14. Идеальные циклы в простейших гту.

Идеальные циклы в простейшей ГТУ

При рассмотрении идеальных циклов приняты следующие допущения:

1. химический состав рабочего тела в течение всего цикла не изменяется: тем самым процесс сгорания топлива заменяется процессом подвода теплоты извне (при этом не рассматриваются, а значит и не учитываются потери, возникающие при горении топлива);

2. процессы тепло- и массообмена продуктов сгорания с окружающей средой заменены процессом отвода теплоты от рабочего тела;

3. процессы сжигания и расширения происходят адиабатно;

4. количество рабочего тела при протекании цикла не изменяется, поэтому не учитываются потери, возникающие при замене отработанных газов свежим воздухом;

5. теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры (рабочим телом является идеальный газ).

15. Определение энтальпии продуктов сгорания

Определение энтальпии продуктов сгорания

Энтальпию продуктов сгорания определяют всегда на единицу количества топлива и вычисляют по формуле:

h_пс= M_пс  Cp_пс  t^o_пс = V_пс  Cp¹ _пс  t^o_пс

где: M_пс - массовое количество продуктов сгорания [ кг / кг ], [кг / м³],

V_пс - объем продуктов сгорания [ м³ / кг ], [м³ / м³],

Cp_пс - удельная массовая теплоемкость продуктов сгорания [Дж/(кгград)]

t^o_пс - температура продуктов сгорания [ ⁰ C ],

Cp¹ _пс - удельная объемная теплоемкость продуктов сгорания [Дж/(кгград)]

Cp¹ _пс = Cp¹ _СО2  V_RO2/ V_пс + Cp¹ _N2  V^o _N2/ V_пс +

+ Cp¹ _H2O  V _H2O/ V_пс + Cp¹ _в  V_в/ V_пс

h _пс = (Cp¹ _СО2  V_RO2 + Cp¹ _N2  V^o _N2 + Cp¹ _H2O  V _H2O +

+ Cp¹ _в  V_в) t^o _пс

16. H-t - диаграмма продуктов сгорания топлива

При проектировании и эксплуатации теплоиспользующих установок приходится выполнять множество расчетов, связанных с процессом горения топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха, степени подогрева топлива и воздуха, типа форсунки и т.д.

Эти расчеты значительно упрощаются при использовании h – t диаграммы продуктов сгорания типичных топлив.

По оси координат отложены значения энтальпии продуктов сгорания, отнесенные к единице количества топлива (кДж/м³), а по оси абсцисс - температура газов. На диаграмме нанесены семейства кривых h=f(t_г) для различны значений коэффициента избытка воздуха  при полном сгорании топлива. Кроме того, даны кривые калориметрических температур сгорания при различных коэффициентах избытка воздуха и температурах подогрева воздуха.

Пример 1. Определение калориметрической температуры сгорания

Пример 2. Определение коэффициента общего избытка воздуха, подаваемого в камеру сгорания ГТУ

Пример 3. Определение теплоперепада в турбине.

.

Пример 4. Определение количества теплоты, переданного воздуху в регенераторе.

.

17. Основные показатели работы камер сгорания.

Тепловая мощность камеры сгорания, кВт

Тепловая мощность Q_KC выражается количеством тепла, которое выделяется в единицу времени при полном сгорании топлива:

Объемная теплонапряженность q, кВт/м³

Характеризует компактность, а значит, и эффективность использования объема камеры сгорания:

Тепловой КПД камеры сгорания, учитывающий все тепловые потери:

( ),

Полные потери давления в камере сгорания складывается из следующих составляющих:

а) гидравлических потерь, которые возникают без подвода теплоты в камере в результате потерь на трение при прохождении газового потока и местных сопротивлений от воздухонаправляющих ребер, завихрителей и т.д. Эти потери определяются при холодной продувка камеры:

б) дополнительных потерь давления, вызванных нагревом газа при сгорании топлива в камере. Плотность газа в этом случае уменьшается, а скорость газового потока увеличивается. Процесс снижения давления в газовом потоке при подводе теплоты подробно рассматривается в курсе газовой динамики.

Общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания

 = G_в / (BL₀) ,

где G_в и В - соответственно расход воздуха и топлива в камере, кг/с; L₀ - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива, рассчитанному по элементному составу топлива.

18. Показатели эффективности циклов ГТУ.

Циклом теплового двигателя называют круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу.

Все термодинамические процессы действительного реального цикла в той или иной степени необратимы.

Необратимость процессов связана с наличием теплообмена, трения в потоке газов и т.д.

Необратимость процессов снижает эффективность процессов преобразования теплоты в работу.

В анализе эффективности циклов решают две задачи:

1. определяют, от каких факторов зависит КПД обратимого термодинамического цикла (идеального цикла) и какими должны быть процессы цикла, чтобы его КПД имел наибольшее значение при заданных ограничительных условиях;

2. находят степень необратимости процессов действительного цикла и устанавливают, какие процессы целесообразно усовершенствовать с целью снижения необратимых потерь и повышения КПД цикла.

Основным показателем, достаточным для суждения об эффективности термодинамического цикла, является его термический КПД. ,

Степень совершенства действительного необратимого цикла характеризуется индикаторным (внутренним) КПД.

,

где - индикаторная работа цикла (с учетом внутреннего трения); - количество действительно отведенной теплоты к холодному источнику.

- из-за наличия необратимостей.

