Постоянной минимально допустимой щения ротора

частоты вращения ротора, 3 — гра­ница режимов работы с запасом по

покпажу, 4 — линия постоянной

максимально допустимой темпера­туры газа перед турбиной, 5 —ли- _. ння рабочей частоты вращения ро­тора, в — линия минимально до­пустимой температуры газа перед турбиной

условиям прочности лопаток газовой турбины поднимать темпера­туру газа выше Тещах нельзя.

Кривая 5 соответствует постоянной частоте вращения ротора, равной расчетной частоте п_р. По условиям прочности рабочих ло­паток ротора турбины и компрессора увеличивать частоту враще­ния нельзя.

Кривая 6 также представляет собой характеристику турбины, но при минимально допустимой температуре газа перед ней Т_сш При этой температуре еще обеспечивается устойчивое горение в камере сгорания.

Таким образом, зона, ограниченная кривыми /, 3, 4, 5, 6, явля­ется зоной возможных режимов работы ГТУ (на рис. 122 заштри­хована).

Режимы частичной нагрузки в основном возникают потому, что необходимо изменить вырабатываемую ГТУ мощность, которая зависит от удельной полезной работы Я и расхода G рабочего тела: N=GH. Очевидно, что изменять мощность ГТУ можно, из­меняя расход рабочего тела G, удельную полезную работу Я или оба эти параметра.

'.. Изменение мощности ГТУ изменением только расхода или удельной полезной работы называют соответственно количествен­ным и качественным способами регулирования. При одновремен­ном изменении этих параметров регулирование мощности назы­вают смешанным.

Количественный способ регулирования мощности наиболее эко­номичен, так как позволяет поддерживать" расчетные отношения температур т и давлений е в ГТУ. При этом кпд ГТУ сохраняется максимальным. Однако практически реализовать такой способ регулирования можно только в ГТУ замкнутого цикла. Удаляя из тракта ГТУ или прибавляя в него рабочее тело, можно изме­нять массовый расход G. При этом давление во всем тракте будет изменяться пропорционально изменению расхода, а отношение давлений е сохраняться постоянным. Температуру перед газовой турбиной можно держать постоянной, регулируя расход топлива, а перед компрессором—регулируя расход охладителя.

Качественный способ регулирования наименее экономичен, так как удельную полезную работу Н можно изменить, только умень­шая температуру газа перед турбиной, что снижает термодинами­ческий кпд цикла ГТУ. Кроме того, при уменьшении температуры газа снижается давление перед турбиной. В результате изменя­ется степень сжатия е и падает кпд ГТУ, так как режим ее работы становится неоптимальным.

\/ В реальных ГТУ открытого цикла можно осуществлять только смешанное регулирование. Дело в том, что, по крайней мере, два ■ параметра не могут быть изменены произвольно — температура и давление воздуха перед компрессором, так как они определяются лишь состоянием атмосферного воздуха. При любом изменении температуры перед турбиной изменяются степень сжатия е и расход рабочего тела G.

Характер изменения расхода и кпд ГТУ зависит от ее схемы и типа потребителя мощности. Рассмотрим поведение простой ГТУ при двух типах потребителей мощности: с постоянной и перемен­ной частотой вращения ротора.

Допустим, что простая ГТУ работа на расчетном режиме, ко­торый на рис. 123 изображается точкой О на пересечении харак­теристик компрессора при частоте вращения, равной расчетной «р, и турбины при температуре газа перед ней, равной расчетной 1 _Ср. Чтобы уменьшить мощность ГТУ, необходимо уменьшить рас­ход топлива и снизить температуру газа перед турбиной до неко­торого значения Т_с<7_ср. Этой температуре будет соответствовать новая характеристика турбины (пунктирная линия на рис. 123). Характеристика компрессора останется той же, так как частота вращения не изменялась. Новый режим работы ГТУ будет соот­ветствовать точке / пересечения этих характеристик.

Оказывается, что при уменьшении мощности простой ГТУ, ра­ботающей при постоянной частоте вращения, расход рабочего тела должен возрасти: Gi>G. Это объясняется тем, что при снижении ^г температуры газа перед турбиной, ротор которой вращается с постоянной частотой, ее гидравлическое сопротивление уменьшает­ся, В результате того что расход рабочего тела увеличивается, температуру газа перед турбиной приходится снижать так, чтобы уменьшение удельной полезной работы Н было значительнее уве­личения расхода и мощность ГТУ действительно уменьшалась.

Если простая ГТУ работает с пере­менной частотой вращения (например, для привода нагнетателя природного газа), то совместный режим работы турбины и компрессора определяется характеристикой потребителя мощнос­ти. Линия их совместной работы по­казана на рис. 124 штрих пунктиром. При изменении мощности ГТУ изме­нится также частота вращения ротора: при ее уменьшении снизится расход рабочего тела. Таким образом, в дан­ном случае расход изменяется в ту же сторону, что и мощность. При этом уменьшать удельную полезную работу

Н так же значительно, как в первом случае, не нужно. Следова­тельно, меньше изменится температура газа перед турбиной и значительно меньше будет изменение кпд ГТУ. Введение регене­рации приводит к еще более устойчивому сохранению кпд ГТУ при изменении нагрузки.

Как уже отмечалось, характер изменения расходов и кпд ГТУ также зависит от ее схемы. Чтобы повысить кпд ГТУ на частич­ных нагрузках, создают двух- и трехвальные установки.

