Рабенко В.С. Термодинамические циклы газотурбинных установок

Подождите немного. Документ загружается.

Из-за малости этой величины в энергетике обычно пользуются ве-

личиной в 1000 раз большей, т.е. киловаттом:

1 кВт = 10

Вт = 10

Дж/с = 1 кДж/с.

Более крупные единицы мощности:

1 МВт = 10

Вт = 10

кВт;

1 ГВт = 10

Вт = 10

кВт = 10

МВт.

В некоторых случаях в качестве единицы мощности применяется

1 л.с. (лошадиная сила):

1 кВт = 1,36 л.с.

Единица плотности (плотность массы) в СИ определяется как от-

ношение массы тела M к его объёму V:

ρ = M/ V кг/м

Ускорение свободного падения тел в пустоте часто называют ус-

корением свободно падающего тела или ускорением силы тяжести. Во

многих технических расчетах ускорение силы тяжести принимают

g = 9,81 м/с

Сила тяжести – это сила, с которой Земля притягивает к себе те-

ла. Силу тяжести (F

) подсчитывают по формуле

= M·g [(кг·м)/с

= Н].

Вес тела – это сила, с которой тело, притягиваемое Землей, давит

на опору или растягивает нить, на которой оно подвешено. Вес тела

определяют как

G = M·(g ± a) [(кг·м)/с

= Н].

Здесь a – ускорение (м/с

), сообщаемое телу приложенной к нему

некоторой силой Q.

Знак ‘–’ , если направления a и g совпадают.

Знак ‘+’ , если a и g действуют в противоположных направлениях.

Примечания.

1. В связи с этим вес тела G может быть больше силы тяжести F

2. В тех случаях, когда тело неподвижно относительно Земли (a = 0),

вес тела равен силе тяжести, т.е. они синонимы:

G = F

Удельный вес определяется как отношение веса тела G к его

объему V:

γ = G/V кг/(м

·с

Учитывая, что G = M·g, получаем зависимость, часто используе-

мую в расчетах,

γ = ρ·g Н/м

СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ЕДИНИЦАМИ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН

Работа, энергия, количество теплоты

1 кДж = 1 кВт·с = 1/3600 кВт·ч = 0,27778·10

-3

кВт·ч = 0,238846 ккал =

=101,972 кгс·м;

1 кВт·ч = 3600 кДж = 859,845 ккал = 367 098 кгс·м;

1 ккал = 10

-6

Гкал = 10

-3

Мкал = 4,1868 кДж = 426,935 кгс·м;

1 кгс·м = 9,80665 Дж = 2,34228 ккал = 2,72407·10

-3

Вт·ч.

Мощность (здесь и далее приводятся округленные значения)

1 кВт = 102 кгс·м/с = 860 ккал/кг = 0,239 ккал/с;

1 кгс·м/с = 9,81 Вт.

Давление (механическое напряжение)

1 Па = 1 Н/м

= 0,102 кгс/ м

= 10,2·10

-6

кгс/см

(ат) = 102·10

-9

кгс/мм

=10

-5

бар = 0,102 мм вод. ст. = 7,50·10

-3

мм рт. ст.;

1 кПа = 10,2·10

-3

кгс/см

(ат);

1 МПа = 10,2 кгс/см

(ат);

1 кгс/см

(ат) = 98,1·10

Па = 0,0981 МПа = 0,981 бар = 10

мм вод.ст.=

= 735,6 мм рт. ст.;

1 бар = 0,1 МПа = 10

Па = 10

Н/м

Удельная массовая теплоемкость, удельная энтропия

1 кДж/(кг·К) = 0,239 ккал/(кг·К);

1 ккал/(кг·К) = 4,187 кДж/(кг·К).

Коэффициент теплоотдачи и теплопередачи

1 кДж/(м

·К·ч) = 0,239 ккал/(м

·К·ч);

1 кВт/(м

·К) = 860 ккал/(м

·К·ч);

1 ккал/(м

·К·ч) = 4,187 кДж/(м

·К·ч) = 1/860 кВт/(м

·К) =

=1,163 Вт/(м

·К);

1 Вт/(м

·К) = 3,6 кДж/(м

·К·ч).

Глава 1. ГТУ ОТКРЫТОГО ТИПА

С ГОРЕНИЕМ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ (p=const)

1.1. Принцип действия ГТУ открытого типа

Газотурбинная установка (ГТУ) – тепловой двигатель, рабочим

теплом в котором являются или нагретый до высокой температуры

воздух, или какие-то другие газы, обладающие требуемыми

теплофизическими свойствами.

Состав оборудования ГТУ представлен на рис.1.1.

Рис. 1.1. Состав оборудования ГТУ

В газовой турбине, как и в паровой, происходит последовательное

преобразование одного вида энергии в другое (рис.1.2).

Рис. 1. 2. Последовательность преобразования энергии в турбине

Сжигать топливо в камере сгорания (КС) возможно при

постоянном давлении (p=const) и при постоянном объеме (V=const).

