Описание тепловых схем ГТУ

Заключение
В данном реферате были рассмотрены основные тепловые схемы и обратимые (идеальные) и реальные циклы газотурбинных установок. На основе изученного материала можно сделать следующие выводы:
- КПД (эффективность) любого цикла ГТУ всегда меньше, чем у цикла Карно с одинаковыми параметрами;
- увеличить эффективность цикла ГТУ (приблизить показатели к показателям цикла Карно) можно путем повышения максимальной температуры цикла, использования внутреннего возвращения теплоты в цикл (регенерации), использования промежуточного охлаждения воздуха при сжатии и вторичного подогрева газа при расширении, а также утилизации теплоты в парогазовом цикле.
В общем, на сегодняшний день ГТУ нашли широкое применение, а усовершенствование конструкций и материалов позволит в будущемсоздать предпосылки ...

Оглавление
Введение 3
1 Газотурбинные установки: описание. 4
2. Основные термодинамические процессы, осуществляемые в ГТУ. Цикл Карно 6
3. Обратимые (идеальные) термодинамические циклы ГТУ. Цикл Байтона. 8
4. Сравнительный анализ термодинамических циклов ГТУ. Эффективность циклов ГТУ. 12
4.1 Простой цикл 12
4.2 Циклы ГТУ с промежуточным охлаждением рабочего тела при сжатии и вторичным подогревом при расширении. 14
4.3 Цикл ГТУ с регенерацией теплоты 15
4.4 Цикл ГТУ с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и регенерацией теплоты 16
5. Реальные циклы ГТУ 18
5.1 Одновальные газотурбинные установки. 19
5.1.1 Описание схемы простой одновальной ГТУ 20
5.1.2 Описание схемы ГТУ с регенерацией. 23
5.1.3. Описание схемы ГТУ со ступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением и со ступенчатым расширением и промежуточным подводом теплоты 25
5.2 Многовальные ГТУ 30
5.3 Комбинированные газотурбинные установки 31
Список использованной литературы: 35

Введение
Газотурбинные установки (ГТУ) в наше время получают все более широкое применение в различных отраслях промышленности, благодаря ряду своих отличительных особенностей: простота тепловых и кинематических схем, сравнительная простота конструкции, невысокая масса, приходящееся на единицу мощности, относительная простота автоматизации управления. Т.к. они могут работать на органическом топливе различного вида, то могут использоваться как в стационарном (тепловые электрические станции, компрессорные станции иит.д.), так и в транспортном варианте (морской, железнодорожный транспорт и т.д.). Кроме того, значительный прогресс в области аэродинамики турбомашин и в разработке жаропрочных сталей и сплавов позволяют поднять тепловую экономичность ГТУ до необходимого уровня и создают предпосылк и для внедрения ГТУ в различных областях народного хозяйства.

2, на практике приводят к значительному снижению эффективности как идеальных, так и особенно действительных циклов ГТУ по сравнению с циклом Карно. Путём наложения циклов различных газотурбинных двигателей на цикл Карно можно оценить степень их карнотизации, под которой следует понимать степень приближения к предельному и практически недостижимому КПД цикла Карно. 4.1 Простой циклРассмотрим по критерию практической осуществимости идеальный цикл ГТУ, состоящий из двух адиабат 1-2а, 3-4а и двух изобар 2а-3, 4а-1. Такой цикл занимает только некоторую часть площади цикла Карно (рис.8). Это связано с ограниченным (на сегодняшний день) уровнем температуры газа Т3 ≤ 1400÷1500 К и фиксированным значением температуры холодного источника Т1. Такой цикл принципиально может быть осуществим в простейшей газотурбинной установке, состоящей из компрессора, газовой турбины и камеры сгорания (рис.7). Сжатие в компрессоре происходит по адиабате 1-2а, подвод теплоты в камере сгорания по изобаре 2а-3, а расширение газа в турбине по адиабате 3-4а. Изобара, соответствующая давлению атмосферного воздуха 4а-1, условно замыкает цикл, который является на самом деле открытым.