Циклы газотурбинных установок (ГТУ). Циклы газотурбинных установок14. Циклы газотурбинных установокГазотурбинные установки (ГТУ) отличаются от ДВС тем, что полезная работа производится в них за счет кинетической энергии движущегося газа. ГТУ состоят из нескольких агрегатов, из которых основными являются: 1) компрессор, сжимающий воздух, направляющийся в камеру сгорания; 2) камера сгорания, в которой при p = const или при u = const происходит горение топлива, подаваемого специальным насосом; 3) газовая турбина. Газовая турбина в свою очередь состоит из вращающегося вала (называемого ротором), на который насажен ряд дисков с радиальными лопатками, и неподвижного корпуса (называемого статором), образующего сопловый аппарат. Процесс преобразования тепловой энергии в работу на валу турбины происходит следующим образом. Продукты сгорания топлива, имеющие высокие температуру и давление, поступают из камеры сгорания в сопла турбины, в которых за счет уменьшения энтальпии увеличивается их кинетическая энергия. Затем газ, вытекая из сопел с большей скоростью, проходит через криволинейные каналы, образованные лопатками ротора турбины, в которых и совершает работу за счет своей кинетической энергии. При прохождении газа по криволинейным каналам в результате изменения направления и скорости его движения развивается давление на лопатки, создающее вращение ротора турбины. Ротор турбины приводит во вращение электрогенератор (или другой потребитель энергии). Конструктивно ГТУ выполняются так, что турбина, компрессор, эл.генератор, топливный насос и пусковой эл.двигатель обычно находятся на одном валу. ГТУ обладают существенными преимуществами перед ДВС: 1) малым весом и малыми габаритами при большой мощности; 2) отсутствием кривошипно-шатунного механизма; 3) равномерностью хода; 4) простотой обслуживания. При рассмотрении циклов ГТУ сделаем те же допущения, которые были сделаны в предыдущей главе при рассмотрении циклов ДВС, т.е. будем рассматривать термодинамические циклы. 14.1 Цикл гту с изобарным подводом теплотыСхема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении изображена на рис. 14.1. Компрессор 2, приводимый в движение газовой турбиной 1, подает сжатый воздух в камеру сгорания 6, в которую через форсунку 7 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 3, находящимся на валу турбины, из топливного бака 4. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате газовой турбины и частично на лопатках ротора турбины и выбрасываются в атмосферу. Мощность, развиваемая турбиной, частично расходуется на привод компрессора и топливного насоса, а остальная часть потребляется электрогенератором 8 (или другим потребителем). Пуск установки осуществляется пусковым эл.двигателем 5.
Изобразим термодинамический цикл такой ГТУ в координатах p, u и T, s (рис. 14.2) Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 - изобарный подвод теплоты q1 в камере сгорания; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине; 4-1 - изобарный отвод теплоты. Работа, совершаемая в турбине 1 кг газа lт при адиабатном расширении, будет равна разности энтальпий газа перед турбиной и после нее: lт = h4 - h5. Эта работа за вычетом работы, затрачиваемой на привод компрессора lк = h3 - h2, воспринимается потребителем и составляет работу цикла. lц = lт - lк = (h4 - h5) - (h3 - h2). С другой стороны, работу цикла можно найти как разность подведенного и отведенного тепла. lц = q1 - q2 = (h4 - h3) - (h5 - h2). При обоих подходах получаем один и тот же результат. Найдем термический к.п.д. цикла: ht = 1 - q2/q1. Подведенное и отведенное тепло будет q1 = cp(T3 - T2) и q2 = cp(T4 - T1). Тогда ht = 1 - cp(T4 - T1)/cp(T3 - T2). Параметрами цикла будут: - степень повышения давления при адиабатном сжатии в компрессоре; - степень предварительного расширения. Определим температуры газа в точках 2,3 и 4 через заданную температуру в точке 1. Из адиабаты 1-2 , откуда . Из изобары 2-3 , откуда . Из адиабаты 3-4 , откуда . Тогда Следовательно, ht цикла ГТУ с подводом теплоты при p = const является прямой функцией степени повышения давления b. Однако повышение b приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Величина этой температуры лимитируется жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 800 - 1000 оС. studfiles.net 10.2. Циклы газотурбинных установок10.2. Циклы газотурбинных установок газы, представляющие собой смесь воздуха и продуктов сгорания, по своим свойствам не существенно отличающуюся от свойств воздуха. Далее, при термодинамическом анализе обычно пренебрегают потерей давления в КС и небольшим отличием давления p1 от давления p4. Поэтому процесс2-3в камере сгорания представляется как изобарный подвод теплоты q1 к рабочему телу — воздуху, а процесс охлаждения уходящих газов в окружающей среде — это изобарный процесс 4-1.Таким образом, хотя схема простой ГТУ является разомкнутой, но цикл этой установки в T,s-диаграммеизображается как замкнутый. В связи с этим иногда такие установки называют газотурбинными установками, работающими по разомкнутому циклу. Для определения удельной работы турбины lт и компрессора lк, а также подведенной и отведенной теплоты (q1 и q2) применяют уравнение первого закона термодинамики для потока вещества (2.77), в котором пренебрегают изменением кинетической и потенциальной энергии потока. Тогда, учитывая, что в адиабатных процессах сжатия и расширения q = 0, получим:
