Цикл газотурбинной установки цикл брайтона: 1.4.2. Термодинамический цикл газотурбинной установки

1.4.2. Термодинамический цикл газотурбинной установки

с подводом теплоты при p=idem(цикл Брайтона)

На рис. 11аизображена принципиальная
схема ГТУ, работающей по циклу Брайтона.
Она аналогична рассмотренной схеме
ГТУ, работающей по циклу Гемфри, за
исключением того, что горение
топливно-воздушной смеси в камере
сгорания КСг этой ГТУ происходитнепрерывно. Поэтому камера сгорания
КСг ГТУ, работающей по циклу Брайтона,
в отличие от ГТУ, работающей по циклу
Гемфри, не имеющей клапанов.

На рис 11в,гизображен
термодинамического цикла Брайтона в
координатах соответственноp—vиT—s.

Формула для расчета термического КПД
цикла Брайтона _t,Бвыводится с использованием уравнения
первого начала термостатики для потока
1 кг газа [6]

,
(21)

поскольку процессы, происходящие в
осевом компрессоре и газовой турбине
ГТУ, являются процессами перемещения
РТ из области одного давления в область
другого. Работы адиабатических процессов
сжатия 1 кг газа в компрессоре w_a—cи расширения его в газовой турбинеw_z—sопределяются следующим образом:

|w_a—c|, (22)

,
(23)

а
теплота q_c—z,
подведенная к газу в камере сгорания,
– из соотношения

,
(24)

где

= (p_c
/ p_a)
= (p_z
/ p_s)
– степень повышения давления газа в
компрессоре; C
= [(k
1) /k];
k
показатель адиабаты.

С учетом соотношений (21)(24),
а также того, что при анализе теоретических
циклов предполагается, что значенияC_p,mиkодинаковы для
процессова-с,с-z,z-sиs-а, формула
для расчета термического КПД цикла
Брайтона_t,Бпринимает вид

_t,Б= 1^C. (25)

Термический КПД цикла Брайтона возрастает
с увеличением степени повышения давления
газа в осевом компрессоре и показателя адиабатыk.

Из
сопоставления термических КПД циклов
Гемфри _t,Г
(с подводом теплоты при v
= idem)
и Брайтона _t,Б
(с подводом теплоты при p
= idem)
(см. рис. 11, г)
следует, что в этих циклах:

при
одинаковой
степени повышения давления газа
(
= (p_c
/ p_a))

_t,Б

_t,Г
, (26)

а
при одинаковой
наивысшей температуре
T_z

_t,Б

_t,Г
. (27)

Мощность ГТУ без учета механических
потерь работы в подшипниках на трение
и потерь на преодоление гидравлических
сопротивлений в элементах ГТУ G, передаваемая потребителю, определяется
из соотношения

,
(28)

где
G

расход воздуха через осевой компрессор.

Реальные
процессы сжатия рабочего тела в осевом
компрессоре и расширения его в газовой
турбине происходят с увеличением
энтропии в связи с наличием необратимых
превращений работы в теплоту внутреннего
теплообме-на 
см. линии а-с_д
и z—s_д
на рис. 10в
и рис. 11г.
Кроме того, существуют потери давления
в камере сгорания, в рекуператоре и в
трубопроводах, а также потери полезной
мощности ГТУ, что обусловлено наличием
трения в подшипниках. Эти факторы снижают
значения КПД ГТУ и мощности, передаваемой
потребителю. Поэтому вводится понятие
эффективного
КПД ГТУ,
представляющего собой отношение полезной
работы ГТУ в реальном процессе к
количеству теплоты, выделяемой при
сгорании топливно-воздушной смеси.

При
одинаковых степени повышения давления
газа в осевом компрессореи температуре Т_m,2
температура Т_m,1
в цикле Гемфри (v=idem)
больше, чем в цикле Брайтона (p=idem),
т. к. изохора в координатах Т-s
расположена круче по отношению к оси
s,
чем изобара. Однако, цикл Брайтона
получил большее распространение в ГТУ,
применяющихся в различных отраслях
промышленности, по сравнению с циклом
Гемфри, т.к. ГТУ, работающие по циклу
Брайтона, более просты в конструктивном
отношении. Например, в цикле Гемфри для
обеспечения непрерывности потока РТ
через газовую турбину необходимо
устанавливать несколько
более сложных
в конструктивном отношении клапанных
камер сгорания, надежную работу которых
трудно
обеспечить
в течение длительного срока эксплуатации
ГТУ. Кроме того, пульсационный режим
работы камер сгорания такой ГТУ снижает
надежность
и показатели
эффективнос-ти

адиабатические КПД осевого компрессора
и газовой турбины ГТУ.

