Chi per primo descrisse il principio di funzionamento di una turbina a gas. Tipi di turbine a gas

INFORMAZIONI GENERALI SUL FUNZIONAMENTO DELLA GTU

Disposizione generale e principio di funzionamento di una turbina a gas

Un motore a turbina a gas è un motore in cui un gas non condensabile (prodotti della combustione di aria e carburante o gas neutri) viene utilizzato come fluido di lavoro e una turbina a gas viene utilizzata come motore di trazione.

Il termine turbina deriva dalle parole latine turbineus - vorticoso, o turbo - un lupo. Una turbina è un motore in cui il lavoro meccanico sull'albero della macchina si ottiene convertendo l'energia cinetica di un getto di gas, che a sua volta si ottiene convertendo l'energia potenziale: l'energia del carburante bruciato in un flusso d'aria. Al centro delle idee moderne sulla trasformazione del calore in lavoro ci sono due importantissime disposizioni della termodinamica: l'impossibilità di creare una macchina a moto perpetuo del primo tipo (una conseguenza della prima legge della termodinamica) e l'impossibilità di creare una macchina a moto perpetuo del primo tipo (una conseguenza della prima legge della termodinamica) macchina di movimento del secondo tipo, in cui il calore verrebbe completamente convertito in lavoro (conseguenza della seconda legge della termodinamica).

Una condizione indispensabile per la creazione di qualsiasi motore termico è la presenza di un mezzo materiale - un fluido di lavoro e almeno due fonti di calore - una fonte ad alta temperatura (riscaldatore), da cui otteniamo calore per convertirne parte in lavoro, e una fonte a bassa temperatura, alla quale cediamo parte di quella inutilizzata nel motore termico.

Pertanto, qualsiasi motore termico deve essere costituito da un "riscaldatore, una macchina di espansione, un frigorifero e una macchina di compressione". Inoltre, se vogliamo convertire continuamente il calore in lavoro, allora dobbiamo continuamente, insieme all'espansione, comprimere continuamente il fluido di lavoro e in condizioni tali che il lavoro di compressione sia inferiore al lavoro di espansione, cioè il fluido di lavoro deve eseguire un processo circolare. Il lavoro ottenuto in una macchina termica è definito come la differenza tra il lavoro di espansione e compressione del fluido di lavoro e, d'altro canto (secondo la legge di conservazione dell'energia), come la differenza tra le quantità assolute di fornitura e calore rimosso.

Il principale segno termodinamico della differenza tra motori a combustione interna alternativi e a turbina sono le caratteristiche dell'implementazione dei processi circolari: nei motori alternativi, i principali processi del ciclo (compressione, fornitura di calore, espansione) si sostituiscono successivamente nello stesso ciclo chiuso spazio (sistema cilindro-pistone), e nei motori a turbina, gli stessi processi vengono eseguiti continuamente in elementi motori indipendenti situati in serie nel flusso generale del fluido di lavoro (ad esempio, un compressore - una camera di combustione - una turbina in il più semplice motore a turbina a gas).

Uno schema della turbina a gas più semplice è mostrato in fig. 1.1.

Fig 1.1 Schema schematico della turbina a gas più semplice.

1 - compressore assiale; 2 - camera di combustione; 3 - turbina;

Il principio di funzionamento dell'installazione è il seguente.

Il compressore 1 aspira l'aria dall'atmosfera, la comprime ad una certa pressione e la fornisce alla camera di combustione 2. Qui viene fornito continuamente anche combustibile liquido o gassoso. I gas caldi formati nella camera di combustione a seguito della combustione del carburante entrano nella turbina 3. Nella turbina, il gas si espande e la sua energia interna viene convertita in lavoro meccanico. I gas di scarico escono dalla turbina nell'atmosfera.

Considera il ciclo di una tale turbina a gas nel diagramma T-S (Fig. 1.2).

Aria atmosferica ( P=P un , T=T un) attraverso il dispositivo di ingresso entra nel compressore (isoterma 0-1); la sua pressione e temperatura diventano uguali P1 E T1 .

L'aria viene quindi compressa nel compressore ad una pressione P2 la sua temperatura sale a T2(adiabatico 1-2). Viene chiamato il rapporto tra la pressione dell'aria all'uscita del compressore e la pressione al suo ingresso rapporto di compressione nel compressore(1.1).

, (1.1)

Dove π a- il grado di aumento della pressione nel compressore; R2- pressione dell'aria dietro il compressore; R1- pressione davanti al compressore.

Nella camera di combustione (isobare 2-3), la temperatura del fluido di lavoro sale a T3 a pressione costante ( P2 = P3).

Successivamente, nella turbina, la miscela di aria e gas si espande (curva adiabatica 3-4), la sua pressione diminuisce fino a P4 e la temperatura fino a T4. Viene chiamato il rapporto tra la pressione del gas all'ingresso della turbina e la pressione del gas all'uscita della turbina rapporto di espansione della turbina (1.2).

Dove πtè il grado di espansione della turbina; R3- pressione dell'aria davanti alla turbina; R4- pressione dietro la turbina.

Dopo l'espansione nella turbina, i gas di scarico vengono rilasciati nell'atmosfera (isoterma 4-5).

Il ciclo sopra considerato è reversibile, poiché non tiene conto delle eventuali perdite nei processi di compressione, espansione, fornitura di calore, ecc. In condizioni reali, i processi in tutte le unità dell'impianto differiscono da quelli reversibili, pertanto la determinazione degli indicatori GTP basati su cicli di riferimento reversibili non ha alcun interesse pratico e può essere giustificata solo da un'analisi comparativa dei cicli di vari impianti. Pertanto, in pratica, si opera con parametri completi (parametri di un flusso stagnante).

Temperatura totale:

, (1.3)

Dove T*– piena temperatura; T– temperatura statica; Con- portata assoluta; con pagè la capacità termica specifica a pressione costante.

Piena pressione

, (1.4)

Dove R*- pressione totale; R- pressione statica; T*– piena temperatura; T è la temperatura statica; Kè l'indice adiabatico.

Con i parametri di decelerazione del flusso, otteniamo un diagramma del ciclo GTP reale (Fig. 1.3).

Allo stesso modo (1.1) e (1.2) per un ciclo reale:

Le pressioni sugli altri nodi sono calcolate come:

, (1.6)

Dove R* fuori- pressione all'uscita dell'unità; R*inè la pressione all'ingresso del nodo, σ è il fattore di perdita per il nodo dato.

I valori dei fattori di perdita per le varie unità della turbina a gas sono riportati nella Tabella 1.1.

Tabella 1.1

Valori dei coefficienti di perdita per varie turbine a gas

Classificazione GTU

Esistono le seguenti classificazioni delle turbine a gas:

· Per ambito di applicazione:

Ö Motori a turbina a gas per l'aviazione.

turbogetto;

turboelica;

Motori a turbina a gas a 2 circuiti;

turboventilatore;

Motori a turbina a gas per elicotteri;

impianti ausiliari.

Ö Turbine a gas stazionarie per la produzione di energia.

Ö Azionare turbine a gas (per azionare ventilatori a gas naturale).

Ö Trasporto turbine a gas .

navi;

locomotiva;

settore automobilistico;

cisterna.

Ö Turbine a gas spaziali (la fonte di combustibile per loro sono i reattori nucleari).

Ö Turbine a gas tecnologiche (turbine a gas fisse incluse nel ciclo tecnologico di produzione, ad esempio, per azionare i ventilatori nella produzione di altiforni e nelle raffinerie di petrolio).

