Гту с подводом теплоты при постоянном давлении

2. Вычертить цикл в координатах pv и Тs (без масштаба) с указанием процессов, из которых он состоит.

3. рассчитать:

3.1 удельное количество подведенной теплоты, q1, Дж/кг;

3.2 удельное количество отведенной теплоты, q2, Дж/кг;

3.3 удельное количество использованной теплоты в цикле, qо, Дж/кг;

3.4 термический КПД цикла ηt.

4. ответить на контрольные вопросы:

·  что такое газотурбинная установка?

·  виды газотурбинных установок и их принципы 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– адиабатическое сжатие 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 теплоты q2 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 T4 и 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, площадь 2-3-4-1) 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.

Схема и принцип работы ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении дан на рисунке 4.

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 T4 и 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.