В процессе развития ГТУ были предложены два основных типа,

отличающихся друг от друга условиями подвода тепла к газу, однако

распространение получил один из них, а именно тип ГТУ с

постоянным давлением сгорания, называемый как «ГТУ с

непрерывным горением».

Рассмотрим принцип действия ГТУ открытого типа (простая

ГТУ) с горением при постоянном давлении (p=const).

Компрессор засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до

заданного давления и подает в камеру сгорания. Туда же с помощью

топливного насоса подается через форсунку топливо, которое

смешивается с воздухом и сгорает.

Образовавшиеся газообразные продукты сгорания направляются в

газовую турбину.

Обратите внимание! Подаваемый в камеру сгорания воздух

разделяется на воздух первичный и воздух вторичный.

Первичный воздух (20–40 %) подается в активную зону горения

и участвует в процессе сгорания как окислитель. Остальной воздух

(60–80 %) добавляется в поток после сгорания.

Вторичный воздух, смешиваясь с газообразными продуктами

сгорания, понижает температуру газов перед газовой турбиной до

заданного значения.

Это необходимо по следующей причине. В активной зоне камеры

сгорания температура горения поддерживается на уровне

1500–2000 °С, тогда как допустимая по условиям надежности

лопаточного аппарата газовой турбины температура газа на входе в

турбину должна быть на уровне 700–1100 °С.

Мощность, развиваемая газовой турбиной, частично

затрачивается на привод компрессора, а оставшаяся часть передается

потребителю, например преобразуется в электрическую энергию в

генераторе.

Запуск ГТУ производится пусковым двигателем

(электродвигатель или паровая турбина), а зажигание топлива при

запуске ГТУ осуществляется с помощью запального устройства,

установленного в камере сгорания.

Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка

состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрессора и

камеры сгорания. Рассмотрим принцип действия и устройство этих

элементов (рис.1.3, 1.4).

Рис. 1.3. Принципиальна схема простой ГТУ открытого типа

Рис. 1.4. Принцип действия ГТУ открытого типа с горением при постоянном

давлении (p=const)

1.2. Основные элементы конструкции ГТУ

Компрессор. Для подачи воздуха в КС, необходимого для

горения, и создания повышенного давления перед газовой турбиной

устанавливают воздушный компрессор. Компрессор засасывает

воздух из атмосферы через фильтр. Засасываемый компрессором

воздух сжимается от давления, несколько меньшего атмосферного, до

заданного давления в несколько атмосфер и подается непрерывно в

камеру сгорания. При таком сжатии воздух не охлаждается, и поэтому

температура его заметно повышается.

Воздушный компрессор имеет привод от газовой турбины и

потребляет значительную часть (до 60 %) мощности газовой турбины.

Оставшаяся часть мощности газовой турбины используется для

привода электрического генератора (ЭГ).

Схема многоступенчатого осевого компрессора изображена на

рис. 1.5. Его основными составными частями являются: ротор 11 с

закрепленными на нем рабочими лопатками 5; корпус 7 (цилиндр), к

которому крепятся направляющие лопатки 6; концевые уплотнения 2 и

подшипники 3.

Совокупность одного ряда вращающихся рабочих лопаток и

одного ряда расположенных за ними неподвижных направляющих

лопаток называется ступенью компрессора.

Засасываемый компрессором воздух последовательно проходит

через следующие элементы компрессора: входной патрубок 1, входной

направляющий аппарат 4, группу ступеней 5, 6, спрямляющий аппарат

8, диффузор 9 и выходной патрубок 10. Рассмотрим назначение этих

элементов.

Входной патрубок предназначен для равномерного подвода

воздуха из атмосферы к входному направляющему аппарату, который

должен придать необходимое направление потоку перед входом в

первую степень. В ступенях воздух сжимается за счет передачи

механической работы потоку воздуха от вращающихся лопаток. Из

последней ступени воздух поступает в спрямляющий аппарат,

предназначенный для придания потоку осевого направления перед

входом в диффузор.

В диффузоре продолжается сжатие газа за счет понижения его

кинетической энергии.

Выходной патрубок предназначен для подачи воздуха от

диффузора к перепускному трубопроводу.

Рис. 1.5. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1 – входной патрубок;

2 – концевые уплотнения; 3 – подшипники; 4 – входной направляющий аппарат; 5 –

рабочие лопатки; 6 – направляющие лопатки; 7 – корпус 8 – спрямляющий аппарат; 9 –

диффузор; 10 – выходной патрубок; 11 – ротор

Рис. 1.6. Схема ступени осевого компрессора

Лопатки компрессора 1 (рис. 1.6) образуют ряд расширяющихся

каналов (диффузоров). При вращении ротора воздух входит в

межлопаточные каналы с большой относительной скоростью (скорость

движения воздуха, наблюдаемая с движущихся лопаток). При

движении воздуха по этим каналам его давление повышается в

результате уменьшения относительной скорости. В расширяющихся

каналах, образованных неподвижными направляющими лопатками 2,

происходит дальнейшее повышение давления воздуха,

сопровождающееся соответствующим уменьшением его кинетической

энергии. Таким образом, преобразование энергии в ступени

компрессора происходит по сравнению с турбиной ступенью в

обратном направлении.