В газотурбинном двигателе рассмотренной схемы из-за конструктивныхх трудностей с обеспечением длительной прочности деталей турбины при указанных выше температурах газа практически трудно получить КПД больше 34÷36 %. Как показано на рис. 5, б, с повышением температуры газа площадь занимаемая циклом ГТУ, растёт, что соответствует увеличению эффективности цикла. Так, например, при Т3 = 1600 К можно достичь КПД двигателя простой схемы примерно 42÷44 %. Этим объясняется тот факт, что высокая температура газа стала характерным признаком современных.Рисунок 7 – Принципиальная схема ГТУК – компрессор, КС – камера сгорания, Т – турбина, Г – электрический генератор.Рисунок 8 – Сравнение циклов ГТУ и цикла Карноа - цикл, состоящий из двух адиабат и двух изобар; б – такой же цикл при повышенной температуре рабочего тела4.2 Циклы ГТУ с промежуточным охлаждением рабочего тела при сжатии и вторичным подогревом при расширении.Увеличить полезную работу цикла ГТД можно за счёт снижения затраченной работы сжатия в компрессоре путём приближения процесса сжатия к изотермическому, который предусмотрен в цикле Карно. Действительно, как показано на рис. 9, а, в этом случае за счёт сжатия воздуха в нескольких компрессорах и введения промежуточного охлаждения между ними (участок 1-1 цикла) можно увеличить площадь цикла.Рисунок 9 – Циклы ГТУ а - с промежуточным охлаждением рабочего тела при сжатии; б – вторичным подогревом при расширении.Аналогичного результата можно достичь путём введения многоступенчатого подогрева ГТУ в этом случае возрастает. На практике подобные решения осуществить конструктивно трудно. Поэтому обычно ограничиваются одной-двумя ступенями охлаждения и вторичного подогрева (рис.10).Рисунок 10 – Принципиальные схемы ГТУа – с промежуточным охлаждением воздуха; б – с вторичным подогревом газа.4.3 Цикл ГТУ с регенерацией теплотыУвеличение эффективности ГТУ также можно достичь путем возвращения теплоты выходящих газов в цикл за счет регенерации. Регенерация предусматривает подогрев выхлопными газами воздуха, поступающего в камеру сгорания из компрессора (рис.11). Цикл ГТУ с регенерацией показан на рисунке 12.Рисунок 11 – Схема ГТУ с регенерацией теплотыРисунок 12 – Циклы ГТУа – без регенерации; б – с регенерацией теплоты.Сравнивая циклы можно сделать вывод, что регенерация теплоты не увеличивает полезной работы цикла (площадь 1-2а-3-4а-1 одинакова для циклов с регенерацией и без неё). В то же время количество необходимой теплоты, подведенной в цикл в камере сгорания в цикле с регенерацией гораздо меньше (выделенные площади на рис.9 эквивалентны подведенной теплоте).Отсюда следует, что отношение полезной работы к подведенной к циклу теплоте (КПД цикла) будет больше для цикла с регенерацией.4.4 Цикл ГТУ с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и регенерацией теплотыДостичь ещё большей эффективности можно в том случае, если в цикле ГТУ с регенерацией применить промежуточное охлаждение воздуха при сжатии (рис.10, рис.13).Рисунок 13 – Цикл ГТУ с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и регенерацией теплоты.В таком цикле увеличивается полезная работа и одновременно снижается необходимое количество подведенной в цикл теплоты. В результате можно получить значительное повышение КПД цикла.5. Реальные циклы ГТУРассмотренные термодинамические циклы ГТУ являются обратимыми, т.е. в них не учитывается какие-либо потери в процессах сжатия и расширения рабочего тела, на процессе подвода теплоты, потлива и т.д. В реальных условиях процессы во всех элементах ГТУ оказываются далекими от обратимых, и поэтому определение показателей ГТУ (в частности, к.п.д.) на базе обратимых эталонных циклов не представляет практического интереса и может быть оправдано лишь с точки зрения методологии – получения сравнительных результатов.