В
газовой промышленности применяются
ГТУ только открытого
цикла. Следует отметить, что существуют
ГТУ закрытого цикла. В них РТ не
выбрасывается в атмосферу, а после
расширения в турбине и последующего
охлаждения водой или наружные воздухом
вновь поступает на вход осевого
компрессора. Преимуществами таких ГТУ
являются, во-первых, возможность
использования высокоэффективных рабочих
тел (например, гелия) и, во-вторых,
возможность существенного увеличения
мощности ГТУ путем повышения давления
рабочего тела перед компрессором.
Однако, большим недостатком ГТУ закрытого
цикла является необходимость применения
громоздких и дорогих промежуточных
теплообменников.

Циклы газотурбинных установок (гту)

Газотурбинной
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. 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. 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

(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).
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 подвод теплоты
к рабочему телу может осуществляться
при постоянном давлении (цикл Брайтона)
или при постоянном объеме (цикл Гемфри).
Коэффициент полезного действия
термодинамического цикла ГТУ с подводом
теплоты при постоянном давлении (цикл
Брайтона) определяется соотношением

(1)

Для
газотурбинных установок вводят параметр,
характеризующий степень повышения
давления рабочего тела в компрессоре
С
= р₂/р₁.
Выразим отношение температур в выражении
(1) через соотношение давлений сжатия
для компрессора С,
используя уравнения адиабаты для
идеального газа, в виде следующей системы
уравнений:

;

.
(2)

Поскольку
р₃
=
р₂,
а р₄
= р₁,
то T₄/T₁
=T₃/T₂.
С
учетом
этого равенства и системы уравнений
(2), выражение для определения термического
КПД цикла Брайтона примет вид

.
(3)

Из
соотношения (3) следует, что КПД цикла
Брайтона повышается с увеличением
значения степени повышения давления
рабочего тела в компрессоре С.

ГТУ,
работающие по циклу Гемфри (1-2-3-4).
.
ГТУ такого типа имеют больший коэффициент
полезного действия, чем ГТУ, работающие
по циклу Брайтона.

Вопрос № 30

Поршневыми
двигателями внутреннего сгорания (ДВС)
называются двигатели, в которых топливо
сжигается в цилиндрах, где
возвратно-поступательно двигается
поршень.

Несмотря
на то, что цикл Карно имеет наивысший
КПД, в реальных машинах он не реализуется.
Дело в том, что цикл Карно, будучи сильно
растянутым в координатах р–v,
связан
с весьма большими значениями удельного
объема и давления.

Рис.
43. Цикл Карно в координатах p—v

Отношение
объема цилиндра к объему камеры сгорания

= v_c/v_a
(эта
величина в поршневых ДВС называется
степенью сжатия), работающего по циклу
Карно, достигает 400, а давление в
точке
(а)
–

= 280 – 300 МПа.

Термодинамических
циклы ДВС: цикл с подводом теплоты при
постоянном объеме (цикл Отто),состоящий
из двух изохор и двух адиабат (a₁-b-c₁-d-a₁)
и
цикл с подводом теплоты при постоянном
давлении (цикл Дизеля), состоящий из
изобары a₂–b,
изохоры
с₁–d
и двух адиабат b–c₁
и
d–a₂
(a₂-b-c₁-d-
a₂).
Полученные
циклы имеют КПД меньше, чем КПД цикла
Карно

Рис. 45. Цикл Отто в координатах
p—v
(а) и T—s
(б)

Процесс
(1–2)
в цикле Отто характеризует адиабатное
сжатие рабочего тела, процесс (2–3)
— изохорный
подвод теплоты q₁,
процесс (3–4)
— адиабатное расширение и процесс (4–1)
— изохорный отвод теплоты q₂.