Понятно, что работа процесса сжатия 1-2и теплота процесса4-1имеют отрицательный знак и равны, соответственно,l1-2 = h2 – h3 иq4-1 = h2 – h5. Но при ана- лизе термодинамических циклов под работой компрессора, а также под отведенной теплотой обычно понимают их абсолютные значения, определяемые соотношениями (10.36) и (10.38). Поэтому величина работы ГТУ в соотношении (10.34) записывается как разность, а не сумма работ турбины и компрессора. Мощности турбины, компрессора и всей ГТУ легко определить, если известны величины их удельных работ lт, lк , lГТУ и массовый расход рабочего тела m:
Термический КПД обратимого цикла ГТУ 1-2-3-4-1определяется как отношение работы цикла (10.34) к подведенной теплоте (10.37)
Соотношения (10.34)—(10.42)позволяют рассчитать величины удельных работ и мощностей турбины, компрессора и всей установки, а также термический КПД обратимого цикла ГТУ. Значения энтальпий при этом берутся из таблиц или определяются по соответствующим уравнениям состояния. Как следует из формул(10.34)—(10.36)и (10.42), удельная работа и внутренний КПД обратимого цикла ГТУ определяются энтальпиями h2, h3, h4 и h5, для нахождения которых достаточно знать давление p1 и температуру T1 окружающего воздуха, температуру газа перед турбиной T3 и давление газа р2 в камере сгорания (или степень повышения давления β = p2 ⁄ p1 в компрессоре). Рассмотрим влияние studfiles.net Циклы газотурбинных установокВ циклах ДВС рабочее тело выбрасывается из цилиндра с температурой и давлением, которые превышают соответствующие параметры окружающей среды р0, То, практически совпадающие с Поэтому циклам ДВС присущи потери эксергии из-за «недорасширения» газов до параметров окружающей среды. Их удается значительно сократить в циклах газотурбинных установок.
Рисунок 8.4 - Схема газотурбинной установки Воздушный компрессор К сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от р1 до р2 и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным нагнетателем Н непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой и практически с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), что и на выходе из компрессора ()- следовательно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении. В газовой турбине Т продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Т4, а давление уменьшается до атмосферного. Весь перепад давлений используется для получения технической работы в турбине . Большая частьэтой работы lк расходуется на привод компрессора; разность является полезной и используется, например, на производство электроэнергии в электрическом генераторе ЭГ или на другие цели (при использовании жидкого топлива расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать).
Рисунок 8.5 - Цикл газотурбинной установки: а — в p,v-координатах; б — в T,s-координатах Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рисунке), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом теплоты (линия 4-1), получим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4. Полезная работа lц изображается площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 6.5, а видно, что полезная работа равна разности между технической работой, полученной в турбине (площадь 6-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-5). Площадь цикла 1-2-3-4 в Т,s-диаграмме эквивалента этой же полезной работе (рис. б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной (площадь8-2-3-7) и отведенной (площадь1-4-7-8) теплоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ
При этом теплоемкость ср принята для простоты постоянной. Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре , равная отношению давления воздуха после компрессора р2 к давлению перед ним. Тогда коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ
Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением . Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия и соответственно температуры газов перед турбиной . На рис. б отчетливо видно, что цикл 1-2'-3'-4, в котором больше, экономичнее цикла1-2-3-4, ибо по линии 2'-3' подводится больше теплоты , чем по линии2-3, при том же количестве отведенной в процессе 4-1 теплоты . При этоми больше, чем соответственно и. Дело в том, что с увеличением возрастает эксергия рабочего тела перед турбиной, т. е. уменьшаются потери эксергии при сгорании, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и увеличивает КПД цикла. Максимальная температура газов перед турбиной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают ее •элементы. Применение охлаждаемых лопаток из специальных материалов позволило повысить ее до 1400—1500°С в авиации (особенно на самолетах-перехватчиках, где ресурс двигателя мал) и до 1050—1090°С в стационарных турбинах, предназначенных для длительной работы. Непрерывно разрабатываются более надежные схемы охлаждения, обеспечивающие дальнейшее повышение температуры. Поскольку она все же ниже предельно достижимой при горении, приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за cчет подачи излишнего количества воздуха). Это увеличивает эксергетические потери от сгорания в ГТУ иногда до 40 %. Газы выбрасывают из турбины с температурой . Следовательно, эксергия рабочего тела, которой мы располагаем перед турбиной, используется также не полностью: потери эксергии с уходящими газами могут доходить до 10 %. Поэтому КПД ГТУ оказывается пока еще ниже, чем ДВС. Не имея деталей с возвратно-поступательным движением, газовые турбины могут развивать значительно большие мощности, чем ДВС. Предельные мощности ГТУ сегодня составляют 100—200 МВт. Они определяются высотой лопаток, прочность которых должна выдержать напряжения от центробежных усилий, возрастающих с увеличением