Глава 12 Циклы газотурбинных установок (1062512)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Глава XII. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК И РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 63. Схема рабочего процесса газовой турбины. Газотурбинная установка

Газовая турбина относится к классу так называемых лопаточ­ных машин. В ней рабочее тело — газ, имеющий высокую темпера­туру и давление, расширяется в специальных каналах 3 (рис. 91), называемых соплами. В результате расширения газ приобретает большую скорость.

Поток из сопел направляется к лопаткам 5, которые укреплены на диске 6, жестко соединенном с валом 7. Проходя через каналы, образованные лопатками, газовый поток меняет свое направление и заставляет вал с диском и лопатками вращаться. На вращение вала затрачивается часть кинетической энергии струи. К валу газовой турбины присоединен вал генератора и турбокомпрес­сора. Компрессор служит для предварительного сжатия рабочего тела.

Рабочим телом в газовой турбине могут быть продукты сгора­ния жидкого или газообразного топлива, а также нагретый газ, получаемый в результате осуществления какого-либо технологи­ческого процесса, например крекинг-процесса на нефтеперераба­тывающих заводах.

Газовые турбины имеют ряд преимуществ перед поршневыми двигателями. В них отсутствуют элементы с поступательно-воз­вратным движением (поршень, кривошипно-шатунный механизм), процесс преобразования энтальпии рабочего тела в работу проис­ходит непрерывно. В газовой турбине могут быть осуществлены большие скорости вращения. Все это позволяет в сравнительно малых габаритах создать двигатель большой мощности.

В газовой турбине осуществляется только один процесс — преобразование энтальпии рабочего тела в работу. Поэтому в от­личие от поршневых двигателей внутреннего сгорания, в которых все процессы протекают в полости цилиндра двигателя, для работы газовой турбины необходимы дополнительные механизмы: компрес­сор, в котором сжимается рабочее тело, и камера сгорания, в ко-

торой вследствие сгорания топлива возрастает внутренняя энер­гия рабочего тела и его энтальпия (растет температура).

Совокупность механизмов, в которых происходит подготовка рабочего тела (компрессора, камеры сгорания), газовой турбины и различных вспомогательных механизмов (систем топливоподачи и др.), представляет собой газотурбинную установку.

Газотурбинная установка, работающая по циклу со сгоранием топлива при постоянном давлении. На рис. 91 показаны схема газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном , давлении и график ее теоретического рабочего цикла, т. е. цикла, протекающего при идеальных условиях работы всех элементов турбины (адиабатность процессов в компрессоре и турбине, полное регу­лируемое сгорание топлива, отсут­ствие гидравлических сопротивлений в газовых и воздушных трактах установки).

Газотурбинная установка рабо­тает следующим образом: в ком­прессоре воздух 1 сжимается по адиа­бате 1—2 и с параметрами точки 2 поступает в камеру сгорания; подача воздуха и топлива в камеру сгора­ния, а также выход из нее продук­тов сгорания регулируются так, что на- лопатки турбины газ входит с па­раметрами точки 3, а давление в камере сгорания сохраняет свое по­стоянное значение; в турбине газ, расширяясь по адиабате 3—4, про­изводит работу, затрачиваемую на

привод компрессора и генератора, и с параметрами точки 4 уда­ляется из установки в атмосферу.

Газотурбинная установка, работающая по циклу со сгоранием топлива при постоянном объеме. Такая установка отличается от рассмотренной выше устройством камеры сгорания (рис. 92), ко­торая имеет три клапана: воздушный, топливный (форсунка) и клапан, сообщающий камеру сгорания с сопловым аппаратом тур­бины. Все три клапана действуют в строгом соответствии с проте­канием отдельных фаз рабочего цикла установки. Работу клапа­нов турбины регулирует специальное устройство.

Рабочий цикл газотурбинной установки со сгоранием топлива при v = const протекает следующим образом. После впуска в ка­меру сгорания определенного количества сжатого воздуха воз­душный клапан закрывается. Через топливный клапан в камеру сгорания подается в распыленном виде порция топлива. Образо­вавшаяся в камере сгорания смесь топлива с воздухом поджигается

147

электросвечей. Сгорание (процесс 2—3 на рис. 92) происходит при плотно закрытых клапанах и неизменном количестве смеси. По­этому объем рабочего тела в процессе горения (общий и удельный) остается постоянным. Это приводит к резкому и быстрому увели­чению давления в камере сгорания. К концу сгорания открывается сообщающий клапан, и рабочее тело начинает поступать на ло­патки турбины. Отработавший газ с параметрами точки 4 удаляется

в атмосферу.

