Идеальный цикл газотурбинной установки (ГТУ)

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 7Следующая ⇒

цикл осуществляется одним кг воздуха, как идеальным газом с подводом теплоты при постоянном давлении, где удельная теплоемкость при постоянном давлении, с_р = 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, q_о, Дж/кг.

термический КПД цикла η_t.

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 q₁к 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 ℓ_тех(площадь р₂-3-4-1-р₁). Большая часть этой работы ℓ_к(площадь р₂-2-1-р_I) расходуется на привод компрессора. Разность работ – полезная работа (ℓ_о = ℓ_тех– ℓ_к,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 = с_р(T₃ – T₂). (1)

Количество удельной отдведенной теплоты q₂, Дж/кг:

q₂ = с_р(T₄ – T₁). (2)

удельная теплота цикла q_о, Дж/кг: q_о = 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 h_t 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 р₁до 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 q₁к 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^{– 1}λ. (15)

3-4 – процесс адиабатического расширения: ,

. (16)

Подставив в формулу (11) t₂,t₃,t₄, через t₁из формул (14), (15), (16), получим:

(17)

Из уравнения (17) видно, что h_t 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 = с_р (Т₃ – Т₂). (1)

q₁ = 1,008 (2000 – 1000) = 1008 кДж/кг.

3.2 удельное количество отведенной теплоты, q₂, кДж/кг,

q₂ = с_р (Т₄ – Т₁). (2)

q₂ = 1,008 (680 – 340) = 342,72 кДж/кг.

3.3 удельное количество использованной теплоты в цикле, q_о, кДж/кг,

q_о = q₁ – q₂. (3)

q_о = 10 080 – 342,72 = 6 537,28 кДж/кг.

3.4 термического КПД цикла η_t:

(4а)

(4в)

Задача № 4

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1175; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!