Ö GTU come parte di unità combinate (impianti vapore-gas, gas-vapore, gas-diesel).

· Per tipo di ciclo:

Ö ciclo aperto (Fig. 1.1).

Ö ciclo chiuso (Fig. 1.4).

Il gas scaricato nella turbina 3 dopo il rigeneratore 6 non viene rimosso nell'atmosfera, come in una turbina a gas aperta, ma viene inviato al refrigeratore 5. Lì viene raffreddato a una temperatura T3, mentre la pressione è ridotta a P2. Il refrigeratore è uno scambiatore di calore di tipo superficiale in cui l'acqua ordinaria funge da mezzo di raffreddamento. Dal punto di vista termodinamico il raffreddatore 5 funge da dissipatore di calore (fonte di freddo). Il gas raffreddato entra nel compressore 4, da dove viene compresso P2 Prima P1, a causa del quale la sua temperatura aumenta T3 Prima T4. Dopo il compressore, il gas viene inviato al rigeneratore 6, nel quale viene riscaldato dai gas in uscita dalla turbina 3. Nelle turbine a gas chiuse, al posto della camera di combustione, è installato un riscaldatore 1, in cui il fluido di lavoro (gas o aria) viene fatta passare all'interno dei tubi. All'esterno, questi tubi vengono riscaldati dal calore rilasciato durante la combustione del carburante nel forno, che in linea di principio è simile al forno delle caldaie a vapore. Pertanto, il riscaldatore a turbina a gas viene talvolta chiamato "caldaia ad aria". Nel riscaldatore 1, la temperatura del gas di lavoro aumenta bruscamente fino a T1, poi il gas entra nella turbina 3, dove si espande, compiendo lavoro. La temperatura poi scende a T2. La turbina fa ruotare il compressore 4 e cede la parte in eccesso della sua potenza all'utenza 2. Quindi il gas di scarico, avendo una temperatura sufficientemente elevata, viene inviato al rigeneratore, dove cede parte del suo calore per riscaldare il gas in movimento dal compressore 4 al riscaldatore 1.

Quindi il ciclo si ripete di nuovo.

In una turbina a gas chiusa circola la stessa massa di fluido di lavoro, ad eccezione di una insignificante perdita di gas dal circuito attraverso varie perdite, che viene automaticamente reintegrata da un apposito dispositivo (non mostrato in figura). La potenza dell'impianto viene controllata modificando la pressione del gas nel suo circuito modificando la portata massica del gas di lavoro mantenendo praticamente invariato il grado di aumento della pressione P, E T1 E T3(temperature massime e minime del ciclo) mediante apposito regolatore centrifugo (non rappresentato in figura).

Le turbine a gas chiuse presentano i seguenti vantaggi rispetto alle turbine a gas aperte:

a causa dell'assenza nel gas circolante di sostanze che causano corrosione ed erosione dell'apparato palare, l'affidabilità e la durata della turbina aumentano notevolmente;

le turbine a gas chiuse possono funzionare con qualsiasi tipo di combustibile, compresi i combustibili liquidi solidi e pesanti (olio combustibile);

le turbine a gas chiuse possono funzionare con l'energia nucleare;

aumentando la pressione iniziale del gas a monte del compressore, è possibile aumentarne la portata ponderale nella turbina a gas in un ampio intervallo, e ciò consente sia di aumentare la capacità unitaria dell'impianto di un numero adeguato di volte, oppure, a potenza costante, ridurne significativamente il peso riducendo la superficie degli scambiatori di calore, le dimensioni della turbina a gas ed i diametri delle tubazioni;

nelle turbine a gas chiuse la potenza viene controllata variando la pressione del gas nel circuito e quindi il rendimento l'installazione in varie condizioni di carico e in un'ampia gamma di parametri operativi rimane invariata;

come fluido di lavoro possono essere utilizzate tutte le sostanze gassose, sia avendo migliori proprietà termofisiche, sia consentendo di rendere il ciclo dell'impianto più perfetto e redditizio dal punto di vista termodinamico, sia presentando altri vantaggi.

Ö Ciclo semichiuso.

Con questo ciclo parte dei prodotti della combustione vengono prelevati dopo la turbina ed inviati allo stadio intermedio del compressore.

· Per il numero di alberi:

Ö Turbine a gas monoalbero (Figura 1.1).

I vantaggi degli impianti monoalbero sono la semplicità strutturale, il numero minimo di turbomacchine e cuscinetti. Un altro importante vantaggio di queste turbine a gas è che durante il ciclo rigenerativo mantengono un'efficienza costante della turbina a gas quando il carico è ridotto al 70% o meno.

Tali turbine a gas non presentano inconvenienti meno significativi. La connessione rigida tra il compressore assiale e il compressore azionato limita notevolmente la capacità di controllo dell'unità. La potenza in questo tipo di installazione è regolata solo modificando il consumo di carburante. Se il carico diminuisce, il consumo di carburante diminuisce, mentre il consumo di aria rimane costante, poiché il compressore, la turbina a gas e il carico sono collegati rigidamente da un unico albero. La riduzione del consumo di carburante porta quindi ad una diminuzione della temperatura dietro la camera di combustione, che riduce il rendimento. GTU.

Ö Turbine a gas bialbero .

In tali installazioni, la parte di generazione del gas (un compressore e una turbina che lo aziona) e un'unità turbina a potenza libera sono isolate.

Riso. 1.8. Rappresentazione schematica di una turbina a gas a due alberi.

1 compressore; 2 turbine ad alta pressione; 3 turbine a bassa pressione (potenza); 4 carichi (compressore); 5 camere di combustione.

In tale installazione, la turbina è divisa in 2 parti (Figura 1.8).

Una parte, solitamente l'alta pressione 2, aziona il compressore 1 e può funzionare a velocità variabile. La seconda parte, la turbina di potenza 3, funziona a velocità rigorosamente costante se è destinata ad azionare un generatore elettrico e può avere quasi qualsiasi velocità di rotazione se è destinata ad azionare un compressore. La regolazione in questo tipo di turbina a gas viene effettuata non solo modificando il consumo di carburante, ma anche modificando il flusso d'aria fornito dal compressore 1.

Questo metodo consente di ridurre o non ridurre significativamente la temperatura del fluido di lavoro dietro la camera di combustione durante il funzionamento a carichi parziali e quindi mantenere l'efficienza. ciclo ad un livello più alto.

Ö Turbine a gas a tre alberi .

Riso. 1.9. Rappresentazione schematica di una turbina a gas a tre alberi.

1 compressore a bassa pressione; 2 compressori ad alta pressione; 3 camere di combustione; 4- turbina ad alta pressione; 5 turbine a bassa pressione;

Turbina a 6 giri; 7-compressore.

A rapporti di compressione elevati, c'è una differenza nelle portate d'aria all'inizio e alla fine del percorso del flusso del compressore, che può portare a picchi. Per eliminare questo fenomeno il compressore viene diviso in 2 o più parti, chiamate cascate. Ogni cascata ha la propria frequenza di rotazione, grazie alla quale il flusso d'aria che la attraversa viene livellato. Ogni stadio è azionato da una turbina separata.

In ogni caso ogni albero deve avere almeno due gruppi cuscinetto: uno di supporto, il secondo di supporto-reggispinta. Vengono utilizzati cuscinetti volventi e scorrevoli.

· Secondo la complessità del ciclo termodinamico:

Ö Il ciclo termodinamico più semplice.

Riso. 1.10. Diagramma T-S del ciclo termodinamico più semplice.

