Многофункциональная турбоустановка

Многофункциональная турбоустановка относится К производству газотурбинных двигателей и установок одно-, двух-, трехвальнь 1 х, разного назначения, мощности, и может найти применение на транспортных и нетранспортнь 1 х машинах, с механическим или электрическим приводом, в энергетике и в других областях техники.Газотурбиннь 1 е двигатель и установка (общем случае) состоят из турбинного компрессора, газовой силовой турбины или турбины со ступенями, коробкой приводов для топливного насоса, пускового стартера, выходного вала, теплообменника, свечи зажигания,жаровой - жаровых труб, аккумулятора, сопла или выпускной трубы.Турбинный компрессор засасывает и сжимает атмосферный воздух и, повышая его давление, непрерывно подает в камеру сгорания. Туда же насосом подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива, которое поджигается свечой зажигания,продукты сгорания выходят из нее и через сопловой аппарат поступают на газовую турбину и, расширяясь на лопатках турбины, вращают ее и вал, общий для турбины и компрессора, температура снижается. Весь перепад давлений используется для получения полезной работы. Большая часть этой работы расходуется на привод компрессора. Разность между ними является полезной и используется на приводе трансмиссии и на приводе электрического генератора и т.д. Одной из основных характеристик является степень повышения давления в компрессоре, равное отношению давления воздуха в компрессоре к давлению перед ним. КПД идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением степени повышения давления. Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия.Газовая турбина - составная часть газовых турбинных двигателей и установок - тепловая расширительная машина, в которой потенциальная энергия сжатого воздуха - горячего газа при его расширении в лопаточном аппарате превращается в кинетическую энергию, а затем механическую работу на вращающемся валу. Ступень осевой турбины образует проточную часть. Процесс расширения в осевой турбине или сжатия в осевом компрессоре происходит в одной или нескольких ступенях и движется в направлении, параллельном оси турбины, и зависит от кинематической схемы и назначения, есть турбина высокого давления и турбина низкого давления.Не имея деталей с возвратно-поступательным движением, газовые турбины развивают значительно большие мощности, чем ДВС, дизель и т.д. Предельные мощности энергетических ГТУ составляют 100-200 МВт 1.Конструкции ГТД - ГТУ их узлов зависят от выбранной конструктивной схемы, т.е. взаимного расположения турбинных компрессоров, камер сгорания, турбин, воздухоохладителей и регенераторов.ГТД и ГТУ в зависимости от назначения и по числу ступеней разделяются на одноступенчатые и многоступенчатые и могут быть одновальные, двухвальные, трехвальные. По направлению движения газа турбины классифицируются на осевые и радиальные (центробежные, реактивные и центростремительные).Практическое применение получили осевые турбины, т.к. по сравнению с радиальнь 1 ми имеют меньшую массу и габаритные размеры. Осевая одноступенчатая и многоступенчатая турбина состоит из вращающегося ротора и неподвижного корпуса, который может иметь либо вертикальный, либо горизонтальный разъем. Ротор несет ряды закрепленных на нем рабочих лопаток. Перед каждым рядом сопловых лопаток (многоступенчатая) в корпусе устанавливаются сопловые лопатки. Для уплотнения зазора между ротором и корпусом применяются уплотнения. В ГТД и ГТУ с турбинами со ступенями с последовательно чередующимися сопловыми аппаратами газ постепенно расширяется в сопловых аппаратах и турбине каждой последующей ступени и по сравнению с одноступенчатой,теплоперепад и падения давления, приходящийся на каждую ступень, уменьшается, но КПД двигателя и установки увеличивается с числом ступеней, а скорость после компрессора на входе в камеру сгорания при давлении до 0,4 МПа достигает 92-168 м/с, что при 131340211 200741248дает ГТД И ГТУ высокую удельную мощность, а рабочие числа оборотов лежат в диапазоне от 3000 об/мин до 60000 об/мин.