Модуль 5 "Газотурбинные установки и двигатели внутреннего сгорания"

Лекция 1. Газовые турбины и газотурбинные установки.

Принцип работы, циклы и схемы газотурбинных установок (ГТУ).

В состав газотурбинной установки (ГТУ) обычно входят камера сгорания, газовая турбина, воздушный компрессор, теплообменные аппараты различного назначения (воздухоохладители, маслоохладители системы смазки, регенеративные теплообменники), и вспомогательные устройства (маслонасосы, элементы водоснабжения и т.д.). Рабочим телом ГТУ служат продукты сгорания топлива, в качестве которого используется природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (доменный, коксовый) и специальное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное моторное и соляровое масло).

Также, как и в паровой, в сопловом аппарате и рабочих лопатках проточной части газовой турбины теплота РТ превращается в кинетическую энергию, которая затем преобразуется в механическую на валу вращающегося ротора. Но свойства газа отличаются от свойств водяного пара, поэтому имеется некоторое конструктивное различие между газовыми и паровыми турбинами. В целом же газотурбинные установки (ГТУ) – схемы и оборудование – существенно отличаются от паротурбинных установок (ПТУ): отсутствует парциальный подвод газа, нет регулирующей ступени отборов из промежуточных ступеней, относительно небольшой располагаемый теплоперепад определяет небольшое количество ступеней, разница между лопатками первой и последней ступени у ГТ меньше, чем у ПТ.

ГТУ имеют ряд достоинств по сравнению с ПТУ:

1) более компактны, т.к. топливо сжигается не в громоздком котле, а в небольшой по размерам камере сгорания, расположенной вблизи газовой турбины; кроме того, в ГТУ нет конденсационной установки;

2) обеспечивают быстрый запуск и нагружение;

3) проще по конструкции и в обслуживании;

4) менее емки в смысле затраты металлов и других материалов при одинаковой с паровой турбиной мощности;

5) имеют более низкую стоимость;

6) почти не требуют воды для охлаждения;

7) транспортабельны.

ГТУ уступают паротурбинным установкам:

1) по единичной мощности;

2) на современном этапе развития имеют более низкий КПД, КПД ГТУ простого цикла достигает 14—18%;

3) менее долговечны в эксплуатации;

4) более требовательны к сортам топлива: природный газ, светлые виды жидкого топлива – керосин, дизельное топливо и др.

ГТУ применяют в качестве пиковых и резервных мощностей на ТЭС, на транспорте, а также на электростанциях небольшой мощности.

Наибольшее применение в энергетике нашли ГТУ с разомкнутым циклом (рис. 1).

В таких ГТУ воздух забирается компрессором из атмосферы и при большом давлении подается в камеру сгорания, где осуществляется изобарное сжигание жидкого или газообразного топлива. Продукты сгорания органического топлива имеют температуру более 1200 ^оС. В ГТУ применяются осевые и реже центробежные компрессоры. Осевые компрессоры выполняются многоступенчатыми (число ступеней более 10), так как степень повышения давления в ступени компрессора невысока.

В реальных условиях все процессы в ГТУ являются неравновесными. Неравновесность реальных процессов вызвана потерями работы в газовой турбине и компрессоре, а также потерями давления рабочего тела в тракте ГТУ. Если в первом приближении считать расход рабочего тела одинаковым в любой точке тракта ГТУ, то с учетом названных потерь можно построить реальный цикл в тепловых диаграммах (цикл со сгоранием при p=const рис.2).

Рис.2 Реальный цикл ГТУ в Ts-диаграмме

Описание процессов: 1-2 – действительный процесс сжатия в компрессоре, 2-3 –  изобарный подвод теплоты в камере сгорания, 3-4 – действительный процесс расширения продуктов сгорания на лопатках газовой турбины, 4-1 – изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в атмосферу. Точками 2а и 4а отмечено состояние рабочего тела соответственно в конце изоэнтропного сжатия и расширения (идеальные процессы), точкой 0 – параметры окружающей среды. Из-за потерь давления во всасывающем тракте компрессора (линия 0-1) процесс сжатия начинается в точке 1.

