flammenbrenner gezündet.

Der in der Brennkammer gebildete Gasstrom mit hoher Temperatur und hohem Druck strömt durch einen sich verjüngenden Düsenapparat zur Turbine. In den Kanälen des Düsenapparates steigt die Gasgeschwindigkeit stark auf 450-500 m/s an und es kommt zu einer teilweisen Umwandlung der thermischen (potentiellen) Energie in kinetische Energie. Gase aus dem Düsenapparat gelangen in die Turbinenschaufeln, wo die kinetische Energie des Gases in mechanische Rotationsarbeit der Turbine umgewandelt wird. Die zusammen mit den Scheiben rotierenden Turbinenschaufeln drehen die Motorwelle und sorgen so für den Betrieb des Kompressors.

In den Arbeitsschaufeln der Turbine kann entweder nur die Umwandlung der kinetischen Energie des Gases in die mechanische Arbeit der Rotation der Turbine erfolgen, oder auch eine weitere Expansion des Gases mit zunehmender Geschwindigkeit. Im ersten Fall wird die Gasturbine als aktiv bezeichnet, im zweiten Fall als reaktiv. Im zweiten Fall erfahren die Turbinenschaufeln neben der aktiven Beeinflussung des entgegenkommenden Gasstrahls auch eine reaktive Wirkung durch die Beschleunigung der Gasströmung.

Die endgültige Expansion des Gases erfolgt im Triebwerksaustritt (Strahldüse). Dabei nimmt der Druck des Gasstroms ab und die Geschwindigkeit steigt auf 550–650 m/s (unter terrestrischen Bedingungen).

Somit wird die potentielle Energie der Verbrennungsprodukte im Motor während des Expansionsprozesses (in der Turbine und der Austrittsdüse) in kinetische Energie umgewandelt. Ein Teil der kinetischen Energie wird zum Drehen der Turbine verwendet, die wiederum den Kompressor dreht, der andere Teil wird zur Beschleunigung des Gasstroms (zur Erzeugung von Strahlschub) verwendet.

Turboprop-Motoren

Gerät und Funktionsprinzip. Für moderne Flugzeuge

Da wir über eine große Nutzlastkapazität und Flugreichweite verfügen, brauchen wir Triebwerke, die bei minimalem spezifischen Gewicht den nötigen Schub entwickeln können. Turbostrahltriebwerke erfüllen diese Anforderungen. Allerdings sind sie im Vergleich zu propellergetriebenen Systemen bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten unwirtschaftlich. In diesem Zusammenhang erfordern einige Flugzeugtypen, die für Flüge mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten und großen Reichweiten vorgesehen sind, Triebwerke, die die Vorteile von Turbostrahltriebwerken mit den Vorteilen eines Propellertriebwerks bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten kombinieren würden. Zu diesen Motoren gehören Turboprop-Motoren (TVD).

Ein Turboprop-Triebwerk ist ein Gasturbinen-Flugzeugtriebwerk, bei dem die Turbine mehr Leistung entwickelt, als zum Drehen des Kompressors erforderlich ist, und diese überschüssige Leistung zum Drehen des Propellers verwendet wird. Das schematische Diagramm des Theaters ist in Abb. dargestellt. 109.

Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, besteht ein Turboprop-Triebwerk aus den gleichen Komponenten und Baugruppen wie ein Turbostrahltriebwerk. Im Gegensatz zu einem Turboprop-Motor verfügt ein Turboprop-Motor jedoch über einen zusätzlichen Propeller und ein zusätzliches Getriebe. Um die maximale Motorleistung zu erreichen, muss die Turbine hohe Drehzahlen entwickeln (bis zu 20.000 U/min). Wenn sich ein Propeller mit der gleichen Geschwindigkeit dreht, ist der Wirkungsgrad des letzteren äußerst gering, da höchsten Wert Der Propellerwirkungsgrad erreicht bei Auslegungsflugbedingungen 750–1.500 U/min.

