База книг в электронке для ЭНН УТЭК / газотурбинные установки

Рис. 3. Схема тепловой лопаточной машины

В газотурбинной установке реализован круговой термодинамический процесс (цикл), состоящий из трех последовательных рабочих процессов:

−сжатие воздуха в осевом компрессоре. Превращение механической работы, переданной на вращение компрессора от турбины, в потенциальную энергию сжатого воздуха;

−подвод тепла к сжатому воздуху в камере сгорания. Превращение химической энергии сжигаемого топлива в тепловую энергию сжатого воздуха, проходящего через камеру сгорания и нагревающегося в ней;

−расширение и охлаждение раскаленных газов в турбине. Превращение тепловой энергии сжатого в компрессоре воздуха и продуктов сгорания в механическую работу на валу турбины путем ее раскрутки.

Принципиальные схемы ГТУ

Одновальная ГТУ

Это самая простая схема (рис. 4). Для привода ЦБН не применяется, так как газотурбинный двигатель устойчиво работает в узком диапазоне своего номинального (расчетного) режима. В этом же режиме, то есть с такой же частотой вращения будет вращаться и ротор нагнетателя. По этой причине невозможно регулировать в необходимых пределах производительность нагнетателя, которая зависит от частоты его вращения.

Роторы компрессора, турбины и нагнетателя, механически соединены друг с другом в одно целое. Режимы работы нагнетателя ограничены узким диапазоном устойчивой частоты вращения ГТУ на номинальном режиме.

11

Рис. 4. Схема одновальной ГТУ

Двухвальная ГТУ

Является основным типом привода (рис. 5). Ротор компрессора со своей турбиной высокого давления (ТВД), так называемый газогенератор, и ротор нагнетателя со своей турбиной низкого давления (ТНД) не имеют жесткой механической связи друг с другом и могут вращаться с разной частотой. В этом случае частота вращения ротора нагнетателя может изменяться в широких пределах, а частота вращения ротора газогенератора оставаться близкой к своему номинальному (расчетному) режиму.

Рис. 5. Схема двухвальной ГТУ

Механическая связь между ТВД и ТНД отсутствует. Это допускает широкий диапазон изменения частоты вращения ротора нагнетателя при сохранении оптимальных оборотов вала турбокомпрессорной части (ОК + ТВД).

Двухкаскадная трехвальная ГТУ

Позволяет достигать высоких степеней сжатия (выше 10) с большей эффективностью, чем в двухвальной схеме.

В данной схеме (рис. 6) роторгазогенератора состоит из двух валов-каскадов: высокого и низкого давления. Компрессор низкого и компрессор высокого давления (КНД и КВД) приводятся во вращение каждый своей турбиной (ТНД – турбиной низкого давления, ТВД – турбиной высокого давления) с разной частотой, оптимальной для своего каскада. Ротор нагнетателя приводится во вращение своей турбиной нагнетателя – это третий вал. СТ – свободная турбина. Приведенная схемаявляетсяосновнойдляавиационныхдвигателей 4-гопоколения.

12

Рис. 6. Схема двухкаскадной трехвальной ГТУ

Позволяет эффективно достигать высоких степеней сжатия и отказаться от дополнительной противопомпажной механизации компрессора. Отличается увеличенным диапазоном устойчивой работы и повышенным к.п.д.

Двухвальная ГТУ с регенерацией тепла

Позволяет уменьшить бесполезные потери тепла с выхлопными газами. Высокая температура выхлопных газов (порядка 5000С) используется для нагрева в теплообменнике воздуха после компрессора перед его подачей в камеру сгорания. Это снижает расход топлива. Схема двухвальной ГТУ с регенерацией тепла приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема двухвальной ГТУ с регенерацией тепла

Такие схемы эффективны в ГТУ с небольшой степенью сжатия (4-5), у которых температура воздуха за компрессором не велика (порядка 2000С) и прирост температуры в теплообменнике сравнительно большой.

