Розділ 3. Парові та газові турбіни

Розвиток електричних станцій у 90-ті роки ХІХ століття вимагав створення більш потужного і раціонального теплового двигуна, яким виявилась парова турбіна. Із самого початку свого практичного застосування парова турбіна володіла рядом переваг в порівнянні з паровою машиною. Вона значно простіше і зручніше здійснювала принцип безперервного обертального руху, ніж поршнева парова машина. Турбіна могла розвивати швидкість обертання робочого валу до значень, які обчислювались десятками тисяч обертів за хвилину, практично недоступних для парової машини. Нарешті, потужність парової турбіни набагато перевершувала потужність парової машини значно більших габаритів.

Винятково важливою перевагою парової турбіни виявилась зручність її з’єднання з електричним генератором без застосування будь-яких проміжних передач. Турбіна легко зносила перевантаження, легко регулювалась по частоті обертання. У поєднанні з більш високим к.к.д. турбіни, особливо при великих навантаженнях, всі ці якості й зробили парову, а пізніше і газову турбіну основними привідними двигунами електрогенераторів.

Власне газова турбіна є такою ж лопатковою машиною, що й парова: в обох випадках механічна енергія обертання ротора генерується в результаті трансформації на його лопатках кінетичної енергії потоку робочого тіла (мал. 3.1).

По суті, відрізняються ці турбіни лиш робочим тілом. Якщо в паровій турбіні таким зазвичай є водяна пара, то в газовій турбіні – газ, тобто робоче тіло, яке не змінює свій агрегатний стан в циклі (найчастіше це продукти згорання або їх суміш з повітрям чи парою). Для утворення кожного із цих робочих тіл потрібні визначені комплекси додаткових агрегатів, які утворюють разом з турбіною установку: паротурбінну (ПТУ) – при роботі на парі та газотурбінну (ГТУ) – при роботі на газі, а також парогазову (ПГУ) – при роботі на парі й газі.

Мал. 3.1. Турбіна і її робочий процес: 1 – соплові лопатки; 2,3 – робочі лопатки; 4 – потік робочого тілаГазотурбінна установка (ГТУ) володіє суттєво великими можливостями досягнення високого к.к.д. у порівнянні з паротурбінною установкою (ПТУ) завдяки значно більшій температурі робочого тіла (верхній температурі циклу). При цьому їй властивий ряд інших конструктивних і експлуатаційних переваг перед існуючими тепловими двигунами (ротаційними і поршневими): вона може бути виконана з агрегатною потужністю, яка співставна з потужністю сучасних парових турбін, і при цьому дозволяє за рахунок меншої питомої ваги значно скоротити витрати металу на спорудження електростанції (у 5–10 разів), за рахунок менших габаритів скоротити необхідну площу і кубатуру приміщень для встановлення обладнання (у 2–3 рази, а в деяких випадках і більше), забезпечити швидкий запуск установки і її високу маневреність за рахунок властивих ГТУ динамічних характеристик, надійно і економічно працювати на різних видах рідкого і газоподібного палива, скоротити у 4–5 разів потребу в охолоджуючій воді, а також за рахунок високої надійності спростити експлуатацію, зменшивши у зв’язку з цим витрати на техобслуговування і потребу в обслуговуючому персоналі. При високій технологічності газотурбінний двигун добре пристосований до автоматизації і володіє можливістю агрегатного ремонту, а система його регулювання й захисту забезпечує у високому ступені постійність електричної частоти енергосистеми.

Структура сучасної світової енергетики включає в якості основного обладнання теплових електростанцій парові, газові, парогазові й газопарові установки. При цьому спостерігається тенденція збільшення частки парогазових (ПГУ) і газотурбінних установок (ГТУ) у загальному балансі потужності теплових електростанцій.