Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
Газотурбинные установки (ГТУ). Общие сведения
|
|
Основным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания является ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления. Эти недостатки отсутствуют в газотурбинных установках, где рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива. Рабочее тело, имеющее высокие температуру и давление, из камеры сгорания направляется в сопло, в котором оно расширяется и с большой скоростью поступает на лопатки газовой турбины, где используется его кинетическая энергия для получения механической работы.
ГТУ обладают многими важными преимуществами перед поршневыми двигателями. Газовые турбины имеют относительно малую массу и небольшие габариты, в них нет деталей с возвратно-поступательным движением, они имеют большие удельные мощности.
Однако при создании крупных стационарных ГТУ еще нужно решить ряд важных задач. Прежде всего необходимо повысить начальную температуру газа перед турбиной, чтобы увеличить термический КПД цикла установки. Это требует создания новых жаропрочных сталей, способных устойчиво работать при максимальных температурах. Применяемое в настоящее время водяное или газовое охлаждение элементов газовой турбины, работающих в области высоких температур, является недостаточно надежным и конструктивно сложным.
Большое значение для экономичности ГТУ имеет повышение эффективного КПД компрессора, входящего в систему установки. Дело в том, что примерно 75% мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора и поэтому общий КПД ГТУ главным образом определяется совершенством работы компрессора.
ГТУ могут работать со сгоранием топлива при постоянном давлении и при постоянном объеме.
Схемы газотурбинных установок приведены на рис. 11.1. ГТУ состоят из газовой турбины, имеющей две основные части: вращающийся диск с радиальными лопатками 11 (ротор) и корпус 2 (статор). На общем валу с ротором установлены потребитель энергии 1 (нагрузка) и турбокомпрессор 3, сжимающий воздух и подающий
 |
Рис. 11.1. Схемы газотурбинных установок:
а – с подводом количества теплоты в процессе при постоянном
давлении, б – с подводом количества теплоты в процессе при
постоянном объеме, в – разрез по А-А (статор-ротор)
его по трубопроводу 8 в камеру сгорания 9. В эту же камеру по трубопроводу 6 топливным насосом 5 из бака 4 подается топливо, которое впрыскивается через форсунку или клапан 7. Газы, образующиеся в результате сгорания топлива, подаются в сопловой аппарат 10, в котором его скорость увеличивается. После соплового аппарата, газ, имеющий высокую кинетическую энергию, попадает в канал между лопатками ротора, где и совершается работа вследствие образующегося давления газа на вогнутую поверхность лопаток (рис. 11.1, в). Давление создает силу, вращающую ротор, Отработавшие газы выпускаются через патрубок 12. Цикл газотурбинной установки состоит из термодинамических процессов, происходящих в турбокомпрессоре 3, камере сгорания 9 и в самой турбине 11.
Как было сказано, имеются два основных типа газотурбинных установок. В газотурбинных установках с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 11.1, а) и подводом теплоты при постоянном объеме (рис. 11.1, б). Рабочая смесь (топливо с воздухом) воспламеняется с помощью электрической искры свечи зажигания 14, а газ периодически выпускается клапаном 13.
11.2. Цикл ГТУ с подводом количества теплоты в процессе р = const
На рис. 11.2 представлен идеальный цикл ГТУ на 
- и 
-диаграммах с подводом теплоты при 
.В этом цикле отвод теплоты от рабочего тела происходит не по изохоре, как в поршневых двигателях, а по изобаре. В поршневых двигателях объем газов при расширении ограничен объемом цилиндра. В газовых турбинах
|
Рис.11.2. Идеальный газотурбинной установки с подводом
количества теплоты в процессе 
: а - 
-диаграмма; б - 
- диаграмма
такого ограничения нет, и газы могут расширяться до атмосферного давления.
Рабочее тело с начальными параметрами 
сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. От точки 2 к рабочему телу подводится некоторое удельное количество теплоты 
по изобаре 2-3. Затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до начального давления и возвращается по изобаре 4-1 в первоначальное состояние, при этом отводится удельное количество теплоты 
. Характеристиками цикла являются степень повышения давления в компрессоре 
и степень изобарного расширения 
.
Количество подведенной теплоты – 
, а количество отводимой теплоты – 
.
Термический КПД цикла равен
.
Выразив значения температур через начальную температуру 
с учетом характера процессов, получим:
для адиабаты 1-2 – 
;
для изобары 2-3 - 
; 
;
для адиабаты 3-4 –
;
.