их высоты и частоты вращения вала. Поэтому газовые турбины применяются прежде всего в качестве мощных двигателей в авиации и на морском флоте, а также в маневренных стационарных энергетических установках. Ряд технологических процессов, особенно химической промышленности, связан с потоками нагретых сжатых газов. Расширение этих газов в газовой турбине позволяет получить энергию, которая обычно используется в этом же процессе, например для нагнетания тех же газов. В этом случае вал турбины непосредственно соединяется с валом турбокомпрессора. Такое комбинирование позволяет существенно снизить потребление энергии в технологическом процессе. К сожалению, оно используется еще недостаточно широко, во-первых, из-за косности мышления технологов, а во-вторых, из-за отсутствия турбин на нужные параметры, Часто используют авиационные двигатели, выработавшие свой ресурс. В энергетике газовые турбины иногда используют для привода воздуходувок, нагнетающих воздух в топку котла, работающую под давлением. Для этого продукты сгорания, охлажденные в котле до необходимой температуры, направляются в турбину, сидящую на одном валу с воздуходувкой, и расширяются в ней до атмосферного давления, совершая работу. studfiles.net Циклы газотурбинных установок (ГТУ)⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 15Газотурбинной установкой принято называть такой двигатель, где в качестве рабочего тела используется неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива), а в качестве тягового двигателя применяется газовая турбина. Термин турбина происходит от латинского слова turbo – волчок. В отличие от поршневых ДВС, где процессы сжатия, подвода теплоты и расширения осуществляются в одном и том же цилиндре, в газотурбинных установках эти процессы происходят в различных элементах установки, в которые последовательно попадает поток рабочего тела (рис. 48).
Рис. 48. Принципиальная схема газотурбинной установки
Газотурбинная установка простейшей схемы работает следующим образом: наружный воздух поступает на вход компрессора (1), где сжимается по адиабате (1–2) до давления р2 (рис. 48, 49). После сжатия в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания (2), куда одновременно подается жидкое или газообразное топливо и происходит процесс сгорания при а б
Рис. 49. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении в координатах p-v (а) и T-s (б) В газотурбинных установках, так же как и в поршневых двигателях внутреннего сгорания, подвод теплоты к рабочему телу может осуществляться при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри). В цикле Брайтона теплота подводится в непрерывном потоке сжатого воздуха, а в цикле Гемфри - в камере сгорания специальной конструкции, которая периодически отключается от газовой турбины, что вызывает пульсацию потока рабочего тела. Для снижения пульсаций в ГТУ, работающих по циклу Гемфри, устанавливаются несколько (6-12) камер сгорания. Несмотря на некоторое преимущество (более высокий КПД ГТУ при равной степени повышения давления сжатия в компрессоре), ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме пока не нашли практического применения главным образом из-за сложности конструкции камер сгорания и более низкой надежности. Коэффициент полезного действия термодинамического цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Брайтона) определяется соотношением
Для газотурбинных установок в отличие от поршневых ДВС вместо степени сжатия вводят параметр, характеризующий степень повышения давления рабочего тела в компрессоре С = р2/р1. Выразим отношение температур в выражении (328) через соотношение давлений сжатия для компрессора С, используя уравнения адиабаты для идеального газа, в виде следующей системы уравнений:
Поскольку р3 = р2, а р4 = р1, то T4/T1 =T3/T2. Сучетом этого равенства и системы уравнений (329), выражение для определения термического КПД цикла Брайтона примет вид
Из соотношения (330) следует, что КПД цикла Брайтона повышается с увеличением значения степени повышения давления рабочего тела в компрессоре С. Эффективность цикла газотурбинной установки можно повысить, усложняя схему ГТУ, в частности введением регенерации теплоты отходящих газов (рис. 50). а б
В ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов продукты сгорания после газовой турбины (4) перед их выбросом в атмосферу поступают в регенератор (2), где подогревают сжатый воздух, сжатый в компрессоре (1) перед его поступлением в камеру сгорания (3). Таким образом, при постоянной температуре газов перед турбиной Т3сжатый воздух после компрессора на участке (2 – а)изобары (2 – 3)подогревается отходящими из турбины газами и только на участке (а – 3)он нагревается за счет сжигания топлива. Площади 2-a-b-c и b-4-f-e характеризуют соответственно количество теплоты, подводимой к воздуху и отводимого от продуктов сгорания в процессе регенерации теплоты, что приводит к снижению количества подводимой теплоты, а работа цикла, определяемая площадью 1-2-3-4, остается без изменения. Это и приводит к увеличению КПД цикла ГТУ с регенерацией теплоты по сравнению с КПД ГТУ без регенерации теплоты отходящих газов.
ЛИТЕРАТУРА 1. Белоконь Н.И. Термодинамика. – М.: Госэнергоиздат, 1954. – 416 с. 2. Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности): Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. – 349 с. 3. Теплотехника: Учебник для втузов / А.М. Архаров, И.А. Архаров, В.Н. Афанасьев и др.; Под общ. Ред. А.М. Архарова, В.Н. Афанасьева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2004. – 712 с.
