Расчет принципиальных схем газотурбинных установок

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования 

«Вологодский государственный  технический университет» (ВоГТУ)

 

 

 

 

Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции

 

 

 

 

Расчет принципиальных схем газотурбинных установок по дисциплине

«Тепловые двигатели  и нагнетатели»

 

 

 

 

                                                                                

 

                                                                                Выполнил: Денисенко И.М

                                                                                 Группа: СТЭ-21

                                                                                Проверил: Баширов Н.Г.

 

 

 

 

 

г. Вологда

2013 г.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………....3

1. Расчет принципиальных схем газотурбинных установок……………………………………………………………………....4

1. О методиках анализа эффективности цикла………………..……....4

2. Циклы газотурбинных установок………………………………….....6

3. Расчёт циклов ГТУ……………………………………………………...8

1.3.1 Процесс 1-2...............................................................................................12

1.3.2 Процесс 2-3……………………………………………………………...13

1.3.3 Процесс 3-4……………………………………………………………...13

1.3.4. Процесс 4-1…………………………………………………………… .13

1.4 Расчёт  параметров необратимого цикла………………………….….14

1.5 Расчёт  цикла с регенерацией теплоты…………………………….….16

1.6 Анализ полученных результатов на основе основных уравнений

для регенератора …………………………………………..……………...…..21

1.7 Связь эффективности термодинамических циклов с производством энтропии………………………………………………………………………23

Заключение……………………………………………………………..…….25

Список  используемой литературы……………………….…………………………………………..26

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В данном курсовом проекте мы рассмотрим общие принципы построения циклов тепловых двигателей и некоторые общие закономерности для этих циклов

Располагая  закономерностями различных термодинамических  процессов, мы можем приступить к подробному рассмотрению циклов и принципиальных схем реальных тепловых установок.

Циклы теплосиловых установок обычно подразделяют на три основные группы: газовые; паровые; прямого преобразования теплоты в электроэнергию.

Такая классификация циклов определяется следующими причинами. Общим для всех теплосиловых газовых циклов является то, что в течение всего цикла рабочее тело находится в одном и том же агрегатном состоянии — в виде газа. При этом рабочее тело находится в состоянии, далеком от линии насыщения, и благодаря сравнительно невысоким давлениям в сочетании с весьма высокими (по сравнению с критической) температурами его можно с точностью, вполне достаточной для качественного анализа, рассматривать как идеальный газ.

            Также мы рассчитаем температуры, удельные объёмы, давление и КПД для обратимых и необратимых процессов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет принципиальных схем  газотурбинных установок.

1.1. О методиках анализа эффективности цикла

Газотурбинные установки отличаются от поршневых  двигателей тем, что  полезная работа производится в них за счет кинетической энергии движущегося с большой скоростью газа. Рабочим телом в этих установках служат продукты сгорания, образующиеся при сжигании топлива в специальных камерах под давлением, а также воздух и некоторые газы. Поток большой скорости создается путем истечения газа из сопел турбины. Газ приводит во вращение ротор турбины. Располагая закономерностями различных термодинамических процессов, мы можем подробно рассмотреть циклы и принципиальные схемы реальных тепловых установок. Условимся в дальнейшем тепловые установки, в которых осуществляется прямой цикл (т. е. цикл, в котором производится работа, отдаваемая внешнему потребителю), называть теплосиловыми установками, а установки, работающие по обратному циклу (т. е. циклу, для осуществления которого затрачивается работа, подводимая извне),— холодильными установками.

Циклы теплосиловых установок обычно подразделяют на три основные группы: газовые; паровые; прямого преобразования теплоты в электроэнергию.

Такая классификация циклов определяется следующими причинами. Общим для всех теплосиловых газовых циклов является то, что в течение всего цикла рабочее тело находится в одном и том же агрегатном состоянии — в виде газа. При этом рабочее тело находится в состоянии, далеком от линии насыщения, и благодаря сравнительно невысоким давлениям в сочетании с весьма высокими (по сравнению с критической) температурами его можно с точностью, вполне достаточной для качественного анализа, рассматривать как идеальный газ.