Степень регенерации – это отношение тепла, полученного рабочим телом в регенераторе, к теплу, необходимому для его нагрева до температуры отработавших газов:

Т3 −Т2 ,

Т5 −Т2

т. е., отношение прироста температуры рабочего тела в регенераторе к разнице температур рабочего тела за ТНД и за ОК.

13

Пример расчета степени регенерации для ГПА типа ГТК-10-4:

В ГТУ с высокой степенью сжатия температура воздуха за компрессором достигает в результате самого сжатия (300-500)0С, приближаясь к температуре выхлопных газов, что делает нецелесообразным использование регенеративной схемы.

Регенератор увеличивает к.п.д. ГТУ на 3% - 4% вследствие частичного использования тепла выхлопных газов для нагрева сжатого в компрессоре воздуха перед его подачей в камеру сгорания.

Влияние параметров атмосферного воздуха на мощность ГТУ

Температура наружного воздуха оказывает самое значительное влияние на мощность ГТУ (до ±20%).

При понижении температуры наружного воздуха (Тнв) мощность ГТУ растет по следующим причинам:

–плотность воздуха возрастает, растет его массовый расход через двигатель (эффект дополнительного наддува);

–чем ниже температура воздуха, тем меньше работы требуется для его сжатия, то есть от турбины отбирается меньше мощности на привод компрессора.

В итоге – возрастает степень сжатия компрессора и массовый расход воздуха через него, что приводит к увеличению мощности двигателя.

При повышении Тнв – мощность соответственно падает. Практически это означает, что в холодное время года заданный режим ГПА достигается при меньших оборотах турбокомпрессора по сравнению с тем же режимом в жаркое время года.

Атмосферное давление влияет на мощность ГТУ существенно меньше. Механизм влияния тот же самый: чем ниже атмосферное давление, тем ниже плотность воздуха, а значит и его массовый расход через двигатель – мощность снижается.

Влажность воздуха увеличивает мощность ГТУ. Содержащаяся в воздухе влага испаряется при сжатии, снижая температуру в проточной части компрессора. Ситуация аналогична снижению температуры наружного воздуха.

Вопросы для самопроверки

1.Какие типы ГПА вы знаете? Расскажите их преимущества и недостатки.

2.Что такое ГТУ? Дать определение. Пояснить схему на рис. 3.

3.Что такое круговой термодинамический процесс?

4.Какие принципиальные схемы ГТУ вы знаете? Где они применяются?

5.Как влияют параметры атмосферного воздуха на мощность ГТУ?

14

1.3 Основы термодинамики, теплотехники и рабочие процессы ГТУ. Циклы ГТУ в координатах Р-V, T-S диаграммах

Термодинамика – одна из областей физики – наука о закономерностях превращения одних видов энергии в другие (причем любых видов энергии, а не только тепловой). Для обеспечения непрерывной работы ГТУ её процессы должны идти по кругу. В термодинамике круговые процессы называются циклами. Таким образом, термодинамической базой тепловых машин является термодинамический цикл.

Термодинамический цикл ГТУ – совокупность процессов расширения и сжатия с подводом и отводом тепла, в результате которого получается полезная работа, а рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Первым проанализировал термодинамический цикл французский инженер С. Карно в 1924 году. Это был цикл для идеального газа. Такое понятие было введено для упрощения изучаемых свойств рабочих тел.

Идеальный газ – совокупность молекул, обладающих исчезающе малыми объемами и лишенных сил взаимодействия (взаимного притяжения и отталкивания).

Именно из этого цикла была выведена зависимость к.п.д. только от температуры (теплоты) и ни от чего больше.

Исходными аксиомами термодинамики служат так называемые «начала». Первое начало термодинамики (по существу является законом сохранения энергии) – количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, идет на

увеличениевнутреннейэнергиисистемыинасовершениесистемойработы:

∆Q =∆U +∆A.