Читайте также: lektsia.com 2.5 Идеальные циклы газотурбинных установокГазотурбинные установки отличаются от поршневых двигателей внутреннего сгорания тем, что полезная работа производится в них за счет кинетической энергии движущегося с большой скоростью газа. Рабочим телом в этих установках служат продукты сгорания, образующиеся при сжигании топлива в специальных камерах под давлением. Газотурбинные установки обладают по сравнению с поршне-выми двигателями рядом технико-экономических преимуществ, а именно: а) меньшим весом и малыми габаритами установки при большей мощности; б) отсутствием кривошипного-шатунного механизма; в) равномерностью хода и возможностью непосредственного соединения с потребителями работы - электрическими генераторами, центробежными компрессорами и т.д.; г) простотой обслуживания; д) осуществлением цикла с полным расширением и тем самым с большим темодинамическим КПД; е) возможностью применения дешевых сортов топлива (керо-син). Эти преимущества ГТУ способствовали их распространению во многих областях техники: для локомотивов, судов и особенно в авиации. Конструкция первой газовой турбины была разработана инженером-механиком русского флота П.Д.Кузьминским в 1897 г. Она предназначалась для небольшого катера. Отличительной особен-ностью этой турбины являлась ее работа с водяным паром, который впрыскивался в камеру сгорания для понижения температуры газов перед турбиной. Широкое распространение ГТУ стало возможным лишь после решения двух основных проблем: создания газового компрессора с высоким КПД (турбокомпрессора) и получения новых жаропрочных сплавов металла, способных длительно работать при температурах 650 - 750 °С и выше. В основе работы газотурбинных установок лежат идеальные циклы, состоящие из простейших термодинамических процессов. Допущения при конструировании идеальных циклов те же, что и при конструировании идеальных циклов двигателей внутреннего сгорания (см. 2.1). ГТУ могут работать со сгоранием топлива при постоянном давлении и при постоянном объеме. Соответствующие им идеальные циклы делят на циклы с подводом тепла при постоянном давлении и при постоянном объеме. Наибольшее практическое применение получил цикл с подводом тепла при Р = const.
Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении представлена на рис. 2.19. На общем валу находится газовая турбина 1, компрессор 2, топливный насос 3 и потребитель энергии 4 (на рис. 2.19 он изображен как электрогенератор трехфазного переменного тока). Компрессор засасывает атмосферный воздух, сжимает его до требуемого давления и направляет в камеру сгорания 5. Туда же топливным насосом подается топливо из бака 9, которое может быть как жидким, так и газообразным. В последнем случае вместо насоса применяется газовый компрессор. Сгорание топлива происходит в камере сгорания при Р = const. Продукты сгорания, расширившись в соплах 6 газовой турбины, попадают на лопатки 7 турбины, производят там работу за счет своей кинетической энергии и затем выбрасываются в атмосферу через выпускной патрубок 8. Давление отработавших газов несколько превышает атмосферное. До 40 - 50% мощности генерируемой турбиной потребляется компрессором.
Рис. 2.19. Схема ГТУ со сгоранием при постоянном давлении
Рис. 2.20. Цикл ГТУ с подводом тепла при Р = const в u-Р диаграмме
Рис 2.21. Цикл ГТУ с подводом тепла при Р = const в S-Т диаграмме Идеализированный цикл рассматриваемой газотурбинной установки изображен на рис. 2.20, 2.21. Сжатие рабочего тела в компрессоре моделируется аиабатой 1-2. Горение топлива в камере сгорания организуется таким образом, что его можно моделировать изобарой 2-3, вдоль которой к остающемуся химически неизменным рабочему телу подводится соответствующее количество тепла q1. Расширение рабочего тела в газовой турбине моделируется адиабатой 3-4. Изложенное приводит к идеали-зированному рабочему процессу 1234 рассматриваемой ГТУ. Процесс 1234 разомкнут, так как рабочее тело непрерывно обме-нивается. В случае ГТУ этот процесс может быть условно замкнут изобарой вида 4-1, вдоль которой от рабочего тела отводится количество тепла q2. В качестве определяющих параметров идеального цикла принимаются степень повышения давления при адиабатном сжатии s= Р2/Р1 и степень предварительного расширения r = V3/V2. Основным термодинамическим показателем эффективности цикла является его термодинамический КПД . Если считать рабочее