Полезная
работа в цикле равна разности подведенной
и отведенной теплоты

и
численно равна площади (1-2-3-4-1).
Степень сжатия цикла весьма сильно
влияет на КПД цикла. Чем
выше
степень сжатия, тем выше КПД цикла.
Термический КПД цикла

.

Это значит, что
КПД цикла Отто растет с увеличением
степени сжатия.

Цикл
Дизеля состоит из процесса адиабатного
сжатия (1–2),
изобарного подвода теплоты (2–3),
адиабатного расширения (3–4)
и изохорного отвода теплоты (4–1)
(рис. 46). Степень сжатия в двигателях,
работающих по циклу Дизеля, составляет

= 14
– 18.

а
б

Рис. 46. Циклы Отто и Дизеля в координатах
p—v
(а) и T—s
(б)

Сравним
между собой циклы Отто и Дизеля при
одинаковых параметрах точек (1)
и
(4) с помощью диаграммы Т–s
(рис.
46). Если в этих циклах будет одинаковая
степень сжатия ε и одинаковое количество
отводимой теплоты q₂,
то
КПД цикла Отто будет выше КПД цикла
Дизеля.

КПД
цикла Дизеля, в условиях одинакового
максимально возможного давления, больше,
чем КПД цикла Отто.

Подачу
топлива можно осуществлять так, что
одна его часть будет сгорать при
постоянном объеме, а другая – при
постоянном давлении. Такой цикл называется
циклом смешанного сгорания топлива или
циклом Тринклера . Цикл со смешенным
подводом теплоты занимает по эффективности
промежуточное положение между циклами
Отто и Дизеля как в условиях сравнения
при одинаковой степени сжатия ε, так и
при сравнении по условию одинакового
максимального давления в цилиндре
двигателя.

а
б

Рис. 47. Цикл смешанного сгорания в
координатах p—v
(а) и T—s
(б)

Выведем
уравнение для определения термического
КПД смешанного цикла. Количество
подводимой теплоты на изохоре (2–3)
равно
,
а в изобарном процессе (3–4)
–
.
Количество
отводимой теплоты q₂
на изохоре (5–1)
по абсолютной величине
составляет

.
Следовательно, термический КПД цикла

.

Из
уравнения видно, что КПД цикла со
смешанным подводом теплоты растет с
увеличением ε и λ и с уменьшением ρ. Если
ρ
= 1,
то цикл со смешанным подводом теплоты
превращается в цикл Отто, термический
КПД которого находится из соотношения

Если
λ =
1,
то смешанный цикл превращается в цикл
Дизеля, термический КПД которого
находится из выражения

.

Вопрос №31

Энергетический цикл Брайтона

1. Понять основные операции цикла Брайтона.

2. Продемонстрировать применение основных уравнений для анализа цикла Брайтона.

 

Фон 

Цикл Брайтона изображает модель воздушного стандарта энергетического цикла газовой турбины. Простой газотурбинный двигатель
состоит из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и турбины. Согласно
принцип цикла Брайтона, воздух сжимается в турбокомпрессоре. Затем воздух смешивается с топливом,
и сжигают при постоянном давлении в камере сгорания. Образовавшемуся горячему газу дают
расширяться за счет газотурбинного двигателя для выполнения работы. Большая часть работы, производимой газотурбинным двигателем, используется для запуска
компрессор и все остальное доступно для запуска вспомогательного оборудования и производства электроэнергии. Газ
газотурбинный двигатель находит широкое применение. Обычное использование включает стационарное производство электроэнергии.
электростанции (электростанции) и мобильные электростанции (корабли и самолеты). На электростанции
применения, выходная мощность газотурбинного двигателя используется для обеспечения мощности на валу для привода генератора,
ротор вертолета и т. д. Самолет с реактивным двигателем приводится в движение реактивной тягой выходящего газа.
ручей. Турбинный двигатель обеспечивает мощность, достаточную для привода компрессора и вспомогательного оборудования.
сила. Поток газа приобретает в цикле больше энергии, чем необходимо для привода компрессора.
оставшаяся доступная энергия используется для движения самолета вперед.