Рассмотрим цикл ГТУ в T-S диаграмме, показанный на рис. 14 без учета потерь давления в воздушном и газовом траках. Реальный цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – политропное расширение рабочего тела в турбине; 2-3 – условный замыкающий процесс, соответствующий охлаждению газов, покидающих турбину; 3-4 - политропный процесс сжатия воздуха в компрессор; 4-1 - подвод теплоты в камере сгорания. Штриховые линии 1-2S и 3-4S соответствуют изотропным процессам расширения, в турбине и сжатия в компрессоре. Рисунок 14 – Цикл простейшей ГТУ с учетом потерь в турбине и компрессоре.5.1 Одновальные газотурбинные установки.Для удовлетворения различным эксплутационным и технико-экономическим требованиям (мощность, экономичность, маневренность, режим работы, уровень автоматизации управления, ресурс и т. п.) ГТУ выполняются одновальными и многовальными.В одновальных установках все элементы – осевой компрессор, газовая турбина и нагнетатель находятся на одном валу, и при работе имеют одну и ту же частоту вращения. Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.5.1.1 Описание схемы простой одновальной ГТУСреди ГТУ открытого цикла наиболее широкое применение получили простые одновальные ГТУ (рис.15, 16). Цикл такой ГТУ в Т-s диаграмме показан на рис. 17.Рисунок 15 – Простейшая тепловая схема одновальной ГТУ открытого цикла.ОК – осевой компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; ЭГ – электрогенератор; Т - топливо.Рисунок 16 – Принципиальная тепловая схема одновальной ГТУ открытого цикла.Рисунок 17 – Цикл одновальной ГТУ открытого цикла.Точка а соответствует параметрам воздуха перед компрессором: давлению Ра и температуре Та. Линия ab условно изображает процесс сжатия воздуха в компрессоре от давления Ра до давления Рb, а линия bс — подвод теплоты в камеру сгорания при постоянном давлении, в результате чего температура газа возрастает от Тb до Тc. Линия cd изображает процесс расширения газа в турбине от давления рс до давления Рd. Линия da условно замыкает цикл, так как в простой ГТУ цикл открытый (незамкнутый). Однако этой линии соответствует реальный физический процесс — охлаждение и очистка отработавших газов в атмосфере.Атмосферный воздух поступает в осевой компрессор ОК, сжимается в нем (процесс 1-2) и вводится при соответствующей температуре и давлении Тк.к. и Рк.к. в камеру сгорания КС, куда также подводится органическое топливо. Давление природного газа в подающей магистрали рмаг повышается дожимающим компрессором ДК до необходимого давления рг. Одновременно возможен подогрев топлива топлива в подогревателе ТПЛ до температуры tг для повышении эффективности процесса. Через топливные клапаны ТК системы топливоподачи топливо вводится в камеры сгорания, где сгорает в среде жидкого подогретого воздуха (процесс 2-3). Там же формируется начальная температура газов перед газовой турбиной ГТ Тн.т., обеспечиваемая повышенным избытком воздуха в газах за камерой сгорания αк.с..В газовой турбине газы расширяются до конечного давления рк.т. (процесс 3-4), близкого к атмосферному и удаляются через дымовую трубу. При охлаждении рабочего тела в атмосфере энергия не затрачивается и не получается, поэтому разомкнутый процесс ГТУ можно условно замкнуть изобарой охлаждения (процесс 4-1).5.1.2 Описание схемы ГТУ с регенерацией.ГТУ с регенерацией (рис. 18) позволяют использовать в регенераторе часть теплоты выходных газов турбины для догрева циклового воздуха перед его подачей в камеры сгорания, что повышает экономиность, но усложняет эксплуатацию и снижает надежность установки.Рисунок 18 - Простейшая тепловая схема одновальной ГТУ с регенерацией.ОК – осевой компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; ЭГ – электрогенератор; Т - топливо.Часть теплоты уходящих газов используют с помощью теплообменных аппаратов — регенераторов. В этих аппаратах уходящие газы передают теплоту сжатому компрессором воздуху.