Composición de una turbina de gas. Qué accionamiento elegir: pistón o turbina de gas. Centrales de ciclo combinado con turbinas de gas ABB

En generación autónoma - pequeña generación de energía en tiempos recientes se presta considerable atención turbinas de gas poder diferente Centrales eléctricas en la base turbinas de gas se utilizan como fuente principal o de respaldo de energía eléctrica y térmica para instalaciones industriales o domésticas. turbinas de gas como parte de las centrales eléctricas están diseñados para funcionar en cualquier condiciones climáticas Rusia. áreas de uso turbinas de gas prácticamente ilimitado: industria del petróleo y el gas, empresas industriales, estructuras de vivienda y servicios comunales.

factor de uso positivo turbinas de gas en el campo de la vivienda y los servicios comunales es que el contenido de emisiones nocivas en los gases de escape de NO x y CO se encuentra en el nivel de 25 y 150 ppm, respectivamente (para plantas de pistón, estos valores son mucho más altos), que le permite instalar una planta de energía cerca de áreas residenciales. Uso turbinas de gas como unidades de potencia de las centrales eléctricas evita la construcción de chimeneas altas.

Dependiendo de las necesidades turbinas de gas equipados con calderas de calor residual de vapor o agua caliente, lo que le permite recibir de la central tanto vapor (baja, media, alta presión) para las necesidades del proceso, como agua caliente sanitaria (ACS) con valores de temperatura estándar. Puede obtener vapor y agua caliente al mismo tiempo. La potencia de la energía térmica producida por una central eléctrica basada en turbinas de gas, por regla general, es el doble que la de la electricidad.

en la planta de energía turbinas de gas en esta configuración, la eficiencia de combustible aumenta al 90%. Alta eficiencia de uso turbinas de gas como unidades de potencia se proporciona durante el funcionamiento a largo plazo con la máxima carga eléctrica. Con suficiente poder turbinas de gas existe la posibilidad de uso combinado de turbinas de vapor. Esta medida permite aumentar significativamente la eficiencia de uso de la central, aumentando la eficiencia eléctrica hasta en un 53%.

¿Cuánto cuesta una planta de energía de turbina de gas? ¿Cuál es su precio completo? ¿Qué incluye el precio llave en mano?

Una planta de energía térmica autónoma basada en turbinas de gas tiene muchos costos adicionales, pero a menudo, simplemente equipo necesario(un ejemplo de la vida real es un proyecto terminado). Con el uso de equipos de primera clase, el costo de una planta de energía de este nivel, llave en mano, no supera los 45,000 - 55,000 rublos por 1 kW de capacidad eléctrica instalada. El precio final de una central eléctrica basada en turbinas de gas depende de las tareas y necesidades específicas del consumidor. El costo incluye diseño, construcción y puesta en marcha. Las turbinas de gas en sí mismas, como unidades de potencia, sin equipo adicional, según el fabricante y la potencia, cuestan de 400 a 800 dólares por 1 kW.

Para obtener información sobre el coste de construcción de una central eléctrica o central térmica en su caso particular, debe enviar un cuestionario cumplimentado a nuestra empresa. Después de eso, después de 2-3 días, el cliente-cliente recibe una propuesta técnica y comercial preliminar: TCH (ejemplo breve). Con base en la TCH, el cliente toma la decisión final sobre la construcción de una central eléctrica basada en turbinas de gas. Como regla general, antes de tomar una decisión, el cliente visita una instalación existente para ver una planta de energía moderna con sus propios ojos y "tocar todo con sus manos". Directamente en la instalación, el cliente recibe respuestas a las preguntas existentes.

El concepto de construcción modular en bloques a menudo se toma como base para la construcción de centrales eléctricas basadas en turbinas de gas. El diseño modular de bloques proporciona nivel alto disponibilidad de fábrica de las centrales eléctricas de turbinas de gas y reduce el tiempo de construcción de las instalaciones de energía.

Turbinas de gas: algo de aritmética sobre el costo de la energía producida

Para producir 1 kW de electricidad, las turbinas de gas consumen solo 0,29–0,37 m³/h de combustible gaseoso. Al quemar un metro cúbico de gas, las turbinas de gas generan 3 kW de electricidad y de 4 a 6 kW de energía térmica. Con el precio (promedio) en gas natural en 2011 3 rublos. por 1 m³, el costo de 1 kW de electricidad recibido de una turbina de gas es de aproximadamente 1 rublo. ¡Además, el consumidor recibe de 1,5 a 2 kW de energía térmica gratuita!

Con el suministro de energía autónomo de una planta de energía basada en turbinas de gas, el costo de la electricidad y el calor producido es 3 o 4 veces menor que las tarifas vigentes en el país, y esto no tiene en cuenta el alto costo de conexión a la energía estatal redes (60.000 rublos por 1 kW en la región de Moscú, 2011).

Construcción de centrales eléctricas autónomas basadas en turbinas de gas permite ahorros significativos Dinero Al eliminar los costos de construcción y operación de costosas líneas eléctricas (TL), las centrales eléctricas basadas en turbinas de gas pueden aumentar significativamente la confiabilidad del suministro eléctrico y térmico tanto de empresas u organizaciones individuales como de regiones en su conjunto.
El grado de automatización de la central eléctrica basada en turbinas de gas permite abandonar una gran cantidad de personal de mantenimiento. Durante la operación de una planta de energía a gas, solo tres personas aseguran su funcionamiento: un operador, un electricista de turno y un mecánico de turno. Cuando emergencias Se proporcionan sistemas de protección confiables para garantizar la seguridad del personal, la seguridad de los sistemas y unidades de la turbina de gas.