Um die Drehzahl des Propellers gegenüber der Drehzahl der Gasturbine zu reduzieren, ist in einem Turboprop-Triebwerk ein Getriebe eingebaut. Bei Hochleistungsmotoren werden manchmal zwei Propeller verwendet, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, und der Betrieb beider Propeller erfolgt über ein Getriebe.

Bei einigen Turboprop-Triebwerken wird der Kompressor von einer Turbine und der Propeller von einer anderen angetrieben. Dadurch werden günstige Voraussetzungen für die Motorregelung geschaffen.

Der Schub des Theatertriebwerks wird hauptsächlich durch den Propeller (bis zu 90 %) und nur geringfügig durch die Reaktion des Gasstrahls erzeugt.

In Turboprop-Triebwerken werden mehrstufige Turbinen verwendet (die Anzahl der Stufen liegt zwischen 2 und 6), was durch die Notwendigkeit bedingt ist, an der Turboprop-Turbine größere Wärmeabfälle zu betreiben als an der Turbojet-Turbine. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz einer mehrstufigen Turbine eine Reduzierung der Drehzahl und damit der Abmessungen und des Gewichts des Getriebes.

Der Zweck der Hauptelemente eines Theatertriebwerks unterscheidet sich nicht vom Zweck derselben Elemente eines Turbostrahltriebwerks. Auch der Arbeitsablauf des TVD ähnelt dem Arbeitsablauf des TRD. Wie bei einem Turbostrahltriebwerk wird der in der Einlassvorrichtung vorverdichtete Luftstrom im Verdichter einer Hauptverdichtung unterzogen und gelangt dann in die Brennkammer, in die gleichzeitig Kraftstoff über Düsen eingespritzt wird. Die bei der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches entstehenden Gase haben ein hohes Energiepotential. Sie strömen in die Gasturbine, wo sie, fast vollständig expandierend, Arbeit leisten, die dann auf Kompressor, Propeller und Blockantriebe übertragen wird. Hinter der Turbine herrscht ein Gasdruck, der nahezu dem Atmosphärendruck entspricht.

Bei modernen Turboprop-Triebwerken beträgt die Schubkraft, die allein durch die Reaktion des aus dem Triebwerk ausströmenden Gasstrahls entsteht, 10–20 % der Gesamtschubkraft.

Bypass-Turbostrahltriebwerke

Der Wunsch, die Schubeffizienz von Turbostrahltriebwerken bei hohen Unterschallfluggeschwindigkeiten zu erhöhen, führte zur Entwicklung von Bypass-Turbostrahltriebwerken (DTRE).

Im Gegensatz zum herkömmlichen Turbostrahltriebwerk treibt die Gasturbine beim Turbostrahltriebwerk (zusätzlich zum Kompressor und einer Reihe von Hilfsaggregaten) einen Niederdruckkompressor an, der auch als Sekundärkreisgebläse bezeichnet wird. Der Fan des Sekundärkreises des Turbostrahltriebwerks kann auch von einer separaten Turbine angetrieben werden, die sich hinter der Verdichterturbine befindet. Das einfachste Schema DTRD ist in Abb. dargestellt. 110.

Der erste (interne) Kreislauf des Turbostrahltriebwerks ist ein Diagramm eines herkömmlichen Turbostrahltriebwerks. Der zweite (externe) Kreislauf ist ein Ringkanal mit einem darin befindlichen Lüfter. Daher werden Bypass-Turbostrahltriebwerke manchmal auch Turbofan-Triebwerke genannt.

