1. Классификация гту

В зависимости от способа подвода теплоты:

3. ГТУ с подводом теплоты Q при постоянном давлении р=const;

4. ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме V=const.

В зависимости от способа организации холодного источника (отвода теплоты Q):

1) ГТУ открытого цикла; 2) ГТУ закрытого цикла; 3)ГТУ полузакрытого цикла.

ГТУ открытого цикла - ГТУ, в которой рабочее тело поступает из атмосферы, однократно проходит через все элементы ГТУ и выбрасывается в атмосферу.

ГТУ закрытого цикла - когда рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, а подвод и отвод теплоты осуществляется в специальных теплообменниках.

ГТУ полузакрытого цикла - это установки промежуточной схемы между ГТУ открытого и закрытого циклов.

Рабочим телом ГТУ открытого цикла служит атмосферный воздух и продукты сгорания топлива, в ГТУ замкнутого цикла - СО₂, гелий, воздух.

В зависимости от конструктивных требований, условий запуска, регулируемых режимов работы различают:

1)одновальные ГТУ; 2)двухвальные ГТУ; 3)трехвальные ГТУ.

В зависимости от использования теплоты уходящих газов:

1)с регенерацией теплоты уходящих газов; 2)без регенерации теплоты.

По назначению:

4. энергетические (для привода электрических генераторов);

5. приводные (для привода центробежных насосов и нагнетателей);

6. транспортные (в качестве двигателей в авиации, железно-дорожном транспорте, водном транспорте, военной технике).

35 Теплота сгорания топлива.

Теплота сгорания топлива (теплотворная способность)

Является важнейшей характеристикой топлива. Она определяет тепловую ценность топлива.

Теплота сгорания топлива - количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³ газообразного топлива.

Различают: высшую и низшую теплоту сгорания.

Так как в топливе содержится водород, то в продуктах сгорания будут присутствовать водяные пары.

Если продукты сгорания охладить и сконденсировать водяные пары, то выделившуюся при этом теплоту можно полезно использовать.

Высшей теплотой сгорания называется теплота, выделившаяся при полном сгорании топлива, включая теплоту конденсации паров воды, имеющейся в топливе и образующейся в процессе горения (окисления).

Низшая теплота сгорания не учитывает теплоты конденсации водяных паров.

Теплота сгорания может быть вычислена по формуле Д.И.Менделеева:

- для твердого и жидкого топлива (% по массе, [кДж/кг])

Q^P_H = 339,5 C^P +1256 H^P - 25,8 (9 H^P + W^P) - 109 ( O^P - S^P_Л);

- для газообразного топлива (% по объему, [кДж/м³] )

Q^P_H = 127 CO + 108 H₂ + 358 CH₄ +234 H₂S +590 C₂H₄ + 638 C₂H₆ +…

+ 913 C₃H₈ + 1187 C₄H₁₀ +1465 C₅H₁₂ …

Для сравнения тепловой ценности различных топлив используют понятие условного топлива, под которым принимают топливо с теплотой сгорания 7000 ккал/кг = 29350 кДж/кг.

36 Коэффициент избытка воздуха. Горение топлива.

Действительное количество воздуха

Подача в топки и камеры сгорания воздуха в теоретически необходимом количестве практически не обеспечивает полноты сгорания топлива. Поэтому фактически в камеру сгорания воздуха подают больше , чем это требуется теоретически.

Этот избыток воздуха характеризуется коэффициентом избытка воздуха, под которым понимают отношение действительно поданного количества воздуха к теоретически необходимому, т.е.

С увеличением коэффициента избытка воздуха  происходит увеличение потерь теплоты с продуктами сгорания топлива, т.к. увеличивается их количество. Кроме того, затрачивается определенное количество теплоты на нагрев избытка воздуха до температуры горения.

С уменьшением  возрастают потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива. Поэтому оптимизация  является технико-экономической задачей и зависит от вида топлива, типа камеры сгорания, ее объема и т.д.

Горение - сложный физико-химический процесс взаимодействия топлива с окислителем, протекающий при высоких температурах и сопровождающийся интенсивным выделением теплоты.

Чаще всего в качестве окислителя используется кислород атмосферного воздуха.

Для обеспечения непрерывного и устойчивого горения необходимы следующие физические условия:

7. бесперебойный подвод топлива и окислителя в зону горения;

8. непрерывное и интенсивное их перемешивание;

9. подогрев топлива до температуры воспламенения;

10. подогрев воздуха;

11. непрерывный отвод продуктов сгорания из зоны горения;

12. поддержание высокой температуры в зоне горения и т.д.

Поэтому горение топлива в технологических устройствах не чисто химический процесс окисления, а сложный физико-химический процесс.

В зависимости от агрегатного состояния топлива и окислителя различают:

- гомогенное горение;

- гетерогенное горение.

Если топливо и окислитель находятся в одинаковых фазовых состояниях, то горение называется гомогенным.

Если топливо и окислитель находятся в разныз фазовых состояниях - горение гетерогенное.

При полном сгорании выделяется максимальное количество теплоты; при неполном - количество теплоты меньше, т.е. имеют место потери теплоты от химической неполноты сгорания.

При полном сгорании углерода (1 кг); С + О₂ = СО₂ + 33600 кДж/кг;

при неполном сгорании углерода : С +1/2 О₂ = СО + 9900 кДж/кг.

37 Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении.

При рассмотрении термодинамического цикла оперируют со следующими понятиями и определениями:

- степень повышения давления в адиабатическом процессе сжатия; - степень сжатия; - степень повышения температуры в цикле.