Рис. 124. Изменение ре­жима работы ГТУ при переменной частоте вра­щения ротора

.1 2

Y

3 1

«V,

-1

С)

I)

Рис." 125. Варианты компоновки агрегатовдвухвальной ГТУ:

а, 6 — с последовательно работающими турбинами, в — с параллельно работающими, турби­нами; / — компрессор, 2, 3 — турбины высокого и низкого давления, 4 — камера сгорания, 5 — регенератор, 6 — турбина привода компрессора, 7 — силовая турбина

Рассмотрим особенности работы двухвальной ГТУ, состоящей из одного компрессора, двух турбин и одной камеры сгорания при трех возможных схемах их компоновки (рис. 125, а—б). После компрессора воздух попадает в регенератор, а затем — в камеру

сгорания. Компрессор расположен на свободном валу, к которому не подсоединен потребитель мощности. Для привода компрессора и потребителя мощности используются разные турбины.

При первом варианте компоновки (рис. 125, а) компрессор вращает турбина высокого давления, при втором (рис. 125, б) — турбина низкого давления, а при третьем (рис. 125, в) —обе тур­бины работают параллельно, причем одна служит для привода компрессора, а вторая — потребителя мощности.

В первом случае (рис. 125, а) компрессор потребляет мощность турбины высокого давления. При переменном режиме ее мощность изменяется меньше, чем мощность турбины низкого давления, ко­торая несет полезную нагрузку. Следовательно, расход воздуха, который выдает компрессор, будет изменяться незначительно и в основном изменение полезной мощности будет происходить в_ ре­зультате уменьшения теплоперепада в турбине низкого давления.

Во втором случае (рис. 125, б) даже относительно небольшое изменение полезной мощности вызовет существенное изменение расхода воздуха, так как турбина высокого давления вырабаты­вает полезную мощность, а турбина низкого давления приводит в действие компрессор. Следовательно, изменение полезной мощно­сти будет происходить в основном в результате изменения расхода рабочего тела.

Сопоставление первого и второго, вариантов компоновки агре­гатов показывает, что регулирование мощности ГТУ при втором варианте ближе к количественному способу, а следовательно, ее кпд на частичных нагрузках должен быть больше. Этот вывод подтверждается расчетами и экспериментами.

Однако в основном распространение получил первый вариант компоновки агрегатов, так как при втором варианте ГТУ имеют ограниченный диапазон изменения мощности. Это происходит вследствие того, что при снижении полезной, нагрузки резко умень­шается расход воздуха через компрессор и он при полезной на­грузке, немного меньшей, чем половина номинальной, попадает в помпаж; Чтобы ГТУ работала при меньшей мощности, необходимо открыть противопомпажные клапаны, что резко снижает ее кпд.

Третий вариант компоновки агрегатов ГТУ (рис. 125, в) близок по схеме к одновальной ГТУ, работающей с переменной частотой вращения. Однако он не получил распространения из-за того, что обе турбины срабатывают полный теплоперепад и число ступеней в каждой из них равно сумме ступеней турбин высокого и низкого давления при первом варианте компоновки, а следовательно, из­готовление их обходится дороже. При этом турбина, служащая для привода потребителя мощности, вырабатывает примерно треть мощности и потребляет около трети расхода рабочего тела, в ре­зультате чего ее лопатки должны быть короткими, что уменьшает кпд.

Для получения высокого кпд ГТУ в широком диапазоне изме­нения полезной мощности применяют трехвальные ГТУ (рис. 126), турбины 4, 3 и 2 которых последовательно соединены газовым

трактом. Эти турбины механически не связаны между собой, ра­ботают при разных изменяющихся частотах вращения и имеют общую камеру сгорания 9 и один регенератор 8 перед ней. Компрес­сорная группа состоит из трех последовательно соединенных воздушным трактом и также механически не связанных между собой компрессоров 1, 6, 5. Компрессор 1-й турбина 2 низкого давления образуют один компрессорный вал, а компрессор 5 и турбина 4 высокого давления — второй; на третьем валу располо­жены компрессор 6 и турбина 3 среднего давления, а также по­требитель полезной мощности.

Объединение турбин и компрессоров в такие группы обеспечи-

Рис 126. Схема трехвальной ГТУ:

/, 5, 6 — компрессоры низкого, высокого и среднего дав­ления, 2. 3, 4— турбины низкого, среднего и высокого давления, 7 — охладитель, в — регенератор, 9 — камера сгорания

вает устойчивый кпд и широкий диапазон регулирования нагру­зок. При изменении нагрузки мощность турбины низкого давления изменяется наиболее сильно, что позволяет в достаточно широких пределах изменять расход воздуха в результате изменения режи­ма работы компрессора низкого давления. Вместе с тем компрес­сор высокого давления работает при гораздо меньшем изменении частоты вращения, так как приводом ему служит турбина высо­кого давления, режим работы которой изменяется меньше, чем двух других турбин.

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются количественный и качественный способы регулирования ГТУ?

2. Почему нельзя уменьшать расход воздуха через компрессор до нуля?

3. Как изменяются расходы рабочего тела при режимах частичных нагрузок ГТУ, предназначенных для привода электрических генераторов и нагнета­телей природного газа?

Слив топлива из транспортных ^цистерн