Камера сгорания. Назначение камеры сгорания заключается в

повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в

среде сжатого воздуха. При созданном компрессором давлении

воздуха и происходит сгорание топлива. В КС подается газообразное

или жидкое топливо, которое смешивается с воздухом и сгорает.

Смесь продуктов сгорания и воздуха с определенным начальным

давлением и с высокой температурой поступает в ГТ.

Схема камеры сгорания показана на рис. 1.7.

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происходит

в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону

поступает только такое количество воздуха, которое необходимо для

полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называется

первичным).

Рис. 1.7. Камера сгорания: 1 – форсунка; 2 – жаровая труба; 3 – завихритель;

4 – корпус; 5 – окна

Поступающий в зону горения воздух проходит через

завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию

топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает

1300...2000 °С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая

температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения

камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который

называется вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому

пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого

воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а остальная

часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким

образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько

раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топлива, а

поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно

разбавленными воздухом и охлажденными.

Примечания.

1. ГТУ данного типа (p=const) может работать только при наличии

воздуха определенного давления в КС.

2. Вследствие сопротивлений в воздухопроводах и КС давление

газов перед ГТ несколько меньше давления воздуха за компрессором.

3. Обратите внимание! Подаваемый компрессором в камеру

сгорания воздух разделяется на воздух первичный и воздух

вторичный. Первичный воздух (20–40 %) подается в активную

зону горения и участвует в процессе сгорания как окислитель.

Остальной воздух (60–80 %) добавляется в поток после сгорания.

Вторичный воздух, смешиваясь с газообразными продуктами

сгорания, понижает температуру газов перед газовой турбиной до

заданного значения. Это необходимо по следующей причине. В

активной зоне камеры сгорания температура горения поддерживается

на уровне 1500–2000

С, тогда как допустимая по условиям

надежности лопаточного аппарата газовой турбины температура газа

на входе в турбину должна быть на уровне 700 … 1100

С.

Таким образом, компрессор ГТУ подает в КС значительно

большее количество воздуха, чем это необходимо для сжигания

топлива. Следовательно, во всех ГТУ часть работы ГТ затрачивается

на привод компрессора (компрессоров). Кроме того, небольшая часть

получаемой работы ГТ, в зависимости от типа топлива (газообразное

или жидкое), идет на привод дожимного газового компрессора (ДГК)

или топливного насоса (ТН).

Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивается на

привод компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается

потребителю, например преобразуется в электрическую энергию в

генераторе.

Мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре ГТУ,

достаточно велика.

ГТУ

ГТ

≈ 0,25 … 0,60.

Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины

должна быть значительно больше полезной мощности ГТУ, то есть

ГТ

> N

ГТУ

Газовая турбина. Образовавшиеся газообразные продукты

сгорания в КС непрерывно направляются в газовую турбину (ГТ), в

которой часть тепла газов переводится в работу. В простой ГТУ

`отработавшие` газы выбрасываются непосредственно в окружающую

среду (атмосферу). Температура уходящих газов из ГТ составляет

величину, измеряемую несколькими сотнями градусов. Она во многом

зависит от начальных параметров газа перед турбиной, падения

давления его в ГТ и достигает 300 … 400

С и выше. Газы обычно

покидают турбину при давлении, несколько большем атмосферного

(примерно на 0,01 … 0,02 ата), с тем чтобы преодолеть сопротивление

газоотводящего тракта в атмосферу.

На рис. 1.8 показана схема простой одноступенчатой турбины.

Основными частями её являются; корпус (цилиндр) турбины 1, в

котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатки 3,

установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на

валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6. В местах выход вала

из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие

утечку горячих газов из корпуса турбин. Все вращающиеся части

турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с

неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует

статор турбины, диск с лопатками – рабочее колесо.

Совокупность ряда направляющих и рабочих лопаток называется

турбинной ступенью. На рис. 1.9 вверху изображена схема такой

турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабочих

лопаток цилиндрической поверхности а–а, развернутой затем на

плоскость чертежа. Направляющие лопатки 1 образуют в сечении

суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные

рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.

Рис. 1.8. Схема одноступенчатой турбины: 1 – корпус (цилиндр) турбины; 2 –

направляющие лопатки; 3 – рабочие лопатки; 4 – обод диска; 5 – вал; 6 – подшипники;

7 – концевые уплотнения

Рис. 1.9. Ступень газовой турбины: 1 – направляющие лопатки; 2 – рабочие

лопатки

Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла

турбины, где происходит его расширение и соответствующее

увеличение скорости. При этом давление и температура газа падают.

Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование

потенциальной энергии газа в кинетическую. После выхода из сопел

газ попадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет

свое направление. При обтекании газом рабочих лопаток давление на

их вогнутой поверхности оказывается большим, чем на выпуклой, и