Тепловая схема газотурбинного двигателя

Тепловые схемы сложных газотурбинных двигателей.

4.2.1 Цикл ГТД с регенерацией теплоты выпускных газов

В ГТД простого цикла (рисунок 4.1) выпускные газы имеют высокую температуру и уносят с собой в окружающую среду большое количество неиспользованной теплоты. Эти потери можно существенно уменьшить, если в цикл турбины ввести регенерацию выпускных газов – использовать их теплоту для подогрева сжатого компрессором воздуха. В этом случае в камеру сгорания подводится подогретый воздух, что обеспечивает более эффективное сгорание топлива и повышает КПД установки.

Регенерация практически осуществляется введением в схему установки теплообменного аппарата – регенератора, включаемого в поток воздуха после компрессора в камеру сгорания, а по потоку газа – за последней турбиной перед выпускным трактом (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 Тепловая схема ГТУ с регенерацией:

1 – гребной винт; 2-редуктор; 3-регенератор; 4-силовая турбина; 5-турбина компрессора; 6-камера сгорания; 7-подведение топлива; 8-компрессор.

Воздух, сжатый компрессором, поступает в регенератор и нагревшись подается в камеру сгорания. Из камеры сгорания газы последовательно поступают в турбину компрессора и силовую турбину, где расширяется почти до атмосферного давления. Отработанные в турбинах газы направляются к регенератору, где отдают свою теплоту воздуху. Мощность, развиваемая турбокомпрессором, затрачивается на привод компрессора, а силовой турбины – на вращение гребного винта.

1. Регенерация повышает КПД цикла и уменьшает затраты топлива за счет его сгорания в подогретом воздухе.

2. Уменьшаются потери теплоты с уходящими газами.

3. Однако, затраты давления воздуха и газа уменьшают полезную работу расширения в цикле и увеличивают затраты воздуха.

Таким образом, регенерация является экономически эффективной, но приводит к усложнению установки. Введение регенерации, кроме того, повышает гидравлическое сопротивление в газовоздушном тракте, а это приводит к снижению КПД двигателя.

4.2.2 Цикл ГТД с промежуточным подогревом и охлаждением.

Полезная работа ГТД получается за счет работы турбины. Поэтому какие-либо меры, направленные на увеличение работы расширения в турбине или уменьшения работы в компрессоре, должны увеличивать полезную работу ГТД.

В реальном двигателе работа сжатия в компрессоре может быть уменьшена за счет применения двухступенчатого сжатия воздуха и его промежуточного охлаждения на пути между ступенями при постоянном давлении. При этом работа, затраченная в другой ступени сжатия, уменьшается пропорционально снижению температуры воздуха в воздухоохладителе. Это способствует уменьшению общей работы сжатия в двухступенчатом компрессоре.

Работу в турбине можно также увеличивать путем использования в ней ступенчатого расширения газов с промежуточным подогревом их между ступенями.

Такая схема ГТУ приведена на рисунке 4.3.

Воздух сжимается в КНД и охлаждается в воздухоохладителе ВО. В КВД происходит дальнейшее сжатие воздуха. В результате температура воздуха в конце может быть близкой к начальной.

После КВД воздух подается в КСВД, где в результате сжигания топлива получается высокотемпературный газ. Имеющий высокую температуру и давление газ подается к ТВД, где расширяется и подается в КСНД, в которой его температура повышается за счет сжигания топлива. Подогретый таким образом газ подводится к ТНД, где расширяется. В камеру сгорания КСНД дополнительный воздух для горения не подводится. В судовых ГТД промежуточное охлаждение воздуха находит применение, а промежуточный подогрев газов из-за сложности и низкой надежности практически не применяется.

Рисунок 4.3 Тепловая схема ГТУ с промежуточным охлаждением и подогревом:

1-двигатель; 2-редуктор; 3-ТНД; 4-камера сгорания низкого давления; 5-ТВД; 6-камера сгорания высокого давления; 7-КВД; 8-КНД;

Принципиальные схемы ГТД, изображенные на рисунках 4.1 и 4.3, называют блочными, так как в них компрессор и потребитель (турбина) имеют жесткую связь. При таком соединении совместная работа этих двух потребителей энергии возможна только на одном режиме при постоянной частоте вращения. Это означает, что блочный ГТД пригоден для привода электрогенератора, водометного движителя или винта регулируемого шага.

