Классификация газотурбинных установок

Общим назначением ГТУ, как и любых тепловых двигателей с термодинамическим циклом, использующих газ в качестве рабочего тела, является превращение теплоты в механическую работу. Кроме того, ГТУ может, служит источником теплоты, используемой в энергетике (ПГУ) и народном хозяйстве (теплофикация).

По назначению ГТУ можно разделить на:

энергетические­– вращают электрогенераторы переменного и постоянного тока;

приводные (нагнетательные) – приводят в действие газовые нагнетатели на газопроводах, компрессоры, вентиляторы, наддувные устройства, гидравлические насосы и др. механические устройства (например, пусковые устройства тепловых двигателей);

промышленные – интенсифицируют технологический процесс производства (в металлургии, нефтехимической и химической промышленности);

транспортные­– передают механическую энергию движителю транспортного средства (колесам, гусеницам, судовому винту) через трансформатор момента: механический (муфту, коробку скоростей), гидравлический, газовый или электрический;

авиационные­– передают полезную энергию движителю авиационного транспортного средства – воздушному винту, вентилятору и реактивному устройству (соплу).

От назначения ГТУ зависят характеристики на переменных режимах, а также схема и конструкция установки.

По сложности термодинамического цикла ГТУ разделяются:

простые – процесс сжатия происходит в одном или нескольких компрессорах, подведение теплоты в одном подогревателе (или сжигание топлива в одной камере), расширение в одной или нескольких турбинах;

регенеративные – часть теплоты газов, выходящих из турбины, передается рабочему телу до подведения к нему внешней теплоты;

карнотизированные – цикл ГТУ приближается к циклу Карно, процесс сжатия сопровождается, многократным (между компрессорами) или непрерывным (в компрессоре) отводом теплоты, процесс расширения сопровождается промежуточным сгоранием топлива или подведением теплоты между турбинами, а также непрерывным сгоранием или подведением теплоты (внутри турбин).

Усложнение термодинамического цикла осуществляется для повышения экономичности ГТУ (число элементов установки при этом увеличивается).

По числу агрегатов ГТУ можно разделить на простейшие, состоящие из одного компрессора, одного подогревателя (или камеры сгорания) и одной турбины, и многоагрегатные, состоящие из большего числа агрегатов, чем простейшие, включают в себя (помимо лопаточных машин) охладители, промежуточные подогреватели (или камеры сгорания) и регенератор.

По числу валов ГТУ разделяются на одно-, двух-, трехвальные и, в общем случае, многовальные, т.е. с числом валов более одного. Большинство современных ГТУ – многовальные (транспортные, приводные, авиационные). Это обусловлено большей экономичностью компрессоров и турбин в многовальных ГТУ и, следовательно, увеличенным КПД установки в целом на номинальном и, особенно на переменных режимах.

По расположению нагрузки ГТУ могут быть блокированными – в них нет турбин, свободных от привода компрессора, и со свободной (или свободными)

турбиной – к ее валу присоединена только нагрузка. Транспортные ГТУ обычно выполняют многовальными со свободной турбиной. Исключение составляет ГТД имеющие трансформатор крутящего момента с плавным изменением передаточного числа.

Многовальные ГТУ могут быть с нагрузкой на валу ТНД, с нагрузкой на валу ТВД и с нагрузкой на валу турбины среднего давления.

ГТУ с нагрузкой на валу ТВД экономичнее на режимах частичной мощности. Однако большинство современных многовальных ГТУ любого назначения выполняют с нагрузкой на валу ТНД, так как нагрузка на валу ТВД или турбины среднего давления в ГТУ по простой схеме ухудшает характеристики этих установок на переменных режимах. Многовальные ГТУ с нагрузкой на валу ТВД, выполненные по карнотизированному циклу, лишены этих недостатков.

По месту использования ГТУ разделяют на стационарные – сами установки и их коммуникации смонтированы на неподвижных фундаментах, и передвижные – установки, чаще всего энергетические и приводные, вместе с коммуникациями смонтированы на передвижных средствах. К передвижным ГТУ предъявляются более жесткие требования по их компактности и массе, однако при совпадении ресурсов работы передвижные установки и их элементы могут быть успешно использоваться в стационарной компоновке.

По термонапряженности горячих элементов ГТУ могут быть с неохлаждаемыми роторами – требуют относительно простой системы охлаждения корпуса и соплового аппарата турбины и с охлаждаемыми турбинами – требуют относительно сложной системы охлаждения корпусов и особенно роторов турбин.

По типу рабочего контура ГТУ разделяют на:

открытые – в качестве рабочего тела используется воздух, который поступает из окружающей атмосферы и туда же выводится;

замкнутые – рабочее тело (любой газ) циркулирует в контуре, совершая теплообмен с источником и потребителем теплоты во внешних теплообменниках – ЗГТУ;

полузамкнутые – одна часть рабочего тела циркулирует по контуру, а другая часть является сменной (обычно воздух, необходимый для окисления топлива) – ПЗГТУ.

Почти все современные ГТУ работают с открытым контуром. Замкнутые ГТУ и полузамкнутые ГТУ сложнее по конструкции, но экономичнее открытых ГТУ на переменных режимах, а также позволяют использовать дешевые твердые топлива. Недостаток ЗГТУ и ПЗГТУ заключается в том, что температура газа ниже, чем в открытых ГТУ, из-за низкой жаропрочности элементов подогревателей, что соответственно уменьшает КПД. Это уменьшение слабее проявляется в ГТУ с карнотизированным циклом.