ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 278
Скачиваний: 2
ны, обладающие сравнительно высокой экономичностью, а также на дежностью и долговечностью в работе. Большую роль в деле разви тия газовых турбин сыграло появление и распространение в авиации турбореактивных двигателей, которые произвели настоящую ре волюцию, увеличив скорость самолетов в несколько раз.
Значительный вклад в теорию и практику газовых турбин был сделан советскими учеными: академиком Б. С. Стечкиным, профессо рами Г. С. Жирицким, В. М. Маковским, Г. И. Зотиковым, В. В. Ува ровым, И. И. Кирилловым, Я- И. Шнеэ и др.
С каждым годом газовые турбины благодаря своим достоинствам получают сейчас все более широкое распространение в энергетике, различных отраслях промышленности и на транспорте. В ряде зару бежных стран и у нас в СССР имеются опытные газотурбовозы, ведутся работы по созданию автомобилей с газотурбинными двигателями. Все больше появляется морских и речных судов различного назначения, на которых в качестве силовой установки использованы ГТУ.
Дальнейшее развитие ГТУ заключается в повышении их экономич ности, надежности и долговечности, что прежде всего определяется прогрессом в области создания жаростойких материалов и разработ кой эффективных способов охлаждения проточной части газовых тур бин.
Большие перспективы в будущем имеют также атомные энергети ческие установки с газовыми турбинами и ядерными реакторами с га зовыми теплоносителями. Есть основания полагать, что они будут более экономичными, компактными и простыми по устройству, чем атомные установки, работающие по пароводяному циклу.
§ 2-2. Схемы и циклы простейших ГТУ
Схема простейшей ГТУ открытого типа со сгоранием при постоян ном давлении изображена на рис. 2-1. Компрессор / засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до заданного давления и подает в открытую камеру сгорания 4. Туда же с помощью топливного насоса 3 непрерывно впрыскивается через форсунку 5 топливо, которое сме шивается с воздухом и сгорает. Образовавшиеся газообразные продук ты сгорания направляются в газовую турбину 8. Здесь следует отме тить, что только 20-4-40 % подаваемого компрессором воздуха вво дится в активную зону горения 6 и участвует в процессе сгорания. Это так называемый первичный воздух. Остальные 60-4-80 % воздуха добавляются уже после активной зоны. Смешиваясь с продуктами сгорания, эта часть воздуха (вторичный, или охлаждающий, воздух) дает возможность выровнять и понизить температуру газов перед тур биной до заданной величины. Дело в том, что для обеспечения интен сивного и наиболее полного сгорания топлива температура в активной зоне камер сгорания обычно поддерживается на уровне 1800-4-2300 К, тогда как допускаемая в настоящее время по условиям надежности и долговечности лопаточного аппарата температура газа на входе в газовую турбину для ГТУ, рассчитанных на длительный срок служ бы, составляет примерно 900-4-1100 К-
155
В газовой турбине тепловая энергия газов преобразуется в механи ческую энергию вращения ее. Мощность, развиваемая турбиной 8, частично затрачивается на привод компрессора / и других вспомога тельных механизмов, а оставшаяся (избыточная) часть передается по требителю, например преобразуется в электрическую энергию в гене раторе 2.
4 5 6
Топливо
Воздух
Рис. 2-1. Принципиальная схема простейшей ГТУ с открытой камерой сгорания
Запуск ГТУ производится пусковым электродвигателем 7, а за
жигание топлива |
осуществляется |
обычно |
только при |
запуске с |
по |
мощью установленной в камере |
сгорания |
электрической свечи. |
|
||
На рис. 2-2, а, |
б показаны соответственно в р— и- и |
Т—s-диаграм- |
|||
мах совмещенные |
термодинамический и действительный циклы |
ГТУ |
|||
со сгоранием при постоянном давлении. В отношении термодинамиче ского цикла приняты следующие основные допущения: 1) цикл замк нут; он осуществляется с постоянным количеством идеального газа, имеющего неизменный химический состав и постоянную теплоемкость; 2) все процессы в цикле являются обратимыми, так как они протека ют без тепловых и гидравлических потерь; 3) сжатие в компрессоре и расширение в турбине происходят адиабатно. Но так как потерь при этом, согласно п. 2, нет, то, следовательно, эти процессы проис ходят при постоянных значениях энтропии. Отсюда линия 3—4' изображает изоэнтропийное сжатие воздуха в компрессоре, сопровож дающееся повышением его давления и температуры от начальных зна чений р3 и Т 3 д о р 4 и Т 4 . В действительном же цикле сжатие сопро вождается внутренними потерями в компрессоре, которые сдвигают этот процесс в сторону увеличения энтропии (линия 3—4).
