Идеальный цикл газотурбинной установки (ГТУ)
цикл осуществляется одним кг воздуха, как идеальным газом с подводом теплоты при постоянном давлении, где удельная теплоемкость при постоянном давлении, ср = 1008 Дж/(кг·К).
исходные данные принять по таблице 1.
таблица 1– Исходные данные
№ п/п в журнале | Т1, К | Т2, К | Т3, К | Т4, К | № п/п в журнале | Т1, К | Т2, К | Т3, К | Т4, К |
1 | 300 | 600 | 1200 | 600 | 18 | 310 | 800 | 1200 | 455 |
2 | 300 | 750 | 1500 | 600 | 19 | 310 | 900 | 1350 | 455 |
3 | 300 | 800 | 1600 | 600 | 20 | 320 | 700 | 1050 | 460 |
4 | 300 | 900 | 1800 | 600 | 21 | 320 | 800 | 1600 | 640 |
5 | 350 | 600 | 1200 | 700 | 22 | 320 | 850 | 1700 | 640 |
6 | 350 | 750 | 1500 | 700 | 23 | 320 | 900 | 1350 | 460 |
7 | 350 | 800 | 1600 | 700 | 24 | 330 | 650 | 1300 | 660 |
8 | 350 | 900 | 1800 | 700 | 25 | 330 | 700 | 1400 | 660 |
9 | 350 | 1000 | 2000 | 700 | 26 | 330 | 750 | 1500 | 660 |
10 | 400 | 800 | 1200 | 600 | 27 | 330 | 800 | 1600 | 660 |
11 | 400 | 900 | 1350 | 600 | 28 | 330 | 900 | 1800 | 660 |
12 | 400 | 600 | 1200 | 800 | 29 | 340 | 1000 | 1500 | 510 |
13 | 400 | 750 | 1500 | 800 | 30 | 340 | 950 | 1700 | 680 |
14 | 400 | 800 | 1600 | 800 | 31 | 300 | 800 | 1600 | 700 |
15 | 400 | 900 | 1800 | 800 | 32 | 300 | 900 | 1800 | 700 |
16 | 310 | 700 | 1400 | 620 | 33 | 400 | 800 | 1500 | 800 |
17 | 310 | 750 | 1500 | 620 | 34 | 400 | 900 | 1600 | 800 |
задание
1 вычертить принципиальную схему ГТУ, работающей по этому циклу, с указанием позиций всех элементов схемы.
2 Вычертить цикл в координатах pv и Тs (без масштаба) с указанием процессов, из которых он состоит (без масштаба).
3 рассчитать
удельное количество подведенной теплоты, q1, Дж/кг.
|
|
удельное количество отведенной теплоты, q2, Дж/кг.
удельное количество использованной теплоты в цикле, qо, Дж/кг.
термический КПД цикла ηt.
4 ответить на контрольные вопросы.
4.1 что такое газотурбинная установка?
4.2 виды газотурбинных установок и их принцип работы?
Общие теоретические сведения
Газотурбинная установка (ГТУ) – тепловой двигатель, в котором отсутствует кривошипно-шатунный механизм и связанное с ним возвратно-поступательное движение. В ГТУ получение механической энергии вращения вала происходит за счет непосредственного использования кинетической энергии газа.
Высокая частота вращения рабочего вала позволяет сосредоточить в одном агрегате большую мощность при относительно небольших габаритах всей установки.
Имеются два основных цикла типа ГТУ: с подводом теплоты при постоянном давлении и постоянном объемом, которые могут быть с регенерацией. В настоящее время основным типом ГТУ является ГТУ с изобарным подводом теплоты.
ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении (рисунок 1)
Конструкция и принцип действия. ГТУ состоит из собственно газовой турбины, имеющей две основные части: вращающийся диск с радиальными лопатками 11, называемый ротором и корпус, называемый статором 2. На общем валу с ротором располагается потребитель энергии 1 и турбокомпрессор 3, сжимающий воздух и подающий его по трубопроводу 7 в камеру сгорания 9. в эту же камеру по трубопроводу 6 топливным насосом 5 из бака 4 подается топливо, которое через форсунку 8 впрыскивается в камеру сгорания 9. газ, образующийся в результате сгорания топлива, подается в сопловый аппарат 10, в котором скорость его движения увеличивается. После соплового аппарата газ, имеющий высокую кинетическую энергию, попадает в канал между лопатками ротора, где и совершается работа вследствие давления газа на вогнутую поверхность лопаток. давление создает силу, вращающий ротор. Отработавшие газы выпускаются через патрубок 12 в атмосферу. Все процессы, протекающие в камере сгорания (подача топлива и воздуха, горение топлива, образование рабочей газовой смеси) совершаются непрерывно
|
|
при постоянном давлении.