Отличительной чертой второй большой группы циклов теплосиловых установок (паровых циклов) является использование таких рабочих тел, агрегатное состояние которых в цикле меняется: в одной части цикла рабочее тело находится в жидком состоянии, в другой части — в виде двухфазной смеси (влажного пара), в третьей — в виде перегретого пара. Обычно перегретый пар находится в состояниях, настолько близких к области насыщения, что к нему не применимы законы идеального газа.

Третья  группа объединяет стоящие несколько  особняком от первых двух групп циклы теплосиловых установок, в которых осуществляется так называемое прямое преобразование теплоты в электроэнергию.

Методы  оценки эффективности циклов холодильных  установок в принципе те же, что и теплосиловых установок.

Для оценки эффективности теплосиловой установки следует ответить на две основные группы вопросов:

            1) Насколько велик КПД обратимого  цикла теплосиловой установки, от каких факторов он зависит и что следует предпринять для его увеличения?

            2) Насколько велики необратимые  потери в реальном цикле установки, как распределяются эти потери по отдельным элементам цикла и, следовательно, на усовершенствование какой части цикла теплосиловой установки надо обратить внимание с целью уменьшения степени необратимости цикла (и, следовательно, увеличения КПД цикла)?

В соответствии с этим в дальнейшем анализ циклов теплосиловых и холодильных установок будет проводиться, как правило, в два этапа — вначале анализ обратимого цикла, а затем — реального цикла с учетом основных источников необратимости.

Условимся в дальнейшем термин «термический КПД»

(η_Т) употреблять только для обозначения КПД обратимого цикла, а КПД реального необратимого цикла назовем внутренним КПД цикла η^ц 

Термин «внутренний» показывает, что речь идет о КПД  собственно цикла: этот КПД характеризует степень совершенства процессов, совершаемых рабочим телом, но не отражает степени совершенства тех или иных узлов установки (они характеризуются так называемыми эффективными КПД).

В соответствии с этим

                                                             

                                                                           где индексы «обр» и «действ» относятся соответственно к обратимому и реальному необратимому (действительному) циклам.

Степень совершенства обратимых циклов полностью характеризуется термическим КПД в сравнении с термическим КПД цикла Карно, осуществляемого в том же интервале температур. Некоторые наиболее употребительные методы анализа таких циклов можно оценивать по значению внутреннего КПД, определяемого соотношением. Однако сама по себе величина η_i^ц  ещё не говорит о том, какова степень необратимости цикла. Поэтому при анализе реальных необратимых циклов часто используется понятие об относительном КПД цикла, определяемом следующим образом. Уравнение для внутреннего КПД может быть записано в следующем виде:

                       обозначая

                                                                                                 

и учитывая это уравнение, получаем:

                     .                                                                                    

Величина       носит название   внутреннего  относительного   КПД   цикла.   Она показывает, насколько действительный   цикл менее совершенен, чем обратимый цикл (т, е. какую долю η_Т составляет X     внутренний КПД действительного цикла).

1.2. Циклы газотурбинных  установок

Одним из основных недостатков, присущих поршневым двигателям внутреннего сгорания, является неизбежная неравномерность работы двигателя во времени — в течение цикла температуры и давления в цилиндре резко меняются; для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное неизбежно применение кривошипно-шатунного механизма. Средняя скорость рабочего тела относительно двигателя невелика. Все эти обстоятельства не позволяют при создании двигателей внутреннего сгорания сосредоточить большую мощность  в одном агрегате.

