Рабенко В.С. Термодинамические циклы газотурбинных установок

Подождите немного. Документ загружается.

В. С. РАБЕНКО

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

__________________________________

Учебное пособие

Иваново 2008

КАФЕДРА

ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН

ИГЭУ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

имени В. И. Ленина»

В. С. РАБЕНКО

КАФЕДРА

ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН

ИГЭУ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

___________________________________

Учебное пособие

Иваново 2008

УДК 621.1.016.7(075)

Р 12

Рабенко В. С. Термодинамические циклы газотурбинных устано-

вок: Учеб. пособие/ «Ивановский государственный энергетический

университет имени В.И.Ленина». – Иваново, 2008. – 124 с.

В пособии рассмотрены термодинамические циклы газотурбинных

установок.

Предназначено для студентов специальности 140503.65 «Газотур-

бинные, паротурбинные установки и двигатели» по курсу «Энергети-

ческие машины» и может быть использовано в курсовом и дипломном

проектировании.

Табл. 4. Ил. 68. Библиогр.: 73 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет

им. В.И. Ленина».

Н а у ч н ы й р е д а к т о р

кандидат технических наук А.В. Антипин

Рецензент

филиал Ивановские ПГУ ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС»

РАБЕНКО Владимир Степанович

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ

УСТАНОВОК

Учебное пособие

Редактор Н.Б. Михалева

Лицензия ИД № 05285 от 4 июля 2001г.

Подписано в печать Формат 60х84 1/16.

Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 6,74

Уч.- изд. л. 7,7. Тираж 50 экз. Заказ №

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет

имени В.И. Ленина»

Отпечатано в РИО ИГЭУ

153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34

ВВЕДЕНИЕ

В цикле учебных дисциплин по специальности «Газотурбинные,

паротурбинные установки и двигатели» большое внимание уделяется

изучению циклов тепловых машин. Расчет и анализ

термодинамических процессов и циклов газотурбинных и парогазовых

установок невозможен без глубокого знания построения циклов.

Написание данного пособия по курсу лекций «Энергетические

машины и установки» вызвано трудным усвоением студентами теории

термодинамических циклов тепловых машин.

Наличие ряда работ по теории газотурбинных установок [1, 5, 14,

16, 27, 30, 40, 46] из-за целевой направленности для других

специалистов не позволяет эффективно использовать их по

специальности «Газотурбинные, паротурбинные установки и

двигатели», поэтому автором сделана попытка обобщения и

систематизации материала в удобной и доступной для студентов

форме. В пособии применена единая терминология из теории

турбомашин, что облегчает усвоение материала по газовым и паровым

турбинам.

Основой для материала учебного пособия послужили известные

классические работы по теории газотурбинных установок и двигателей

[1, 22, 41, 14, 31] .

Назначение учебного пособия – подготовка студентов к

самостоятельному решению инженерных задач, связанных с выбором,

оптимизацией и проектированием газотурбинных и парогазовых

установок.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..........................................................................................................5

Обозначения и сокращения ...........................................................................6

Глава 1. ГТУ открытого типа с горением при постоянном

давлении (p=const)........................................................................................12

1.1. Принцип действия ГТУ открытого типа................................................12

1.2. Основные элементы конструкции ГТУ .................................................14

1.3. Особенности рассмотрения циклов ГТУ ...............................................21

1.4. Обратимый цикл ГТУ со сгоранием при p=const .................................23

1.5. Основные характеристики обратимого цикла ГТУ ..............................24

1.6. Влияние p

, T

, p

на удельную работу и термический КПД

обратимого цикла ГТУ...................................................................................27

1.7. Реальный цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном

давлении ..........................................................................................................32

1.8. Влияние p

, p

, T

, τ на удельную работу и термический КПД

необратимого цикла ГТУ ...............................................................................38

Глава 2. Регенерация теплоты уходящих газов ГТУ .............................44

Глава 3. ГТУ с многоступенчатым сжатием и расширением

рабочего тела .................................................................................................51

Глава 4. ГТУ с многоступенчатым сжатием, расширением

рабочего тела и регенерацией теплоты уходящих газов .......................74

Глава 5. ГТУ открытого типа с горением при постоянном объеме

(υ =const) .........................................................................................................84