El aire atmosférico se alimenta a través de una entrada de aire equipada con un sistema de filtro (no se muestra en el diagrama) a la entrada de un compresor axial multietapa. El compresor comprime el aire atmosférico y lo entrega a alta presión a la cámara de combustión. Al mismo tiempo, se suministra una cierta cantidad de combustible gaseoso a la cámara de combustión de la turbina a través de las toberas. El combustible y el aire se mezclan y se encienden. La mezcla de aire y combustible se quema, liberando una gran cantidad de energía. La energía de los productos gaseosos de la combustión se convierte en trabajo mecánico debido a la rotación de los álabes de la turbina por chorros de gas caliente. Parte de la energía recibida se utiliza para comprimir el aire en el compresor de la turbina. El resto del trabajo se transfiere al generador eléctrico a través del eje motriz. este trabajo es trabajo útil turbina de gas. Los productos de la combustión, que tienen una temperatura de aproximadamente 500-550 °C, se eliminan a través del conducto de escape y el difusor de la turbina, y pueden utilizarse, por ejemplo, en un intercambiador de calor para generar energía térmica.

Las turbinas de gas, como motores, tienen la potencia específica más alta entre los motores de combustión interna, hasta 6 kW/kg.

Como combustible para turbinas de gas, se puede usar queroseno, combustible diesel, gas.

Una de las ventajas de las turbinas de gas modernas es la larga ciclo vital- vida útil del motor (lleno hasta 200 000 horas, antes de la revisión de 25 000 a 60 000 horas).

Moderno turbinas de gas son altamente confiables. Hay evidencia de funcionamiento continuo de algunas unidades durante varios años.

Muchos proveedores de turbinas de gas realizan revisiones en el sitio, reemplazando componentes individuales sin transportarlos a la fábrica, lo que reduce significativamente los costos de tiempo.

La posibilidad de operación a largo plazo en cualquier rango de potencia de 0 a 100%, la ausencia de refrigeración por agua, la operación con dos tipos de combustible: todo esto hace que las turbinas de gas sean unidades de energía populares para las centrales eléctricas autónomas modernas.

El uso de turbinas de gas es más eficaz en plantas de potencia media, y en capacidades superiores a 30 MW, la elección es obvia.

Turbina de vapor. Intentos de diseñar una turbina de vapor que pudiera competir con una máquina de vapor hasta mediados del siglo XIX. no tuvieron éxito, ya que fue posible convertir solo una pequeña fracción de la energía cinética del chorro de vapor en la energía mecánica de la rotación de la turbina. El punto es que los inventores

no tuvimos en cuenta la dependencia de la eficiencia de la turbina con la relación entre la velocidad del vapor y la velocidad lineal de los álabes de la turbina.

Averigüemos a qué relación entre la velocidad del chorro de gas y la velocidad lineal del álabe de la turbina ocurrirá la transferencia más completa de la energía cinética del chorro de gas al álabe de la turbina (Fig. 36). Cuando la energía cinética del vapor se transfiere por completo al álabe de la turbina, la velocidad del chorro relativa a la Tierra debe ser igual a cero, es decir,

En el marco de referencia que se mueve con velocidad, la velocidad del chorro es: .

Dado que en este marco de referencia el álabe está estacionario en el momento de la interacción con el chorro, la velocidad del chorro después de la reflexión elástica permanece sin cambios en valor absoluto, pero cambia de dirección a la opuesta:

Pasando de nuevo al marco de referencia asociado a la Tierra, obtenemos la velocidad del chorro tras la reflexión:

Desde entonces

Hemos obtenido que la transferencia completa de la energía cinética del chorro a la turbina se producirá bajo la condición de que la velocidad lineal de los álabes de la turbina sea la mitad de la velocidad del chorro. La primera turbina de vapor, que encontró uso práctico, fue fabricado por el ingeniero sueco Gustav Laval en 1889. Su potencia era menor a rpm.

Arroz. 36. Transferencia de energía cinética de un chorro de vapor a un álabe de turbina

Una alta velocidad de salida del gas, incluso con caídas de presión medias, que es de aproximadamente 1200 m/s, requiere para el funcionamiento efectivo de la turbina dar a sus álabes una velocidad lineal de aproximadamente 600 m/s. Por lo tanto, para lograr valores altos La eficiencia de la turbina debe ser de alta velocidad. Es sencillo calcular la fuerza de inercia que actúa sobre un álabe de turbina de 1 kg de masa, situado en la corona del rotor de 1 m de radio, a una velocidad de 600 m/s del álabe:

Hay una contradicción fundamental: para el funcionamiento económico de la turbina, velocidades supersónicas rotación del rotor, pero a tales velocidades la turbina será destruida por las fuerzas de inercia. Para resolver esta contradicción, es necesario diseñar turbinas que giren a una velocidad inferior a la óptima, pero para aprovechar al máximo la energía cinética del chorro de vapor, hacerlos multietapa montando varios rotores de diámetro creciente en un eje común. Debido a la velocidad de rotación insuficientemente alta de la turbina, el vapor cede solo una parte de su energía cinética al rotor de menor diámetro. Luego el vapor de escape de la primera etapa se envía al segundo rotor de mayor diámetro, cediendo a sus álabes una parte de la energía cinética restante, etc. El vapor de escape se condensa en el enfriador-condensador y se envía agua caliente al caldera.