От этих недостатков свободен двигатель внутреннего сгорания другого типа — газотурбинная установка. Цикл газотурбинной установки состоит из тех же процессов, что и цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания, но существеннейшее различие заключается в следующем: если в поршневом, двигателе эти процессы происходят последовательно, один за другим, в одном и том же элементе двигателя — цилиндре, то в газотурбинной установке эти процессы происходят в различных элементах этой установки и, таким образом, в ней нет такой неравномерности условий работы элементов двигателя, как в поршневом двигателе. В газотурбинных установках средняя скорость рабочего тела в 50— 100 раз выше, чем в поршневых двигателях. Все это позволяет сосредоточить в малогабаритных газотурбинных установках большие мощности. Термический КПД газотурбинных установок высок. Эти важные преимущества делают газотурбинную установку весьма перспективным двигателем. Пока еще ограниченное применение газовых турбин в высокоэкономичных крупных энергетических установках объясняется в основном тем, что из-за недостаточной жаропрочности современных конструкционных материалов такая турбина может надежно работать в области температур, меньших области температур в двигателях внутреннего сгорания поршневого типа (ибо в поршневых двигателях температура рабочего тела меняется во времени и, следовательно, тепловой режим работы поршня, стенок цилиндра и других узлов является не очень напряженным, тогда как в газотурбинной установке многие конструкционные элементы работают в условиях постоянного воздействия высоких температур); это обстоятельство приводит к снижению термического КПД установки. Дальнейший прогресс в создании новых жаропрочных материалов позволит газовой турбине работать в области более высоких температур.

В настоящее время газотурбинные двигатели широко применяются в авиации, на магистральных газопроводах, на колесных и гусеничных машинах, во флоте, в некоторых странах применяются на железнодорожном транспорте.

Циклы газотурбинных  установок разделяются на две основные группы: со сгоранием р=const; со сгоранием при V=const.

Таким образом, газотурбинные установки классифицируются по тому же признаку, что и поршневые двигатели внутреннего сгорания, — по способу сжигания топлива.

1.3. Расчёт циклов ГТУ

Принимаем по заданию:

Рис. 1. Газотурбинная установка со сгоранием p=const и ее   циклы.      

Сгорание топлива  происходит в камере сгорания при p=const. Продукты сгорания, расширившись в соплах 5 газовой турбины, попадают на лопатки 6 турбины, производят там работу за счет своей кинетической энергии и затем выбрасываются в атмосферу через выпускной патрубок 7. Давление отработавших газов несколько превышает атмосферное (поскольку отработавшим газам нужно преодолеть сопротивление выходного патрубка).

Идеализированный  цикл рассматриваемой газотурбинной  установки изображен в р, υ-диаграмме на рис.1.

Принцип построения этого идеализированного цикла  такой же, как использованный ранее  для поршневых двигателей: предполагается, что цикл замкнутый, т. е. количество рабочего тела в цикле сохраняется постоянным; выход отработавших газов в атмосферу заменяется изобарным процессом с отводом теплоты к холодному источнику; считается, что теплота q₁ подводится к рабочему телу извне, через стенки корпуса установки, а рабочим телом турбины является газ неизменного состава, например чистый воздух.

В р,υ-диаграмме на рис. 10.13 процесс 1-2 представляет собой сжатие воздуха в компрессоре. По изобаре 2-3 к рабочему телу подводится теплота (этот процесс соответствует сгоранию топлива в камере сгорания). Далее рабочее тело (в действительном цикле — это воздух и продукты сгорания) адиабатно расширяется в сопловом аппарате турбины и отдает работу турбинному колесу (3-4). Изобарный процесс 4-1 соответствует выходу отработавших газов из турбины.

Определим термический  КПД цикла газотурбинной установки  со сгоранием при p=const, иногда называемого циклом Брайтона. Как и раньше, считаем рабочее тело идеальным газом с постоянной теплоемкостью.

Значение η_т рассматриваемой установки будет различным — изотермическим, адиабатным или политропным в зависимости от процесса сжатия, осуществляемого в компрессоре.