При расширении газа в рабочих органах турбины (сопловом аппарате и рабочих лопатках) падает давление и в камере сгора­ния. При достижении некоторой величины давления открывается воздушный клапан и начинается продувка камеры сгорания све­жей порцией воздуха. Во время продувки некоторое количество воздуха, проходя через открытый сообщающий клапан, попадает на рабочие органы турбины, охла­ждая наиболее нагретые детали. К концу продувки сообщающий клапан закрывается и камера сго­рания заполняется новой порцией сжатого воздуха для повторения цикла. Поэтому в отличие от газо­турбинной установки со сгора­нием при р = const работа камеры сгорания рассматриваемой уста­новки характеризуется периодич­ностью.

Следует указать, что, несмо­тря на ряд существенных термо­динамических преимуществ, газо­турбинные установки со сгора­нием при v = const не получили

до сих пор распространения. Все применяемые в настоящее время установки работают по циклу со сгоранием топлива при р = const. Такое положение объясняется конструктивно-технологическими трудностями, которые возникают при проектировании и постройке установок с камерами сгорания при v = const. Однако во всех странах мира не прекращаются работы по исследованию практи­ческих путей осуществления газотурбинных установок со сгора­нием топлива при v = const.

Газотурбинные установки, работающие по замкнутой схеме. Рассмотренные выше установки отличаются тем, что во время их работы происходит непрерывная смена рабочего тела и изменение его химического состава: компрессор непрерывно забирает из

атмосферы свежий воздух, в камере сгорания в результате химиче­ской реакции образуются продукты сгорания, из выпускного патрубка в атмосферу непрерывно удаляются отработавшие газы. При этом, естественно, параметры и состав уходящих газов резко отличаются от параметров и состава всасываемого воздуха. В силу всех этих причин рабочий цикл рассмотренных установок будет разомкнутым.

В отличие от них известны установки, работающие по замкну­тому циклу.

Схема такой установки показана на рис. 93. В специальном газовом котле ГК к рабочему телу, сжатому в компрессоре К, подводится теплота, выделяющаяся в результате сгорания топли­ва. Рабочее тело и продукты сгора­ния топлива отделены один от дру­гого так называемой поверхностью нагрева, которая состоит из стенок барабанов и трубок. Из газового котла рабочее тело поступает в тур­бину Т, где производит работу точно так же, как и в турбинах, работаю­щих по разомкнутому процессу. После турбины отработавший газ не удаляется в атмосферу, а направ­ляется в холодильник X, где он также отделен от охлаждающего тела поверхностью охлаждения (стенки трубок). В холодильнике от рабоче­го тела отводится теплота, тело приобретает те же параметры, с ко­торыми поступало в компрессор, и процесс начинается снова.

Такие установки отличаются следующими свойствами: в них может быть использовано любое топливо, в том числе и твердое; рабочим телом может явиться любой газ; в холодильнике можно установить любое давление, даже ниже атмосферного.

Эти особенности установок, работающих по замкнутой схеме, определяют целый ряд их положительных качеств. В частности только такие схемы являются перспективными для использования в установке ядерного горючего. Известно, что экономичность уста­новки во многом зависит от свойства рабочего тела. Если в уста­новках, работающих по разомкнутой схеме, рабочее тело имеет вполне определенные свойства, определяемые процессом горения и не могущие быть изменяемыми в желательном направлении, то в установках с замкнутым процессом подбором рабочего тела мож­но оказать существенное влияние на экономичность газотурбин­ной установки.

Существенным недостатком установок, работающих по замкну­той схеме, является наличие газового котла. Те материалы, ко-

149

торыми располагает современное машиностроение, не позволяют сделать этот котел компактным и надежным, поэтому такие уста­новки пока не получили широкого распространения.

§ 64. Идеальные циклы газотурбинной установки

При определении экономичности газотурбинной установки, так же как и любой другой теплосиловой установки, большое зна­чение имеет исследование их идеальных циклов. Для этих устано­вок можно в качестве идеального цикла использовать идеальный рабочий цикл газотурбинной установки, работающей по замкнутой схеме. В этом случае считают, что количества подводимой и отво-

димой теплоты в идеальном цикле равны теплоте, выделяющейся при сгорании топлива, и теплоте, которую газ, выйдя в атмосферу, отдает при постоянном давлении окружающему воздуху.

Ниже приводится исследование идеальных циклов газотурбин­ной установки. При этом принимается, что рабочее тело подчи­няется уравнению состояния газа.

Цикл с подводом теплоты при р = const. Цикл показан в коор­динатах р — и на рис. 94 и в координатах Т — s на рис. 95. Под­водимой теплоте q_l соответствует площадка а23b. Численно эта теплота определяется, если теплоемкость считать постоянной:

тогда

Термический к. п. д. цикла

Подставляя в это выражение значения q₁ и q₂ из формул (216)
и (217), получаем

Таким образом, уравнение (219) упрощается:

Важной характеристикой цикла является отношение давлений

отводимая теплота эквивалентна площадке b41а

Работа за цикл

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов книги