Der Betrieb des Turbostrahltriebwerks ist wie folgt. Der in den Motor eintretende Luftstrom gelangt in den Lufteinlass und dann strömt ein Teil der Luft durch den Hochdruckkompressor des Primärkreislaufs, der andere durch die Lüfterflügel (Niederdruckkompressor) des Sekundärkreislaufs. Da es sich bei dem ersten Kreislauf um einen herkömmlichen Turbostrahltriebwerkskreislauf handelt, ähnelt der Arbeitsprozess in diesem Kreislauf dem Arbeitsprozess in einem Turbostrahltriebwerk. Die Wirkungsweise des Sekundärkreisgebläses ähnelt der Wirkungsweise eines mehrflügeligen Propellers, der in einem Ringkanal rotiert.

DTRD-Triebwerke können auch in Überschallflugzeugen eingesetzt werden. Flugzeug, aber in diesem Fall ist es zur Erhöhung ihres Schubes notwendig, für eine Kraftstoffverbrennung im Sekundärkreislauf zu sorgen. Um den Schub eines Turbostrahltriebwerks schnell zu erhöhen (zu steigern), wird manchmal zusätzlicher Treibstoff entweder im Luftstrom des Sekundärkreislaufs oder hinter der Turbine des Primärkreislaufs verbrannt.

Bei der Verbrennung von zusätzlichem Brennstoff im zweiten Kreislauf ist es notwendig, die Fläche seiner Strahldüse zu vergrößern, um die Betriebsarten beider Kreisläufe unverändert zu lassen. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, verringert sich der Luftstrom durch den Ventilator des Sekundärkreislaufs aufgrund einer Erhöhung der Gastemperatur zwischen Ventilator und Strahldüse des Sekundärkreislaufs. Dies führt zu einer Verringerung der erforderlichen Leistung zum Drehen des Lüfters. Um die gleiche Motordrehzahl aufrechtzuerhalten, muss dann die Gastemperatur im Primärkreislauf vor der Turbine gesenkt werden, was zu einer Verringerung des Schubs im Primärkreislauf führt. Die Steigerung des Gesamtschubs reicht nicht aus, und in manchen Fällen kann der Gesamtschub eines Zwangstriebwerks geringer sein als der Gesamtschub eines herkömmlichen Turbostrahltriebwerks. Darüber hinaus ist eine Steigerung der Traktion mit einem hohen spezifischen Kraftstoffverbrauch verbunden. All diese Umstände schränken den Einsatz dieser Methode zur Erhöhung der Traktion ein. Die Steigerung des Schubs eines Turbostrahltriebwerks kann jedoch bei Überschallfluggeschwindigkeiten breite Anwendung finden.

Verwendete Literatur: „Grundlagen der Luftfahrt“ Autoren: G.A. Nikitin, E.A. Bakanow

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Ph.D. A. V. Haferflocken, Manager Abteilung „Industrielle thermische Energietechnik und Ökologie“;
Ph.D. A. V. Shapovalov, außerordentlicher Professor;
V.V. Bolotin, Ingenieur;
„Gomel State Technical University benannt nach P.O. Suchoi“, Republik Weißrussland

Der Artikel liefert eine Begründung für die Möglichkeit der Errichtung eines Wärmekraftwerks auf Basis eines umgebauten AGTD als Teil einer Gasturbineneinheit (GTU), eine Bewertung der wirtschaftlichen Auswirkungen der Einführung von AGTD in den Energiesektor als Teil großer und Mittelgroße thermische Kraftwerke zur Deckung elektrischer Spitzenlasten.

Überprüfung von Fluggasturbineneinheiten

Eines der erfolgreichen Beispiele für den Einsatz von AGTD im Energiesektor ist die Heizeinheit GTU 25/39, die im Blockheizkraftwerk Bezymyanskaya in der Region Samara in Russland installiert und im kommerziellen Betrieb ist und dessen Beschreibung nachstehend gegeben wird. Die Gasturbineneinheit ist für die Erzeugung elektrischer und thermischer Energie für den Bedarf von Industrieunternehmen und Haushaltsverbrauchern konzipiert. Die elektrische Leistung der Anlage beträgt 25 MW, die thermische Leistung 39 MW. Die Gesamtkapazität der Anlage beträgt 64 MW. Jährliche Stromproduktivität – 161,574 GWh/Jahr, thermische Energie – 244120 Gcal/Jahr.