Схема цикла Брайтона (простая газовая турбина) представлена ​​на рис. 1. Всасывается воздух низкого давления
в компрессор (состояние 1), где он сжимается до более высокого давления (состояние 2). Топливо добавляется в
сжатого воздуха и смесь сжигается в камере сгорания. Образовавшиеся горячие газы поступают в
турбины (состояние 3) и расширить до состояния 4. Цикл Брайтона состоит из четырех основных процессов:

 

Анализ цикла

Термодинамика и первый закон термодинамики определяют общую передачу энергии. К
Для анализа цикла нам необходимо как можно полнее оценить все состояния. Стандартные модели Air
очень полезны для этой цели и дают приемлемые количественные результаты для циклов газотурбинного двигателя. В этих
моделей делаются следующие предположения.

1. Рабочим телом является воздух, рассматриваемый как идеальный газ на протяжении всего цикла;

2. Процесс горения моделируется как подвод тепла при постоянном давлении;

3. Выхлоп моделируется как процесс отвода тепла при постоянном давлении.

В стандартных моделях холодного воздуха (CAS) удельная теплоемкость воздуха считается постоянной (модель идеального газа) при
самая низкая температура в цикле. Влияние температуры на удельную теплоемкость может быть учтено в
анализ при умеренном увеличении усилия. Однако решения закрытой формы больше не будут
возможный.

Чтобы выполнить термодинамический анализ цикла, мы рассмотрим контрольный объем, содержащий каждый компонент цикла, показанный на рисунке 1. Этот шаг кратко описан ниже.

Компрессор

Рассмотрим следующий контрольный объем для компрессора,

Обратите внимание, что в идеале нет передачи тепла от контрольного объема (C.V.) в окружающую среду. В стационарных условиях и без учета эффектов кинетической и потенциальной энергии первый закон для этого контрольного объема записывается как

. Учитывая, что у нас есть один поток в контрольный объем и один поток из контрольного объема, мы может записать более конкретную форму первого закона как

Или, перегруппировав термины, связанные с каждым потоком

 

Это общая форма первого закона для компрессора. Однако, если предполагается, что поток жидкости представляет собой идеальные газы, мы можем представить энтальпии в терминах температуры (гораздо более измеримая величина), используя соответствующее уравнение состояния ( dh = c _p dT ), которое вводит конкретное выражение. постоянные удельные теплоемкости, разность энтальпий легко выражается как разность температур как

Обратите внимание, что в идеале существует передача работы из контрольного объема (C.V.) в окружающую среду. В стационарных условиях и без учета эффектов кинетической и потенциальной энергии первый закон для этого контрольного объема записывается как

. Учитывая, что у нас есть один поток в контрольный объем и один поток из контрольного объема, мы можно записать более конкретную форму первого закона как

Или, перегруппировав термины, связанные с каждым потоком

Предполагая, что идеальные газы имеют постоянную удельную теплоёмкость, разность энтальпий легко выражается как разность температур как

Опять же, чтобы быть более точным, удельная теплоемкость каждой жидкости должна оцениваться как линейное среднее между ее входной и выходной температурами.

Турбина

Рассмотрим следующий контрольный объем для турбины,

Предполагая, что идеальные газы имеют постоянную удельную теплоемкость, разность энтальпий легко выражается как разность температур как

Как и прежде, удельная теплоемкость каждой жидкости должна оцениваться как линейное среднее между температурой на входе и на выходе для получения более точных результатов.

Необратимости, присутствующие в реальном процессе, можно смоделировать, введя изоэнтропический КПД турбины,

, где нижний индекс s относится к идеальному (изоэнтропическому) процессу, а нижний индекс a относится к реальному процессу. Для идеального газа приведенное выше уравнение сокращается до

 

Экспериментальные установки

Лабораторная установка представляет собой автономную портативную двигательную лабораторию «под ключ», изготовленную
ООО «Турбинные технологии» под названием TTL Mini-Lab. Мини-лаборатория состоит из настоящего реактивного двигателя.
Следовательно, присутствуют те же проблемы безопасности, что и при работе реактивного двигателя. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы следовать
все процедуры безопасности точно так, как указано в лаборатории и указано вашими инструкторами лаборатории.
следующее описание установки предоставлено производителем.