El ciclo de una planta de turbina de vapor en coordenadas se muestra en la Figura 37. En la caldera, el fluido de trabajo recibe una cantidad de calor, se calienta y se expande a una presión constante (isobar AB). En la turbina, el vapor se expande adiabáticamente (BC adiabática), realizando trabajo para rotar el rotor. En el condensador-enfriador, lavado, por ejemplo, por agua de río, el vapor cede la cantidad de calor al agua y se condensa a presión constante. Este proceso corresponde a una isobara. El agua caliente del condensador se bombea a la caldera. Este proceso corresponde a una isocora, como se puede observar, el ciclo de una planta de turbina de vapor es cerrado. El trabajo realizado por el vapor en un ciclo es numéricamente igual al área de la figura ABCD.

Las turbinas de vapor modernas tienen una alta eficiencia de conversión de cinética

Arroz. 37. Diagrama del ciclo de trabajo de una planta de turbina de vapor

energía del chorro de vapor en energía mecánica, superando ligeramente el 90%. Por lo tanto, los generadores eléctricos de casi todas las térmicas y plantas de energía nuclear del mundo, proporcionando más del 80% de toda la electricidad generada, son impulsadas por turbinas de vapor.

Dado que la temperatura del vapor utilizado en las modernas plantas de turbinas de vapor no supera los 580 C (temperatura del calentador), y la temperatura del vapor a la salida de la turbina no suele ser inferior a 30 °C (temperatura del enfriador), valor máximo La eficiencia de una planta de turbina de vapor como motor térmico es igual a:

y los valores reales de la eficiencia de las centrales eléctricas de condensación de turbinas de vapor alcanzan solo alrededor del 40%.

La potencia de las modernas unidades de potencia caldera - turbina - generador alcanza los kW. Lo siguiente en línea en el décimo plan quinquenal es la construcción de unidades de potencia con una capacidad de hasta kW.

Los motores de turbina de vapor son ampliamente utilizados en el transporte de agua. Sin embargo, su uso en transporte de tierra y más aún en la aviación, dificulta la necesidad de disponer de un horno y una caldera para la generación de vapor, así como de una gran cantidad de agua para utilizar como fluido de trabajo.

turbinas de gas. La idea de eliminar el horno y la caldera en un motor térmico con una turbina mediante la transferencia del lugar de combustión del combustible al propio fluido de trabajo ha ocupado a los diseñadores durante mucho tiempo. Pero el desarrollo de tales turbinas de combustión interna, en las que el fluido de trabajo no es vapor, sino aire que se expande por calentamiento, se vio limitado por la falta de materiales capaces de operar durante mucho tiempo a altas temperaturas y altas cargas mecánicas.

La planta de turbina de gas consta de un compresor de aire 1, cámaras de combustión 2 y una turbina de gas 3 (Fig. 38). El compresor consta de un rotor montado en el mismo eje que la turbina y un álabe guía fijo.

Cuando la turbina está funcionando, el rotor del compresor gira. Las palas del rotor tienen una forma tal que cuando giran, la presión frente al compresor disminuye y después aumenta. El compresor aspira aire y su presión detrás de la primera fila de palas del rotor aumenta. Detrás de la primera fila de álabes del rotor hay una fila de álabes de un álabe de guía del compresor estacionario, con la ayuda de la cual se cambia la dirección del movimiento del aire y es posible comprimirlo aún más utilizando los álabes de la segunda etapa del rotor. , etc . Varias etapas de los álabes del compresor proporcionan una presión de aire de 5 a 7 veces mayor .

El proceso de compresión procede adiabáticamente, por lo que la temperatura del aire aumenta significativamente, alcanzando los 200 °C o más.

Arroz. 38. El dispositivo de una planta de turbina de gas.

El aire comprimido entra en la cámara de combustión (Fig. 39). Al mismo tiempo, a través de la boquilla, se inyecta en ella a alta presión. combustible líquido- queroseno, fuel oil.

Cuando se quema combustible, el aire que sirve como fluido de trabajo recibe una cierta cantidad de calor y se calienta hasta una temperatura de 1500-2200 ° C. El calentamiento del aire ocurre a una presión constante, por lo que el aire se expande y su velocidad aumenta.

El aire y los productos de combustión que se mueven a alta velocidad se envían a la turbina. Pasando de una etapa a otra, entregan su energía cinética a los álabes de la turbina. Parte de la energía que recibe la turbina se utiliza para hacer girar el compresor, mientras que el resto se utiliza, por ejemplo, para hacer girar la hélice de un avión o el rotor de un generador eléctrico.

Para proteger los álabes de la turbina de la acción destructiva de un chorro de gas caliente y de alta velocidad en la cámara de combustión.

Arroz. 39. Cámara de combustión

El compresor bombea significativamente más aire del necesario para la combustión completa del combustible. El aire que ingresa a la cámara de combustión detrás de la zona de combustión de combustible (Fig. 38) reduce la temperatura del chorro de gas dirigido a las palas de la turbina. Reducir la temperatura del gas en la turbina conduce a una disminución de la eficiencia, por lo que los científicos y diseñadores buscan formas de aumentar el límite superior de la temperatura de funcionamiento en una turbina de gas. En algunos motores de turbina de gas de aviones modernos, la temperatura del gas frente a la turbina alcanza los 1330 °C.