Индикаторный КПД сам по себе не дает возможности оценить степень необратимости цикла, поэтому при анализе действительных циклов используют метод сравнения их с обратимыми идеальными циклами.

19. Простейшая ГТУ прерывистого горения (при V=const).

Схема простейшей ГТУ прерывистого горения (при постоянном объеме)

ГТУ со сгоранием при V=const отличаются от ГТУ со сгоранием при р=const, в основном, устройством и принципом работы камеры сгорания, что определяет и характер протекания самого цикла.

При таком способе подачи тепла камера сгорания закрытая: клапан 1 предназначен для впуска газообразного топлива; клапан 2 предназначен для впуска нагнета-емого компрессором воздуха; клапан 3 - для выпуска газов из камеры сгорания в турбину; свеча 4 предназначена для зажигания

топливо - воздушной смеси.

Рабочий процесс в закрытой камере сгорания происходит следующим образом: после заполнения камеры сгорания воздухом клапан 2 закрывается и только после этого подается через клапан 1 топливо. Образовавшаяся топливно-воздушная смесь воспламеняется электрической свечей 4. Клапан 3 в это время закрыт. Процесс сгорания происходит при V=const. Температура и давление газов в камере сгорания резко повышаются. В конце процесса сгорания клапан 3 открывается и газы направляются в турбину.

По мере выпуска газов их температура и давление в камере сгорания снижаются. Когда их давление упадет до определенной величины, открывается впускной клапан 2 и в камеру сгорания начинает поступать свежий воздух. С помощью этого воздуха происходит продувка камеры сгорания с целью более полного удаления оставшихся газов и одновременного охлаждения камеры сгорания и рабочих лопаток турбины.

В конце продувки выпускной клапан 3 закрывается и камера сгорания заполняется сжатым воздухом, после чего процесс снова повторяется.

Недостатки схемы ГТУ при V=const:

1. наличие клапанов и распределительного механизма в значительной степени усложняют конструкцию камеры сгорания; это ведет к уменьшению надежности и сроков службы камеры сгорания;

2. наличие пульсации газового потока может привести к опасным вибрациям лопаток газовой турбины, что может привести к их поломке;

3. вследствие того, что газ проходит через клапан, он дросселируется и за счет этого снижается КПД ГТУ;

4. КПД ГТУ снижается и потому, что при переменном давлении турбина работает на протяжении большей части цикла на нерасчетном режиме.

20. Принципы работы, конструкции, преимущества и недостатки ГТУ.

Принцип работы:

В газотурбинных установках — ГТУ многоступенчатый компрессор сжимает атмосферный воздух, и подает его под высоким давлением в камеру сгорания. В камеру сгорания газотурбинных установок — ГТУ подается и определенное количество топлива. При столкновении на высокой скорости топливо и воздух воспламеняются. Топливовоздушная В качестве топлива могут использоваться любое горючее: керосин, дизельное топливо, газ.

Конструкции ГТУ:

Газотурбинная установка - это агрегат, состоящий из газотурбинного двигателя, редуктора, генератора и вспомогательных систем. В основу устройства газотурбинного агрегата положен принцип модульности: ГТУ состоят из отдельных блоков, включая блок автоматики. Модульная конструкция позволяет в кратчайшие сроки производить сервисное обслуживание и ремонт, наращивать мощность, а также экономить средства за счет того, что все работы могут производиться быстро на месте эксплуатации.

К основным элементам конструкции относятся:

- воздухозаборное устройство.;

- входной направляющий аппарат (1) - это кольцо с 12-ю радиальными лопатками, к которым крепится передняя опора (14) ротора четырехступенчатого компрессора низкого давления (КНД) (2);

- средняя опора (15), имеющая воздушный канал для охлаждения. В ней совмещены: задняя опора ротора КНД, передняя опора компрессора высокого давления (КВД), корпус центрального привода агрегатов.

Кроме перечисленных основных элементов конструкции, работу газотурбинного двигателя обеспечивают системы:

- топливопитания и регулирования;

- автоматического контроля и управления;

- маслосистема;

- система запуска; - система пожаротушения.

Преимущества и недостатки ГТУ:

Главным преимуществом ГТУ является ее компактность. Компактность ГТУ позволяет осуществить ее сборку на турбинном заводе, доставить в машинный зал железнодорожным или автодорожным транспортом для установки на простом фундаменте.

ГТУ не требует охлаждающей воды. Как следствие, в ГТУ отсутствует конденсатор и система технического водоснабжения с насосной установкой и градирней (при оборотном водоснабжении).

Важным преимуществом ГТУ является ее высокая маневренность, определяемая малым уровнем давления (по сравнению с давлением в паровой турбине) и, следовательно, легким прогревом и охлаждением без возникновения опасных температурных напряжений и деформаций.

Однако ГТУ имеют и существенные недостатки, из которых, прежде всего, необходимо отметить меньшую экономичность, чем у паросиловой установки. Средний КПД достаточно хороших ГТУ составляет 37—38 %, а паротурбинных энергоблоков — 42—43 %. Потолком для мощных энергетических ГТУ, как он видится в настоящее время, является КПД на уровне 41—42 %, (а может быть и выше с учетом больших резервов повышения начальной температуры). Меньшая экономичность ГТУ связана с высокой температурой уходящих газов.

Низкая начальная стоимость ТЭС с ГТУ и одновременно сравнительно низкая экономичность и высокие стоимость используемого топлива и маневренность определяют основную