Второе начало термодинамики (лежит в основе устройства тепловых машин) – невозможно получить от двигателя непрерывную работу без отдачи теплоприемнику (в нашем случае окружающей среде) части тепла подводимого к рабочему телу, то есть невозможно всю подведенную теплоту превратить в работу.

Таким образом, к.п.д. любой тепловой машины всегда меньше единицы.

Пути увеличения к.п.д.:

−увеличение степени сжатия;

−увеличение T1(Q1) (ограничение по жаропрочности материалов);

−уменьшение T2(Q2) (применение систем регенерации тепла) – система утилизации тепла.

Состояние термодинамической системы описывается параметрами ее состояния.

Параметры состояния – физические величины, характеризующие состояние системы и поддающиеся непосредственному измерению. Для газа параметрами состояния являются: температура, давление, плотность.

1. Температура – мера нагретости вещества (тела). На практике исполь-

зуются две температурные шкалы – Цельсия и Кельвина:

Т (К) = t 0C + 273, 15 K.

15

2. Давление – это сила, действующая на единицу поверхности:

P = FS , Н/м или Па.

1 Па – давление, вызванное силой 1 Ньютон, распределенной по нормали к поверхности площадью 1 м2;

1 атм = 101325,1 Па = 1,033228 кгс/см2 = 760 мм рт. ст.; 1 бар = 100000 Па = 1,0197 кгс/см2 = 750 мм рт. ст.;

3. Плотность – масса единицы объема – отношение массы газа к занимаемому объему:

ρ = Vm , кг/м3 или г/см3.

Величина, обратная плотности – удельный объем – объем единицы газа. 4. Удельная теплоемкость газа (с) – количество теплоты, которое нужно

сообщить количественной единице газа (/м3, /кг) при нагревании его на 10. Теплоемкость газов зависит от условий протекания процесса.

–ср – удельная изобарная теплоемкость при Р = const;

–сν – удельная изохорная теплоемкость при V = const, причем ср > сν. Термодинамический процесс – изменение состояния термодинамической

системы, то есть ее параметров состояния, зависимость между которыми определяется уравнением состояния.

Экспериментальным путем установлено, что поведение реальных газов при сжатии, нагревании и других процессах подчиняется простым законам, а именно:

−при T = const PV = const (изотермический процесс) – закон Бойля-

Мариотта, 1662-1679 г.;

−при P = const V/T = const (изобарный процесс) – закон Гей-Люссака, 1802 г.;

−при V = const P/T = const (изохорический процесс) – закон Шарля, 1787 г.

Термический процесс, при котором один из параметров состояния постоянен, называется изопроцессом.

Адиабатический процесс – процесс, при котором нет теплообмена

PVk = const.

Политропный процесс – удельная теплоемкость остается постоянной PVn. Частными случаями политропного процесса являются процессы: изобарический P(n = 0), изотермический T(n = 1), адиабатический (n = k = cp/ cν), изо-

хорный V(n = ±∞).

Удельная теплоемкость С для идеального газа Rn равна: c =(Tcν −cp )(T −1).

На основании сопоставления изопроцессов было выведено знаменитое уравнение состояния газа для единицы массы (уравнение Менделеева-

Клайперона):

PV = RT , PVT = R =const,

16

где R – газовая постоянная, R = 8314µ ( Дж / кг град);

µ – молекулярный вес газа.

Например, R =16,048314 =518,36 для метана.

Реальные газы в условиях рабочих процессов ГТУ подчиняются законам идеального газа с погрешностью 2-3%.

Теплоемкость.

Теплоемкостью тела называется количество теплоты, необходимое для нагрева тела на один градус.

Теплоемкость единицы количества вещества называется удельной тепло-

емкостью:

где t1 – начальная температура; t2 – конечная температура;

q1-2 – теплота, подведенная к единице массе.

Энтальпия

Произведение PV можно отождествлять с работой, которую следует совершить, чтобы число некоторого объема V ввести в пространство с давлением P. Сумма внутренней энергии и потенциальной энергии давления называется

энтальпией (теплосодержанием) H:

H = U + PV,

где H – энтальпия;

P – давление;

V – объем системы;

U – внутренняя энергия.