Подставив полученные выражения температур в формулу для термического КПД, будем иметь
.
Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении зависит от степени повышения давления 
и показателя адиабаты 
, возрастая с увеличением этих характеристик.
Отработавший газ после турбины целесообразно подавать в теплообменный аппарат для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, или направлять в коммунальное хозяйство для получения горячей воды, пара и т. д.
На 
диаграмме КПД цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе при постоянном давлении определяется соотношением площадей: 
(пл. 5236 – пл. 5146)/пл. 5236 = пл. 1234/пл. 5236.
При рассмотрении работы реальных ГТУ необходимо отдельно учитывать потери на необратимость процессов в турбокомпрессоре и в газовой турбине.
Расход энергии на трение в компрессоре влечет за собой увеличение температуры рабочего тела, так как работа трения превращается в теплоту и воспринимается рабочим телом, а это в свою очередь приводит к увеличению работы, затраченной на сжатие газа. Из рис. 11.3 видно, что теоретический КПД с подводом теплоты при 
на 
диаграмме изображается пл. 12341, а реальный цикл – пл. 
, где линия 
представляет собой условную необратимую адиабату сжатия в компрессоре, а линия 
- условную необратимую адиабату расширения газа в турбине.
|
Рис. 11.3. Ts – диаграмма ГТУ с реальными процессами
сжатия и расширения в компрессоре и на лопатках турбины
Теоретическая удельная работа сжатия в компрессоре равна 
, а действительная - 
или 
,
где 
адиабатный КПД турбокомпрессора.
Расширение газа на лопатках турбины сопровождается потерями на трение о стенки лопаток и завихрения потока газа, в результате чего часть кинетической энергии рабочего тела превращается в теплоту и энтальпия газа на выходе из турбины 
(точка 
на рис. 11.3) больше энтальпии 
обратимого процесса расширения (точка 4). Теоретическая удельная работа расширения в турбине равна разности энтальпий в точках 3 и 4: 
, а действительная будет равна 
.
Отношение внутренней действительной удельной работы расширения газа в турбине к теоретической удельной работе идеальной турбины называется внутренним относительным КПД газовой турбины:
.
Действительная полезная удельная работа 
, которая может быть получена в газотурбинной установке, равна разности действительных работ расширения в турбине и сжатия в компрессоре:
,
где 
механический КПД.
Отношение полезной работы ГТУ () к количеству затраченной теплоты () называется эффективным КПД газотурбинной установки: 
.
Подробный анализ последнего уравнения приводится в специальной литературе по газотурбинным установкам.
11.3. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе v = const
Схема ГТУ с подводом теплоты в процессе v = const приведен на рис. 11.1б. В такой ГТУ сжатый в турбокомпрессоре воздух поступает из рессивера через воздушный клапан в камеру сгорания. Сюда же насосом через клапан подается жидкое топливо. Продукты сгорания проходят через сопловой клапан и поступают на лопатки газовой турбины, где расширяются до практически внешнего давления.
Для осуществления периодического процесса горения необходимо подавать воздух и топливо через соответствующие управляемые клапаны в определенные периоды времени. Процесс горения происходи при закрытых сопловом и воздушном клапанах. Воспламенение топлива происходит от электрической искры. После сгорания давление в камере повышается, открывается сопловой клапан и продукты сгорания направляются через сопло на лопатки турбины, где и расширяются до конечного давления. На рис. 11.4 приведены pv – и Ts – диаграммы цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе
v = const. Рабочее тело с начальными параметрами р 1, v 1, Т 1 сжимает-
 |  | ||
Рис. 11.4. Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты
в процессе v = const: a – pv – диаграмма, б – Ts – диаграмма
ся по адиабате 1-2 до точки 2, давление в которой определяется степенью повышения давления. Далее по изохоре 2-3 к рабочему телу подводится некоторое количество теплоты q 1, затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до начального давления (точка 4) и возвращается в начальное состояние по изобаре 4-1, при этом отводится удельное количество теплоты q 2.
Характеристиками цикла являются степень повышения давления в компрессоре 
, степень добавочного повышения давления в камере сгорания 
.
Как и в рассмотренных выше циклах можно получить следующую формулу для термического КПД ГТУ с подводом теплоты в процессе v = const:
.
Date: 2015-05-09; view: 1788; Нарушение авторских прав