Un tale ciclo è utilizzato nel 90% di tutte le turbine a gas utilizzate nel mondo.

Ö Ciclo con raffreddamento durante la compressione.

Figura 1.11. Schema di un compressore a due stadi

con intercooler.

1 - compressore a bassa pressione; 2 – compressore ad alta pressione;

3 - più fresco.

Il lavoro speso per la compressione, ceteris paribus, sarà minimo se il processo viene eseguito in modo isotermico, ma per questo è necessario sottrarre costantemente calore al fluido di lavoro, cosa praticamente impossibile da realizzare strutturalmente.

Per avvicinare il processo a quello isotermico e ridurre il lavoro impiegato, dopo ogni fase la compressione graduale viene scambiata con il raffreddamento ad aria nei refrigeratori intermedi.

In pratica, questo principio viene implementato utilizzando un compressore a gradini e un frigorifero (Figura 1.11). Ovviamente, maggiore è il numero di tali fasi con refrigeratori, più il processo di compressione si avvicinerà a quello isotermico. Il diagramma T-S di tale ciclo è mostrato in fig. 1.12.

Ö Ciclo riscaldato durante l'espansione.

Un aumento dell'efficienza, una diminuzione del consumo specifico di aria e gas e, di conseguenza, un aumento della potenza unitaria possono essere ottenuti anche con l'ausilio di un'espansione a gradini con apporto di calore intermedio nelle camere di combustione poste in serie lungo il flusso di gas tra le turbine. In questo caso il processo di espansione si avvicina a quello isotermico e ciò porta ad un aumento del lavoro disponibile della turbina. Uno schema di una turbina a gas con espansione a due stadi e riscaldamento intermedio del gas di lavoro è mostrato in fig. 1.13.

Figura 1.13. Rappresentazione schematica di una GTU con riscaldamento a gas.

1 - camera di combustione; 2 – turbina ad alta pressione; 3 – camera di combustione per riscaldamento intermedio del gas; 4 - turbina di potenza.

L'aria proveniente dal compressore, dopo essere passata attraverso il rigeneratore, entra nel CS 1, dopodiché il working gas con una temperatura T*3 viene inviato al teatro 2. Qui avviene una parziale espansione del gas. Dopo l'HPT, il gas di lavoro viene deviato al KSPPG 3, nel quale, a causa della combustione aggiuntiva del carburante, la sua temperatura sale a T*31. A causa del grande coefficiente d'aria in eccesso dopo l'RPC, la combustione del carburante nell'RPC avviene intensamente senza ulteriore alimentazione d'aria. Dal KSPPG il gas di lavoro entra in ST 4, dopodiché viene scaricato nell'atmosfera.

Il ciclo GTP con postriscaldamento è mostrato in fig. 1.14.

Qui sono mostrati i seguenti processi: 3-41 - espansione del working gas in sala; 41-31 - fornitura di calore a KSPPG; 31-4 - espansione del working gas in ST.

Ö Impianti a ciclo combinato (CCGT).

La volontà di migliorare le prestazioni tecniche ed economiche delle centrali elettriche attraverso una razionale combinazione delle caratteristiche dei cicli con turbine a vapore e a gas ha portato alla realizzazione degli impianti a ciclo combinato (CCGT). Uno schema semplificato del CCGT è mostrato in fig. 1.15.

Riso. 1.15. Diagramma schematico della PTU:

1 - compressore; 2 – generatore di vapore; 3 – turbina a gas; 4 - turbina a vapore;

5 - carico; 6 - condensatore; 7 - pompa; 8 - sistema di scambiatore di calore

L'installazione funziona come segue.

L'aria atmosferica viene rimossa nel compressore 1 e inviata al generatore di vapore (caldaia a vapore) 2. Il carburante viene immediatamente fornito. All'uscita del generatore di vapore, la temperatura dei prodotti della combustione viene ridotta a causa del trasferimento di calore per riscaldare l'acqua e produrre vapore.

Il vapore surriscaldato risultante con pressione entra nella turbina a vapore 4, dove si espande fino a raggiungere un vuoto profondo, lavora e quindi si condensa nel condensatore 6. La condensa (acqua di alimentazione) viene fornita dalla pompa 7 al sistema di scambiatori di calore 6 , dove viene portato alla temperatura di ebollizione, e poi al generatore di vapore 2, chiudendo così il ciclo del vapore.

La parte turbina a gas dell'impianto funziona secondo il principio di una turbina a gas aperta. I prodotti della combustione entrano nella turbina a gas 3 e lì si espandono. Dopo aver lavorato nella turbina, vengono fatti passare attraverso un sistema di scambiatori di calore 8, dove vengono raffreddati dall'acqua di alimentazione, e quindi rimossi nell'atmosfera.

Il ciclo di un impianto a ciclo combinato combinato (Fig. 1.16) è costruito per 1 kg di vapore acqueo e la corrispondente quantità di gas per 1 kg di acqua.

Nel ciclo di una centrale a turbina a gas viene fornito calore pari all'area a-5-1-g e si ottiene lavoro utile LCG pari all'area di 1-2-3-4-5. Nel ciclo di un impianto a vapore, quando viene eseguito separatamente, la quantità di calore fornita è pari all'area in-8-9-10-11-6, e il lavoro utile L della CPU è pari all'area 6-7-8-9-10-11. Il calore dei gas scaricati nella turbina, pari all'area a-4-2-d, viene rilasciato in atmosfera quando entrambi i cicli vengono eseguiti separatamente. Nel ciclo vapore-gas, il calore liberato durante il raffreddamento dei gas lungo la linea 2-3 e pari all'area b-3-2-g non viene rilasciato nell'atmosfera, ma viene utilizzato per riscaldare l'acqua di alimentazione lungo la linea 8-9 nel sistema di scambiatori di calore 8.

Il calore speso per la formazione del vapore nella caldaia si riduce di una quantità pari alla zona ombreggiata in-8-9-d, e l'efficienza del ciclo combinato aumenta, poiché il lavoro utile totale di entrambi i cicli LCG + CPU L lo stesso vale per l'attuazione congiunta e separata.

Le scuole professionali hanno un'efficienza abbastanza elevata. circa il 42%. Ciò è spiegato come segue. Il ciclo vapore-gas considerato, dal punto di vista della termodinamica, è un ciclo binario costituito da stadi di gas e vapore. Lo stadio gas utilizza una temperatura del fluido di lavoro più elevata rispetto ai moderni impianti a ciclo combinato, ovvero la temperatura media di fornitura del calore nel ciclo combinato è più elevata rispetto al ciclo a vapore. Allo stesso tempo, la fase a vapore consente di sfruttare il ciclo a vapore, in cui il livello di temperatura di rimozione del calore al dissipatore di calore è vicino alla temperatura ambiente, e nel ciclo della turbina a gas è molto più elevato anche dopo il rigeneratore. Pertanto, il K.P.D. impianto a ciclo combinato sarà superiore all’efficienza. GTU e PTU separatamente.

Ö GTU con camere di combustione a pistoni.

Stanno diventando sempre più comuni le centrali elettriche in cui una turbina a gas funziona insieme a un generatore di gas a pistoni liberi (SPGG). Queste installazioni combinano con successo le qualità positive della turbina (peso e dimensioni inferiori, capacità di funzionare ad un numero elevato di giri, ecc.) con l'efficienza relativamente elevata del motore a combustione interna.

Uno schema schematico di una turbina a gas con SGSG è mostrato in fig. 1.17.