El aire de escape, junto con los productos de la combustión a una presión cercana a la atmosférica y una temperatura de más de 500 °C a una velocidad de más de 500 m/s, generalmente se libera a la atmósfera o, para aumentar la eficiencia, se envía a una fuente de calor. intercambiador, donde cede parte del calor para calentar el aire que entra en la cámara de combustión.

El ciclo de operación de una planta de turbina de gas en el diagrama se muestra en la Figura 40. El proceso de compresión de aire en el compresor corresponde a la adiabática AB, el proceso de calentamiento y expansión en la cámara de combustión corresponde a la isobara BC. El proceso adiabático de expansión de gas caliente en la turbina está representado por la sección CD, el proceso de enfriamiento y reducción del volumen del fluido de trabajo está representado por la isobara DA.

La eficiencia de las plantas de turbinas de gas alcanza el 25-30%. Los motores de turbina de gas no tienen calderas de vapor voluminosas, como los motores de vapor y las turbinas de vapor, no hay pistones ni mecanismos que conviertan el movimiento alternativo en movimiento de rotación, como los motores de vapor y los motores de combustión interna. Por lo tanto, un motor de turbina de gas ocupa tres veces menos espacio que un motor diésel de la misma potencia, y su gravedad específica (relación masa-potencia) es de 6 a 9 veces menor que la de un motor de combustión interna de pistón de avión. La compacidad y la velocidad, combinadas con una alta potencia por unidad de masa, determinaron el primer campo de aplicación prácticamente importante de los motores de turbina de gas: la aviación.

Los aviones con una hélice montada en el eje de un motor de turbina de gas aparecieron en 1944. Aviones tan conocidos como AN-24, TU-114, IL-18, AN-22 - "Antey" tienen motores turbohélice.

La masa máxima del Antey en el despegue es de 250 toneladas, la capacidad de carga es de 80 toneladas, o 720 pasajeros,

Arroz. 40. Diagrama del ciclo de trabajo de una planta de turbina de gas

velocidad 740 km/h, potencia de cada uno de los cuatro motores kW.

Los motores de turbina de gas están comenzando a reemplazar a los motores de turbina de vapor en el transporte acuático, especialmente en los barcos. Armada. La transición de los motores diésel a las turbinas de gas permitió aumentar cuatro veces la capacidad de carga de los hidroalas, de 50 a 200 toneladas.

Los motores de turbina de gas con una capacidad de 220-440 kW se instalan en vehículos pesados. Un BelAZ-549V de 120 toneladas con motor de turbina de gas se está probando en la industria minera.

Una turbina de gas, como motor térmico, combina las características de una turbina de vapor y un motor de combustión interna, en el que la energía del combustible durante su combustión se convierte directamente en trabajo mecánico. El fluido de trabajo de las turbinas de gas que funcionan en un ciclo abierto son los productos de la combustión del combustible, y el fluido de trabajo de las turbinas de gas que funcionan en un ciclo cerrado es aire limpio o gas que circula continuamente en el sistema. En los barcos, se utilizan unidades de turbina de gas (GTU) que funcionan en ciclo abierto, con combustión de combustible a presión constante (p = const) y GTU que funcionan en ciclo cerrado.

Actualmente, las turbinas de gas marinas son de dos tipos: 1) turbocompresor y 2) con generadores de gas de pistón libre (SPGG).

En la fig. 101. El compresor 9 aspira aire atmosférico limpio, lo comprime a alta presión y lo entrega a través del conducto de aire3 en la cámara de combustión 2, donde simultáneamente a través de la boquilla1 se suministra combustible. El combustible, mezclado con aire, forma una mezcla de trabajo, que se quema cuandoR = constante Los productos de combustión resultantes se enfrían con aire y se envían a la ruta de flujo de la turbina. En las palas fijas 4, los productos de la combustión se expanden y entran en las palas del rotor 5 a alta velocidad, donde la energía cinética del flujo de gas se convierte en el trabajo mecánico de la rotación del eje. A través del tubo 6, los gases de escape salen de la turbina. La turbina de gas impulsa el compresor 9 y a través de la caja de cambios7 hélice 8. Para poner en marcha la unidad, se utiliza un motor de arranque 10, que hace girar el compresor a la velocidad mínima.

La misma figura muestra el ciclo teórico del GTP considerado en las coordenadas p - ? yS - T: AB - el proceso de compresión de aire en el compresor; VS-combustión de combustible a presión constante en la cámara de combustión; SD - expansión de gas en la turbina, SÍ - eliminación de calor de los gases de escape.

Para aumentar la eficiencia de la operación de la turbina de gas, se utiliza el calentamiento regenerativo del aire que ingresa a la cámara de combustión o la combustión escalonada del combustible en varias cámaras de combustión secuenciales que sirven a las turbinas individuales. Debido a la complejidad del diseño, rara vez se utiliza la combustión por etapas. Para aumentar la eficiencia efectiva de la instalación, junto con la regeneración, se utiliza compresión de aire en dos etapas, mientras que entre los compresores se incluye un intercooler de aire, que reduce la potencia requerida del compresor de alta presión.