Этот параметр характеризует энергоемкость рабочего тела. Чем выше энтальпия, тем большую энергию можно получить от каждого килограмма рабочего тела, например, пара или газа.

Энтропия

Отношение количества подведенной (или отведенной) на данном участке теплоты к температуре рабочего тела ∆Qi / Ti называется приведенной тепло-

той. Приведенная теплота считается положительной при теплоподводе и отрицательной – при теплоотводе. В курсе термодинамики доказывается, что для любого цикла сумма приведенных количеств теплоты оказывается равна 0. Это обстоятельство дает основание считать ∆Qi / Ti мерой изменения некоторой

функции состояния и называется энтропией S:

∆S = ∆Qi / Ti .

17

Понятие энтропии позволяет ввести чрезвычайно удобную для анализа тепловых двигателей диаграмму состояния (рис. 8), в которой по абсциссе откладывают энтропию, а по ординате – абсолютную температуру.

dQ = TdS

SII

QI−II = ∫TdS

SI

Рис. 8. График изменения энтропии и температуры рабочего тела

Энтропия зависит только от двух параметров состояния газа (T и V) и не зависит от пути перехода газа из одного состояния в другое.

Энтропию, отнесенную к 1 кг газа, называют удельной энтропией газа, обозначается через S и выражается в Дж/0К.

Каждому состоянию газа соответствуют свои параметры T, V, P (рис. 9-11).

Рис. 9. Диаграммы циклов в координатах P-V и T-S

1-2 – сжатие воздуха от Р1 до Р2 – адиабата; 2-3 – подвод тепла q1 при постоянном давлении (изобара); 3-4 – расширение рабочего тела (воздух + продукты сгорания) в газовой турбине и реактивном сопле (адиабата): от точки 3 до точки b – отдача работы в турбине, от точки b до точки 4 – ускорение потока в сопле; 4-1 – изобара при давлении, равном атмосферному

Степень регенерации σ – отношение тепла полученного рабочим телом в регенераторе к теплу необходимому для его нагрева до температуры отрабо-

танных газов.

Точки T1 = 150С; T2 = 1980С; T3= 4140С; T4= 7800С; T5= 5070С.

18

Рис. 10. Диаграмма с регенерацией тепла в координатах P - V (P = const) 1-2 – сжатие воздуха в компрессоре (изотермический или адиабатический);

2-3 – изобарный подогрев воздуха в регенераторе; 3-4 – изобарный процесс подвода тепла в КС; 4-5 – расширение газа (адиабата) в турбине; 5-6 – изобарное охлаждение выхлопных газов; 6-1 – замыкающий цикл условного изобарного процесса

Рис. 11. Тепловая схема ГТК-10-4 в координатах T-S

Вопросы для самопроверки

1.Каковы «начала» термодинамики?

2.Что является параметрами состояния для газа?

3.Какие виды термодинамических процессов бывают?

4.Что такое энтальпия?

5.Что такое энтропия?

19

2 Осевые турбомашины

2.1 Осевой компрессор, назначение, типы. Состав. Газовая динамика осевого компрессора

Осевой компрессор представляет собой лопаточную машину, в которой механическая работа преобразуется в потенциальную энергию сжатого газа с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками.

Лопатки – аэродинамические профили, равномерно расположенные на вращающихся или неподвижных ободах (венцах). Распределение скоростей лопатки при работе представлено на рис. 12.

Рис. 12. Распределение скоростей лопатки при работе

ω– угловая скорость или частота вращения (об/мин.);

С– окружная линейная скорость (м/сек)

Конструкция лопатки

Лопатка состоит из профильной части, которая обтекается потоком воздуха или газов (рис. 13) и замковой части, с помощью которой она крепится к ротору.

Рис. 13. Рекомендуемый угол обтекания лопатки

20