Таким образом, на сжатие воздуха в реальном цикле затрачивается бОльшая работа, а при расширении газа в газовой турбине получается меньшая работа по сравнению с идеальным циклом, и в результате КПД цикла получается ниже. Внутренние потери в ГТУ оцениваются внутренним КПД:

,

(1)

где - внутренняя полезная работа ГТУ; - количество теплоты, переданной рабочему телу в камере сгорания, - степень повышения давления в компрессоре; - относительный внутренний КПД газовой турбины; - относительный внутренний КПД компрессора; - тепловой КПД камеры сгорания; , где - коэффициент Пуассона; .

Согласно формуле (1) внутренний КПД равен нулю при двух значениях степени повышения давления в установке:

• , когда работа газовой турбины и компрессора нет;

• , когда работа газовой турбины полностью тратится на привод компрессора.

Таким образом, внутренний КПД имеет максимум при вполне определенной, оптимальной степени повышения давления , которая определяется конечной T₃ и начальной T₁ температурами цикла, потерями в турбине и в компрессоре , принятой схемой ГТУ и другими факторами.

С увеличением непрерывно растет . С термодинамических позиций увеличение T₃ как максимальной температуры цикла оправдано для любых схем ГТУ. Однако жаропрочность существующих материалов лопаток и роторов газовых турбин не позволяет иметь очень высокие температуры. Снижение температуры T₁ на входе в компрессор влияет на даже в большей степени, чем повышение T₃, но температура T₁ зависит от климатической обстановки района расположения ГТУ. Поэтому ГТУ экономичнее работает в районах с более низкой среднегодовой температурой воздуха.

КПД простейших ГТУ не превышает 14-18 %, и с целью его повышения ГТУ выполняются с регенеративным подогревом сжатого воздуха отработавшими газами после газовой турбины, а также с несколькими ступенями подвода теплоты и промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, приближая тем самым реальные циклы к циклу Карно. В ГТУ с регенерацией продукты сгорания после газовой турбины имеют более высокую температуру, чем воздух, поступающий в камеру сгорания после сжатия в компрессоре. Это дает возможность усовершенствовать работу установки за счет использования тепла выхлопных газов.

Лекция 2. Двигатели внутреннего сгорания.

Принцип работы, классификация и область применения двигателей внутреннего сгорания. Особенности циклов ДВС.

Технико-экономические показатели и тепловой баланс ДВС.

Поршневым двигателем внутреннего сгорания называется тепловая машина, в рабочем цилиндре которой происходит сжигание топлива и преобразование теплоты в работу.

На рис. 1 представлена принципиальная схема ДВС. Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр 4 с поршнем 5, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр (или блок цилиндров) монтируется на верхней части картера 1 и сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпускной 3 клапаны и электрическая свеча зажигания (в карбюраторном и газовом двигателях) или форсунка (в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждаю­щая жидкость. В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7 которого подвижно соединен с шатуном 6. Верхняя головка шатуна сочленена с поршнем, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре

Рис. 1. Принципиальная схема поршневого ДВС

Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива (топливные насо­сы, смесительные устройства, фильтры, топливные баки, регулятор), смазки (масляные насосы, фильтры, масляные баки, масленки), охлаждения (водяные насосы, водяные баки, радиаторы) и другие устройства, необходимые для его обслуживания. Вспомогательные ме­ханизмы приводятся в движение от коленчатого вала.

Крайние положения поршня называют верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Ход поршня от ВМТ до НМТ называют тактом. Объем, описываемый поршнем за один ход, является рабочим объемом цилинд­ра, V_n = nD²S/4 (D — диаметр цилиндра, S — ход поршня).

Сумму рабочих объемов всех цилиндров двигателя в литрах называют литражом двигателя.