En la fig. 102 es un diagrama de la planta de turbina de gas más simple con combustión de combustible enR = constante y recuperación de calor. Aire comprimido en el compresor1 , pasa por el regenerador 2 a la cámara de combustión3 , donde es calentado por el calor de los gases de escape que salen de la turbina 4 con una temperatura relativamente alta. El ciclo real de esta instalación se muestra en el diagrama S-T (Fig. 103): el proceso de compresión del aire en el compresor1 - 2 ; calentamiento del aire en el regenerador, acompañado de una caída de presión deR 2 antes deR 4 2 - 3; suministro de calor en el proceso de combustión de combustible 3 - 4; proceso real de expansión de gas en turbinas4-5 ; enfriamiento del gas en el regenerador, acompañado de pérdida de presión p 5 -R 1 5-6; escape de gas - eliminación de calor6-1 . La cantidad de calor que recibe el aire en el regenerador está representada por un área de 2"-2-3-3", y la cantidad de calor que desprenden los gases de escape en el regenerador por un área de 6 "-6-5-5". Estas áreas son iguales.

En una turbina de gas de ciclo cerrado, el fluido de trabajo gastado no ingresa a la atmósfera y, después del enfriamiento previo, se envía nuevamente al compresor. En consecuencia, el fluido de trabajo circula en el ciclo, no contaminado con productos de combustión. Esto mejora las condiciones de trabajo de las partes de flujo de las turbinas, lo que se traduce en una mayor confiabilidad de la instalación y aumenta su recurso motor. Los productos de la combustión no se mezclan con el fluido de trabajo y por lo tanto cualquier tipo de combustible es apto para la combustión.

En la fig. 104 muestra un diagrama esquemático de una turbina de gas de ciclo cerrado de un barco en todos los modos. El aire después del preenfriamiento en el enfriador de aire 4 ingresa al compresor5 , que es impulsado por una turbina de alta presión7 . El aire se envía desde el compresor al regenerador.3 , y luego en el calentador de aire 6, que realiza el mismo papel que la cámara de combustión en instalaciones de tipo abierto. Desde el calentador de aire, el aire de trabajo a una temperatura de 700 ° C ingresa a la turbina de alta presión7 , que gira el compresor y luego en la turbina de baja presión2 , que a través del reductor1 acciona la hélice de paso ajustable. El motor de arranque 8 está diseñado para poner en marcha la instalación. Las desventajas de las turbinas de gas de ciclo cerrado incluyen el volumen de los intercambiadores de calor.

De particular interés son las turbinas de gas de ciclo cerrado con reactor nuclear. En estas instalaciones se utiliza helio, nitrógeno y dióxido de carbono como fluido de trabajo de las turbinas de gas (refrigerante). Estos gases no se activan en reactor nuclear. El gas calentado en el reactor a alta temperatura se envía directamente a trabajar en la turbina de gas.

Las principales ventajas de las turbinas de gas en comparación con las turbinas de vapor son: bajo peso y dimensiones, ya que no hay caldera y unidad condensadora con mecanismos y dispositivos auxiliares; rápida puesta en marcha y desarrollo de plena potencia en 10-15 minutos, muy bajo consumo de agua de refrigeración; facilidad de mantenimiento.

Las principales ventajas de las turbinas de gas en comparación con los motores de combustión interna son: la ausencia de un mecanismo de manivela y fuerzas de inercia asociadas; bajo peso y dimensiones a alta potencia (las GTU son 2-2,5 veces más ligeras y 1,5-2 veces más cortas que los motores diésel); la capacidad de trabajar con combustible de baja calidad; costos operativos más bajos. Las desventajas de las turbinas de gas son las siguientes: una vida útil corta a altas temperaturas del gas (por ejemplo, a una temperatura del gas de 1173 ° K, la vida útil es de 500 a 1000 horas); menos que los motores diesel, eficiencia; ruido significativo durante el funcionamiento.

Actualmente, las turbinas de gas se utilizan como motores principales de los barcos de transporte marítimo. En algunos casos, las turbinas de gas de baja potencia se utilizan para impulsar bombas, generadores de energía de emergencia, compresores auxiliares, etc. Las turbinas de gas son de particular interés como motores principales para hidroalas y aerodeslizadores.

"Turbo", "turborreactor", "turbohélice": estos términos se han establecido firmemente en el léxico de los ingenieros del siglo XX involucrados en el diseño y el mantenimiento. Vehículo e instalaciones eléctricas estacionarias. Se utilizan incluso en campos afines y publicitarios, cuando se quiere dar al nombre del producto algún toque de especial potencia y eficacia. En aviación, cohetes, barcos y centrales eléctricas, la turbina de gas se usa con mayor frecuencia. ¿Cómo está organizado? ¿Funciona con gas natural (como sugiere el nombre), y cómo son? ¿En qué se diferencia una turbina de otros tipos de motores de combustión interna? ¿Cuáles son sus ventajas y desventajas? En este artículo se intenta responder a estas preguntas de la manera más completa posible.

UEC, líder ruso en la construcción de maquinaria

Rusia, a diferencia de muchos otros estados independientes formados después del colapso de la URSS, logró preservar en gran medida la industria de construcción de maquinaria. En particular, la producción de centrales eléctricas proposito especial manejado por Saturno. Las turbinas de gas de esta empresa se utilizan en la construcción naval, la industria de materias primas y la energía. Los productos son de alta tecnología, requieren un enfoque especial durante la instalación, depuración y operación, así como conocimientos especiales y equipos costosos para el mantenimiento programado. Todos estos servicios están disponibles para los clientes de UEC - Turbinas de Gas, como se le llama hoy. No hay tantas empresas de este tipo en el mundo, aunque el principio de organizar los productos principales es simple a primera vista. La experiencia acumulada es de gran importancia, lo que permite tener en cuenta muchas sutilezas tecnológicas, sin las cuales es imposible lograr un funcionamiento duradero y confiable de la unidad. Esta es solo una parte de la gama de productos de UEC: turbinas de gas, centrales eléctricas, unidades de bombeo de gas. Entre los clientes se encuentran "Rosatom", "Gazprom" y otras "ballenas" de la industria química y energética.