Крутящий момент одновальнь 1 х ГТД И ГТУ возрастает с увеличением скорости вращения вала и достигает максимума при высоких оборотах. Отсутствие механической (кинематической) между основной турбиной и свободной, т.е. двухвального двигателя и установки, позволяет осуществить более быстрое раскручивание турбины и вала от холостого хода до максимального, а максимальное рабочее давление газа бывает порядка 5,266,68 кг/см 2 и в процессе работы постоянно. В конструкциях ГТД и ГТУ нет рубашек охлаждения, нет радиаторов, устранена возможность замораживания в холодную погоду и т.к. в ГТД и ГТУ нет элементов, подлежащих смазке, которые находятся в непосредственном контакте с продуктами сгорания, то смазочное масло сохраняет свое эксплуатационное качество. Так как мощность ГТД и ГТУ зависит от расхода воздуха, то для того, чтобы увеличить их мощность, компрессор и турбина конструируется на большие секундные расходы воздуха. Для ГТД и ГТУ до допустимым по условиям прочности материала максимальная температура газов перед турбиной - 900-1180 С. Для обеспечения более низкой температуры газа воздух подается в камеру сгорания в значительно большем количестве, чем требуется для процесса сгорания. Поэтому в современных транспортных ГТД турбинный компрессор потребляет мощность в двое большую полезную мощность,снимаемую с вала свободной турбины (двухвальный двигатель). Расход воздуха транспортных ГТД в три четыре раза больше, чем у дизелей равной мощности. В ГТД и ГТУ как любого топливного двигателя основную часть потери теплоты термодинамического цикла составляет потеря теплоты с уходящими газами в атмосферу, т.е. 65-80 .На автомобиле Роверт установлен ГТД с одной камерой сгорания и без теплообменника. Двигатель развивает мощность 185-200 л.с., средняя скорость 144 км/ч. Двигатель автомобиля Остен имеет двухступенчатый Центробежный компрессор,приводимый во вращение трехступенчатой осевой турбиной, и одноступенчатую свободную турбину и одну камеру сгорания. Воздух через входное отверстие попадает в компрессор и после него поступает в теплообменник нагретый в теплообменнике, направляется в камеру сгорания, в которой сгорает топливо, и через сопловой аппарат направляется на трехступенчатую турбину, потом свободную турбину и по патрубку через выхлопную трубу в атмосферу.Автомобильный одновальный ГТД с бесступенчатой коробкой передач достаточно технологичен в изготовлении и с большим разнообразием кинематических схем, но на любом устанавливаемом режиме работы из мощности, развиваемой силовой турбиной,две трети ее затрачиваются на вращение турбин компрессора. Масса силовой турбины составляет 25-30 массы двигателя, что обеспечивает большое инерционное вращение, а кинетическая энергия потока нарастает в процессе раскрутки и от подогрева воздуха, но двухвальная схема получила наибольшее распространение.Автомобильный ГТД может работать с любой трансмиссией - автоматической и неавтоматической. Две турбины или те же турбины с несколькими ступенями на одном валу, с которого снимается эффективная мощность, кинематически и конструктивно являются наиболее простыми. А ГТД 3600 и 4200 фирмы Форд выпускается для пожарных машин в качестве двигателя и одновременно для привода пожарного насоса,производительностью 8000-10000 л/м, а также для применения на судах в качестве приводных компрессоров и т.д. ГТД для колесных и гусеничных машин достаточно технологичны в изготовлении и с большим разнообразием кинематических схем.