«Турбореактивный двигатель Turbine Technologies Model SR-30 является основным
составная часть. Рабочий звук и запах трудно отличить от работы на холостом ходу,
небольшой бизнес-джет. Осевое турбинное колесо двигателя и направляющее кольцо лопасти вакуумные.
отливки по выплавляемым моделям. Изготавливаются из современных, с высоким содержанием кобальта и никеля
содержанием суперсплавов (MAR-M-247 и Inconnel 718). Камера сгорания
состоит из кольцевой противоточной системы, включающей внутренние полоски пленочного охлаждения.

Топливный и масляный баки, фильтры, масляный радиатор, вся необходимая сантехника и электропроводка находится в
нижняя часть конструкции мини-лаборатории. Рычаг дроссельной заслонки расположен с правой стороны
оператора и над наклонной приборной панелью. Дроссель позволяет the7
оператору плавно переключать мощность между холостым и максимальным N1. Цифровой
обороты двигателя и E.G.T. датчики, механический E.P.R., масло, топливо, давление воздуха при запуске
Датчики также являются частью стандартной панели. Индикаторы сигнализируют о низком уровне масла
давление, воспламенитель включен и состояние воздушного запуска. Главный выключатель с ключом управляет
главная электрическая шина. Другие переключатели, установленные на панели, управляют воспламенителем, воздушным пуском и
активировать подачу топлива. Топливная система двигателя СР-30 очень похожа на крупнотоннажную.
двигателей — распыление топлива через 6 форсунок высокого давления с обратным потоком, что позволяет
работа с широким спектром жидкого топлива на основе керосина (например, дизельное топливо, Jet A, JP-4
по 8)».

 

Компоненты двигателя

Реактивный двигатель состоит из одноступенчатого радиального компрессора, противоточной кольцевой камеры сгорания и одного
ступенчатая осевая турбина, которая направляет продукты сгорания в сужающееся сопло для дальнейшего
расширение. Детали двигателя можно увидеть в разрезе на рис. 6.

Приборы.

Датчики направляются к центральной панели доступа и взаимодействуют с оборудованием для сбора данных и
программное обеспечение от National Instruments. Производитель предоставляет следующее описание
датчики и их расположение.

«Опция интегрированной системы датчиков (Mini-Lab) включает следующие датчики:
Статическое давление на входе компрессора (P ₁
), Давление застоя на выходе ступени компрессора
(P ₀₂
), Давление в камере сгорания (P ₃
), Давление застоя на выходе из турбины (P ₀₄
),
Давление застоя на выходе из форсунки (P ₀₅
), Статическая температура на входе компрессора
(Т ₁
), Температура застоя на выходе ступени компрессора (T ₀₂
), Вход ступени турбины
температура застоя (T ₀₃
), температура застоя на выходе из ступени турбины (T ₀₄
), а также
температура торможения на выходе из сопла (T ₀₅
). Кроме того, система включает в себя
датчик расхода топлива и цифровой индикатор тяги, измеряющий силу тяги в реальном времени на основе
на тензометрической системе упорного ярма».

Экспериментальная процедура

ЗАМЕЧАНИЯ ПО БЕЗОПАСНОСТИ:

1. Убедитесь, что на вас надеты наушники. Если вы не уверены, как
беруши правильно используются, попросите лаборанта провести демонстрацию.
Никогда не оставайтесь в лаборатории без средств защиты органов слуха при работающем двигателе.
операция.

2. Двигатель СР-30 работает на высоких оборотах. Хотя есть
защитное стекло, отделяющее двигатель от оператора, убедитесь,
что вы не наклоняетесь слишком близко к этой панели.

3. Убедитесь, что индикатор низкого давления масла погас сразу после
запуск двигателя. Если он остается включенным или загорается в любой момент во время работы двигателя
немедленно отключает подачу топлива.

4. Имеется датчик вибрации, индикатор которого крайний справа от
панель оператора. Если этот индикатор показывает какую-либо активность (повышение напряжения)
немедленно выключите двигатель.

5. Если вы подозреваете, что что-то не так, перекройте подачу топлива.
немедленно и сообщите об этом лаборанту.