тело идеальным газом с постоянной теплоемкостью, то количество подводимого тепла определяется по формуле q1 = Cp(T3 - T2), а количество отводимого тепла - по формуле |q2| = Cp(T4 - T1). Тогда, термодинамический КПД цикла . Его обычно выражают как функцию степени повышения давления s. Для адиабаты 1-2 имеем: , откуда . Для изобары 2-3 , откуда Т3 = Т2×r = Т1sk-1r. Для адиабаты 3-4 , откуда . Подставляя полученные значения температур Т2, Т3 и Т4 в уравнения термодинамического КПД, получим . (2.11) Термодинамический КПД ГТУ с подводом тепла при постоян-ном давлении зависит от степени повышения давления s и показателя адиабаты k, возрастая с увеличением этих величин. Если степень повышения давления s = P2/P1 выразить через степень сжатия e =V1/V2, то с учетом зависимости получим (2.12) Следовательно, для одного и того же рабочего тела повышение степени сжатия всегда приводит к росту ht. Полезная работа, совершаемая ГТУ, есть разность между технической работой 1тт, совершаемой рабочим телом в газовой турбине, и абсолютным значением технической работы, потребляемой компрессором ½1тк½, т.е. 1гту = 1т.т. - |1т.к.| (а) где
(т.к. Р4 = Р1, Р3 = Р2), т.е. (в) В свою очередь (с) Подставляя (в) и (с) в (а), получим (2.12) С учетом потерь в турбине и компрессоре или (2.13) Здесь hт, hк соответственно коэффициенты полезного действия турбины и компрессора. Во всех случаях к > 1, s > 1, т.е комплекс . Следовательно, ГТУ совершает полезную работу только в том случае, если
т.е. только в том случае, если температура Т3 газов перед турбиной удовлетворяет неравенству (2.14) Анализ неравенства (2.14) показывает, что при данных Т1 и s температура Т3 будет тем меньшей, чем больше КПД, комперссора и турбины. При этом очевидно, что чем больше Т3, тем большую полез-ную работу совершает ГТУ (из анализа выражений для 1ГТУ). По совокупности полученных результатов можно утверждать, что ГТУ возможны только при таком уровне развития науки и техники, когда в распоряжении конструктора имеются не только жаростойкие мате-риалы, допускающие высокую температуру Т3, но и результаты гидрогазодинамики, позволяющие строить высокоэффективные компрессоры и газовые турбины. Все эти условия имеются в настоящее время.
при постоянном давлении с регенерацией тепла Одной из мер повышения термодинамического КПД ГТУ явл-яется применение регенераци тепла. Регенерация тепла заключается в использовании тепла отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Схема газотурбинной установки со
Рис. 2.22. Схема ГТУ со сгранием при постоянном давлении и с регенерацией тепла сгоранием при Р =const с регенерацией тепла представлена на рис. 2.22. Отличие газотурбинной установки с регенерацией тепла от установки без регенерации состоит в том, что сжатый воздух поступает из компрессора 1 не сразу в камеру сгорания 2, а предварительно проходит через воздушный регенератор-теплообменник 3, в котором он подогревается за счет тепла отработавших газов. Соответственно газы, выходящие из турбины, перед выходом их в атмосферу проходят через воздушный регенератор, где они охлаждаются, подогревая сжатый воздух. Таким образом, определенная часть тепла, ранее уносившаяся отработавшими газами в атмосферу, теперь полезно используется. Изобразим цикл газотурбинной установки с регенерацией и с изобарным подводом тепла в u-P и S-T диаграммах (рис. 2.23, 2.24). Рассматриваемый цикл состоит из адиабатного процесса сжатия воздуха в компрессоре 1-2, процесса 2-5, представляющего собой изобарный подогрев воздуха в ренегераторе, изобарного процесса 5-3, соответсвующего подводу тепла в камере сгорания за счет сгорания топлива, процесса адиабатного расширения газов 3-4 в тур-
Рис. 2.23. Цикл ГТУ с подводом тепла при Р = const и с регенерацией в u-Р диаграмме
Рис. 2.24. Цикл ГТУ с подводом тепла при Р = const и с регенерацией в S-T диаграмме бине, изобарного охлаждения выхлопных газов в регенераторе 4-6 и, наконец, условного замыкающего цикл изобарного процесса 6-1, при этом тепло передается окружающей среде. Если предположить, что охлаждение газов в регенераторе происходит до температуры воздуха, поступающего в него, т.е. от Т4 до Т6 = Т2, а сжатый воздух будет нагрет в регенераторе до температуры газов, т.е от Т2 до Т5 = Т4, то регенерация будет полная. Количество тепла, подводимое к рабочему телу в изобарном процессе 5-3: q1 = Cp(T3 - T5) = Cp(T3 - T4), а отводимое в изобарном процессе 6-1: |q2| =Cp(T6 - T1) = Cp(T2 -T1). Подставляя q1 и ½q2½ в общее соотношение