Особенность АГТД требует тщательного выбора кинематических схем. Одновальные АГТД имеет такое протекание крутящих моментов, из-за которого они принципиально не пригодны на транспортных машинах, если трансмиссия не обеспечивает непрерывного изменения передаточного отношения между валом и ведущими колесами. При снижении частоты вращения (одновального ГТД) крутящий момент снижается вплоть до остановкидвигателя. Другой особенностью АГТД является способность развивать тормозную Мощность - осуществляется с помощью РСА (регулируемый сопловой аппарат), которым производится поворот сопловь 1 х лопаток турбин против направления вращения. Локомотивный ГТУ мощностью 6220 л/с выполнен в виде одновального агрегата и размещен в двух вагонах. В одном вагоне размещена ГТУ с электрогенератором, пультом управления и два топливных бака. Во втором вагоне расположен трансформатор, пусковая аккумуляторная батарея, распределительное устройство, вспомогательные механизмы. Запуск производится электродвигателем, в качестве которого используется возбудитель генератора.ГТД корабельной службы представляет собой двухвальный двигатель, в котором свободная силовая турбина через независимый вал и редукторную передачу соединяется с гребным валом. Свободная турбина выполнена в виде четырех ступеней и делает 3600 об/мин. Суда на подводных крыльях и на воздушной подушке оборудованы турбовинтовыми ГТД, работающие на водометный движитель, и двухвальные турбовинтовые ГТД, работающие на гидравлические и воздушные винты. Мощность одновальных ГТД находится в пределах от 700-12000 л/с, для пуска которых используется несколько аккумуляторных батарей напряжением 12 В, соединенных в параллельную группу емкостью 720 а/ч и напряжением 24 В.Авиационные ГТД имеют мощность от 3000-10000 л/с и от 15000-80000 об/м. ГТД легкового автомобиля содержит Центробежный двухступенчатый компрессор, приводимый во вращение трехступенчатой осевой турбиной, и одноступенчатую свободную турбину, одна камера сгорания. Двигатель развивает мощность до 200 л/с, наибольшая скорость 140 км/ч, число оборотов до 40000 об/м. Трехвальную схему применяют на транспортных ГТД большой мощности свыше 5 МВт, например на судах и пиковых, аварийных, стационарных, энергетических ГТУ. Электрическая система ГТД и ГТУ в общем случае состоит из аккумулятора или батареи аккумуляторов, стартера или пускового мотора, генератора или стартера-генератора, индуктивной кату 1 цки и одной свечи. После запуска ГТД и ГТУ пусковой мотор переходит на генераторный режим, заряжая аккумулятор 2, 3, 4, 5, 6.Все камеры сгорания имеют во входной части диффузор, в которым скорость воздуха снижается от 150 до 50-70 м/с. В диффузоре поток воздуха разделяется на две части меньшая часть 20-50 первичный воздух проходит внутрь жаровой трубы через головную часть, называемую фронтовым устройством, а также через систему отверстий в передней части жаровой трубы. Остальной воздух вторичный протекает между кожухом камеры и жаровой трубой и затем поступает в жаровую трубу через систему отверстий в ее стенках 7.Недостаток ГТД и ГТУ заключается в том, что используется органическое топливо, на добычу которого затрачиваются огромные финансово-материальные ресурсы, 2/3 мощности, развиваемой турбиной, затрачивается на вращение турбинного компрессора со сжатием воздуха, кислород которого участвует в химической реакции с топливом и переходит в токсичные соединения, поступающие в атмосферу, нарушая экологическое природное равновесие, а также с большими потерями теплоты для изготовления турбин используются жаропрочные стали.В качестве рабочего тела в пневматическом приводе используется сжатый воздух. В компрессоре, электрическом или механическом, энергия, расходуемая на сжатие воздуха,преобразуется в потенциальную энергию (запасается в ресивере). При расширении воздуха в пневматических двигателях потенциальная энергия сжатого воздуха переходит в механическую энергию выходного вала. Таким образом, воздух, накопленный в замкнутом пространстве (ресивере), дает возможность использовать запасенную потенциальную энергию для привода рабочих органов разных машин. Сжатый воздух, применяемый в пневмоприводе, может обеспечивать высокие скорости выходного звена - линейного до нескольких метров в секунду, вращательного до 300000 об/м. Пневмоприводы обеспечи 4вают рабочие скорости в пять раз больше, чем гидроприводы. Пневмотические приводы, в отличии от электрических, не требуют защитных устройств от перегрузок, их можно оставлять под нагрузкой на неограниченное время 8.