La fabricación de máquinas tan complejas requiere un enfoque individual en cada caso. Actualmente, el cálculo de una turbina de gas está completamente automatizado, pero los materiales y las características de los diagramas de cableado son importantes en cada caso individual.

Y todo empezó tan fácil...

Búsquedas y parejas

Los primeros experimentos de conversión de la energía de traslación del flujo en fuerza de rotación fueron realizados por la humanidad en la antigüedad, utilizando una rueda hidráulica común. Todo es extremadamente simple, el líquido fluye de arriba hacia abajo, las cuchillas se colocan en su flujo. La rueda, equipada con ellos en todo el perímetro, está girando. El molino de viento funciona de la misma manera. Luego vino la era del vapor, y la rueda giró más rápido. Por cierto, el llamado "eolipil", inventado por el antiguo griego Heron unos 130 años antes del nacimiento de Cristo, era una máquina de vapor que funciona exactamente según este principio. En esencia, esta fue la primera turbina de gas conocida por la ciencia histórica (después de todo, el vapor es un estado gaseoso de agregación de agua). Hoy, sin embargo, es costumbre separar estos dos conceptos. El invento de Heron fue tratado entonces en Alejandría sin mucho entusiasmo, aunque con curiosidad. Los equipos industriales de tipo turbina aparecieron solo a fines del siglo XIX, después de que el sueco Gustaf Laval creara la primera unidad de potencia activa del mundo equipada con una boquilla. Aproximadamente en la misma dirección trabajaba el ingeniero Parsons, dotando a su máquina de varios pasos conectados funcionalmente.

El nacimiento de las turbinas de gas

Un siglo antes, un tal John Barber tuvo una idea brillante. ¿Por qué es necesario calentar el vapor primero? ¿No es más fácil utilizar directamente los gases de escape generados durante la combustión del combustible y, por lo tanto, eliminar la mediación innecesaria en el proceso de conversión de energía? Así surgió la primera turbina de gas real. La patente de 1791 establece la idea básica de ser utilizada en un carruaje sin caballos, pero sus elementos se utilizan hoy en día en motores modernos de cohetes, aviones, tanques y automóviles. El inicio del proceso de construcción de motores a reacción lo dio en 1930 Frank Whittle. Se le ocurrió la idea de usar una turbina para propulsar un avión. Posteriormente, encontró desarrollo en numerosos proyectos de turbohélices y turborreactores.

Turbina de gas Nikola Tesla

El famoso científico-inventor siempre ha abordado los temas en estudio de una manera no estándar. A todos les pareció obvio que las ruedas con paletas o palas "captan" el movimiento del medio mejor que los objetos planos. Tesla, en su forma característica, demostró que si ensambla un sistema de rotor a partir de discos dispuestos en serie en el eje, luego al recoger las capas límite con un flujo de gas, no girará peor y, en algunos casos, incluso mejor que una hélice de múltiples palas. Es cierto que la dirección del medio en movimiento debe ser tangencial, lo que no siempre es posible o deseable en las unidades modernas, pero el diseño se simplifica enormemente: no necesita cuchillas en absoluto. Aún no se está construyendo una turbina de gas según el esquema de Tesla, pero tal vez la idea esté esperando su momento.

diagrama de circuito

Ahora sobre el dispositivo fundamental de la máquina. Es una combinación de un sistema giratorio montado en un eje (rotor) y una parte fija (estator). En el eje hay un disco con cuchillas de trabajo que forman una red concéntrica, se ven afectados por el gas suministrado a presión a través de boquillas especiales. Luego, el gas expandido ingresa al impulsor, también equipado con palas, llamadas trabajadores. Para la entrada de la mezcla de aire y combustible y la salida (escape), se utilizan tuberías especiales. El compresor también está involucrado en el esquema general. Se puede hacer de acuerdo con un principio diferente, dependiendo de la presión de trabajo requerida. Para su funcionamiento se toma una parte de la energía del eje, que se utiliza para comprimir el aire. La turbina de gas funciona mediante el proceso de combustión de la mezcla aire-combustible, acompañada de un importante aumento de volumen. El eje gira, su energía se puede utilizar de manera útil. Tal esquema se llama circuito único, pero si se repite, se considera de varias etapas.

Ventajas de las turbinas de avión.

Aproximadamente a partir de mediados de los años cincuenta, apareció una nueva generación de aviones, incluidos los de pasajeros (en la URSS estos son Il-18, An-24, An-10, Tu-104, Tu-114, Tu-124, etc.) , en cuyos diseños los motores de pistón de los aviones fueron suplantados definitiva e irrevocablemente por los de turbina. Esto indica una mayor eficiencia de este tipo de centrales eléctricas. Las características de la turbina de gas son superiores a los parámetros de los motores con carburador en muchos aspectos, en particular, en términos de potencia/peso, que es de suma importancia para la aviación, así como indicadores igualmente importantes de confiabilidad. Menor consumo de combustible, menos piezas móviles, mejor desempeño ambiental, ruido y vibraciones reducidos. Las turbinas son menos críticas para la calidad del combustible (lo que no se puede decir sobre sistemas de combustible), son más fáciles de mantener y requieren menos aceite lubricante. En general, a primera vista parece que no se componen de metal, sino de sólidas virtudes. Por desgracia, no lo es.