5.1. Принцип действия ГТУ открытого типа (простая ГТУ) с горением

при постоянном объеме..................................................................................84

5.2. Обратимый цикл ГТУ со сгоранием при υ = const...............................85

5.3. Сравнительный анализ термодинамических циклов простых ГТУ с

p = const и υ = const.......................................................................................88

Глава 6. Замкнутые ГТУ (ЗГТУ) ...............................................................91

Глава 7. ГТУ со свободно-поршневыми генераторами газа.................98

Глава 8. Авиационные ГТУ .........................................................................103

8.1. Классификация авиационных двигателей .............................................103

8.2. Винто-моторные (поршневые) двигатели .............................................104

8.3. Турбовинтовые двигатели (ТВД)...........................................................105

8.4. Турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД)..........................107

8.5. Турборакетные двигатели .......................................................................109

8.6. Турбореактивные двигатели (ТРД)........................................................109

8.7. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД).....................113

8.8. Ракетно-прямоточные двигатели (РПД)................................................116

8.9. Ракетные двигатели на ядерном топливе (ЯРД) ...................................119

Библиографический список ...........................................................................121

Приложение. Термины и определения: ГТУ, ПГУ ......................................126

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН

Латинский алфавит

c − удельная теплоемкость, кДж/(кг·К);

− удельная изобарная теплоемкость, кДж/(кг·К);

pв

− средняя изобарная теплоемкость воздуха в интервале

температур процесса (T

2 t

– T

), кДж/(кг·К);

pг

− средняя изобарная теплоемкость газа в интервале

температур процесса (T

– T

4 t

), кДж/(кг·К);

− удельная изохорная теплоемкость, кДж/(кг·К);

p кс

− средняя теплоемкость процесса подвода теплоты в камере

сгорания, кДж/(кг·К);

− диаметр, м; удельный расход газа, кг/кДж;

G − массовый расход, кг/с;

h − теплосодержание, кДж/кг;

H − тепловой перепад (ступени, отсека, турбины), кДж/кг;

∆H потери энергии (ступени, отсека, турбины), кДж/кг;

k − показатель адиабаты; коэффициент;

ℓ

− удельная работа компрессора, кДж/кг;

ℓ

к t

− удельная работа, затраченная на привод компрессора в

обратимом процессе ГТУ, кДж/кг;

ℓ

− полезная удельная работа турбины, кДж/кг;

ℓ

т t

− удельная работа турбины в обратимом цикле ГТУ, кДж/кг;

ℓ

ГТУ t

− полезная удельная работа обратимого цикла ГТУ, кДж/кг;

ℓ

ГТУ

− удельная работа необратимого цикла ГТУ, кДж/кг;

n − частота вращения, с

-1

;

n − число ступеней расширения (турбин);

N − мощность, Вт, кВт, МВт;

− внутренняя мощность компрессора, Вт, кВт, МВт;

ГТ

− внутренняя мощность газовой турбины, Вт, кВт, МВт;

ГТУ

− внутренняя мощность ГТУ, Вт, кВт, МВт;

p − давление, Па, кПа, МПа;

q − удельный расход теплоты, кДж/(кг·К);

− удельный расход подведенной теплоты, кДж/(кг·К);

− удельный расход отведенной из цикла теплоты, кДж/(кг·К);

Q − тепловая мощность, кВт, МВт;

R − газовая постоянная, Дж/(кг·К), кДж/(кг·К);

s − энтропия, кДж/(кг·К);

t − температура, °С;

T − температура, К;

υ − удельный объем, м

/кг;

V − объем, м

;

z − число ступеней; число ступеней сжатия (компрессоров).

Греческий алфавит

ε − относительное давление;

η − КПД;

кс

− КПД камеры сгорания;

,η

− относительный внутренний КПД компрессора;

, η

− относительный внутренний КПД турбины;

ГТУ

− внутренний КПД ГТУ в обратимом цикле;

ГТУ

− внутренний КПД ГТУ в необратимом цикле;

− степень повышения температуры в цикле;

π − степень изохорного повышения давления;

σ − степень регенерации;

τ − время, с, мин, ч; степень повышения температуры при

обратимом сжатии в компрессоре;

φ − коэффициент полезной работы ГТУ.