Тепло в камере сгорания подводится по изобаре 4—/, за счет чего температура возрастает от 7\ до 7Y Линия 1—2' изображает изоэнт ропийное расширение рабочего тела в турбине. В действительном
156
цикле расширение из-за |
внутренних потерь в турбине происходит |
по линии /—2. При этом |
давление снижается до р2, а температура — |
до Т2.
Отвод тепла в теплоприемник в термодинамическом цикле изобра жается изобарой 2'—3. В результате этого температура рабочего тела понижается до первоначального ее значения Т3 в цикле. В действи тельном цикле линия 2—3 выражает собой условный замыкающий процесс, соответствующий охлаждению газов при выходе их из тур бины в атмосферу.
|
|
|
v |
|
|
с |
d, |
s |
|
Р ис. 2-2. Цикл ГТУ со сгоранием |
при р = |
const |
|
||||||
Термический к.п.д. термодинамического |
цикла |
|
|
|
|||||
|
'It = |
(<7i — <7а) /' qt |
= |
l 0 1 |
Я» |
|
|
(2_I) |
|
где <7i и q2 — соответственно количество |
подведенного |
и отведенного |
|||||||
в цикле тепла, |
кДж/кг; /0 |
— полезная |
работа цикла, кДж/кг, на диа |
||||||
грамме р—v |
выражается |
площадью 3—4'—1—2' |
и равна |
разности |
|||||
изоэнтропийных работ турбины |
и компрессора: |
|
|
|
|||||
|
|
А ) = |
^от |
^ок- |
|
|
. |
|
(2-2) |
Работа изоэнтропийного сжатия 1 кг газа в компрессоре / 0 к |
изобра |
||||||||
жается площадью 3—4'—а—Ь и может |
быть выражена |
через |
разность |
||||||
энтальпий в конце и в начале сжатия: |
|
||||
|
|
|
l0K = i'4-i3 |
= cp(T4-T3), |
(2-3) |
где г3 и i\ |
— энтальпия газа соответственно в начале и в конце сжатия, |
||||
кДж/кг; |
Т3 |
и |
Ti — абсолютная |
температура |
газа соответственно в |
точках 3 и 4' |
цикла, К; ср — удельная теплоемкость газа при постоян |
||||
ном давлении, |
кДж/(кг-К)- |
|
|
||
При выводе зависимостей удельные теплоемкости обычно принима ются одинаковыми по величине для всех процессов цикла ГТУ.
Работа изоэнтропийного расширения 1 кг газа в турбине изобра жается на р—и-диаграмме площадью а—/—2'—Ъ и также может быть выражена через разность энтальпий в начале и в конце расширения:
lo, = h - i 2 = co{Ti~T2), |
(2-4) |
157
где ii и i-2 — энтальпия газа соответственно в начале и конце расшире
ния, кДж/кг; 7 \ |
и Т2 — абсолютная температура газа в точках i и 2' |
||||
цикла, |
К- |
|
|
|
Т—s-диаграмме изображается |
Подведенное в цикле тепло <7i на |
|||||
площадью с—4'—/—d: |
|
|
|
||
|
|
|
g1 = cp(T1-Ti). |
(2-5) |
|
Если |
в (2-1) |
вместо |
10 |
и qx ввести |
их выражения (2-2) и (2-5), то |
|
|
\ - |
T'2I |
Ti-jTjIT^T'J |
т9-\) |
|
|
|
|
\-TjTy |
(2-6) |
|
|
|
|
|
|
Для изоэнтропийного процесса, как это известно из термодинами ки, справедливы следующие соотношения:
|
|
|
|
|
|
(2-7) |
|
TJT^{Pilp2f-^k |
= |
f - |
^ |
, |
|
здесь |
Pi/рг = Р — степень повышения давления |
в |
компрессоре; |
|||
7 У Т 3 |
= х — степень повышения |
температуры |
в |
цикле; k — cjcv |
||
(где cv — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме). |
||||||
Подставив (2-7) в (2-6) и обозначив (k — |
\)/k |
= |
m, |
после преобра |
||
зований получим окончательную |
формулу |
для |
термического к. п. д. |
|||
цикла ГТУ |
|
|
= i - p - ^ - o / ^ g |
D= |
_ |
1 — р т ( 1 / х ) |
|
|
Как это видно из (2-8), термический к. п. д. цикла ГТУ с p = const непрерывно возрастает с увеличением степени повышения давления р\ Но это справедливо только для термодинамического цикла, в котором не'учитываются внутренние потери и имеется лишь отвод тепла в теплоприемник. Выразим в действительном цикле работы сжатия воздуха в компрессоре и расширения газа в турбине так же, как и в термодина мическом цикле, через разность энтальпий:
к = ср{Т,-Т3); |
(2-9) |
1, = ср(Тх-Т2). |
(2-10) |
Внутренние потери, возникающие при сжатии воздуха в компрес соре, учитываются внутренним к. п. д.