Иногда для увеличения КПД воздух подогревается в теплообменнике 14 отработавшими газами (цикл с регенерацией), рисунок 1б.
а – без регенерации; б – с регенерацией
1 – электрогенератор (потребитель); 2 – статор турбины;
|
|
3 – турбокомпрессор; 4 – топливный бак; 5 – топливный насос;
6, 7 – трубопроводы; 8 – форсунка; 9 – камера сгорания;
10 – сопловый аппарат; 11 – лопатки ротора; 12 – выпускной патрубок; 13 – трубопровод; 14 – теплообменник
Рисунок 1 – Схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме
цикл ГТУ состоит из термодинамических процессов, проходящих в турбокомпрессоре 3, камере сгорания 9 и в самой турбине (рисунок 42). Рабочая газовая смесь подготавливается в камере сгорания 9, в которую подается атмосферный воздух предварительно сжатый в турбокомпрессоре 3(от р1 до р2), и топливо топливным насосом 5 (жидкое или газообразное).
1-2– адиабатическоесжатие воздуха в турбокомпрессоре 3;
2-3 – изобарный подвод теплоты q1 к сжатому газу (сгорание топлива в камере сгорания 9); 3-4 – адиабатное расширение газов в турбине 2;
4-1– условный изобарный процесс отвода теплотыq2 в атмосферу
с отработавшими газами
Рисунок 2 – Цикл ГТУ в рv и Ts-координатах с подводом теплоты
при р=const
Процесс сгорания топлива (подвод теплоты) протекает при высокой температуре (около 2000 °С). продукты сгорания смешиваются в камере с воздухом, который не принимал участия в горении (относительно холодным), поэтому температура газовой смеси понижается до 600…700 °С. такая смесь из камеры сгорания 9 поступает в сопла 10(р3, T3), затем с большой скоростью на рабочие лопатки турбины 11,где продукты сгорания адиабатно расширяются (р4) до T4и приводит во вращение ее ротор. Все процессы, протекающие в камере сгорания (подача топлива и воздуха, горение топлива, образование рабочей газовой смеси) совершаются непрерывно при постоянном давлении. Поток газовой смеси, протекающий через турбину, то же – непрерывен и с установившимися параметрами рабочей смеси. Весь перепад давления р3-р1 используется для получения технической работы ℓтех(площадь р2-3-4-1-р1). Большая часть этой работы ℓк(площадь р2-2-1-рI) расходуется на привод компрессора. Разность работ – полезная работа (ℓо = ℓтех – ℓк,площадь2-3-4-1) и используется, например, на производство электроэнергии в электрическом генераторе или на другие цели. отработавшие газы с температурой T4 > T1 ≈ T0 отводится в атмосферу через выпускной патрубок 12.
|
|
Количество удельной подведенной теплоты q1, Дж/кг:
q1 = ср(T3 – T2). (1)
Количество удельной отдведенной теплоты q2, Дж/кг:
q2 = ср(T4 – T1). (2)
удельная теплота цикла qо, Дж/кг: qо = q1 – q2. (3)
Термодинамический КПД цикла
(4)
введем в расчет основные характеристики цикла:
· степень предварительного расширения:
(5)
· степень адиабатного повышения давления:
(6)
Выразим температуры Т2, Т3, Т4 через Т1.
Из соотношения параметров адиабаты 1-2 можно записать
Отсюда (7)
Из соотношения параметров по изобаре 2-3
(8)
Из соотношения параметров по адиабате 3-4
Так как р4 = р1 и р3 = р2, то из сопоставления уравнений имеем:
(9)
Подставляя полученные значения температур в формулу (5.39) получим
(10)
Из уравнения (10) видно, что ht цикла зависит только от k и λ, и растет с увеличением этих параметров.
Из этого же уравнения следует, что при одинаковых степенях сжатия КПД цикла ГТУ равен КПД цикла Отто (бензиновый и газовый поршневой двигатель), но при существенно меньшем максимальном давлении цикла. КПД цикла ГТУ больше КПД цикла поршневого двигателя с подводом теплоты при р = const (цикла Дизеля).
ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме
Схема ГТУ с изохорным подводом теплоты показана на рисунке 3.