Анализ рабочего цикла в ДВС обычно производят с помощью индикаторной диаграммы, на которой графически изображена зависимость давления в цилиндре от объема, занятого газом, или положения поршня. При работе ДВС индикаторная диаграмма записывается присоединенным к нему специальным прибором — индикатором.

Различают два типа поршневых ДВС - четырехтактные и двухтактные. У четырехтактного двигателя, индикаторная диаграмма ко­торого изображена на рис. 2, а, от­дельным процессам соответствуют: 0 -1 - всасывание топливной) смеси (1-й такт); 1-2 — сжатие смеси (2-й такт); 2-3 — сгорание +3-4 — расширение продуктов сгорания +4-5— выхлоп (3-й такт); 5-0 — выталкивание продуктов сгорания, (4-й такт).

Из всех четырех тактов, составляю­щих цикл, только в третьем получается полезная paбoта, в остальных трех так­тах работа затрачивается.

У двухтактного двигателя отдельным процессам соответствуют (рис. 2, б): 0-1 — продувка и введение новой порции смеси + 1-2 — сжатие (1-й такт); 2-3 — сгорание + 3-4 — расширение + 4-0 — выхлоп (2-й такт). В двухтактном двигателе очистку цилиндра от остаточных газов и наполнение его свежим зарядом выполняют продувочным воздухом через шлицы, открываемые поршнем.

 

Рис. 2. Индикаторная диаграмма четырех­тактного (а) и двухтактного (б) двигателей: А — выпускное окно; Б — продувочное окно

 

Двигатели с «мгновенным сгоранием» топлива (карбюраторные и газовые). Первый газовый двигатель был построен Отто (1876 г.), а первый карбюраторный двигатель был создан моряком русского флота О. С. Костовичем (1879 г.). В цилиндр такого двигателя всасывается готовая горючая смесь, которая в нужный момент под­жигается от внешнего источника (элек­трической искры высокого напряжения, раскаленного шара). Время сгорания го­товой смеси очень мало, в связи с чем допустимо считать, что процесс сгорания осуществляется при (почти) постоянном объеме.

Двигатели со сгоранием топлива при (почти) посто­янном давлении (компрессорные дизели). Создание такого двигателя свя­зано с именем Р. Дизеля (1898 г.). В ци­линдре двигателя сжимается чистый воз­дух. В конце сжатия в цилиндр впрыски­вается топливо, которое в процессе смешения с горячим воздухом воспла­меняется и сгорает при р = const. Для распыла топлива, подаваемого в цилиндр, используют воздух, сжатый в компрессоре до давления, в 1,2—2 раза превышающего давление в цилиндре (отсюда и произошло название «компрессорные дизели»). Такие двигатели имеют ряд конструктивных недостатков (наличие компрессора для распыла топлива, сложное устройство форсунок и др.) и в настоя­щее время не строятся.

Двигатели со смешанным сгоранием топлива (бескомпрессорные дизели). В цилиндре этого двигателя тоже сжимается чистый воздух, а жидкое топливо, сжатое насосом до давлений около 30— 40 МПа, подается в форсунку, через которую оно в мелкораспыленном виде разбрызгивается в цилиндр в конце такта сжатия. Топливо, попадая в воздух, нагретый в процессе сжатия до температуры, пре­вышающей температуру воспламенения, сгорает по мере ввода его в цилиндр сначала (почти) при V=const, а затем при (почти) р = const.

Все типы двигателей могут выполняться как четырехтактными, так и двухтактными.

Оценкой совершенства осуществляемого в тепловом двигателе процесса служат его индикаторные показатели, а суммарной оценкой, учитывающей и механическое совершенство конструкции двигателя, - эффективные показатели. Распределение теплоты, подведенной к двигателю с топливом, на полезно использованное и потери дает тепловой баланс двигателя, который называется внешним тепловым балансом. В общем виде можно записать:

Поршневые насосы

Работа объёмных насосов основана на всасывании и вытеснении жидкости твёрдыми телами (поршнями, пластинами, зубцами), движущимися в рабочих полостях. Схема поршневого насоса приведена на рис. 1. Цилиндр 1 сопряжен с клапанной коробкой 2, в гнёздах которой расположены всасывающий и нагнетательный клапаны 3 и 4. Поршень 5, движущийся в цилиндре возвратно-поступательно, производит попеременно всасывание из трубы 6 и нагнетание в трубу 7.