Die Anlage zeichnet sich durch den Einsatz eines einzigartigen Flugzeugtriebwerks NK-37 aus, das einen Wirkungsgrad von 36,4 % bietet. Diese Effizienz gewährleistet einen hohen Anlagenwirkungsgrad, der in herkömmlichen Wärmekraftwerken unerreichbar ist, sowie eine Reihe weiterer Vorteile. Die Anlage wird mit Erdgas mit einem Druck von 4,6 MPa und einer Durchflussrate von 1,45 kg/s betrieben. Neben Strom produziert die Anlage 40 t/h Dampf mit einem Druck von 14 kgf/cm 2 und erhitzt 100 Tonnen Netzwasser von 70 auf 120 °C, was die Versorgung einer Kleinstadt mit Licht und Wärme ermöglicht .

Wenn sich die Anlage auf dem Gelände von Wärmekraftwerken befindet, sind keine zusätzlichen Spezialeinheiten zur chemischen Wasseraufbereitung, Wasserableitung usw. erforderlich.

Solche Gasturbinenkraftwerke sind unverzichtbar für den Einsatz dort, wo:

■ Für das Problem der Bereitstellung elektrischer und thermischer Energie für eine Kleinstadt, ein Industrie- oder Wohngebiet ist eine umfassende Lösung erforderlich – die Modularität der Anlagen ermöglicht die einfache Zusammenstellung jeder Option entsprechend den Bedürfnissen des Verbrauchers;

■ Die industrielle Erschließung neuer Lebensbereiche der Menschen erfolgt, darunter auch solcher mit Lebensbedingungen, bei denen Kompaktheit und Herstellbarkeit der Anlage besonders wichtig sind. Innerhalb des Temperaturbereichs ist der normale Betrieb der Anlage gewährleistet Umfeld von -50 bis +45 °C unter dem Einfluss aller anderen ungünstigen Faktoren: Luftfeuchtigkeit bis 100 %, Niederschlag in Form von Regen, Schnee usw.;

■ Die Effizienz der Anlage ist wichtig: Eine hohe Effizienz ermöglicht die Erzeugung billigerer elektrischer und thermischer Energie und eine kurze Amortisationszeit (ca. 3,5 Jahre) bei einer Kapitalinvestition in den Bau der Anlage von 10 Millionen 650.000 Dollar. USA (laut Hersteller).

Darüber hinaus zeichnet sich die Anlage durch Umweltfreundlichkeit, mehrstufige Lärmreduzierung und vollständige Automatisierung der Steuerungsprozesse aus.

GTU 25/39 ist eine stationäre Einheit vom Typ Blockcontainer mit den Maßen 21 m x 27 m. Für den Betrieb in einer von bestehenden Stationen unabhängigen Version muss die Anlage chemische Wasseraufbereitungsgeräte und eine offene Schaltanlage zur Reduzierung der Ausgangsspannung umfassen 220 oder 380 V, ein Kühlturm für Kühlwasser und ein freistehender Gas-Booster-Kompressor. Wenn kein Bedarf an Wasser und Dampf besteht, wird die Konstruktion der Anlage erheblich vereinfacht und die Kosten gesenkt.

Die Anlage selbst umfasst ein NK-37-Flugzeugtriebwerk, einen Abhitzekessel vom Typ TKU-6 und einen Turbogenerator.

Die Gesamtinstallationszeit für die Installation beträgt 14 Monate.

In Russland werden zahlreiche Einheiten auf Basis umgebauter AGTDs mit einer Leistung von 1000 kW bis zu mehreren zehn MW hergestellt und sind gefragt. Dies bestätigt die Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes und den Bedarf an Weiterentwicklungen in diesem Industriebereich.