6. Если двигатель завис (заводится, но не разгоняется до оборотов холостого хода около
40 000 об/мин) снова включите воздушный пуск на короткое время, пока двигатель
разгоняется примерно до 30 000 об/мин. Затем выключите переключатель воздушного запуска.
ã УБЕДИТЕСЬ, что НИ ВЫ, НИ ВАШИ ВЕЩИ
РАЗМЕЩЕНЫ ПЕРЕД ВХОДОМ ИЛИ ВЫПУСКОМ ИЗ
ДВИГАТЕЛЬ, КОГДА ДВИГАТЕЛЬ РАБОТАЕТ.

1. Попросите вашего ТА загрузить программу сбора данных и запустить предварительно запрограммированный ВП LabView для
эта лаборатория. На экране должны отображаться показания со всех датчиков. Просмотрите показания, чтобы убедиться,
они работают исправно.

2. Убедитесь, что давление воздуха в линии пуска сжатого воздуха составляет не менее 100 фунтов на кв. дюйм (не более
120 фунтов на квадратный дюйм). Попросите лаборанта проверить уровень масла.

3. Измерьте соответствующие длины и запишите необходимые размеры, чтобы вы могли
рассчитать входную площадь (где находятся датчики).

4. Попросите лаборанта включить систему и запустить двигатель. После того, как двигатель
успешно запущен, вы должны сначала дать двигателю достичь скорости холостого хода, прежде чем предпринимать какие-либо действия.
измерения. Убедитесь, что дроссельная заслонка находится в самой нижней точке. Положение холостого хода почти вертикальное,
и находится близко к оператору (вдали от двигателя).

5. Медленно откройте дроссельную заслонку. Начните снимать данные примерно при 65 000 об/мин. Убедитесь, что вы разрешаете
время выхода двигателя на установившийся режим, контролируя цифровой индикатор оборотов двигателя на панели.
чтение колеблется несколько, так что используйте свое суждение.

6. Получите данные при трех разных оборотах двигателя. Вы будете использовать данные для изучения цикла и
КПД компонентов меняется со скоростью.

7. После завершения сбора данных сначала выключите переключатель расхода топлива.
8. Данные будут храниться в формате электронной таблицы Excel

Анализ данных

Используя собранные данные, определите изоэнтропический КПД турбины, изоэнтропический КПД компрессора,
тепловой КПД цикла и соответствующий КПД Карно.

Отчет

В своем отчете определите производительность идеального цикла, работающего с таким же максимальным циклом
температура, массовый расход и степень сжатия. Сравните производительность идеального цикла
с измеренной производительностью. Обсудите различия.

Предложения для обсуждения

1. Какова эффективность цикла по сравнению с идеальным циклом Брайтона? с циклом Карно?

2. Как эффективность компонента влияет на эффективность цикла?

3. Насколько эффективность компонентов, рассчитанная вами на основе ваших тестовых данных, соотносится с эффективностью
типичный для этих газотурбинных двигателей?

4. Как работает турбокомпрессор?

Парогазотурбинная электростанция с комбинированным циклом: цикл Брайтона и Ренкина

Пост охватывает [1] Газовый цикл: цикл Брайтона [2] Паровой цикл: цикл Ренкина [3] Идеальный цикл Брайтона [4] Фактический цикл Брайтона и [5] Комбинированный цикл Брайтона и Ренкина

Температура на входе в турбину в цикл газовой турбины (Брайтона) значительно выше, чем пиковая температура пара. В зависимости от степени сжатия газовой турбины температура выхлопа турбины может быть достаточно высокой, чтобы обеспечить эффективное производство пара с использованием «отработанного тепла» газовой турбины. Такая конфигурация известна как парогазовая электростанция с комбинированным циклом.

Термодинамические циклы можно разделить на две основные категории: [1] энергетические циклы, которые производят полезную выходную мощность, и [2] циклы охлаждения и теплового насоса, которые потребляют полезную потребляемую мощность. Термодинамические энергетические циклы можно разделить на газовые и паровые циклы. В газовых циклах рабочее тело остается в газовой фазе на протяжении всего цикла. В паровых циклах рабочая жидкость выходит в виде пара в течение одной части цикла и в виде жидкости в течение другой части цикла.

