книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

та— удельный расход пара при номинальной нагрузке, кг\кдж\ где Ып— номинальная мощность, кет;

N —развиваемая турбиной мощность, кет; х—коэффициент холостого хода

х=М*СйК/М»ск;

Мсек—расход пара при работе турбины без нагрузки (при холо­ стом ходе), кг/сек;

Мсск—секундный расход пара при мощности N кет, кг}сек. Коэффициент холостого хода уменьшается при увеличении номи­

нальной мощности двигателя и повышении начальных параметров пара. Величина коэффициента холостого расхода в среднем составляет у тур­ бин: конденсационных 0,03—0,08, с отбором пара 0,8—0,12, противодав-

ленческих 0,12—0,20.

Характер изменения часовых М и удельных т расходов пара на конденсационную или противодавленческую турбину показан на рис. 31-22, на котором индексы «н», «м» и «х.х» обозначают соответ-

Рис. 31-22. Зависимость расхода пара от нагрузки для паровой турбины

Для паровых турбин, работающих с промежуточным отбором пара, формулы, служащие для определения часовых и удельных расходов па­ ра, усложняются, так как в этом случае приходится отдельно учитывать

расходы пара, проходящего через всю турбину, и.только через часть ее до отборов и соответствующие теплопадения.

367

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫК ГЛАВАМ30 И 31

1.Арсеньев Л. В. и др. Паровые и газовые турбины. Атлас чертежей турбин, под ред. С. А.Кантора, Изд-во «Машиностроение»,\970.

2.В уколо вич М.П. и др. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. Изд-во Стандартов, 1969.

3.Кириллов И. И: Теория турбомашин. Изд-во «Машиностроение», 1964.

4.Траупель В. Тепловые 1урбомашины. Госэнергоиздат, т. 1, 1961, и т. 2, 1963.

5.ЩегляевА. В.Паровые турбины.Изд-во «Энергия», 1967.

Глава 32

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ И ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

РЕАЛЬНЫ ЦИКЛЫГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Принципы работы газотурбинной установки (ГТУ) и исследование термодинамических показателей их идеальных циклов приведены в ча­ сти 1«Техническая термодинамика», глава 9. В настоящее время прак­ тическое применение находят исключительно циклы с непрерывным го­ рением топлива (ГТУ НГ) в связи с чем рассмотрение реальных циклов

здесь ограничивается только ГТУ этого типа как наиболее перспективного.

Реальные циклы ГТУ отличаются от

идеальных, рассмотренных в главе 9, тем, что в действительных циклах учи­ тываются неизбежные тепловые поте­

ри. На рис. 32-1 показан на диаграм­ ме 5—Т цикл ГТУ НГ, протекающий

с потерями.

Сжатие воздуха происходит не по изоэнтропе 1—2, как это было принято

при рассмотрении идеального цикла, а с потерями тепла, по некотррой по­ литропе 1—2\

Потери в компрессоре обычно оце­ нивают адиабатным к. п. д., который приближенно определяют по приводи­ мой ниже формуле, полагая, что в про­ цессе Ср=сопз1:

Линия 2'—3 отображает изобарный процесс подвода тепла в цикл. Давление в точке 2' несколько выше давления перед газовой турбиной в точке 3 вследствие гидравлических потерь в камере сгорания и ком­ муникациях.

Расширение рабочего тела в газовой турбине совершается с поте­ рями и сообразно с этим отображается некоторой политропой 3—4' По­ тери тепла в газовой турбине характеризуются относительным внутрен­

ним к.п.д., который в предположении, что ср=сопз1, определяют по формуле

370

Тепло отводится из цикла в изобарном процессе, отображаемым лини­ ей 4'-1.

где т —-----

к

После подстановки в формулу (32-3), служащую для определения полез­

371

ставляет собой кривую максимальных значений I для различных значе­ ний Г3. Найдем выражение, служащее для определения максимального значения /, отвечающего заданной температуре Г3.

Положим, что Ят=* и тт1огПк=а, тогда выражение (32-6) примет

вид

/ = Лк (*—1) \х— Л}кдж/кг.

Для определения максимума этой функции приравняем к нулю ее производную, отбросив при этом постоянную величину срТ\1г\к, и после преобразований получим

Для повышения к. п.д. ГТУ НГ предложено несколько различных методов. Рассмотрим основные из них.