Die in den GUS-Fabriken hergestellten Einheiten unterscheiden sich:

■ geringe spezifische Kapitalinvestitionen;

■ Blockdesign;

■ verkürzte Installationszeit;

■ kurze Amortisationszeit;

■ Möglichkeit der Vollautomatisierung usw.

Eigenschaften einer Gasturbineneinheit basierend auf einem umgebauten AI-20-Triebwerk

Eine sehr beliebte und am häufigsten verwendete Gasturbineneinheit auf Basis des AI-20-Triebwerks. Betrachten wir ein Gasturbinen-Wärmekraftwerk (GTCHPP), zu dem Studien durchgeführt und Berechnungen der Hauptindikatoren durchgeführt wurden.

Das Gasturbinen-Blockheizkraftwerk GTTETS-7500/6.3 mit einer installierten elektrischen Leistung von 7500 kW besteht aus drei Gasturbinengeneratoren mit AI-20 Turboprop-Triebwerken mit einer elektrischen Nennleistung von jeweils 2500 kW.

Die thermische Leistung des GTPP beträgt 15,7 MW (13,53 Gcal/h). Hinter jedem Gasturbinengenerator befindet sich ein Gasnetz-Warmwasserbereiter (GWH) mit Rippenrohren zum Erhitzen von Wasser mit Abgasen für den Heiz-, Lüftungs- und Warmwasserversorgungsbedarf eines besiedelten Gebiets. Aus einem Flugzeugtriebwerk ausgestoßene Gase passieren jeden Economizer in einer Menge von 18,16 kg/s mit einer Temperatur von 388,7 °C am Einlass des Economizers. Im GPSV werden Gase auf eine Temperatur von 116,6 °C abgekühlt und dem Schornstein zugeführt.

Für Betriebsarten mit geringerer thermischer Belastung wurde ein Bypass des Abgasstroms in den Schornstein eingeführt. Der Wasserverbrauch durch einen Economizer beträgt 75 t/h. Das Netzwasser wird von einer Temperatur von 60 auf 120 °C erhitzt und unter einem Druck von 2,5 MPa den Verbrauchern für Heizungs-, Lüftungs- und Warmwasserversorgungszwecke zugeführt.

Technische Indikatoren einer Gasturbineneinheit basierend auf dem AI-20-Motor: Leistung - 2,5 MW; Druckanstiegsgrad - 7,2; Die Gastemperatur in der Turbine beträgt am Einlass 750 °C, am Auslass 388,69 °C; Gasverbrauch - 18,21 kg/s; Anzahl der Wellen - 1; Die Lufttemperatur vor dem Kompressor beträgt 15 °C. Basierend auf den verfügbaren Daten berechnen wir die Leistungscharakteristik der Gasturbineneinheit gemäß dem in der Quelle angegebenen Algorithmus.

Leistungsmerkmale einer Gasturbineneinheit auf Basis des AI-20-Triebwerks:

■ spezifische Nutzarbeit einer Gasturbineneinheit (bei η fur =0,98): H e =139,27 kJ/kg;

■ Koeffizient nützliche Arbeit: φ=3536;

■ Luftverbrauch bei Leistung N gtu =2,5 MW: G k =17,95 kg/s;

■ Brennstoffverbrauch bei Leistung N gtu =2,5 MW: G top =0,21 kg/s;

■ Gesamtabgasstrom: g g =18,16 kg/s;

■ spezifischer Luftstrom in der Turbine: g k =0,00718 kg/kW;

■ spezifischer Wärmeverbrauch in der Brennkammer: q 1 =551,07 kJ/kg;

■ effektiver Wirkungsgrad der Gasturbineneinheit: η e =0,2527;

■ Spezifischer Verbrauch an äquivalentem Brennstoff für erzeugten Strom (mit Generatorwirkungsgrad η gen = 0,95) ohne Abgaswärmerückgewinnung: durch. t = 511,81 g/kWh.