Hay desventajas de los motores de turbina de gas.

La turbina de gas se calienta durante el funcionamiento y transfiere calor a los elementos estructurales circundantes. Esto es especialmente crítico, de nuevo en la aviación, cuando se usa un esquema de diseño redan que implica lavar la parte inferior de la cola con una corriente en chorro. Y la carcasa del motor en sí requiere un aislamiento térmico especial y el uso de materiales refractarios especiales que puedan soportar altas temperaturas.

Enfriar turbinas de gas es un desafío técnico complejo. No es broma, funcionan como una explosión virtualmente permanente que ocurre en el cuerpo. La eficiencia en algunos modos es menor que la de los motores de carburador, sin embargo, cuando se utiliza un esquema de doble circuito, este inconveniente se elimina, aunque el diseño se vuelve más complicado, como en el caso de incluir compresores "booster" en el esquema. La aceleración de las turbinas y alcanzar el modo de operación requiere algún tiempo. Cuanto más se enciende y se detiene la unidad, más rápido se desgasta.

Aplicación correcta

Bueno, ningún sistema está libre de fallas. Es importante encontrar una aplicación de cada uno de ellos, en la que sus ventajas se manifiesten más claramente. Por ejemplo, tanques como el American Abrams, que funciona con una turbina de gas. Se puede llenar con cualquier cosa que se queme, desde gasolina de alto octanaje hasta whisky, y produce mucha energía. Este puede no ser un buen ejemplo, ya que la experiencia en Irak y Afganistán ha demostrado que los álabes de los compresores son vulnerables a la arena. La reparación de las turbinas de gas debe realizarse en los EE. UU., en la planta de fabricación. Llévate el tanque de ida, luego de vuelta, y el costo del mantenimiento en sí, más los accesorios...

Los helicópteros, rusos, estadounidenses y de otros países, así como las potentes lanchas rápidas, se ven menos afectados por la obstrucción. En cohetes líquidos, son indispensables.

Los barcos de guerra modernos y los barcos civiles también tienen motores de turbina de gas. Y también energía.

Centrales trigeneradoras

Los problemas a los que se enfrentan los fabricantes de aeronaves no son tan preocupantes para quienes producen equipo industrial para la producción de electricidad. El peso en este caso ya no es tan importante, y puedes centrarte en parámetros como la eficiencia y la eficiencia general. Las unidades generadoras de turbinas de gas tienen un marco macizo, un marco confiable y palas más gruesas. Es muy posible aprovechar el calor generado, utilizándolo para una variedad de necesidades, desde el reciclaje secundario en el propio sistema, hasta la calefacción de locales domésticos y el suministro térmico de unidades de refrigeración de tipo absorción. Este enfoque se llama trigenerador, y la eficiencia en este modo se acerca al 90%.

Plantas de energía nuclear

Para una turbina de gas, no hace ninguna diferencia fundamental cuál es la fuente del medio calentado que da su energía a sus álabes. Puede ser una mezcla de aire y combustible quemado, o simplemente vapor sobrecalentado (no necesariamente agua), lo principal es que proporciona su fuente de alimentación ininterrumpida. En su centro plantas de energía todas las centrales nucleares, submarinos, portaaviones, rompehielos y algunos militares naves de superficie (crucero de misiles"Pedro el Grande", por ejemplo) se basan en una turbina de gas (GTU) rotada por vapor. Los problemas ambientales y de seguridad dictan un circuito primario cerrado. Esto significa que el agente de calor primario (en las primeras muestras este papel lo desempeñaba el plomo, ahora ha sido reemplazado por parafina) no abandona la zona cercana al reactor, fluyendo alrededor de los elementos combustibles en un círculo. El calentamiento de la sustancia de trabajo se lleva a cabo en circuitos posteriores, y el dióxido de carbono, el helio o el nitrógeno evaporados hacen girar la rueda de la turbina.

Aplicación amplia

Las instalaciones complejas y grandes son casi siempre únicas, su producción se realiza en pequeños lotes o, en general, se realizan copias individuales. Muy a menudo, las unidades producidas en grandes cantidades se utilizan en sectores pacíficos de la economía, por ejemplo, para bombear materias primas de hidrocarburos a través de tuberías. Son estos los que produce la empresa UEC bajo la marca Saturn. Las turbinas de gas de las estaciones de bombeo son totalmente consistentes con su nombre. Realmente bombean gas natural, usando su propia energía para su trabajo.

El principio de funcionamiento de las plantas de turbinas de gas.

Figura 1. Esquema de una unidad de turbina de gas con un motor de turbina de gas de un solo eje de un ciclo simple

Se suministra aire limpio al compresor (1) de la unidad de potencia de la turbina de gas. A alta presión, el aire del compresor se envía a la cámara de combustión (2), donde también se suministra el combustible principal, el gas. La mezcla se enciende. Cuando se quema una mezcla de gas y aire, se genera energía en forma de una corriente de gases calientes. Esta corriente de alta velocidad corre hacia el impulsor de la turbina (3) y lo gira. La energía cinética rotacional a través del eje de la turbina impulsa el compresor y el generador eléctrico (4). Desde los terminales del generador de energía, la electricidad generada, generalmente a través de un transformador, se envía a la red eléctrica, a los consumidores de energía.