Недостатки:

- скорость поршня ограничена действием инерционных сил, поэтому соединение их высокооборотным электродвигателем затруднено.

- обладает неравномерностью подачи.

	1 – цилиндр; 2 – клапанная коробка; 3 – всасывающий клапан; 4 –нагнетательный клапан; 5 – поршень; 6, 7 – трубы.
Рис. 1. Схема устройства поршневого насоса

Индикаторная диаграмма показывает, как изменяется давление в цилиндре в течение двух ходов поршня. На рис. 2 представлены теоретическая и действительная индикаторные диаграммы поршневого насоса.

Рис. 2. Теоретическая (слева) и действительная (справа) индикаторная диаграмма поршневого насоса

При движении поршня вправо полость цилиндра со стороны клапанной коробки увеличивается и заполняется жидкостью, поступающей из приёмной трубы через открытый всасывающий клапан. Давление в клапанной коробке ниже атмосферного, что объясняется гидравлическим сопротивлением всасывающего тракта. 4-1 – это линия всасывания. В точке 1 поршень меняет свое направление на обратное и всасывающий клапан автоматически закрывается; в клапанной коробке происходит резкое увеличение давления (процесс 1-2). В момент, когда давление станет равным р₂, откроется напорный клапан. При равномерном движении поршня от точки 2 влево происходит подача жидкости при постоянном давлении. В крайнем левом положении поршень снова меняет направление движения, при этом давление в клапанной коробке резко падает по линии 3-4, напорный клапан закрывается и открывается всасывающий клапан.

Действительная индикаторная диаграмма отличается от теоретической в основном наличием колебаний давления в начале всасывания и подачи, которые объясняются влиянием инерции клапанов  их прилипанием к седлам а также инерции жидкости. Диаграммы снимают из насосов с помощью индикаторов и используют для расчета внутренней (индикаторной) мощности поршневого насоса и анализа возможных неисправностей.

Давление, взятое по индикаторной диаграмме, называется среднее индикаторное давление.

Действительная мощность, подводимая от двигателя к валу насоса, больше внутренней, так как часть её идет на преодоление механического трения. Механический КПД поршневого насоса:

.

Внутренняя мощность, потребляемая насосом, больше полезной мощности , потому что часть мощности затрачивается в цилиндре насоса на преодоление гидравлических сопротивлений, а также на восполнение потерь, вызываемых утечками через неплотности и клапаны.

Внутренним или индикаторным КПД поршневого насоса называют отношение

.

Подача поршневого насоса определяется размерами рабочего цилиндра, числом ходов поршня или частотой вращения вала насоса и количеством цилиндров. Если поршень насоса работает лишь одной стороной (насос одностороннего действия), то подача:

, где S – ход поршня, D –внутренний диаметр цилиндра.

Для насоса двустороннего действия подача равна:

, где d – диаметр штока.

Если насос имеет несколько цилиндров, поршни которых приводятся в движение от общего коленчатого вала (многопоршневой насос), то его подача получается умножением подачи одного поршня на их число.

В большинстве конструкций поршневых насосов осуществляется неравномерное движение поршней при помощи кривошипно-шатунных механизмов. Поэтому, если не предусмотреть специальных мер, жидкость будет двигаться во всасывающем и напорном трубопроводах тоже неравномерно. Существует несколько способов уменьшения неравномерности подачи:

1. применение многопоршневых насосов с параллельным соединением цилиндров, поршни которых приводятся в движение от общего коленчатого вала;

2. применение воздушных колпаков на всасывающей и напорной трубах близ клапанной коробки насоса.

59