получим
Температуры в основных точках цикла (см. 2.5.1): . Тогда (2.15) Термодинамический КПД цикла ГТУ с подводом тепла при Р=const и полной регенерацией зависит от начальной температуры Т1 и температуры в конце адиабатного расширения Т4. Практически полную регенерацию осуществить нельзя. Нагреваемый в регенераторе воздух будет иметь температуру Т7, несколько меньшую Т5, а охлаждаемые газы - температуру Т8, более высокую, чем Т6 (рис. 2.24). Поэтому ht цикла будет зависить от степени регенерации. Степенью регенерации “r” назовем отношение количества тепла, полученного сжатым воздухом в регенераторе, к тому количеству тепла, которое он мог бы получить, будучи нагрет от Т2 до Т5 = Т4 на выходе из газовой турбины. (2.16) Термический КПД цикла ГТУ с неполной регенерацией, т.е. при r < 1, определяется следующим образом (2.17) Величина степени регенерации зависит от конструкции теплообменника. Термодинамический КПД ГТУ можно также повысить введением ступенчатого подогрева рабочего тела и ступенчатого сжатия воздуха в компрессоре с охлаждением его между ступенями, т.е. стремяться приблизить процессы подвода и отвода тепла к изотермическому, тем самым стремятся приблизить цикл ГТУ к обобщенному (регенеративному) циклу Карно. Но применение большого числа камер сгорания и холодильников нецелесообразно, т.к. это усложняет конструкцию ГТУ. Обычно, исходя из технико-экономических соображений, ГТУ делают с двухступенчатым расширением и трехступенчатым сжа-тием. Принципиальная схема газотурбинной установки с трехсту-пенчатым сжатием, регенерацией тепла и промежуточным подогре-
Рис. 2.25. Схема ГТУ с двухступенчатым расширениием и трехступенчатым сжатием
Рис. 2.26. Цикл ГТУ с двухступенчатым расширением и трехступенчатым сжатием в S - Т диаграмме вом рабочего тела при расширении в отдельных ступенях турбины приведена на рис. 2.25. Трехступенчатый компрессор К снабжен охладителями 1 и 2; теплообменник (регенератор) Р обогревается выхлопными газами турбины. Турбина Т состоит из двух ступеней, причем продукты сгорания, поступающие из камеры сгорания 3 и расширяющиеся в первой ступени турбины, направляются во вторую камеру сгорания 4, куда вновь подается топливо, в результате чего температура про-дуктов сгорания перед расширением во второй ступени снова повышается до начальной величины; жидкое топливо подается в камеру сгорания насосом 5. Цикл рассматриваемой установки изображен в координатах S-T на рис. 2.26. Линии 1-2, 3-4 и 5-6 представляют процессы сжатия в компрес-соре соответственно в ступенях низкого, среднего и высокого давлений с промежуточным охлаждением в холодильниках. Линии 8-9, 10-11 изображают расширение газообразных продук-тов сгорания в газовой турбине соответственно в ступенях высокого и низкого давлений. Линия 9-10 - промежуточный подогрев рабочего тела до максимальной температуры в камере сгорания низкого давления. Цикл осуществляется с регенерацией тепла, т.е. нагревание рабочего тела в изобарном процессе 6-7 происходит за счет охлаждения выхлопных газов ступени турбины низкого давления, причем в идеальном случае Т6 = Т12 и Т7 = Т11.
На рис. 2.27, 2.28 изображены циклы с подводом тепла при Р =const двигателя внутреннего сгорания и газотурбинной установки, имеющие одинаковые Тmax и Tmin (рис. 2.27). Кроме того, принимаются одинаковыми Рmax и Р min (рис. 2.28). Средняя планиметрическая температура 2-3 процессов подвода тепла в обоих циклах одна и та же. Более того, в этих циклах одинаковое количество подведенного к рабочему телу удельного тепла (пл. 23562 на рис. 2.27). Средняя планиметрическая температура процесса изохорного отвода тепла 4-1, выше, чем у процесса изобарного отвода тепла 4¢-1,что свидетельствует о том, что при выбранных условиях сравнения
Рис. 2.27. Сравнение циклов ДВС и ГТУ по эффективности в S-Т диаграмме
Рис. 2.28. Сравнение циклов ДВС и ГТУ по эффективности в u-Р диаграмме термодинамический КПД газотурбинной установки выше, чем термодинамический КПД двигателя внутреннего сгорания. Этот же вывод подтверждается сравнением площадей циклов как в S-Т, так и в u-Р диаграммах. Площадь цикла двигателя внутреннего сгорания меньше площади цикла газотурбинной установки на пл. 144¢1 (рис. 2.27, 2.28), что также свидетельствует о большем значении термодинамического КПД цикла газотурбинной установки.