Las turbinas de gas se describen mediante el ciclo termodinámico de Brayton. El ciclo Brayton/Joule es un ciclo termodinámico que describe los procesos de trabajo de los motores de combustión interna de turbinas de gas, turborreactores y estatorreactores, así como de los motores de combustión externa de turbinas de gas con circuito cerrado de un gas fluido de trabajo (monofásico).

El ciclo lleva el nombre del ingeniero estadounidense George Brighton, quien inventó el motor alternativo de combustión interna que operaba en este ciclo.

A veces, este ciclo también se denomina ciclo de Joule, en honor al físico inglés James Joule, quien estableció el equivalente mecánico del calor.

Figura 2. Diagrama de ciclo P,V Brayton

El ciclo ideal de Brayton consta de los procesos:

• 1-2 Compresión isentrópica.
• 2-3 Entrada de calor isobárico.
• 3-4 Expansión isentrópica.
• 4-1 Eliminación de calor isobárico.

Teniendo en cuenta las diferencias entre los procesos adiabáticos reales de expansión y contracción de los isoentrópicos, se construye un ciclo Brayton real (1-2p-3-4p-1 en el diagrama T-S) (Fig. 3)

Fig. 3. Diagrama del ciclo T-S Brayton
ideales (1-2-3-4-1)
reales (1-2p-3-4p-1)

La eficiencia térmica de un ciclo Brayton ideal generalmente se expresa mediante la fórmula:

• donde P = p2 / p1 - el grado de aumento de presión en el proceso de compresión isoentrópica (1-2);
• k - índice adiabático (para aire igual a 1.4)

Cabe señalar especialmente que esta forma generalmente aceptada de calcular la eficiencia del ciclo oscurece la esencia del proceso en curso. La eficiencia límite del ciclo termodinámico se calcula a través de la relación de temperatura utilizando la fórmula de Carnot:

• donde T1 es la temperatura del refrigerador;
• T2 - temperatura del calentador.

Exactamente la misma relación de temperatura se puede expresar en términos de las relaciones de presión utilizadas en el ciclo y el índice adiabático:

Así, la eficiencia del ciclo Brayton depende de las temperaturas inicial y final del ciclo exactamente de la misma manera que la eficiencia del ciclo de Carnot. Con un calentamiento infinitesimal del fluido de trabajo a lo largo de la línea (2-3), el proceso puede considerarse isotérmico y completamente equivalente al ciclo de Carnot. La cantidad de calentamiento del fluido de trabajo T3 en el proceso isobárico determina la cantidad de trabajo relacionado con la cantidad de fluido de trabajo usado en el ciclo, pero de ninguna manera afecta la eficiencia térmica del ciclo. Sin embargo cuando implementación práctica El ciclo de calentamiento generalmente se lleva a cabo a los valores más altos posibles limitados por la resistencia al calor de los materiales utilizados para minimizar el tamaño de los mecanismos que comprimen y expanden el fluido de trabajo.

En la práctica, la fricción y la turbulencia provocan:

• Compresión no adiabática: para una relación de presión total dada, la temperatura de descarga del compresor es superior a la ideal.
• Expansión no adiabática: aunque la temperatura de la turbina desciende hasta el nivel necesario para su funcionamiento, el compresor no se ve afectado, la relación de presiones es mayor, por lo que la expansión no es suficiente para proporcionar trabajo útil.
• Pérdidas de presión en la entrada de aire, cámara de combustión y salida: como resultado, la expansión no es suficiente para proporcionar un trabajo útil.

Al igual que con todos los motores térmicos cíclicos, cuanto mayor sea la temperatura de combustión, mayor será la eficiencia. El factor limitante es la capacidad del acero, el níquel, la cerámica u otros materiales que componen el motor para resistir el calor y la presión. Gran parte del trabajo de ingeniería se centra en eliminar el calor de las partes de la turbina. La mayoría de las turbinas también intentan recuperar el calor de los gases de escape que, de otro modo, se desperdiciarían.

Los recuperadores son intercambiadores de calor que transfieren el calor de los gases de escape al aire comprimido antes de la combustión. En un ciclo combinado, el calor se transfiere a los sistemas de turbinas de vapor. Y en la combinación de calor y electricidad (CHP), el calor residual se utiliza para producir agua caliente.

Mecánicamente, las turbinas de gas pueden ser considerablemente más simples que los motores alternativos de combustión interna. Las turbinas simples pueden tener una parte móvil: conjunto de eje/compresor/turbina/rotor alternativo (vea la imagen a continuación), sin incluir el sistema de combustible.

Figura 4. Esta máquina tiene un compresor radial de una sola etapa,
turbina, recuperador y cojinetes de aire.

Las turbinas más complejas (las que se utilizan en los motores a reacción modernos) pueden tener múltiples ejes (bobinas), cientos de álabes de turbina, álabes de estator móviles y un extenso sistema de tuberías complejas, cámaras de combustión e intercambiadores de calor.

Como regla general, cuanto más pequeño es el motor, mayor es la velocidad de los ejes necesarios para mantener la máxima velocidad lineal de las palas.

La velocidad máxima de los álabes de la turbina determina la presión máxima que se puede alcanzar, lo que da como resultado la máxima potencia, independientemente del tamaño del motor. El motor a reacción gira a unas 10.000 rpm y la microturbina a unas 100.000 rpm.