Basierend auf den erhaltenen Daten und in Übereinstimmung mit dem Berechnungsalgorithmus können wir mit der Ermittlung technischer und wirtschaftlicher Indikatoren fortfahren. Zusätzlich legen wir Folgendes fest: Die installierte elektrische Leistung des GTCHPP beträgt N set = 7500 kW, die thermische Nennleistung des im GTCHPP installierten GPSV beträgt QCHP = 15736,23 kW, der Stromverbrauch für den Eigenbedarf wird mit 5,5 % angenommen . Als Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen und Berechnungen wurden folgende Werte ermittelt:

■ Brutto-Primärenergiekoeffizient des GTCHPP, gleich dem Verhältnis der Summe der elektrischen und thermischen Kapazitäten des GTCHPP zum Produkt des spezifischen Brennstoffverbrauchs mit dem niedrigsten Heizwert des Brennstoffs, η b GTEC = 0,763;

■ Primärenergiekoeffizient von GTCHET netto η n GTCH = 0,732;

■ Effizienz der Erzeugung elektrischer Energie in einer Heizgasturbineneinheit, gleich dem Verhältnis der spezifischen Arbeit des Gases in der Gasturbineneinheit zur Differenz des spezifischen Wärmeverbrauchs in der Brennkammer der Gasturbineneinheit pro 1 kg Arbeit Fluid und die spezifische Wärmeabfuhr in der Gasturbineneinheit aus 1 kg Abgasen der Gasturbineneinheit, η e gtu = 0,5311 .

Anhand der verfügbaren Daten ist es möglich, die technischen und wirtschaftlichen Kennzahlen des Gasheizkraftwerks zu ermitteln:

■ Verbrauch an äquivalentem Brennstoff zur Stromerzeugung in einer Heizgasturbineneinheit: VGt U = 231,6 g Normbrennstoff/kWh;

■ stündlicher Verbrauch von äquivalentem Brennstoff zur Stromerzeugung: B e gtu =579 kg Standardbrennstoff/Stunde;

■ Stundenverbrauch an äquivalentem Brennstoff in einer Gasturbineneinheit: B h eu Gasturbine ==1246 kg cu. t/h

Die verbleibende Menge an Ersatzbrennstoff wird zur Wärmeerzeugung nach der „physikalischen Methode“ verwendet: B t h = 667 kg cu. t/h

Der spezifische Verbrauch an äquivalentem Brennstoff für die Erzeugung von 1 Gcal Wärme in einer Heizgasturbineneinheit beträgt: V t gtu = 147,89 kg Standardbrennstoff/Stunde.

Technische und wirtschaftliche Indikatoren für Mini-KWK sind in der Tabelle aufgeführt. 1 (in der Tabelle und unten sind die Preise in belarussischen Rubel angegeben, 1000 belarussische Rubel ~ 3,5 russische Rubel – Anmerkung des Autors).

Tabelle 1. Technische und wirtschaftliche Indikatoren für Mini-KWK auf Basis des umgebauten AGTD AI-20, verkauft auf eigene Kosten (Preise sind in belarussischen Rubel angegeben).

Wirtschaftliche Berechnungen zeigen, dass die Amortisationszeit für Kapitalinvestitionen in kombinierte Strom- und Wärmeanlagen mit AGTD bis zu 7 Jahre beträgt, wenn Projekte auf eigene Kosten umgesetzt werden. Dabei kann die Bauzeit von mehreren Wochen bei der Errichtung kleiner Anlagen mit einer elektrischen Leistung bis 5 MW bis zu 1,5 Jahren bei der Inbetriebnahme einer Anlage mit einer elektrischen Leistung von 25 MW und einer thermischen Leistung von 39 MW reichen. Die verkürzte Installationszeit erklärt sich durch die modulare Lieferung von Kraftwerken auf Basis von AGTD mit voller Werksbereitschaft.