Выше были рассмотрены газотурбинные установки, работа-ющие по так называемому разомкнутому циклу, когда продукты сго-рания после работы на лопатках турбины выбрасываются в атмос-феру. В этом случае продукты сгорания непосредственно контак-тируют с рабочими лопатками турбины, следствием чего может явиться их преждевременный износ. Поэтому в газотурбинных установках, работающих по разомкнутому циклу, применяются только такие виды топлива, которые содержат миниимальное количество взвешанных твердых частиц - золы, окислов, серы и т.д., т.е. в основном жидкое или газообразное топливо. Применение твердого топлива или низкосортного жидкого топ-лива возможно при замкнутом цикле газотурбинной установки, в ко-тором в качестве рабочего тела используется чистый воздух или дру-гой газ, нагреваемый и охлаждаемый на соответствующих участках цикла в поверхностных теплообменниках. Схема газотурбинной установки со сгоранием при Р =const, работающей по такому замкнутому циклу, представлена на рис. 2.29. В компрессоре 1 рабочее тело сжимается до нужного давления и далее направляется в регенератор 2, где оно подогревается при Р=const за счет тепла газа, выходящего из турбины. Затем подогретое в регенераторе рабочее тело поступает в подогреватель 3, где происходит подвод тепла извне. Подогреватель по существу подобен паровому котлу, в котором вместо воды и пара нагревается газ. Подвод тепла в подогревателе осуществляется за счет сгорания топлива, подаваемого топливным насосом 4 (если топливо жидкое). Необходимый для сгорания топлива воздух подается вентилятором 5, подогреваясь предварительно за счет тепла отходящих газов в подогревателе 3. Нагретое в подогревателе при Р =const рабочее тело
Рис. 2.29. Схема ГТУ замкнутого цикла поступает в турбину 6, где, расширяясь, производит работу. Отработавшие газы из турбины направляются в регенератор, где они отдают часть располагаемого тепла сжатому газу, поступающему из компрессора. Из регенератора отработавшие газы поступают в охладитель 7, в котором при Р =const газ охлаждается до низшей температуры цикла. В качестве охлаждающего вещества обычно используется вода. Из охладителя рабочее тело снова направляется в компрессор. Таким образом, одна и та же порция рабочего тела непрерывно участвует в производстве работы. Цикл, по которому работает рассматриваемая установка, с термодинамической точки зрения подобен исследованному выше циклу со сгоранием при Р = const и с регенерацией тепла и изображается так, как показано на рис. 2.23, 2.24. Для этого цикла справедливы также выведенные выше формулы для ht цикла со сгоранием при Р =const и с регенерацией тепла. Замкнутый цикл, кроме возможности использования твердого топлива, обладает еще и другими преимуществами. Так, например, в этом цикле наинизшее давление необязательно должно быть равно атмосферному, оно может быть значительно больше его. Поэтому при тех же степенях повышения давления возможна работа с более высокими давлениями, что приводит к уменьшению объема газа, а следовательно, и габаритов установки. Кроме воздуха, в этих условиях можно применять в качестве рабочих тел также и более тяжелые газы (гелий, аргон). Преимуществом замкнутой схемы является также лучшее регулирование установки при работе на переменном режиме. В газотурбинных установках с замкнутой схемой в качестве ра-бочего тела могут применяться и низкокипящие вещества, например углекислота. В этом случае понижается работа на сжатие; вместо компрессора можно пользоваться насосом, и вся установка в целом может рассматриваться как паротурбинная. Недостатком газотурбинной установки, работающей по замкнутой схеме, является наличие сравнительно громоздкого газового котла, а также большие габариты теплообменников. studfiles.net Циклы газотурбинных установокНа рисунке 13.5 представлена схема наиболее распространённого типа газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении. К-компрессор; Т-турбина; КС-камера сгорания; ТН-топливный насос; С-сопла; Л-рабочие лопатки турбины; П-выпускной патрубок Рисунок 13.5 – Схема газотурбинной установки Компрессор К, расположенный на одном валу с турбиной Т, всасывает воздух из атмосферы и сжимает его до заданного давления. Сжатый в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания КС; туда же топливным насосом ТН подаётся жидкое горючее. Сгорание происходит при постоянном давлении. Из камеры сгорания газы поступают в сопла С, из которых они с большой скоростью поступают на рабочие лопатки Л турбины и приводят во вращение её ротор. Отработавшие газы через выпускной патрубок П выпускаются в атмосферу. а) теоретический цикл турбины с подводом теплоты при постоянном давлении(рисунок 13.6). Цикл состоит из двух адиабат и двух изобар. Линия 1-2 изображает процесс адиабатного сжатия в компрессоре, 2-3 – изобарный подвод теплоты (сгорание топлива), 3-4 – адиабатное расширение в турбине, 4-1 – условный изобарный процесс, замыкающий цикл. Термический к.п.д. циклаопределяется по формуле (19) или (20) где - степень сжатия; - степень повышения давления.
Рисунок 13.6 - Теоретический цикл турбины с подводом теплоты при постоянном давлении б) теоретический цикл турбины с подводом теплоты при постоянном объёме(рисунок 13.7). Цикл состоит из двух адиабат, одной изохоры и одной изобары. Линия 1-2 изображает процесс адиабатного сжатия в компрессоре, 2-3 – изохорный подвод теплоты, 3-4 – адиабатное расширение в турбине, 4-1 – условный изобарный процесс, замыкающий цикл.
Рисунок 13.7 - Теоретический цикл турбины с подводом теплоты при постоянном объёме. Термический к.п.д. циклаопределяется по формуле (21) где - степень повышения давления. в) теоретический цикл турбины с подводом теплоты при постоянном давлении и регенерации; при постоянном объёме и регенерации(рисунок 13.8).
Рисунок 13.8 - Теоретический цикл турбины с подводом теплоты при постоянном давлении и регенерации и при постоянном объёме и регенерации Так как уходящие из турбины продукты сгорания имеют достаточно высокую температуру, то для повышения экономичности турбины вводят регенерацию. Регенерация– предварительный подогрев сжатого в компрессоре воздухе за счёт теплоты уходящих газов. Термический к.п.д. турбины при наличии регенерации больше, чем без неё. Цикл с предельной (полной) регенерацией– цикл, при котором вся располагаемая теплота отработавших газов используется для подогрева воздуха. В обоих циклах линии 2-3 изображают изобарный подогрев сжатого воздуха в регенераторе, а линии 5-6 – изобарное охлаждение продуктов сгорания в регенераторе. Термический к.п.д. цикла турбины при p=const с предельной регенерацией и адиабатным сжатием определяется по формуле (22) studfiles.net Циклы газотурбинных установокВ циклах ДВС рабочее тело выбрасывается из цилиндра с температурой и давлением, которые превышают соответствующие параметры окружающей среды р0, То, практически совпадающие с Поэтому циклам ДВС присущи потери эксергии из-за «недорасширения» газов до параметров окружающей среды. Их удается значительно сократить в циклах газотурбинных установок.