ИНДЕКСЫ ПОДСТРОЧНЫЕ

ном − номинальный;

ое − относительный эффективный;

ол − относительный лопаточный;

оi − относительный внутренний;

оэ − относительный электрический;

ср − средний;

э − электрический; эквивалентный; эффективный;

e − эффективный.

Для газотурбинной установки

1 − на входе в компрессор в необратимом процессе;

1t − на входе в компрессор в обратимом процессе;

2 − на выходе из компрессора в необратимом процессе ;

2t − на выходе из компрессора в обратимом процессе;

3 − на входе в турбину;

4 − на выходе из турбины в необратимом процессе;

4t − на выходе из турбины в обратимом процессе;

0 − начальный; расчетный;

i − внутренний;

t − термический; теоретический; в обратимом процессе, цикле;

max − максимальный.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

СОКРАЩЕНИЯ

АЭС

− атомная электрическая станция;

ВО

− воздухоохладитель;

ГТ

− газовая турбина;

ГТД

− газотурбинный двигатель;

ГТУ

− газотурбинная установка;

ГТЭС

− газотурбинная электрическая станция;

ДВС

− двигатель внутреннего сгорания;

КВОУ

− комплексное воздухоочистительное устройство;

− компрессор;

КВД

− компрессор высокого давления;

КНД

− компрессор низкого давления;

КС

− камера сгорания ГТ;

КСВД

− камера сгорания высокого давления;

КССД

− камера сгорания среднего давления;

КСНД

− камера сгорания низкого давления;

КУ

− котел- утилизатор (ПГУ);

КПД

− коэффициент полезного действия;

МЭИ

− Московский энергетический институт (технический

университет);

ПГУ

− парогазовая установка;

ПД

(ПТ)

− пусковой двигатель (пусковая турбина) газотурбинной

установки;

СПГГ

− свободно-поршневой генератор газа;

ТВД

− турбина (газовая) высокого давления;

ТНД

− турбина (газовая) низкого давления;

ТСД

− турбина (газовая) среднего давления;

ТЭС

− тепловая электрическая станция;

ТЭЦ

− теплоэлектроцентраль;

ТВД

− турбина (газовая) высокого давления;

ТВД

− турбовинтовой (авиационный) двигатель;

ТРД

− турбореактивный (авиационный) двигатель;

ТРДД

− турбореактивный двухконтурный (авиационный)

двигатель.

РАЗМЕРНОСТИ

В 1960 году в Париже на XI Генеральной конференции по мерам и

весам принята международная система единиц (СИ) как универсальная

для всех отраслей науки и техники.

В качестве основных в СИ приняты шесть основных единиц:

метр

м единица длины

килограмм

кг единица массы

секунда

с единица времени

ампер

А единица силы тока

градус Кельвина

К единица термодинамической температуры

свеча

св единица силы света

Все остальные единицы являются производными.

Сила: Н = (кг·м)/с

;

Давление: Па = Н/м

= кг/(м·с

) ;

Работа, энергия: Дж = Н·м = (кг·м

)/с

;

Мощность: Вт = Дж/с = (кг·м

)/с

Единица силы. За единицу силы в СИ принят 1 Н (ньютон).

Ньютон – сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с

в на-

правлении действия силы:

1Н = 1 (м·кг)/с

Единица измерения работы, энергии. Одним из достоинств Си

является то, что в ней для измерения работы и всех видов энергии (ме-

ханической, тепловой, электрической и др.) принята одна единица –

джоуль.

Джоуль (Дж) – работа, производимая силой в 1 Н при перемеще-

нии её точки приложения на расстояние в 1 м в направлении действия

силы:

1Дж = 1Н·1м = 1 (кг·м

)/с

;

1 кДж = 10

Дж.

1 МДж = 10

Дж = 10

кДж;

1 ГДж = 10

Дж = 10

кДж = 10

МДж.

Примечание. Часто пользуются внесистемной единицей измерения

теплоты (система МкГС, иначе МКГСС – метр, килограмм-сила, се-

кунда):

1 ккал = 4,1868 ≈ 4,19 кДж.

Единица мощности. За единицу мощности в СИ принят 1 Вт

(ватт).

Ватт (Вт) – мощность, при которой за 1с выполняется работа в

1 Дж;

1 Вт = 1 Дж/с.