Министерство образования и науки Российской Федерации.

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» (УрФУ

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

ГТУ мощностью N работает на природном газе с теплотворной способностью Q_н^р. Воздух на входе в компрессор имеет температуру t₁ и давление p₁. Продукты сгорания на входе в турбину имеют температуру t₃. Степень повышения давления в компрессоре .

Рассчитать:

1. Теоретический цикл.

2. Теоретический цикл с предельной регенерацией.

3. Действительный цикл.

4. Действительный цикл с предельной регенерацией.

Определить для каждого цикла:

1. Параметры рабочего тела в узловых точках цикла (свести их в таблицу).

2. Удельную работу компрессора и турбины, удельное количество подведенной и отведенной теплоты.

3. Полезную работу цикла, термический КПД цикла.

4. Расходы рабочего тела и топлива.

Изобразить схему установки и циклы в (p-v), (T-s) диаграммах.

Сделать выводы, сравнив термические КПД, расходы рабочего тела и топлива в рассчитанных циклах.

Данные для расчета задаются преподавателем индивидуально и записываются в таблицу (см. табл. 1). Варианты заданий приведены в отдельном файле.

Таблица 1

Величина	Значение
Давление воздуха перед компрессором	p1 = …бар
Температура воздуха перед компрессором	t1 = …оС
Степень повышения давления в компрессоре	β =
Температура продуктов сгорания перед турбиной	t3 = …оС
Низшая рабочая теплота сгорания топлива	Qнр = … кДж/кг
Мощность установки	N = … МВт
Внутренний относительный КПД турбины	hoiт = …
Внутренний относительный КПД компрессора	hoiк = …

1. Анализ циклов газотурбинных установок

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из воздушного компрессора К, камеры сгорания КС, газовой турбины ГТ (см. рис. 1.1). На одном валу с газовой турбиной находится также топливный насос ТН для подачи мазута или топливный компрессор ТК для подачи природного газа и электрогенератор ЭГ (если ГТУ используется для выработки электроэнергии) или другая нагрузка. Сжатый в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо. Сгорание происходит при p = const. Из камеры сгорания газы поступают через сопла на рабочие лопатки газовой турбины и приводят во вращение ее ротор. Отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.

Рис. 1.1. Схема ГТУ с подводом теплоты при p = const

На рис. 1.2 представлен теоретический цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const. Цикл состоит из двух адиабат и двух изобар и характеризуется степенью повышения давления .

Рис. 1.2. Цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const:

1–2 – адиабатное сжатие рабочего тела;

2–3 – изобарный подвод теплоты (горение топлива);

3–4 – адиабатное расширение;

4–1 – изобарный отвод теплоты (с выхлопом продуктов сгорания в окружающую среду)

Количество подведенной в процессе 2–3 удельной теплоты (см. рис. 1.2) находится как

, (1.1)

а количество отведенной в процессе 4–1 удельной теплоты –

. (1.2)

Удельная работа, производимая турбиной:

. (1.3)

Удельная работа, затрачиваемая на привод компрессора:

. (1.4)

Удельная полезная работа цикла

. (1.5)

Термический КПД цикла можно найти по определению, рассчитав долю подводимой теплоты, преобразованной в полезную работу:

, (1.6)

или по характеристикам цикла:

(1.7)

Зная мощность установки N и теплотворность топлива , можно найти расходы рабочего тела и топлива В_т:

; (1.8)

. (1.9)

Одним из способов увеличения термического КПД газотурбинной установки является регенерация теплоты, при которой часть теплоты, отводимой с продуктами сгорания, используется в регенераторе (теплообменном аппарате ТА) для нагрева воздуха перед камерой сгорания (см. рис. 1.3).

Эффективность передачи теплоты от продуктов сгорания к воздуху оценивается степенью регенерации σ

. (1.10)

При степень регенерации σ = 1, то есть вся теплота без потерь передается от газов к воздуху, и температура воздуха на выходе из регенератора достигает максимального значения. В этом случае удельные количества подводимой и отводимой теплоты будут определяться выражениями

; (1.11)

. (1.12)

Рис. 1.3. Схема установки и цикл ГТУ с подводом теплоты

при p = const и с регенерацией теплоты

Реальные (действительные) процессы в турбине и компрессоре являются необратимыми и, в соответствии со вторым законом термодинамики, идут с возрастанием энтропии (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Действительный цикл ГТУ

Потери из-за необратимости процессов сжатия в компрессоре и расширения в турбине оцениваются значениями внутренних относительных КПД компрессора

(1.13)

и турбины

, (1.14)

где действительные работы турбины и компрессора

; (1.15)

, (1.16)

а теоретические работы компрессора l_к и турбины l_т рассчитываются по формулам (1.3) и (1.4). Зная значения и , можно найти температуры Т_2д и Т_4д.

При расчете циклов ГТУ считаем, что рабочее тело обладает свойствами воздуха. Теплоемкости находятся по молекулярно-кинетической теории.