Il ruolo del compressore e allo stesso tempo della camera di combustione è svolto dall'SGSG, che, secondo il principio di funzionamento, assomiglia a un motore diesel a due tempi ad alta pressione con pistoni che si muovono in modo opposto. I pistoni 10 dei compressori, avvicinandosi tra loro, comprimono l'aria e la spostano dalle cavità 2 attraverso le valvole 4 nel ricevitore di spurgo 11; Quando i pistoni 5 si avvicinano e occupano una posizione quasi estrema l'uno rispetto all'altro, il carburante viene iniettato nel cilindro 9 attraverso l'ugello 7. Proprio come il diesel

Riso. 1.17. GTU con camera di combustione a pistone:

1 cavità tampone; cavità a 2 compressori; Valvole a 3 ingressi; 4 valvole di bypass; 5 pistoni; 6 finestre di spurgo; 7 ugelli; 8 finestre di uscita; 9 cilindri ("diesel"); Compressori a 10 pistoni; 11 ricevitore di spurgo; 12 ricevitore di equalizzazione; 13 turbine; 14 carichi.

si accende spontaneamente per compressione. A causa dell'espansione dei gas nel cilindro 9 durante la combustione del carburante, i pistoni 5 iniziano a divergere in direzioni opposte. Allo stesso tempo, i pistoni 10, collegati rigidamente ai pistoni 5, comprimono l'aria nelle cavità del tampone 1. Allo stesso tempo, l'aria atmosferica viene aspirata attraverso le valvole 3 nelle cavità del compressore 2. Inoltre, non appena il il pistone 5 apre le finestre di uscita 8, i gas provenienti dal cilindro diesel vengono scaricati nel ricevitore di sovracorrente 12 e da questo una miscela di gas con aria di spurgo viene inviata alla turbina 13. La potenza sviluppata dalla turbina è quasi interamente ceduta al l'utenza 14. Per avvicinare nuovamente i pistoni l'uno all'altro viene utilizzata l'energia dell'aria compressa che si trova nelle cavità tampone 1. Quindi il ciclo si ripete.

K.P.D. Il GTP con SPSG è pari al 30...35% e talvolta superiore al 40%. La loro elevata efficienza è spiegata dalla grande differenza di temperatura con cui viene eseguito il processo di lavorazione. La temperatura più alta è la temperatura di combustione del carburante nel cilindro "diesel" (circa 1800°C), mentre la temperatura più bassa è la temperatura dei gas rilasciati dalla turbina (200...300°C).

Le turbine a gas con SPSG vengono utilizzate su alcune navi, locomotive e oggetti fissi per vari scopi.

Lo svantaggio principale delle turbine a gas con SGSG è una certa complessità e sottosviluppo dell'SGSG stesso. Ciò riduce significativamente l’affidabilità e la durata del loro lavoro e, in ultima analisi, limita il ritmo e la portata della loro implementazione.

Informazioni simili.

Ogni tanto nelle notizie si dice che, ad esempio, in questa o quella centrale elettrica distrettuale statale, la costruzione di un'unità CCGT da 400 MW è in pieno svolgimento, e in un'altra CHPP-2, un'installazione GTP di così vengono messi in funzione molti MW. Di tali eventi si scrive, si parla, poiché l'inclusione di unità così potenti ed efficienti non è solo un "segno di spunta" nell'attuazione del programma statale, ma anche un reale aumento dell'efficienza delle centrali elettriche, del sistema energetico regionale e persino il sistema energetico unificato.

Ma vorrei portare alla vostra attenzione non l'attuazione di programmi statali o indicatori previsionali, ma CCGT e GTU. In questi due termini, non solo il profano, ma anche l'ingegnere energetico alle prime armi può confondersi.

Cominciamo con quello più semplice.

GTU - impianto turbina a gas - è una turbina a gas e un generatore elettrico combinati in un unico edificio. È vantaggioso installarlo in una centrale termica. Questo è efficace e molte ricostruzioni della cogenerazione mirano all’installazione proprio di tali turbine.

Ecco un ciclo semplificato di funzionamento di un impianto termico:

Il gas (carburante) entra nella caldaia, dove brucia e cede calore all'acqua, che lascia la caldaia sotto forma di vapore e fa girare la turbina a vapore. La turbina a vapore fa girare il generatore. Otteniamo elettricità dal generatore e, se necessario, prendiamo vapore per esigenze industriali (riscaldamento, riscaldamento) dalla turbina.

E in una centrale a turbina a gas, il gas brucia e fa girare la turbina a gas, che genera elettricità, e i gas in uscita trasformano l'acqua in vapore nella caldaia a calore residuo, ad es. il gas funziona con un doppio vantaggio: prima brucia e fa girare la turbina, poi riscalda l'acqua nella caldaia.

E se l'impianto stesso della turbina a gas fosse mostrato in modo ancora più dettagliato, sarebbe simile a questo:

Questo video mostra chiaramente quali processi avvengono in un impianto a turbina a gas.

Ma sarà ancora più utile se il vapore risultante verrà fatto funzionare: mettilo in una turbina a vapore in modo che un altro generatore funzioni! Allora la nostra GTU diventerà un'UNITÀ VAPORE-GAS (CCGT).

Di conseguenza, PSU è un concetto più ampio. Questo impianto è un'unità di potenza indipendente in cui il combustibile viene utilizzato una volta e l'elettricità viene generata due volte: in un impianto con turbina a gas e in una turbina a vapore. Questo ciclo è molto efficiente e ha un'efficienza di circa il 57%! Si tratta di un ottimo risultato, che consente di ridurre notevolmente il consumo di carburante per ottenere un kilowattora di elettricità!

In Bielorussia, per aumentare l’efficienza delle centrali elettriche, le turbine a gas vengono utilizzate come “sovrastruttura” al sistema di cogenerazione esistente, e i CCGT vengono costruiti nelle centrali elettriche distrettuali statali come unità elettriche indipendenti. Lavorando nelle centrali elettriche, queste turbine a gas non solo aumentano gli "indicatori tecnici ed economici previsti", ma migliorano anche la gestione della generazione, poiché hanno un'elevata manovrabilità: velocità di avviamento e guadagno di potenza.

Ecco quanto sono utili queste turbine a gas!

Una turbina è qualsiasi dispositivo rotante che utilizza l'energia di un fluido di lavoro in movimento (fluido) per produrre lavoro. I fluidi tipici delle turbine sono: vento, acqua, vapore ed elio. I mulini a vento e le centrali idroelettriche utilizzano da decenni le turbine per azionare generatori elettrici e produrre energia per l’industria e l’edilizia abitativa. Le turbine semplici sono conosciute da molto più tempo, le prime apparvero nell'antica Grecia.

Nella storia della produzione di energia, tuttavia, le turbine a gas sono apparse non molto tempo fa. La prima turbina a gas praticabile iniziò a generare elettricità a Neuchâtel, in Svizzera, nel 1939. È stato sviluppato dalla Brown Boveri Company. Anche la prima turbina a gas per alimentare un aereo funzionò nel 1939 in Germania, utilizzando una turbina a gas progettata da Hans P. von Ohain. In Inghilterra negli anni '30, l'invenzione e il progetto della turbina a gas da parte di Frank Whittle portarono al primo volo a turbina nel 1941.