РЕГЕНЕРАЦИЯ ТЕПЛА

В простейшей газотурбинной.установке основными являются потери тепла с уходящими из турбины газами. На рис. 32-3 изображена прин­ ципиальная тепловая схема ГТУ, в которой тепло уходящих газов ча-

стично используют для нагревания сжатого воздуха. Такой цикл назы­ вается регенеративным.

Как видно из рис. 32-3, уходящие газы после газовой турбины 3 на­ правляются в регенератор б, где они подогреваютсжатый воздух (оттем­ пературы Т2 до Т\), в результате чего уходящие газы охлаждаются (от

Т\ до Т\) и вследствие этого к.п.д. установки повышается. Величина

повышения к.п.д. зависит от изменения температуры воздуха и газов или так называемой степени регенерации.

Степенью регенерации называют отношение количества тепла, вос­ принятого воздухом в регенераторе при нагревании его от температуры Т\ до Т\ к количеству тепла, которое теоретически возможно использо­

вать на нагревание воздуха при охлаждении уходящих продуктов сгора­

372

ния топлива от температуры Т\ до температуры воздуха Т'-. Если при­

нять, что теплоемкости воздуха и продуктов сгорания одинаковы и онй

не зависят от температуры, то степень регенерации о можно предста­ вить в виде отношения

отданному уходящими продуктами сгорания топлива для нагревания сжатого воздуха при понижении температуры уходящих газов от Т\ до

Т\ Если пренебречь потерями в регенераторе, то количество тепла, рас­

ходуемое на нагревание воздуха, будет равноколичествутепла, отдавае­ мому уходящими газами при их охлаждении. В этом случае площадь а'—2'—2"—с—а' должна быть равна площади с'— Ь

ции повысится от Т2 до То.

Количество тепла, расходуемое на нагревание газов в камере сгора­ ния, в регенеративном цикле уменьшается и будет пропорционально площади с—2"—3—Ь—с. Количество тепла <71подводимое к циклу без

регенерации, пропорционально площади а'—2'—3—Ь—аНагрев возду­ ха в регенераторе до температуры Тв2—Т\ справедлив лишь для теоре­

тического случая, практически не осуществим. В рассматриваемом тео­ ретическом случае используется предельное количество тепла уходящих газов, которое пропорционально площади а'—2'— Степень регенерации в данном случае равна единице.

373

Внутренний к. п.д. ГТУ, работающей с регенерацией гепла, будет

При возрастании величины а знаменатель уменьшается и к.п.д. ус­ тановкиувеличивается. Характер изменения к. п.д. в зависимости от сте­ пени регенерации показан на рис. 32-5. Из рассмотрения кривых на этом рисунке можно установить, что по мере увеличения степени регенерации оптимальная степень повышения давления уменьшается, а к. п.д. возра­ стает. Кривые, изображенные на рис.* 32-5, пересекаются в одной точке, где Т'2 = Т\, и дальнейший рост температуры воздуха становится невоз­

можным.

При повышении степени регенерации значительно возрастает по­ верхность нагрева регенератора. Например, при повышении степени ре­ генерации с а=0,5 до о=0,8 поверхность нагрева регенератора должна быть увеличена в четыре раза (вследствие уменьшения среднего темпе­ ратурного напора). Это удорожает и усложняет установку. В то же вре­ мя в связисуменьшением оптимальной степени изменения давления кон­ струкция компрессора упрощается.

СТУПЕНЧАТЫЙ ПОДВОД И ОТВОД ТЕПЛА (ЦИКЛ СПРОМЕЖУТОЧНЫМОХЛАЖДЕНИЕМИ ПОДОГРЕВОМ)

Теоретически можно представить себе цикл ГТУ НГ, в котором про­ цессы сжатия и расширения происходят, при постоянной температуре. Можно показать, что коэффициент полезного действия теоретической ГТУ, работающей по циклу с изотермическими процессами сжатия, и расширения при применении полной регенерации, будет численно ра­ вен к.п.д. цикла Карно, происходящему в тех же пределах изменения температуры, т. е. наибольшему возможному к.п.д.

Практически в ГТУ изотермические процессы неосуществимы. Для

и ступенчатое сжигание топлива. Принципиальная тепловая схема ГТУ, работающей по циклу с одним промежуточным охлаждением воздуха и двумя ступенями подвода тепла (с двумя камерами сгорания), пока­

зана на рис. 32-6.