Somit sind die Hauptvorteile umgebauter AGTD bei der Einführung in den Energiesektor folgende: geringe spezifische Kapitalinvestitionen in solche Anlagen, kurze Amortisationszeit, verkürzte Bauzeit aufgrund der Modularität (die Anlage besteht aus Montageblöcken), die Möglichkeit der vollständigen Automatisierung der Station usw.

Zum Vergleich geben wir Beispiele für den Betrieb gasbetriebener Mini-KWK-Anlagen in der Republik Belarus; ihre wichtigsten technischen und wirtschaftlichen Parameter sind in der Tabelle aufgeführt. 2.

Bei einem Vergleich ist leicht zu erkennen, dass vor dem Hintergrund bereits in Betrieb befindlicher Anlagen Gasturbinenanlagen auf umgebauten Anlagen basieren Flugzeugmotoren haben eine Reihe von Vorteilen. Betrachtet man Gasturbineneinheiten als hochmanövrierfähige Kraftwerke, muss man die Möglichkeit ihrer erheblichen Überlastung durch Umwandlung in ein Dampf-Gas-Gemisch (aufgrund der Einspritzung von Wasser in die Brennkammern) berücksichtigen, während dies möglich ist eine fast dreifache Leistungssteigerung einer Gasturbineneinheit bei relativ geringem Rückgang ihres Wirkungsgrades.

Die Effizienz dieser Stationen steigt erheblich, wenn sie sich an Ölquellen befinden, die Begleitgas nutzen, in Ölraffinerien oder in landwirtschaftlichen Betrieben, wo sie möglichst nahe an den Verbrauchern von Wärmeenergie liegen, was die Energieverluste beim Transport reduziert.

Zur Abdeckung von Spitzenlasten ist der Einsatz einfacher stationärer Fluggasturbinen erfolgversprechend. Bei einer herkömmlichen Gasturbine beträgt die Zeit bis zur Lastübernahme nach dem Start 15–17 Minuten.

Gasturbinenstationen mit Flugzeugtriebwerken sind sehr wendig, benötigen eine kurze Zeit (415 Minuten), um vom kalten Zustand auf Volllast zu starten, und können vollständig automatisiert und ferngesteuert werden, was ihren effektiven Einsatz als Notreserve gewährleistet. Die Anlaufzeit bis zur Volllastaufnahme der in Betrieb befindlichen Gasturbineneinheiten beträgt 30-90 Minuten.

Die Manövrierfähigkeitsindikatoren von Gasturbinentriebwerken basierend auf dem umgebauten AI-20-Gasturbinentriebwerk sind in der Tabelle dargestellt. 3.

Tabelle 3. Manövrierfähigkeitsindikatoren von Gasturbinentriebwerken basierend auf dem umgebauten AI-20-Gasturbinentriebwerk.

Abschluss

Basierend auf den durchgeführten Arbeiten und den Ergebnissen der Untersuchung von Gasturbineneinheiten auf Basis umgebauter AGTE lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen:

1. Eine wirksame Richtung für die Entwicklung der Wärme- und Energietechnik in Weißrussland ist die Dezentralisierung der Energieversorgung mithilfe umgewandelter AGTD, und die effektivste ist die kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom.

2. Die AGTD-Anlage kann sowohl unabhängig als auch als Teil großer Industrieunternehmen und großer Wärmekraftwerke als Reserve zur Deckung von Spitzenlasten betrieben werden, hat eine kurze Amortisationszeit und verkürzte Installationszeit. Es besteht kein Zweifel daran, dass diese Technologie in unserem Land Entwicklungsperspektiven hat.

Literatur

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2. Nazarov V.I. Zur Frage der Berechnung verallgemeinerter Indikatoren in Wärmekraftwerken // Energie. - 2007. - Nr. 6. - S. 65-68.

3. Uvarov V.V. Gasturbinen und Gasturbinenanlagen - M.: Vyssh. Schule, 1970. - 320 S.

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