Figura 1. Schema di una turbina per aereo (a) e di una turbina a gas per uso terrestre (b)

Il termine “turbina a gas” è facilmente fuorviante perché per molti significa un motore a turbina che utilizza il gas come combustibile. Infatti, una turbina a gas (mostrata schematicamente in Figura 1) è dotata di un compressore che fornisce e comprime il gas (solitamente aria); la camera di combustione, dove la combustione del carburante riscalda il gas compresso e la turbina stessa, che estrae energia dal flusso di gas caldi e compressi. Questa energia è sufficiente per alimentare il compressore e rimane per applicazioni utili. Una turbina a gas è un motore a combustione interna (ICE) che utilizza la combustione continua di carburante per produrre lavoro utile. In questo la turbina differisce dai motori a carburatore o diesel a combustione interna, dove il processo di combustione è intermittente.

Poiché nel 1939 l'impiego delle turbine a gas è iniziato contemporaneamente nell'industria energetica e nell'aviazione, vengono utilizzati nomi diversi per le turbine a gas aeronautiche e terrestri. Le turbine a gas dell'aviazione sono chiamate turbogetto o motori a reazione, mentre le altre turbine a gas sono chiamate turbine a gas. In inglese ci sono ancora più nomi per questi motori, in generale, dello stesso tipo.

Utilizzo di turbine a gas

Nel turbogetto di un aereo, l'energia della turbina aziona un compressore che aspira l'aria nel motore. Il gas caldo in uscita dalla turbina viene espulso nell'atmosfera attraverso l'ugello di scarico, che crea spinta. Nella fig. 1a mostra uno schema di un motore a turbogetto.

Figura 2. Rappresentazione schematica di un motore a turbogetto per aereo.

Un tipico motore a turbogetto è mostrato in fig. 2. Tali motori creano una spinta da 45 kgf a 45.000 kgf con un peso proprio da 13 kg a 9.000 kg. I motori più piccoli azionano missili da crociera, i più grandi - enormi aerei. La turbina a gas in fig. 2 è un motore turbofan con compressore di grande diametro. La spinta è creata sia dall'aria che viene aspirata dal compressore, sia dall'aria che attraversa la turbina stessa. Il motore è grande e in grado di generare un'elevata spinta a basse velocità di decollo, rendendolo il più adatto per gli aerei commerciali. Il motore a turbogetto non è dotato di ventola e crea la spinta con l'aria che attraversa completamente il percorso del gas. I turboreattori hanno dimensioni frontali ridotte e producono la massima spinta alle alte velocità, rendendoli più adatti per l'uso su aerei da caccia.

Nelle turbine a gas non aeronautiche, parte dell'energia della turbina viene utilizzata per azionare il compressore. L'energia rimanente - "energia utile" viene rimossa dall'albero della turbina tramite un dispositivo di utilizzo dell'energia come un generatore elettrico o un'elica di una nave.

Una tipica turbina a gas terrestre è mostrata in fig. 3. Tali impianti possono generare energia da 0,05 MW a 240 MW. La configurazione mostrata in fig. 3 è una turbina a gas derivata dall'aereo, ma più leggera. Le unità più pesanti sono progettate specificamente per l'uso a terra e sono chiamate turbine industriali. Sebbene le turbine derivate dagli aerei siano sempre più utilizzate come generatori di energia primari, sono ancora più comunemente utilizzate come compressori per il pompaggio di gas naturale, l’alimentazione delle navi e come generatori di energia aggiuntivi durante i periodi di picco della domanda. I generatori a turbina a gas possono accendersi rapidamente, fornendo energia quando è più necessaria.

Figura 3. La turbina a gas più semplice, monostadio, installata a terra. Ad esempio, nell'energia. 1 - compressore, 2 - camera di combustione, 3 - turbina.

I vantaggi più importanti di una turbina a gas sono:

È in grado di generare molta potenza con dimensioni e peso relativamente ridotti.
La turbina a gas funziona in modalità di rotazione costante, a differenza dei motori alternativi che funzionano con carichi in costante cambiamento. Pertanto, le turbine durano a lungo e richiedono relativamente poca manutenzione.
Sebbene la turbina a gas venga avviata utilizzando apparecchiature ausiliarie come motori elettrici o un'altra turbina a gas, l'avviamento richiede pochi minuti. Per fare un confronto, il tempo di avviamento di una turbina a vapore viene misurato in ore.
Una turbina a gas può utilizzare una varietà di combustibili. Le grandi turbine terrestri utilizzano tipicamente gas naturale, mentre le turbine aeronautiche tendono a utilizzare distillati leggeri (kerosene). È possibile utilizzare anche gasolio o olio combustibile trattato in modo speciale. È anche possibile utilizzare gas combustibili provenienti dal processo di pirolisi, gassificazione e raffinazione del petrolio, nonché biogas.
Tipicamente, le turbine a gas utilizzano l'aria atmosferica come fluido di lavoro. Quando genera elettricità, una turbina a gas non necessita di refrigerante (come l'acqua).

In passato, uno dei principali svantaggi delle turbine a gas era la loro bassa efficienza rispetto ad altri motori a combustione interna o alle turbine a vapore delle centrali elettriche. Tuttavia, negli ultimi 50 anni, i miglioramenti nella loro progettazione hanno aumentato l’efficienza termica dal 18% nel 1939 su una turbina a gas di Neuchatel all’attuale efficienza del 40% nel funzionamento a ciclo semplice e circa il 55% nel ciclo combinato (ne parleremo più avanti) . In futuro, l’efficienza delle turbine a gas migliorerà ulteriormente, con un rendimento previsto che salirà al 45-47% nel ciclo semplice e fino al 60% nel ciclo combinato. Queste efficienze previste sono sostanzialmente più elevate rispetto ad altri motori comuni come le turbine a vapore.

Cicli delle turbine a gas

Il diagramma di sequenza mostra cosa succede quando l'aria entra, passa attraverso il percorso del gas ed esce dalla turbina a gas. Tipicamente, un ciclogramma mostra la relazione tra il volume dell'aria e la pressione del sistema. Nella fig. 4a mostra il ciclo Brayton, che mostra il cambiamento nelle proprietà di un volume fisso d'aria che passa attraverso una turbina a gas durante il suo funzionamento. Le aree chiave di questo ciclogramma sono mostrate anche nella rappresentazione schematica della turbina a gas in fig. 4b.

Figura 4a. Diagramma del ciclo di Brayton in coordinate P-V per il fluido di lavoro, che mostra i flussi di lavoro (W) e calore (Q).

Figura 4b. Illustrazione schematica di una turbina a gas che mostra i punti del diagramma del ciclo di Brayton.

L'aria viene compressa dal punto 1 al punto 2. La pressione del gas aumenta mentre il volume del gas diminuisce. Successivamente l'aria viene riscaldata a pressione costante dal punto 2 al punto 3. Questo calore è prodotto dal combustibile che viene introdotto nella camera di combustione e brucia continuamente.

L'aria compressa calda dal punto 3 inizia ad espandersi tra i punti 3 e 4. La pressione e la temperatura in questo intervallo diminuiscono e il volume del gas aumenta. Nel motore di Fig. 4b, questo è rappresentato dal flusso di gas dal punto 3 attraverso la turbina fino al punto 4. Questo produce energia che può poi essere utilizzata. Nella fig. 1a, il flusso si dirige dal punto 3" al punto 4 attraverso l'ugello di uscita e produce spinta. Il "lavoro utile" in Fig. 4a è mostrato dalla curva 3'-4. Questa è l'energia capace di azionare l'albero motore di una turbina terrestre o la creazione di spinta per un motore aeronautico. Il ciclo Brighton termina nella Fig. 4 con un processo in cui il volume e la temperatura dell'aria diminuiscono man mano che il calore viene rilasciato nell'atmosfera.

Figura 5. Sistema a circuito chiuso.