Объяснение:

Газовый цикл: цикл Брайтона

Цикл Брайтона является типичным примером газового цикла. Цикл Брайтона — это термодинамический цикл, описывающий работу тепловой машины постоянного давления. воздух всасывается в компрессор, где происходит повышение давления. Выходной воздушный поток компрессора поступает в камеру сгорания; топливо впрыскивается в воздух, и происходит сгорание. Нагретые продукты сгорания поступают в газовую турбину и расширяются, производя работу. Работа, необходимая для работы компрессора, извлекается из общей выходной мощности турбины; остальное доступно как сетевой выход двигателя.

Цикл Брайтона

Применение цикла Брайтона: Циклы внутреннего сгорания двигателей Отто и Дизеля, а также газовых турбин являются некоторыми хорошо известными примерами двигателей, работающих на газовых циклах. Вероятно, самым известным применением цикла Брайтона является реактивный двигатель.

Паровой цикл: Цикл Ренкина

Цикл Ренкина обычно представляет собой паровой цикл, изображение ниже. Цикл Ренкина представляет собой идеализированный термодинамический цикл, описывающий процесс, с помощью которого некоторые тепловые двигатели, такие как паровые турбины, позволяют извлекать механическую работу из жидкости, когда она перемещается между источником тепла и радиатором. Тепловая энергия подается в систему через котел, в котором рабочая жидкость (обычно вода) преобразуется в газообразное состояние высокого давления (пар) для вращения турбины. После прохождения через турбину жидкость снова сконденсируется в жидкое состояние, поскольку энергия отработанного тепла отбрасывается перед возвратом в котел, завершая цикл.

Заметное различие между циклом Ренкина и циклом Брайтона состоит в том, что цикл Ренкина состоит из четырех компонентов, тогда как цикл Брайтона состоит только из трех компонентов. Для цикла Брайтона конденсатор не требуется

Применение цикла Ренкина: цикл Ренкина является основным рабочим циклом всех электростанций

Деталь цикла Брайтона

Идеальный цикл Брайтона

Газовые турбины обычно работают по открытому циклу , показанный слева внизу.

Компрессор всасывает свежий окружающий воздух (состояние 1), сжимает его до более высокой температуры и давления (состояние 2).

Топливо и воздух высокого давления из компрессора направляются в камеру сгорания, где топливо сжигается при постоянном давлении. Образовавшиеся высокотемпературные газы направляются на турбину (состояние 3).

Высокотемпературные газы расширяются до давления окружающей среды (состояние 4) в турбине и производят энергию.

Выхлопные газы покидают турбину.

Часть работы, производимой турбиной, направляется на привод компрессора. Доля работы турбины, используемая для привода компрессора, называется коэффициентом обратной работы.

Поскольку свежий воздух поступает в компрессор в начале, а выхлопные газы выбрасываются в конце, этот цикл является открытым.

Используя стандартные допущения по воздуху, заменив процесс сгорания процессом подвода тепла при постоянном давлении и заменив процесс выпуска выхлопных газов процессом отвода тепла при постоянном давлении, описанный выше открытый цикл можно смоделировать как замкнутый цикл, называемый идеальный цикл Брайтона. Идеальный цикл Брайтона состоит из четырех внутренне обратимых процессов, T-s диаграмма.

1-2 Изэнтропическое сжатие (в компрессоре)

2-3 Подвод тепла при постоянном давлении

3-4 Изэнтропическое расширение (в турбине)

4-1 Отвод тепла при постоянном давлении

Изэнтропический процесс идеализированный термодинамический процесс, который одновременно является адиабатическим и обратимым. Передача работы в системе происходит без трения, и нет чистого переноса тепла или вещества.

Слева показаны диаграммы P-v и T-s идеального цикла Брайтона. В идеальном цикле Брайтона тепло добавляется в цикл при постоянном давлении (процесс 2-3).

qin = h4 — h3 = cP(T3 — T2)

Тепло отводится при постоянном давлении (процесс 4-1).

qout = h5 — h2 = cP(T4 — T1)

Тогда термический КПД идеального цикла Брайтона в предположении о стандарте холодного воздуха определяется как

Процесс 1-2 и процесс 3-4 являются изоэнтропическими процессами, таким образом,

Поскольку P2 = P3 и P4 = P1,

Принимая во внимание все приведенные выше соотношения, тепловой КПД становится равным

, где rP = P2/P1 — отношение давлений, а k — отношение удельной теплоемкости. В большинстве конструкций степень сжатия газовых турбин колеблется примерно от 11 до 16.

