Термодинамические основы теории приводных газотурбинных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Дальневосточный Федеральный Университет

Инженерная школа

Кафедра нефтегазового дела и нефтехимии

РЕФЕРАТ

Тема: Термодинамические основы теории приводных газотурбинных установок

Выполнил:

Студент группы С-3421а

Преподаватель:

проф. Слесаренко В.В.

Владивосток 2012

Содержание

Введение

1. Циклы газотурбинных установок (ГТУ)

2. Схема и цикл ГТУ с подводом теплоты при p=const (цикл Брайтона)

3. Расчет параметров в характерных точках цикла

4. Энергетические характеристики цикла

5. Цикл ГТУ с подводом теплоты при v=const (цикл Гемфри)

6. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты

Заключение

Список использованной литературы

газотурбинный энергетический турбина

Введение

Газотурбинная установка (ГТУ) -- энергетическая установка: конструктивно объединённая совокупность газовой турбины, электрического генератора, газовоздушного тракта, системы управления и вспомогательных устройств (пусковое устройство, компрессор, теплообменный аппарат или котёл-утилизатор для подогрева сетевой воды для промышленного снабжения).

Газотурбинная установка состоит из двух основных частей: силовая турбина и генератор, которые размещаются в одном корпусе. Поток газа высокой температуры воздействует на лопатки силовой турбины (создает крутящий момент). Использование тепла посредством теплообменника или котла-утилизатора обеспечивает увеличение общего КПД установки.

ГТУ может работать как на жидком, так и на газообразном топливе: в обычном рабочем режиме -- на газе, а в резервном (аварийном) -- автоматически переключается на дизельное топливо. Оптимальным режимом работы газотурбинной установки является комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ в энергетике работают как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

В настоящее время газотурбинные установки начали широко применяться в малой энергетике.

ГТУ предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях как основной или резервный источник электроэнергии и тепла для объектов производственного или бытового назначения. Области применения газотурбинных установок практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, муниципальные образования.

Цель данной работы - рассмотреть термодинамические основы ГТУ, термодинамические циклы и их показатели.

1. Циклы газотурбинных установок (ГТУ)

В основе работы ГТУ лежат идеальные циклы, состоящие из простейших термодинамических процессов. Термодинамическое изучение этих циклов базируется на предположениях аналогичных тем, которые были сделаны в предыдущем разделе (циклы ДВС), а именно: циклы обратимы, подвод теплоты происходит без изменения химического состава рабочего тела цикла, отвод теплоты предполагается обратимым, гидравлические и тепловые потери отсутствуют, рабочее тело представляет собой идеальный газ с постоянной теплоемкостью.

К числе возможных идеальных циклов ГТУ относят:

а) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const) - цикл Брайтона;

б) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const);

в) цикл с регенерацией теплоты.

Во всех циклах ГТУ отвод теплоты при наличии полного расширения в турбине происходит при постоянном давлении.

2. Схема и цикл ГТУ с подводом теплоты при p=const (цикл Брайтона)

Обратимый цикл ГТУ при p=const называется циклом Брайтона. Схема ГТУ представлена на рис. 1. Компрессор (ВК) , приводимый в движение газовой турбиной (ГТ), подает сжатый воздух в камеру сгорания (КС), в которую впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом (ТН), находящимся на валу турбины. Продукты сгорания расширяются на рабочих лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу.

Рис. 1. Схема ГТУ (ВК - воздушный компрессор, ТН - топливный насос, КС - камера сгорания, ГТ - газовая турбина, ЭГ - электрогенератор)

Изобразим цикл на рабочей и тепловой диаграмме (рис. 2):

Рис. 2 Цикл Брайтона. Рабочая (P-V) и тепловая (T-S) диаграммы.(1-2 - адиабатное сжатие в компрессоре, 2-3 - изобарный подвод теплоты в камере сгорания, 3-4 - адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках газовой турбины, 4-1 - изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в атмосферу)

3. Расчет параметров в характерных точках цикла

Процесс 1-2:

Из уравнения адиабаты в виде

, (1)

определяем

, (2)

в виде T1v1^(k-1)=T2v2^(k-1) определяем

, (3)

Процесс 2-3:

,

, (4)

Процесс 4-1:

, (5)

4. Энергетические характеристики цикла

Количество подведенной за цикл теплоты:

 , (6)

Количество отведенной за цикл теплоты:

, (1)

Цикловая работа:

, (7)

Тогда термический КПД этого цикла:

, (8)

Запишем уравнение адиабаты в следующей форме:

, (9)

Отсюда степень повышения давления в компрессоре равна

, (10)

а степень сжатия

, (11)

Тогда

, (12)

Из формулы (12) следует, что термический КПД ГТУ при данном рабочем теле и постоянном значении k зависит только от степени повышения давления в компрессоре, причем с ростом рk термический КПД цикла растет.