La maggior parte delle turbine a gas funzionano in modalità a ciclo aperto. In un circuito aperto, l'aria viene prelevata dall'atmosfera (punto 1 nelle Fig. 4a e 4b) ed espulsa nuovamente nell'atmosfera nel punto 4, quindi il gas caldo viene raffreddato nell'atmosfera dopo essere stato scaricato dal motore. In una turbina a gas funzionante a ciclo chiuso, il fluido di lavoro (liquido o gas) viene costantemente utilizzato per raffreddare i gas di scarico (al punto 4) nello scambiatore di calore (mostrato schematicamente in Fig. 5) e viene inviato all'ingresso del compressore . Poiché viene utilizzato un volume chiuso con una quantità limitata di gas, una turbina a ciclo chiuso non è un motore a combustione interna. In un sistema a ciclo chiuso, la combustione non può essere sostenuta e la camera di combustione convenzionale è sostituita da uno scambiatore di calore secondario che riscalda l’aria compressa prima che entri nella turbina. Il calore è fornito da una fonte esterna, come un reattore nucleare, un forno a letto fluido alimentato a carbone o un'altra fonte di calore. È stato proposto di utilizzare turbine a gas a ciclo chiuso nei voli su Marte e in altri voli spaziali a lungo termine.

Una turbina a gas progettata e gestita secondo il ciclo Bryson (Figura 4) è chiamata turbina a gas a ciclo semplice. La maggior parte delle turbine a gas sugli aerei funzionano secondo un ciclo semplice per mantenere il peso e la dimensione frontale del motore quanto più piccoli possibile. Tuttavia, per l'utilizzo terrestre o marittimo, diventa possibile aggiungere alla turbina a ciclo semplice apparecchiature aggiuntive al fine di aumentare il rendimento e/o la potenza del motore. Vengono utilizzati tre tipi di modifiche: rigenerazione, raffreddamento intermedio e doppio riscaldamento.

Rigenerazione prevede l'installazione di uno scambiatore di calore (recuperatore) sul percorso dei gas di scarico (punto 4 di Fig. 4b). Aria compressa dal punto 2 di fig. 4b viene preriscaldato sullo scambiatore di calore dai gas di scarico prima di entrare nella camera di combustione (Fig. 6a).

Se la rigenerazione è ben implementata, cioè l'efficienza dello scambiatore di calore è elevata e la caduta di pressione al suo interno è ridotta, l'efficienza sarà maggiore rispetto a un semplice ciclo di turbina. Bisogna però tenere conto anche del costo del rigeneratore. I rigeneratori sono stati utilizzati nei motori a turbina a gas dei carri armati Abrams M1 - il principale carro armato dell'operazione Desert Storm - e nei motori a turbina a gas sperimentali dei veicoli. Le turbine a gas con rigenerazione aumentano l'efficienza del 5-6% e la loro efficienza è ancora maggiore quando funzionano a carico parziale.

Intercooling prevede anche l’utilizzo di scambiatori di calore. Un intercooler (intercooler) raffredda il gas durante la sua compressione. Ad esempio, se il compressore è costituito da due moduli, alta e bassa pressione, tra di essi dovrebbe essere installato un intercooler per raffreddare il flusso di gas e ridurre la quantità di lavoro richiesta per comprimere nel compressore ad alta pressione (Fig. 6b). L'agente refrigerante può essere l'aria atmosferica (i cosiddetti raffreddatori d'aria) o l'acqua (ad esempio l'acqua di mare nella turbina di una nave). È facile dimostrare che la potenza di una turbina a gas con un intercooler ben progettato aumenta.

doppio riscaldamento viene utilizzato nelle turbine ed è un modo per aumentare la potenza di una turbina senza modificare il funzionamento del compressore o aumentare la temperatura operativa della turbina. Se la turbina a gas ha due moduli, alta e bassa pressione, viene utilizzato un surriscaldatore (solitamente un altro combustore) per riscaldare il flusso di gas tra le turbine ad alta e bassa pressione (Fig. 6c). Può aumentare la potenza di uscita dell'1-3%. Il doppio riscaldamento nelle turbine degli aerei viene realizzato aggiungendo un postcombustore all'ugello della turbina. Ciò aumenta la trazione, ma aumenta significativamente il consumo di carburante.

La centrale elettrica con turbina a gas a ciclo combinato è spesso abbreviata in CCGT. Per ciclo combinato si intende una centrale elettrica in cui una turbina a gas e una turbina a vapore vengono utilizzate insieme per ottenere una maggiore efficienza rispetto a quando vengono utilizzate separatamente. La turbina a gas aziona un generatore elettrico. I gas di scarico delle turbine vengono utilizzati per produrre vapore in uno scambiatore di calore, questo vapore aziona una turbina a vapore che produce anche elettricità. Se per il riscaldamento viene utilizzato il vapore, l'impianto viene chiamato centrale di cogenerazione. In altre parole, in Russia viene comunemente utilizzata l'abbreviazione CHP (Heat and Power Plant). Ma negli impianti di cogenerazione, di regola, non funzionano le turbine a gas, ma le normali turbine a vapore. E il vapore utilizzato viene utilizzato per il riscaldamento, quindi CHP e CHP non sono sinonimi. Nella fig. 7 è uno schema semplificato di un impianto di cogenerazione, che mostra due motori termici installati in serie. Il motore superiore è una turbina a gas. Trasferisce energia al motore inferiore: la turbina a vapore. La turbina a vapore trasferisce quindi il calore al condensatore.

Figura 7. Schema di una centrale elettrica a ciclo combinato.

L'efficienza del ciclo combinato \(\nu_(cc) \) può essere rappresentata da un'espressione piuttosto semplice: \(\nu_(cc) = \nu_B + \nu_R - \nu_B \times \nu_R \) In altre parole, è la somma dell'efficienza di ciascuna fase meno il loro lavoro. Questa equazione mostra perché la cogenerazione è così efficiente. Supponiamo che \(\nu_B = 40%\) sia un limite superiore ragionevole per l'efficienza di una turbina a gas a ciclo Brayton. Una stima ragionevole dell'efficienza di una turbina a vapore funzionante secondo il ciclo Rankine nella seconda fase di cogenerazione è \(\nu_R = 30% \). Sostituendo questi valori nell'equazione, otteniamo: \(\nu_(cc) = 0,40 + 0,30 - 0,40 \times 0,3 = 0,70 - 0,12 = 0,58 \). Cioè, l'efficienza di tale sistema sarà del 58%.

Questo è il limite superiore per l’efficienza di una centrale elettrica di cogenerazione. L'efficienza pratica sarà inferiore a causa dell'inevitabile perdita di energia tra le fasi. In pratica negli impianti di cogenerazione messi in funzione negli ultimi anni si è raggiunta un'efficienza del 52-58%.

Componenti di turbine a gas

Il funzionamento di una turbina a gas può essere meglio suddiviso in tre sottosistemi: compressore, camera di combustione e turbina, come mostrato in Fig. 1. Successivamente, esamineremo brevemente ciascuno di questi sottosistemi.

Compressori e turbine

Il compressore è collegato alla turbina tramite un albero comune in modo che la turbina possa far girare il compressore. Una turbina a gas ad albero singolo ha un unico albero che collega la turbina e il compressore. Una turbina a gas a due alberi (Fig. 6b e 6c) ha due alberi conici. Quello più lungo è collegato ad un compressore a bassa pressione e ad una turbina a bassa pressione. Ruota all'interno di un albero cavo più corto che collega il compressore ad alta pressione alla turbina ad alta pressione. L'albero che collega la turbina e il compressore ad alta pressione ruota più velocemente dell'albero della turbina e del compressore a bassa pressione. La turbina a gas a tre alberi ha un terzo albero che collega la turbina e il compressore a media pressione.