Реальный газотурбинный цикл отличается от идеального цикла Брайтона наличием необратимости. Следовательно, в реальном газотурбинном цикле компрессор потребляет больше работы, а турбина производит меньше работы, чем в идеальном цикле Брайтона. Необратимость в реальном компрессоре и реальной турбине можно учитывать, используя адиабатический КПД компрессора и турбины. Вот они:

См. уравнение LHS

 Еще одно различие между фактическим циклом Брайтона и идеальным циклом заключается в том, что в процессах подвода и отвода тепла возникают перепады давления.

Повышение эффективности цикла Брайтона

Повышение степени сжатия

Повышение степени сжатия повышает эффективность цикла Брайтона. Однако практические ограничения возникают, когда речь идет об увеличении отношения давлений. Во-первых, увеличение степени повышения давления увеличивает температуру нагнетания компрессора. Это может привести к тому, что температура газов, выходящих из камеры сгорания, превысит металлургические пределы турбины. Кроме того, диаметр лопаток компрессора становится все меньше на ступенях более высокого давления компрессора. Поскольку зазор между лопатками и корпусом двигателя увеличивается в размере в процентах от высоты лопаток компрессора по мере того, как лопатки становятся меньше в диаметре, больший процент сжатого воздуха может просачиваться обратно через лопатки на ступенях более высокого давления. Это приводит к снижению КПД компрессора. Следовательно, небольшой выигрыш ожидается при дальнейшем увеличении степени повышения давления, если она уже находится на высоком уровне.

Рекуператор — Если цикл Брайтона выполняется при низкой степени сжатия и высокой температуре в камере сгорания, выхлопной газ (после последней ступени турбины) может быть все еще горячее, чем сжатый входящий газ (после последней ступени сжатия, но перед камерой сгорания). В этом случае можно использовать теплообменник для передачи тепловой энергии от выхлопных газов уже сжатому газу до того, как он попадет в камеру сгорания. Передаваемая тепловая энергия эффективно повторно используется, что повышает эффективность. Однако эта форма рециркуляции тепла возможна только в том случае, если двигатель работает в режиме с низким КПД, в первую очередь с низким коэффициентом давления.

Двигатель Брайтона также составляет половину системы комбинированного цикла, которая в сочетании с двигателем Ренкина еще больше повышает общую эффективность. Однако, хотя это увеличивает общую эффективность, на самом деле это не увеличивает эффективность самого цикла Брайтона.

  Комбинированный цикл Брайтона и Ренкина

Комбинированный цикл объединяет два последовательных энергетических цикла для получения общего КПД, значительно превышающего отдельные КПД двух циклов, составляющих комбинированный цикл. Цикл Брайтона или газовая турбина используются для верхнего цикла, а паровой цикл Ренкина — для нижнего цикла в комбинированных циклах.

Температура на входе в турбину в цикле газовой турбины (Брайтона) значительно выше пиковой температуры пара. В зависимости от степени сжатия газовой турбины температура выхлопа турбины может быть достаточно высокой, чтобы обеспечить эффективное производство пара с использованием «отработанного тепла» газовой турбины.

Комбинированный цикл

Такая конфигурация известна как парогазовая электростанция с комбинированным циклом. Цикл показан слева и ниже.

 Подвод тепла к комбинированному циклу такой же, как и для газовой турбины, но выход работы больше (за счет работы паровой турбины по циклу Ренкина). Схема общей тепловой машины, которую можно представить как состоящую из последовательно соединенных верхней и нижней тепловых машин, представлена ​​на изображении выше. Верхний двигатель представляет собой газовую турбину (цикл Брайтона), которая отдает тепло нижнему двигателю, паровой турбине (цикл Ренкина).

Общий КПД комбинированного цикла

Его можно получить следующим образом. Обозначим тепло, полученное газовой турбиной, как Q вх , а тепло, отведенное в атмосферу, как Q . Тепло от газовой турбины обозначается как Q1.

Горячие выхлопные газы газовой турбины проходят через теплообменник, где они используются в качестве источника тепла для двухфазного цикла Ренкина, так что Q_1 также является подводимой теплотой к паровому циклу.