Несмотря на то, что увеличение рk благоприятно сказывается на экономичности газотурбинной установки, повышение этой величины приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Величины этой температуры лимитируются жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 800 - 1000° С и дальнейшее повышение температуры может быть достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми лопатками.

С целью повышения термического КПД часть теплоты, выбрасываемую в атмосферу, можно использовать повторно. Рассмотрим способ повышения КПД с применением регенерации теплоты.

5. Цикл Гемфри

Цикл Гемфри - это прямой газовый изохорный цикл полного расширения. Этот цикл был реализован в пульсирующем прямоточном воздушно-реактивном двигателе, установленном на немецкой крылатой ракете Фау-1. В p-v и T-s координатах этот цикл представлен на следующих рисунках:

Рис. 3 Цикл Гемфри в координатах p-v и T-s

Основные характеристики (параметры) цикла:

- степень сжатия , или степень повышения давления в процессе сжатия П=рс/ра;

- степень повышения давления в процессе подвода теплоты q1 по изохоре .

Термический КПД цикла Гемфри равен:

,

(адиабата ac);

(закон Шарля) -изохора c-z;

, - (изобара ba и адиабаты zb и ac).

После подстановки этих значений в выражение для получим:

.

Таким образом, термический КПД цикла Гемфри является прямой функцией степени сжатия (или П) и степени повышения давления в процессе подвода теплоты q1 по изохоре .

6. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты

Регенерация теплоты - подогрев воздуха после компрессора выхлопными газами - возможна при условии, что . Для этого в схему установки необходимо ввести дополнительное устройство - теплообменник. Схема и тепловая диаграмма ГТУ с регенерацией теплоты представлены на рис. 3, 4. Воздух из компрессора направляется в теплообменник, где он получает теплоту от газов, вышедших из турбины. После подогрева воздух направляется в камеру сгорания, где для достижения определенной температуры он должен получить меньшее количество теплоты сгорания топлива.

Рис. 4 Схема ГТУ с регенерацией теплоты (ТО - теплообменник)

Рис. 4 Тепловая диаграмма ГТУ с регенерацией теплоты

В процессе 4-5 продукты сгорания охлаждаются в теплообменнике и эта теплота передается воздуху в процессе 2-6. Количество теплоты регенерации рассчитывается по формуле:

, (13)

При полной регенерации (идеальном теплообменнике) воздух можно нагреть до температуры T6, равной температуре T4, а продукты сгорания охладить до температуры T5, равной температуре воздуха T2.

Работа цикла остается прежней, а количество подведенной теплоты уменьшается; теперь теплота q1P подводится в камере сгорания только в процессе 6-3.

Термический КПД цикла в этом случае равен:

, (14)

В реальных условиях теплота регенерации передается не полностью, так как теплообменники не идеальные. Нагрев воздуха осуществляется до точки 6', а продукты сгорания охлаждаются до точки 5?. В этом случае термический КПД должен учитывать степень регенерации, определяемую как отношение количества теплоты, переданного воздуху, к тому количеству теплоты, которое могло бы быть передано при охлаждении газов до температуры воздуха:

, (15)

Величина степени регенерации определяется качеством и площадью рабочих поверхностей теплообменника (регенератора). С учетом степени регенерации теплота регенерации равна

, (16)

Термический КПД цикла с учетом степени регенерации:

, (17)

В настоящее время регенерация теплоты в основном находит применение в стационарных установках из-за большого веса и габаритов регенератора.

Заключение

В данной работе рассмотрены термодинамические основы приводных газотурбинных установок, изучены термодинамические циклы ГТУ и их показатели. Эти знания крайне важны для более глубокого понимания процесса работы ГТУ.

Список использованной литературы

1. Белоконь Н.И. - Термодинамические процессы газотурбинных двигателей. М. «Недра» 1969. 125 с.

2. Газотурбинные установки. Перевод с английского под ред. А.Г. Курзона Л., Гос. Союзн. Изд-во судостроительной промышленности, 1959. 868 с.

3. Кириллов И.И. Газовые турбины и газотурбинные установки. Т.1, М. «Машгиз», 1956. 434 с.

4. Белоконь, Н.И. Газотурбинные установки на компрессорных станциях магистральных газопроводов/ Н.И.Белоконь, Б.П. Поршаков. - М.: Недра, 1969. - 112 с.

Размещено на Allbest.ru