Рабочая смесь (топливо с воздухом) воспламеняется с помощью электрической свечи зажигания 14, а газ из камеры сгорания периодически выпускается клапаном 13.
1 – электрогенератор (потребитель); 2 – статор;
3– турбокомпрессор; 4 – топливный бак; 5 – топливный насос;
6, 7 – трубопроводы; 8 – форсунка; 9 – камера сгорания;
10 – сопловый аппарат; 12 – выпускной патрубок; 13 – клапан;
14 – свеча зажигания
Рисунок 3 – Схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме
На рисунке 4 дан цикл в координатах рv и Тs.
Как видно из диаграммы в рv и Ts-координатах, цикл состоит из двух адиабат и одной изохоры и одной изобары.
Рабочая газовая смесь подготавливается в камере сгорания 5, в которую подается атмосферный воздух предварительно сжатый в турбокомпрессоре 10(от р1 до р2), и топливо топливным насосом 2 (жидкое или газообразное). Процесс сгорания топлива (подвод теплоты) протекает при высокой температуре (около 2000 °С). продукты сгорания смешиваются в камере с воздухом, который не принимал участия в горении (относительно холодным), поэтому температура газовой смеси понижается до 600 – 700 °С. такая смесь из камеры сгорания поступает в сопла 6(р3, T3), затем с большой скоростью на рабочие лопатки турбины 7,где продукты сгорания адиабатно расширяются (р4) до T4и приводит во вращение ее ротор. Все процессы, протекающие в камере сгорания (подача топлива и воздуха, горение топлива, образование рабочей газовой смеси) совершаются непрерывно при постоянном давлении.
1-2– адиабатическоесжатие воздуха в турбокомпрессоре 3;
2-3– изохорный подвод теплоты q1 к сжатому газу (сгорание топлива в камере сгорания 9); 3-4 – адиабатное расширение газов в турбине 2;
4-1– условный изобарный процесс (отвод теплотыq2 в атмосферу
с отработавшими газами)
Рисунок 4 – Цикл ГТУ в рv и Ts-координатах с подводом теплоты при v=const
термический КПД цикла:
(11)
введем в расчет основные характеристики цикла:
· степень адиабатного сжатия
(12)
· степень изохорного повышения давления: (13)
Выразим температуры Т2, Т3, Т4 через Т1.
Рассмотрим процессы.
1-2 – процесс адиабатического сжатия:
T2 = T1ε k – 1. (14)
2-3 – процесс нагрева при ν = const:
;
T3 = T2λ;
T3 =T1ε k – 1λ. (15)
3-4 – процесс адиабатического расширения: ,
. (16)
Подставив в формулу (11) t2,t3,t4, через t1 из формул (14), (15), (16), получим:
.
(17)
Из уравнения (17) видно, что ht цикла зависит только от e, k и λ, и растет с увеличением k и уменьшением e.
Пример решения
исходные данные: Т1 = 340 К; Т2 = 1000 К; Т3 = 2000 К; Т4 = 680 К.
решение
1 вычертить принципиальную схему ГТУ
1 – топливный бак; 2 – топливный насос; 3, 11 – трубопроводы;
4 – форсунка; 5 – камера сгорания; 6 – сопловый аппарат;
7 – турбина; 8 – электрогенератор (потребитель);
9 – выпускной патрубок; 10 – турбокомпрессор
Рисунок 1 – Схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме
2 Вычертить цикл в координатах pv и Тs
1-2– адиабатическоесжатие воздуха в турбокомпрессоре;
2-3 – изобарный подвод теплоты q1к сжатому газу (сгорание топлива в камере сгорания); 3-4 – адиабатное расширение газов в турбине;
4 -1 – условный изобарный процесс (отвод теплотыq2 в атмосферу).
Рисунок 2 – идеальный цикл ГТУ в координатах рv и Ts с подводом теплоты при р = const
3 Расчет
3.1 удельное количество подведенной теплоты, q1, кДж/кг,
q1 = ср (Т3 – Т2). (1)
q1 = 1,008 (2000 – 1000) = 1008 кДж/кг.
3.2 удельное количество отведенной теплоты, q2, кДж/кг,
q2 = ср (Т4 – Т1). (2)
q2 = 1,008 (680 – 340) = 342,72 кДж/кг.
3.3 удельное количество использованной теплоты в цикле, qо, кДж/кг,
qо = q1 – q2. (3)
qо = 10 080 – 342,72 = 6 537,28 кДж/кг.
3.4 термического КПД цикла ηt:
(4а)
(4в)
Задача № 4
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1175; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!