Рисунок 8.4 - Схема газотурбинной установки Воздушный компрессор К сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от р1 до р2 и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным нагнетателем Н непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой и практически с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), что и на выходе из компрессора ()- следовательно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении. В газовой турбине Т продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Т4, а давление уменьшается до атмосферного. Весь перепад давлений используется для получения технической работы в турбине . Большая частьэтой работы lк расходуется на привод компрессора; разность является полезной и используется, например, на производство электроэнергии в электрическом генераторе ЭГ или на другие цели (при использовании жидкого топлива расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать).
Рисунок 8.5 - Цикл газотурбинной установки: а — в p,v-координатах; б — в T,s-координатах Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рисунке), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом теплоты (линия 4-1), получим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4. Полезная работа lц изображается площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 6.5, а видно, что полезная работа равна разности между технической работой, полученной в турбине (площадь 6-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-5). Площадь цикла 1-2-3-4 в Т,s-диаграмме эквивалента этой же полезной работе (рис. б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной (площадь8-2-3-7) и отведенной (площадь1-4-7-8) теплоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ
При этом теплоемкость ср принята для простоты постоянной. Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре , равная отношению давления воздуха после компрессора р2 к давлению перед ним. Тогда коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ
Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением . Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия и соответственно температуры газов перед турбиной . На рис. б отчетливо видно, что цикл 1-2'-3'-4, в котором больше, экономичнее цикла1-2-3-4, ибо по линии 2'-3' подводится больше теплоты , чем по линии2-3, при том же количестве отведенной в процессе 4-1 теплоты . При этоми больше, чем соответственно и. Дело в том, что с увеличением возрастает эксергия рабочего тела перед турбиной, т. е. уменьшаются потери эксергии при сгорании, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и увеличивает КПД цикла. Максимальная температура газов перед турбиной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают ее •элементы. Применение охлаждаемых лопаток из специальных материалов позволило повысить ее до 1400—1500°С в авиации (особенно на самолетах-перехватчиках, где ресурс двигателя мал) и до 1050—1090°С в стационарных турбинах, предназначенных для длительной работы. Непрерывно разрабатываются более надежные схемы охлаждения, обеспечивающие дальнейшее повышение температуры. Поскольку она все же ниже предельно достижимой при горении, приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за cчет подачи излишнего количества воздуха). Это увеличивает эксергетические потери от сгорания в ГТУ иногда до 40 %. Газы выбрасывают из турбины с температурой . Следовательно, эксергия рабочего тела, которой мы располагаем перед турбиной, используется также не полностью: потери эксергии с уходящими газами могут доходить до 10 %. Поэтому КПД ГТУ оказывается пока еще ниже, чем ДВС. Не имея деталей с возвратно-поступательным движением, газовые турбины могут развивать значительно большие мощности, чем ДВС. Предельные мощности ГТУ сегодня составляют 100—200 МВт. Они определяются высотой лопаток, прочность которых должна выдержать напряжения от центробежных усилий, возрастающих с увеличением их высоты и частоты вращения вала. Поэтому газовые турбины применяются прежде всего в качестве мощных двигателей в авиации и на морском флоте, а также в маневренных стационарных энергетических установках. Ряд технологических процессов, особенно химической промышленности, связан с потоками нагретых сжатых газов. Расширение этих газов в газовой турбине позволяет получить энергию, которая обычно используется в этом же процессе, например для нагнетания тех же газов. В этом случае вал турбины непосредственно соединяется с валом турбокомпрессора. Такое комбинирование позволяет существенно снизить потребление энергии в технологическом процессе. К сожалению, оно используется еще недостаточно широко, во-первых, из-за косности мышления технологов, а во-вторых, из-за отсутствия турбин на нужные параметры, Часто используют авиационные двигатели, выработавшие свой ресурс. В энергетике газовые турбины иногда используют для привода воздуходувок, нагнетающих воздух в топку котла, работающую под давлением. Для этого продукты сгорания, охлажденные в котле до необходимой температуры, направляются в турбину, сидящую на одном валу с воздуходувкой, и расширяются в ней до атмосферного давления, совершая работу. studfiles.net | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
(2–3). Образующиеся при сжигании топлива продукты сгорания поступают в газовую турбину (3), где расширяются по адиабате (3–4) практически до атмосферного давления р1. Отработавшие продукты сгорания выбрасываются в атмосферу (4–1). Работа, получаемая в газовой турбине, частично идет на привод компрессора (большая ее часть, примерно 2/3) и к потребителю (4) (компрессор, насос, генератор электрической энергии и т. п.).
(328)
; 
. (329)
. (330)