-1к = /ок / к = {Т\ - Тъ) I ( 7 Y - Т3), |
(2-11) |
158
где / 0 к — работа изоэнтропийного сжатия 1 кг воздуха в термодинами ческом цикле, кДж/кг; / к — работа сжатия 1 кг воздуха в действи тельном цикле, кДж/кг.
Аналогичным образом внутренние потери в турбине учитываются относительным внутренним к. п. д.
% = К I /от = (Тг - Тг) I (Т1 - П ) , |
(2-12) |
где /т — работа расширения 1 кг газа в турбине в действительном цикле, кДж/кг; /0 т — работа изоэнтропийного расширения, кДж/кг. В соответствии с (2-11) и (2-12) можно выразить действительные рабо ты сжатия в компрессоре:
|
|
'к = О Ч ) ' № |
|
(2-13) |
|
и расширения в турбине: |
|
|
|
||
|
|
/т = |
(1+и)/ог*1о1, |
|
( 2 - Н ) |
где [х — количество |
топлива, |
приходящееся на |
1 кг |
воздуха, по |
|
даваемого в |
камеру |
сгорания, |
кг/кг. |
|
|
Величина |
\х составляет примерно (0,01-^0,018) |
кг/кг |
и вследствие |
||
малости ею можно |
пренебречь. |
|
|
||
Используя (2-13) |
и (2-14), определим внутреннюю полезную работу |
||||
ГТУ, отнесенную к 1 кг всасываемого компрессором воздуха, как
разность работ |
/т и |
/ к : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к = |
К — к = /от Ъг— |
/0 к ( |
|
= |
ср |
( 7 \ — Т2) |
vjoi — ср |
(Т\ — 7 3 ) |
(1/TJK) = |
|||
|
= cpTi{\-TjTi)riQi-ср |
|
|
|
Тг (Г; / Г 8 |
- |
1) (1 /т( к ). |
(2-15) |
||||
|
Так как, согласно (2-7), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
TJT1= |
1/.3 |
|
= |
Щт |
|
и |
T'JT3 |
= |
|
= $т, |
|
то |
после их подстановки |
в (2-15) |
имеем |
|
|
|
|
|||||
|
|
= ср |
7 \ (1 - |
г |
ш |
- с р Т 3 |
- |
1) (UriK), |
(2-16) |
|||
или |
окончательно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h = cpTi[{\ |
— |
|
т)о г - |
(1/,,к х) (р« - |
1)], |
(2-17) |
|||||
здесь х = TJT3 |
— степень |
повышения |
температуры в цикле. |
|||||||||
ГТУ со сгоранием при постоянном объеме (рис. 2-3) отличается от ГТУ с р — const в основном устройством и принципом работы камеры сгорания 8, а от этого зависит и характер протекания самого цикла. Здесь камера сгорания закрытая. При работе на газе обычно она снаб жена тремя, а при работе на жидком топливе — двумя клапанами и свечой зажигания 7. Клапан 5 предназначен для впуска нагнетаемого компрессором / воздуха, а клапан 9 — для выпуска газов из камеры сгорания 8 в турбину 2. Клапан 6 служит для впуска газообразного топлива. Если установка работает на жидком топливе, то вместо кла пана 6 в камере сгорания устанавливается одна или несколько форсу-
159