Le turbine a gas possono essere centrifughe o assiali o una combinazione. Il compressore centrifugo, nel quale l'aria compressa esce lungo il perimetro esterno della macchina, è affidabile, solitamente costa meno, ma è limitato ad un rapporto di compressione di 6-7 a 1. Erano molto utilizzati in passato e vengono utilizzati ancora oggi nelle piccole turbine a gas.

Nei compressori assiali più efficienti e produttivi, l'aria compressa esce lungo l'asse del meccanismo. Questo è il tipo più comune di compressore del gas (vedi figure 2 e 3). I compressori centrifughi sono costituiti da un gran numero di sezioni identiche. Ciascuna sezione contiene una ruota rotante con pale di turbina e una ruota con pale fisse (statori). Le sezioni sono disposte in modo tale che l'aria compressa attraversi in sequenza ciascuna sezione, cedendo a ciascuna di esse parte della sua energia.

Le turbine hanno un design più semplice di un compressore, poiché è più difficile comprimere il flusso di gas che farlo espandere nuovamente. Turbine assiali come quelle mostrate in fig. 2 e 3 hanno meno sezioni di un compressore centrifugo. Esistono piccole turbine a gas che utilizzano turbine centrifughe (con iniezione di gas radiale), ma le turbine assiali sono le più comuni.

La progettazione e la produzione di una turbina sono difficili perché è necessario aumentare la durata dei componenti nel flusso di gas caldo. Il problema dell'affidabilità del progetto è più critico nel primo stadio della turbina, dove le temperature sono più elevate. Materiali speciali e un sofisticato sistema di raffreddamento vengono utilizzati per realizzare pale di turbine che fondono a una temperatura di 980-1040 gradi Celsius in un flusso di gas la cui temperatura raggiunge i 1650 gradi Celsius.

La camera di combustione

Una progettazione riuscita della camera di combustione deve soddisfare molti requisiti e la sua corretta progettazione è stata una sfida sin dai tempi delle turbine Whittle e von Ohin. L'importanza relativa di ciascuno dei requisiti per la camera di combustione dipende dall'applicazione della turbina e, ovviamente, alcuni requisiti sono in conflitto tra loro. Quando si progetta una camera di combustione, i compromessi sono inevitabili. La maggior parte dei requisiti di progettazione sono legati al prezzo, all'efficienza e al rispetto dell'ambiente del motore. Ecco un elenco dei requisiti di base per una camera di combustione:

Elevata efficienza di combustione del carburante in tutte le condizioni operative.
Basse emissioni di carburante in sottocombustione e monossido di carbonio (monossido di carbonio), basse emissioni di ossido di azoto sotto carico pesante e nessuna emissione di fumo visibile (minimizzazione dell'inquinamento ambientale).
Piccola caduta di pressione quando il gas passa attraverso la camera di combustione. Una perdita di pressione del 3-4% è una tipica caduta di pressione.
La combustione deve essere stabile in tutte le modalità operative.
La combustione deve essere stabile a temperature molto basse e bassa pressione in alta quota (per i motori degli aerei).
La combustione dovrebbe essere uniforme, senza pulsazioni o interruzioni.
La temperatura deve essere stabile.
Lunga durata (migliaia di ore), soprattutto per turbine industriali.
Possibilità di utilizzare diversi tipi di carburante. Le turbine terrestri utilizzano tipicamente gas naturale o carburante diesel. Per turbine a cherosene aeronautiche.
La lunghezza e il diametro della camera di combustione devono corrispondere alle dimensioni del gruppo motore.
Il costo totale di proprietà di una camera di combustione dovrebbe essere mantenuto al minimo (compresi il costo iniziale, i costi operativi e di manutenzione).
La camera di combustione per i motori aeronautici deve avere un peso minimo.

La camera di combustione è composta da almeno tre parti principali: mantello, tubo di fiamma e sistema di iniezione del carburante. Il guscio deve resistere alla pressione operativa e può far parte del progetto della turbina a gas. Il guscio chiude un tubo di fiamma a pareti relativamente sottili in cui avvengono la combustione e il sistema di iniezione del carburante.

Rispetto ad altri tipi di motori, come i motori diesel e quelli alternativi per le automobili, le turbine a gas producono la minor quantità di inquinanti atmosferici per unità di potenza. Tra le emissioni delle turbine a gas, quelle che destano maggiore preoccupazione sono il carburante incombusto, il monossido di carbonio (monossido di carbonio), gli ossidi di azoto (NOx) e il fumo. Sebbene il contributo delle turbine degli aerei alle emissioni inquinanti totali sia inferiore all’1%, le emissioni direttamente nella troposfera sono raddoppiate tra i 40 e i 60 gradi di latitudine nord, causando un aumento del 20% delle concentrazioni di ozono. Nella stratosfera dove volano gli aerei supersonici, le emissioni di NOx causano la riduzione dello strato di ozono. Entrambi gli effetti danneggiano l’ambiente, quindi la riduzione degli ossidi di azoto (NOx) nelle emissioni dei motori aeronautici è ciò che deve accadere nel 21° secolo.

Si tratta di un articolo abbastanza breve che cerca di coprire tutti gli aspetti delle applicazioni delle turbine, dall'aviazione all'energia, senza fare affidamento su formule. Per conoscere meglio l'argomento, posso consigliare il libro "Gas Turbine in Railway Transport" http://tapemark.narod.ru/turbo/index.html. Se si saltano i capitoli relativi alle specificità dell'utilizzo delle turbine ferroviarie, il libro risulta comunque molto comprensibile, ma molto più dettagliato.

turbina a gas

La versione attuale della pagina non è stata ancora rivista da collaboratori esperti e potrebbe differire in modo significativo dalla versione rivista il 22 marzo 2012; i controlli richiedono 13 modifiche.

Turbina a gas industriale smontata.

turbina a gas(fr. turbina dal lat. turbo vortice, rotazione) è un motore continuo, nel cui apparato a pale l'energia del gas compresso e/o riscaldato viene convertita in lavoro meccanico sull'albero. La combustione del carburante può avvenire sia all'esterno della turbina che nella turbina stessa. [ fonte non specificata 380 giorni] Gli elementi strutturali principali sono il rotore (pale fissate sui dischi) e lo statore, realizzato sotto forma di un apparato di livellamento (palette guida fissate nell'alloggiamento).

Le turbine a gas vengono utilizzate come parte di motori a turbina a gas, unità turbine a gas stazionarie (GTU) e impianti a ciclo combinato (CCGT).

Storia

Articolo principale: Storia delle turbine

I tentativi di creare meccanismi simili alle turbine sono stati fatti per molto tempo. È nota la descrizione di una primitiva turbina a vapore realizzata da Erone d'Alessandria (I secolo a.C.). Nel XVIII secolo, l'inglese John Barber ricevette un brevetto per un dispositivo che aveva la maggior parte degli elementi presenti nelle moderne turbine a gas. Nel 1872 Franz Stoltz sviluppò il motore a turbina a gas. [ fonte non specificata 380 giorni] Tuttavia, solo alla fine del XIX secolo, quando la termodinamica, l'ingegneria meccanica e la metallurgia raggiunsero un livello sufficiente, Gustaf Laval (Svezia) e Charles Parsons (Gran Bretagna) crearono indipendentemente turbine a vapore adatte all'uso industriale.