На практике чаще всего в одном ГТД применяют две или три турбины и один или два компрессора. При этом силовой является свободная турбина.

Читайте также:  Какое масло лить в двигатель прадо 120 дизель

Дата добавления: 2016-06-09 ; просмотров: 3603 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Газотурбинные установки (ГТУ).
Принципиальные схемы.

Принципиальные схемы газотурбинных установок

Рисунок 1 — Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла
1 — компрессор; 2 — камера сгорания; 3 — турбина; 4 — нагрузка

Рисунок 2 — Схема ГТУ с одновальным ГТД регенеративного цикла
1 — регенератор или рекуператор; 2 — камера сгорания; 3 — компрессор;
4 — турбина; 5 — нагрузка

Рисунок 3 — Схема ГТУ с многовальным ГТД простого цикла
со свободной силовой турбиной

1 — камера сгорания; 2 — компрессор; 3 — турбина;
4 — силовая турбина; 5 — нагрузка

Примечание — Пунктиром показана альтернативная
двухкаскадная компоновка ГТД

Рисунок 4 — Схема ГТУ с многовальным ГТД сложного цикла
(с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом)

1 — основная камера сгорания; 2 — компрессор высокого давления;
3 — турбина высокого давления; 4 — промежуточный охладитель;
5 — камера сгорания промежуточного подогрева; 6 — компрессор низкого давления;
7 — турбина низкого давления; 8 — нагрузка

Примечание — Отбор мощности от ГТД осуществляется
с вала ротора низкого давления

Рисунок 5 — Схема ГТУ с одновальным ГТД с отборами воздуха и горячего газа

1 — камера сгорания; 2 — компрессор; 3 — турбина; 4 — нагрузка

Рисунок 6 — Схема ГТУ с одновальным ГТД замкнутого цикла

1 — предварительный охладитель; 2 — подогреватель рабочего тела;
3 — компрессор низкого давления; 4 — компрессор высокого давления;
5 — турбина; 6 — нагрузка; 7 — промежуточный охладитель

Источник

Принцип действия газотурбинных установок (ГТУ)

Принцип действия газотурбинных установок

Рис.1. Схема ГТУ с одновальным ГТД простого цикла

В компрессор (1) газотурбинного силового агрегата подается чистый воздух. Под высоким давлением воздух из компрессора направляется в камеру сгорания (2), куда подается и основное топливо — газ. Смесь воспламеняется. При сгорании газовоздушной смеси образуется энергия в виде потока раскаленных газов. Этот поток с высокой скоростью устремляется на рабочее колесо турбины (3) и вращает его. Вращательная кинетическая энергия через вал турбины приводит в действие компрессор и электрический генератор (4). С клемм электрогенератора произведенное электричество, обычно через трансформатор, направляется в электросеть, к потребителям энергии.

Газовые турбины описываются термодинамическим циклом Брайтона Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

Цикл назван в честь американского инженера Джорджа Брайтона, который изобрёл поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Иногда этот цикл называют также циклом Джоуля — в честь английского физика Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент тепла.

Рис.2. P,V диаграмма цикла Брайтона

Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов:

  • 1—2 Изоэнтропическое сжатие.
  • 2—3 Изобарический подвод теплоты.
  • 3—4 Изоэнтропическое расширение.
  • 4—1 Изобарический отвод теплоты.

С учётом отличий реальных адиабатических процессов расширения и сжатия от изоэнтропических, строится реальный цикл Брайтона (1—2p—3—4p—1 на T-S диаграмме)(рис.3)

Рис.3. T-S диаграмма цикла Брайтона
Идеального (1—2—3—4—1)
Реального (1—2p—3—4p—1)

Термический КПД идеального цикла Брайтона принято выражать формулой:

  • где П = p2 / p1 — степень повышения давления в процессе изоэнтропийного сжатия (1—2);
  • k — показатель адиабаты (для воздуха равный 1,4)

Следует особо отметить, что этот общепринятый способ вычисления КПД цикла затемняет суть происходящего процесса. Предельный КПД термодинамического цикла вычисляется через отношение температур по формуле Карно:

  • где T1 — температура холодильника;
  • T2 — температура нагревателя.