В координатах р-v (T-s) термодинамический цикл ГТУ при постоянном давлении имеет следующий вид (рис.3.4):

1 - 2 - адиабатный (изоэнтропический) процесс сжатия в компрессоре;

2 - 3 - изобарный подвод теплоты в камере сгорания;

3 - 4 - адиабатный (изоэнтропический) процесс расширения в турбине;

4 - 1 - условный замыкающий процесс (изобарный отвод теплоты в окружающую среду).

В идеальной ГТУ, выполненной по простой тепловой схеме, принимается с_р=const ; k=const; p₃ /p₄ =p₂/p₁=.

Термический КПД

;

;

Для адиабатного (изоэнтропического) процесса 1-2 уравнение связи параметров имеет вид:

Для процесса 3-4:

- термический КПД цикла при P=const

38. Особенности конструкции и основные типы камер сгорания ГТУ.

камеры сгорания - прямой цилиндрический канал, со­единяющий компрессор с турбиной.

Существующие камеры сгорания можно разделить на следующие основные типы: а) индивидуальные; б) секционные (многотрубчатые); в) кольцевые; г) трубчато-кольцевые.

Индивидуальные камеры, в свою очередь, бывают выносными и встроенными. Выносная камера в отдельного скомпонованном корпусе устанавливается в ГТУ рядом с турбокомпрессором. У встроенных камер корпус опирается непосредственно на общий корпус турбокомпрессора или конструктивно с ним совмещён. Существуют две разновидности индивидуальных камер сгорания: цилиндрические и угловые.

Секционные (многотрубчатые) камеры сгорания представляют собой конструкцию, в которой объединено несколько парал­лельно работающих цилиндрических камер (секций), часто связанны между собой пламяпередающими патрубками. Секция многотрубчатой камеры сгорания состоит из пламенной труби и кожуха 8. Пламенная труба включает в себя го­ловку, состоящую из лопаточного завихрителя, тарелки и ко­нуса , и корпус, состоящий из цилиндрической части и двух ко­нических участков, соединенных между собой конусным кольцом.

В кольцевых камерах сгорания зона горения имеет форму кольцевой полости обычно шириной 150-200 м, кото­рая образуется цилиндрами 1 в 2. Два других соосно расположенных цилиндра составляют кожух камеры. Первичный воздух через воздухопроводящее устройство поступает в зону горения I. Вторичный воздух направляется по кольцевым зазорам к смесительным насадкам, через которые поступает в зону II, где смешивается о продуктами сгорания, понижая тем самым их температуру.

Трубчато-кольцевая камера сгорания представляет собой кон­структивное совмещение элементов секционной и кольцевой камер. Так же, как и у кольцевой камеры, кожух её образуется наружным и внутренним соосно расположенными цилиндрами. А в кольцевом пространстве между этими цилиндрами размещается ряд отдельных пламенных труб, снабженных форсунками. Трубы соединяются друг с другом пламяпередающими патрубками, которые предназначены для передача пламени, зажигания и выравнивания давления между трубами, Трубчато-кольцевые камеры имеют теплонапряженность и потери давления приблизительно такие же, как секционные камеры. Они ком­пактнее кольцевых камер и более просты в доводка. Небольшие раз­меры пламенных труб упрощают их изготовление и разборку.

39   Реальные циклы газотурбинных установок

Рабочим телом в ДВС являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце – смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива. Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень. Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, остальная часть отдается окружающей среде.

Основными элементами любого поршневого ДВС являются цилиндр 1 с поршнем 2, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала 8 с помощью кривошипно-шатунного механизма 6, 7 (рис. 1). В верхней части цилиндра размещены впускной 4 и выпускной 5 клапаны, приводимые в движение от главного вала двигателя, а также свеча зажигания 3 топливной смеси (или форсунка для распыления топлива). Помимо этого у ДВС имеются механизм газораспределения, системы питания топливом, зажигания, смазки, охлаждения и регулирования (на рисунке не показаны).

Реальный цикл каждого из этих типов двигателей, в зависимости от способа ( вернее от времени) подачи топлива в цилиндр, может быть приближен или к циклу От то или к циклу Дизеля.

Реальные циклы с учетом внешней необратимости при теплообмене, а также вследствие различия теплофизических свойств рабочих веществ, конечно, будут существенно отклоняться от изображенных условно на рис. 8 - 7 круговых процессов Карно, которые приведены для пояснения основных принципов.

Реальный цикл, осуществляемый во влажном паре и составленный из двух изобар-изотерм и двух адиабат, условно изображен в Г, - диаграмме на рис. 11 - 3 с учетом необратимых потерь на трение при расширении пара в турбине и при его сжатии в компрессоре. Здесь s2 - sx - увеличение энтропии пара в процессе адиабатного расширения, обусловленное трением, a s4 - s3 - увеличение энтропии пара при его сжатии в компрессоре.

Реальные циклы с учетом внешней необратимости при теплообмене, а также вследствие различия теплофизических свойств рабочих веществ, конечно, будут существенно отклоняться от изображенных УСЛОВНО на рис. 7 - 8 круговых процессов Карно, которые приведены для пояснения основных принципов.

Реальные циклы сжижения тем отличаются от идеального, что при дросселировании или при адиабатическом расширении сжижается не весь газ, а только некоторая часть его. Несжиженная часть, имеющая низкую температуру, используется для охлаждения вновь введенной порции сжижаемого газа.