Principio di funzionamento

Il gas ad alta pressione fluisce attraverso l'ugello della turbina nell'area a bassa pressione, espandendosi e accelerando. Inoltre, il flusso di gas entra nelle pale della turbina, cedendo loro parte della sua energia cinetica e trasmettendo coppia alle pale. Le pale del rotore trasmettono la coppia all'albero attraverso i dischi della turbina. La turbina a gas viene spesso utilizzata per azionare i generatori.

Dal punto di vista meccanico, le turbine a gas possono essere notevolmente più semplici dei motori alternativi a combustione interna. Le turbine più complesse (come quelle utilizzate negli odierni motori a turbogetto) possono avere più alberi, centinaia di pale di turbine e statori e un vasto sistema di tubazioni complesse, camere di combustione e scambiatori di calore.

I cuscinetti reggispinta e i cuscinetti radiali sono elementi di progettazione critici. Tradizionalmente si trattava di cuscinetti a sfere idrodinamici o raffreddati ad olio. Sono stati superati dai cuscinetti ad aria, che vengono utilizzati con successo nelle microturbine e nelle unità di potenza ausiliarie.

Tipi di turbine a gas

Le turbine a gas sono spesso utilizzate in molti razzi a propellente liquido e anche per alimentare turbopompe, consentendone l'utilizzo in serbatoi leggeri e a bassa pressione che immagazzinano una massa secca significativa.

Fissato su dischi) e uno statore, realizzato sotto forma di un apparato di livellamento (palette guida, fissate nell'alloggiamento).

Le turbine a gas vengono utilizzate come parte di motori a turbina a gas, unità turbine a gas stazionarie (GTU) e impianti a ciclo combinato (CCGT).

Tipi di turbine a gas

Turbine a gas industriali per la produzione di energia elettrica

Turbina a gas GE serie H Questa unità turbina da 480 MW ha un'efficienza termica del 60% in configurazioni a ciclo combinato.

La differenza tra le turbine a gas industriali e quelle aeronautiche è che le loro caratteristiche di peso e dimensioni sono molto più elevate, hanno un telaio, cuscinetti e un sistema di pale dal design più massiccio. Le dimensioni delle turbine industriali variano da unità mobili montate su camion a sistemi enormi e complessi. Le turbine a ciclo combinato possono essere altamente efficienti - fino al 60% - utilizzando lo scarico della turbina a gas in un generatore di vapore rigenerativo per azionare una turbina a vapore. Per aumentare l'efficienza, possono funzionare anche in configurazioni di cogeneratore: lo scarico viene utilizzato nei sistemi di fornitura di calore - acqua calda e riscaldamento, nonché con l'uso di refrigeratori ad assorbimento nei sistemi di fornitura di freddo. L'uso simultaneo dei gas di scarico per produrre caldo e freddo è chiamato modalità di trigenerazione. Il fattore di utilizzo del carburante nella modalità trigeneratore, rispetto alla modalità cogeneratore, può raggiungere oltre il 90%.

Le turbine delle grandi turbine a gas industriali funzionano a velocità sincrone in corrente alternata di 3000 o 3600 giri al minuto (rpm).

Le turbine a gas a ciclo semplice possono essere prodotte sia per alta che per bassa potenza. Uno dei loro vantaggi è la capacità di entrare in modalità operativa in pochi minuti, il che consente loro di essere utilizzati come energia durante i carichi di punta. Poiché sono meno efficienti delle centrali elettriche a ciclo combinato, vengono solitamente utilizzate come centrali elettriche di punta e funzionano da poche ore al giorno a diverse decine di ore all’anno, a seconda della domanda di energia e della capacità di generazione. Nelle aree con carico di base insufficiente e nelle centrali elettriche in cui l'energia elettrica viene generata in base al carico, l'impianto a turbina a gas può essere regolarmente utilizzato per gran parte della giornata. Una tipica turbina a ciclo semplice può fornire da 100 a 300 megawatt (MW) di potenza e avere un'efficienza termica del 35-40%. L'efficienza massima delle turbine a ciclo semplice raggiunge il 41%.

Microturbine

Parte del successo delle microturbine è dovuto ai progressi nell’elettronica che rendono possibile il funzionamento delle macchine senza l’intervento umano. Le microturbine vengono utilizzate nei progetti più complessi di alimentazione autonoma.

Vantaggi e svantaggi dei motori a turbina a gas

Vantaggi dei motori a turbina a gas

Rapporto peso/potenza molto elevato rispetto ad un motore a pistoni;
Possibilità di ottenere più vapore durante il funzionamento (a differenza di un motore a pistoni)
In combinazione con una caldaia a vapore e una turbina a vapore, efficienza maggiore rispetto a un motore a pistoni
Movimento in una sola direzione, con molte meno vibrazioni rispetto a un motore a pistoni.
Meno parti mobili rispetto a un motore a pistoni.
Emissioni significativamente inferiori rispetto ai motori a pistoni
Carichi operativi bassi.
Basso costo e consumo di olio lubrificante.
Requisiti bassi per la qualità del carburante. I motori a turbina a gas consumano qualsiasi combustibile che possa essere spruzzato: gas, prodotti petroliferi, materia organica e carbone polverizzato.

Svantaggi dei motori a turbina a gas

Il costo è molto più elevato rispetto ai motori alternativi di dimensioni simili, poiché i materiali utilizzati nella turbina devono avere un'elevata resistenza al calore e resistenza al calore, nonché un'elevata resistenza specifica. Anche le operazioni della macchina sono più complesse;
Hanno un'efficienza inferiore in qualsiasi modalità operativa rispetto ai motori a pistoni. (Dati ufficiali (p. 3) Efficienza al carico massimo 25-33%, mentre Dati ufficiali per i motori a pistoni - 41-42%)
Bassa efficienza meccanica ed elettrica (consumo di gas più di 1,5 volte superiore per 1 kWh di elettricità rispetto a un motore a pistoni)
Una forte diminuzione dell'efficienza a bassi carichi (a differenza di un motore a pistoni)
La necessità di utilizzare gas ad alta pressione, che rende necessario l'uso di compressori booster con un ulteriore consumo di energia e una diminuzione dell'efficienza complessiva del sistema.
Ritarda la risposta alle modifiche delle impostazioni di alimentazione.
Avvio lento e uscita dalla modalità
Impatto significativo degli start-stop sulla risorsa

Queste carenze spiegano perché i veicoli stradali, che sono più piccoli, più economici e richiedono una manutenzione meno regolare rispetto ai carri armati, agli elicotteri e alle grandi imbarcazioni, non utilizzano motori a turbina a gas, nonostante gli innegabili vantaggi in termini di dimensioni e potenza. E anche il motivo per cui i motori degli aerei non vengono fermati negli aeroporti durante un breve attracco: il carburante eccessivamente consumato è più economico della riparazione delle turbine a causa degli arresti di avvio.

Appunti

Letteratura

Deutsch M. E. Dinamica tecnica dei gas. - M.: Energia, 1974.
Deutsch M.E. Dinamica dei gas di reticoli di turbomacchine. - M.: Energoatomizdat, 1996.

Guarda anche

Collegamenti

turbina a gas- articolo dalla Grande Enciclopedia Sovietica

Motore a vapore Il motore di Stirling Motore pneumatico

Per tipo di corpo di lavoro

Gas	Impianto turbina a gas centrale elettrica con turbina a gas Motori a turbina a gas‎
Vapore	Impianto a ciclo combinato Turbina di condensazione
Turbine idrauliche‎	turbina dell'elica