Ровно это же отношение температур можно выразить через величину применяемых в цикле отношений давлений и показатель адиабаты:

Таким образом КПД цикла Брайтона, зависит от начальной и конечной температур цикла ровно так же, как и КПД цикла Карно. При бесконечно малой величине нагрева рабочего тела по линии (2-3) процесс можно считать изотермическим и полностью эквивалентным циклу Карно. Величина нагрева рабочего тела T3 при изобарическом процессе определяет величину работы отнесённую к количеству использованного в цикле рабочего тела, но ни каким образом не влияет на термический КПД цикла. Однако при практической реализации цикла нагрев обычно производится до возможно больших величин ограниченных жаростойкостью применяемых материалов с целью минимизировать размеры механизмов осуществляющих сжатие и расширение рабочего тела.

Читайте также:  Почему не падают обороты двигателя на дэу матиз

На практике, трение и турбулентность вызывают:

  • Неадиабатическое сжатие: для данного общего коэффициента давления температура нагнетания компрессора выше идеальной.
  • Неадиабатическое расширение: хотя температура турбины падает до уровня, необходимого для работы, на компрессор это не влияет, коэффициент давления выше, в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.
  • Потери давления в воздухозаборнике, камере сгорания и на выходе: в результате, расширения не достаточно для обеспечения полезной работы.

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которые, в противном случае, теряется впустую.

Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Механически газовые турбины могут быть значительно проще, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Простые турбины могут иметь одну движущуюся часть: вал/компрессор/турбина/альтернативный ротор в сборе (см. изображение ниже), не учитывая топливную систему.

Рис.4. Эта машина имеет одноступенчатый радиальный компрессор,
турбину, рекуператор, и воздушные подшипники.

Более сложные турбины (те, которые используются в современных реактивных двигателях), могут иметь несколько валов (катушек), сотни турбинных лопаток, движущихся статорных лезвий, а также обширную систему сложных трубопроводов, камер сгорания и теплообменников.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.

Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.

Источник

Схемы и циклы простейших газотурбинных установок ГТУ

В газовой турбине рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива в смеси с воздухом.

По принципу действия газовая турбина аналогична паровой. В ее проточной части расширение рабочего тела (газа) также сопровождается превращением теплоты в кинетическую энергию газового потока, которая затем преобразуется в механическую работу нам валу вращающегося ротора. Но в связи с применением газа, обладающего свойствами, отличными от свойств водяного пара, имеются конструктивные отличия между газовыми и паровыми турбинами. В целом ГТУ, их схемы и оборудование существенно отличаются от ПТУ.

Достоинства ГТУ по сравнению с ПТУ:

– они более компактны, так как топливо сжигается не в громоздком котле, а в небольшой по размерам камере сгорания (КС), расположенной вблизи газовой турбины; в ГТУ нет конденсационной установки;

– обеспечивают быстрый запуск и нагружение (30 с–30 мин);

– проще по конструкции и в обслуживании;

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

– имеют более низкую стоимость;

– почти не требуют воды для охлаждения.

ГТУ уступают ПТУ:

– по единичной мощности. Единичная мощность установленных газовых турбин не превышает 100–150 МВт, что значительно меньше единичной мощности крупных энергоблоков;

– на современном этапе развития имеют более низкий КПД 25–30%;

– менее долговечны в эксплуатации;

– более требовательны к сортам топлива. Проблема использования твердого топлива в ГТУ до сих пор еще находится в стадии разработки, а применение тяжелых мазутов связано со значительным усложнением как конструкции, так и эксплуатации установок.

Принципиальная схема простейшей ГТУ показана на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Принципиальная схема простейшей ГТУ

ТН – топливный насос; К – компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; Г – электрический генератор

Эта схема с подводом тепла при постоянном давлении. Изобразим цикл идеальной газотурбинной установки (цикл Брайтона) в Рv и T–s диаграммах рис. 14.2.

Читайте также:  Какой дизельный двигатель ставили на москвич 2141

Рис. 14.2. Цикл идеальной ГТУ в Рv и T–s диаграммах

На рис. 14.2 1-2 – процесс изоэнтропного сжатия в компрессоре с увеличением давления, 2-3 – подвод тепла к сжатому газу в камере сгорания по изобаре с увеличением удельного объема и температуры, 3-4 – изоэнтропное расширение газа в турбине с меньшением температуры, удельного объема и давления, 4-1 – процесс охлаждения рабочего тела с уменьшением температуры и удельного объема.