Воздух сжимается до конечногодавления р4 в двух последовательно установленных компрессорах 9 и 7. После компрессора низкого давле­ ния 9 (при промежуточном давлении рг) воздух охлаждается в охлади­ теле 8 до начальной температуры, а затем он сжимается до конечного давления в компрессоре 7 и направляется в регенератор 4. Нагретый в регенераторе воздух поступает в камерусгорания высокого давления 3, куда подается и топливо. В случае сжигания газа он сжимается в ком­ прессорах 10 и //, в случае сжигания жидкого топлива— подается насо­ сами. Сжигание топлива в этой камере осуществляется с большими ко­

374

эффициентами избытка воздуха (до а«12) в целях понижения темпера­ туры продуктов сгорания до заданного значения. Продукты сгорания -направляются в газовую турбину 2, где расширяются до некоторого про­ межуточного давления р7. Далее газы направляются в камеру сгорания низкого давления 5, в которую поступает топливо после компрессора 10.

Сжигание топлива в этой камере можно осуществить без подвода дополнительного воздуха, так как в продуктах сгорания, поступающих в турбины 2, содержится достаточное количество кислорода вследствие того, что процесс в камере сгорания высокого давления происходит при большом коэффициенте избытка воздуха. После камеры сгорания низко­ го давления 5 газы с повышенной температурой поступают в газовую турбину 6, где расширяются до конечного давления р9 и направляются

Рис. 32-6. Принципиальная тепловая схема газотурбинной установки с про­ межуточным подводом и отводом тепла и регенерацией

в регенератор 4. Здесь они отдают тепло сжатому воздуху. Давление уходящих из регенератора газов рю будет.меньше рэ вследствие гидрав­ лических потерь в нем. ГТУ приводит в действие электрический генера­ тор 12. Пуск в работу ГТУ осуществляется при помощи электродвигате­

ля 1.

На диаграмме 5 — Т процесс действительного цикла со ступенчатым промежуточным охлаждением и подводом тепла изображен на рис. 32-7.

Вэтом цикле учтены потери давления в газо-воздухопроводах, регене­ раторе, камерах сгорания и воздушных фильтрах перед компрессорами.

Всвязи с тем, что эти потери сравнительно невелики, линии, отобража­ ющие давления рабочих тел до возникновения потерь и после них, рас­ полагаются на диаграмме столь близко друг от друга, что практически сливаются. В связи с этим такие линии на диаграмме отмечены буква­

ми р с различными индексами. Расширение газа в турбинах и сжатие воздуха в компрессорах сопровождаются потерями тепла и поэтому отображаются на рис. 35-7 политропами 1—2'\ 3—4' (сжатие) и 6—7 и

37!

8—9 (расширение). Точка 5 соответствует температуре воздуха после регенератора Р, точка 10 —температуре уходящих газов после него.

Во всех рассмотренных схемах ГТУ продукты сгораний топлива после камеры сгорания непосредственно поступают в газовую турбину.

Рис. 32-7. Тепловой процесс действительного цикла ГТУ НГ с промежуточным подводом и отводом тепла и регенерацией, изображенный на диаграмме 5 —Т

Поэтому для всех этих схем во избежание коррозии и эрозии проточной части турбины применяют только жидкое или газообразное топливо, не содержащее серы и золы,

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ, РАБОТАЮЩИЕ ПО ЗАМКНУТОМ ЦИКЛУ

Выше были рассмотрены так называемые разомкнутые схемы газо­ турбинных установок, в которых продукты сгорания топлива после их расширения, в газовой турбине выбрасываются в атмосферу. В компрес­ сор непрерывно забираются новые порции воздуха из атмосферы, сжи­ маются и направляются в цикл. Таким образом, рабочее тело в цикле непрерывно обновляется.

Существуют циклы, построенные на использовании одного и того же неизменного по количеству рабочего тела. Такие циклы называются

замкнутыми. Принципиальная тепловая схема одного из замкнутых цик­ лов простейшеготипа изображена на рис. 32-8. В качестве рабочего тела в этих циклах может быть использован воздух или другой газ,* характе­ ризуемый более благоприятными для цикла термодинамическими свой­ ствами (более высокой теплоемкостью, большими показателями адиаба­ ты, коэффициентом теплоотдачи, объемной массой и др.), например ге­ лий, аргон, водород, фреон.

В компрессоре 6 рабочий газ сжимается до конечного давления и далее направляется сначала в регенератор 4, затем в нагреватель 1, который по аналогии с паровыми установками часто называют воздуш­

376