Недостаток такой пневмосистемы заключается в том, что отработанный сжатый воздух выпускается в атмосферу, т.е. разовое использование.Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание конструкций многофункциональной турбоустановки - одновальной, двухвальной,трехвальной, - в которых отсутствует турбинный компрессор, а термодинамический цикл осуществлять со сжатым воздухом, с подводом тепла к нему без сгорания топлива в нем и без выхода в атмосферу.Поставленная задача решается тем, что турбоустановка, содержащая осевую турбину(со ступенями), с корпусом, с одним или несколькими валами, коробку приводов, жаровую трубу или трубы, сопловой аппарат, стартер, аккумулятор или батарея аккумуляторов и т.д., согласно полезной модели, в одновальной конструкции турбоустоновки, входное отверстие в корпусе турбины (со ступенями) соединено с сопловым аппаратом и жаровой трубой, в которой установлен нагреватель в виде спирали - поперечной или продольной с подсоединенными к ней электродами, а выходное отверстие в корпусе соединено с воздуховодом и направлено в обратную сторону на соединение с жаровой трубой. До соединения с жаровой трубой воздуховод соединен с одним или двумя проходными ресиверами, после которых воздуховод перед жаровой трубой разделяется на два патрубка с вентилями, запоры которых нажимного действия или вращательного, от педали газа. Один из этих патрубков соединен через вентиль с жаровой трубой, а другой через вентиль соединен с воздуховодом, направленный в обход корпуса с турбиной на соединение с воздуховодом, выходящий из корпуса турбины. В такой же одновальной конструкции воздуховоды могут быть без вентилей, т.е. регулирование потоков воздуха по воздуховодам на турбину или в обход не нужно. Воздуховод с ресивером или ресиверами, с жаровой трубой и сопловым аппаратом, образует замкнутую пневмосистему, и заполняется сжатым воздухом, от запасного ресивера с давлением в нем 20-30 МПа. Запасной ресивер заполняется на стационарной компрессорной станции. Корпус с турбиной (со ступенями) устанавливается на валу с подшипниками качения и с одной стороны корпуса турбины стоят уплотнения против утечки воздуха из системы. На этом валу после уплотнения устанавливается маховик, а после маховика устанавливается коробка приводов для стартера и генератора или мотора-генератора, масляного насоса и т.д., а выходной вал коробки приводов служит для снятия мощности потребителем (через трансмиссию или генератор).В такой же одновальной конструкции турбоустановки могут быть две пневмосистемы с одной или двумя жаровыми трубами, с одним или двумя проходными ресиверами, а также на одном валу могут быть либо одна турбина, или турбина со ступенями в одном корпусе, или турбина с корпусами, соединенные между собой воздуховодами с жаровыми трубами и сопловыми аппаратами (как энергетическая установка).В такой же одновальной конструкции турбоустановки корпус турбины или турбины со ступенями может установлен и с противоположной стороны вала и коробка приводов без того выходного вала, с которого снимается мощность, но съем мощности происходит от середины общего вала с двумя маховиками через зубчатую передачу либо со стороны одного из корпусов турбины, а пневмосистемы с вентилем и варьируются в зависимости от назначения. В одновальных конструкциях давление в пневмосистемах может быть от 0,2-0,3 МПа до давления О,9-1,О МПа в зависимости от назначения (крупногабаритных).В двухвальных конструкциях турбоустановки две одновальные конструкции с турбинами (со ступенями) или без них, с одной пневмосистемой или двумя, с одним или двумя проходными ресиверами, и в которых все также варьируется, как и в одновальной конструкции и с одним маховиком, причем на втором валу с турбиной и корпусом нет маховика и с вала с этой турбины происходит съем мощности такая конструкция двигателя уста