Мы изобразили разомкнутую схему газотурбинного двигателя (ГТД), когда отработавший в газовой турбине газ выбрасывается в дымовую трубу в окружающую среду. Более выгодно применение замкнутых схем, когда газ после турбины охлаждается в специальном поверхностном охладителе.

Термодинамические циклы ГТД по замкнутому и разомкнутому циклу одинаковы и изображаются одинаково в P-v и T-s диаграммах. Поэтому анализ тепловых схем ГТД справедлив как для замкнутых так и для разомкнутых схем.

Следует отметить, что только 20–40% подаваемого компрессором воздуха вводится в активную зону горения и участвует в процессе сгорания. Это, так называемый, первичный воздух. Остальные 60–80% воздуха добавляется в поток уже после активной зоны. Смешиваясь с продуктами сгорания, эта часть воздуха (вторичный или охлаждающий воздух) дает возможность понизить температуру газов перед турбиной до заданного значения. Для обеспечения интенсивного и наиболее полного сгорания топлива температура в активной зоне камер сгорания обычно поддерживается на уровне 1800–2000 К, тогда как допустимая в настоящее время по условиям надежности и долговечности лопаточного аппарата температура газа на входе в газовую турбину составляет в зависимости от применяемого топлива 900–1400 К.

В ГТУ открытого цикла в качестве топлива используется жидкое малосернистое газотурбинное топливо или природный газ, которые подаются в камеру сгорания. Необходимый для сгорания топлива воздух очищается в комплексном воздухоочистительном устройстве (фильтре) и сжигается в компрессоре до давления 0,6–2 МПа. Для получении заданной температуры газов перед газовой турбиной 750–1200 о С в в камере сгорания поддерживается нужный избыток воздуха (2,5–5,0) с учетом теоретической температуры горения топлива , вида топлива, способа его сжигания и др.Горячие газы расширяются в газовой турбине, а затем при температуре 450–550 о С выбрасываются в дымовую трубу.

Регенерация ГТУ – это использование теплоты отработавших в турбине газов для подогрева поступающего в камеру сгорания воздуха (рис.14.3). Для этого воздух после компрессора пропускают через регенератор Р, который представляет собой теплообменный аппарат поверхностного типа. В тот же регенератор после газовой турбины направляются отходящие газы, которые отдают часть своей теплоты воздуху. Подогретый воздух далее поступает в камеру сгорания.

Рис. 14.3. Принципиальная схема ГТУ с регенерацией

Достоинства и недостатки газотурбинных установок определили наиболее рациональную область использования ГТУ в качестве пиковых и обычно автономно запускаемых установок с использованием установленной мощности 500–1000 ч/год.

Для таких установок предпочтительна конструктивная схема в виде одновальной ГТУ простого цикла без регенерации или с регенератором теплоты уходящих газов.

Такая схема характеризуется большой простотой и компактностью установки, которая в значительной степени изготавливается и монтируется на заводе.

Энергетические ГТУ, эксплуатация которых планируется в полубазовой части графика электрической нагрузки, экономически оправдано выполнять по более сложной конструктивной схеме (см. рис.14.4).

У нас в стране работают газотурбинные электростанции с ГТУ типов ГТ-25-700, ГТ-100-750-2 с начальной температурой газов перед газовой турбиной 700–950 о С. Ленинградским металлическим заводом разработаны проекты новой серии ГТУ мощностью 125–200 МВт при начальной температуре газов соответственно 950, 1100 и 1250 о С. Они выполнены по простой схеме с открытым циклом работы, одновальными без регенерации.

Рис. 14.4. Принципиальная схема двухвальной ГТУ с двухступенчатым подводом теплоты топлива:

КВД, КНД – воздушные компрессоры высокого и низкого давления;

ГТВД, ГТНД – газовые турбины высокого и низкого давления;

КСВД, КСНД – камеры сгорания высокого и низкого давления

Дата добавления: 2014-11-29 ; Просмотров: 8495 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Оцените статью