Схема ГТУ с регенерацией теплоты показана на рис. 19. Рабочий газ покидает турбину 2, имея температуру Та, и направляется в регенератор 6, куда после компрессора 1 поступает воздух, имеющий температуру Тb. В регенераторе воздух нагревается до температуры Тe. Чтобы подогреть его в камере сгорания до необходимой температуры Тс, нужно уменьшить на ср(Тb –Тe) количество подведенной теплоты. Таким образом, экономичность ГТУ с регенерацией выше, чем простых ГТУ. В регенераторе газ остывает до температуры Tf и выбрасывается в атмосферу.Цикл ГТУ с регенерацией теплоты в Т-s диаграмме показан на рис. 20. Линия be - соответствует нагреву воздуха в регенераторе, а линия df - охлаждению газа. Рисунок 19 - Схема ГТУ с регенерацией теплоты:1 — компрессор. 2 — турбина, 3 — потребитель мощности, 4 —топливный насос, 5 — камера сгорания, 6 — регенераторРисунок 20 - Цикл ГТУ с регенерацией теплоты в T-s диаграммеПромежуточный перегрев газов в дополнительной камере сгорания (рис.6) повышает экономичность установки благодаря приближению рабочего цикла ГТУ к циклу Карно.5.1.3. Описание схемы ГТУ со ступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением и со ступенчатым расширением и промежуточным подводом теплотыОдним из способов увеличения эффективности ГТУ является введение промежуточных подогрева газа и охлаждения воздуха за счет уменьшения затрачиваемой работы на сжатие воздуха в компрессоре и увеличения работы, получаемой при расширении рабочего газа в турбине.Из термодинамики известно, что затрачиваемая работа на сжатие газа при прочих равных условиях будут наименьшей, если процесс осуществляется изотермически. Но для этого необходимо интенсивно и непрерывно подводить теплоту q от воздуха на протяжении всего процесса сжатия, что конструктивно, т.е. практически, невозможно осуществить.Рисунок 21 - Процессы изотермического (3-4') и адиабатного (3-4) сжатияНа практике процесс сжатия в компрессоре приближается к адиабатическому (процесс 3-4), поскольку процесс осуществляется очень быстро. На рис. 21 площадь аb4’3 показывает работу L1, затрачиваемую на изотермическое сжатие в изотермическом компрессоре, а площадь аb43 - на адиабатическое сжатие Lab, причем Lab > L1. Чтобы приблизить процесс к изотермическому и тем самым уменьшить затрачиваемую работу, применяется ступенчатое сжатие с охлаждением воздуха после каждой ступени в промежуточных холодильниках.Очевидно, что, чем больше таких ступеней с холодильниками, тем ближе к изотермическому станет и процесс сжатия.Конструктивно ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением можно осуществить в двухкомпрессорном двигателе (рис. 22). Воздух после первой ступени сжатия в компрессоре низкого давления (КНД) (процесс 3-4) направляется в промежуточный холодильник и охлаждается там (процесс 4 -3'). Затем воздух поступает в компрессор высокого давления (КВД) и происходит вторая ступень сжатия (процесс 3’-4). Однако, установки при использовании ступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением будут все более дорогими и сложными по мере увеличения числа ступеней, кроме того, будут возрастать потери за счет дополнительных гидравлических сопротивлений, т.к. при этом возpух на выходе из компрессора имеет более низкую температуру, то в камеру сгорания надо подводить большее количество топлива для достижения максимальной температуры цикла Т1. На рис. 23 представлена схема и на рис. 3.8 - цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием воздуха и регенерацией в ТS-диаграмме.Рисунок 22 - Цикл ГТУ о двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением и регенерацией: 1 - КНД; 2 – КВД; 3 - холодильник; 4 - газовая турбина; 5 – камера сгорания; 6 - регенераторРисунок 23 - Цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением и регенерацией в ТS-диаграммеНа диаграмме (рис. 23) показаны следующие процессы: 3-4’ - сжатие воздуха в КНД; 4’-3’ - изобарное охлаждение воздуха в холодильнике; З’-4 - сжатие воздуха в КВД; 4-4р - изобарный нагрев воздуха в регенераторе; 4р-1 - изобарный подвод теплоты в камере сгорания; 1-2 - расширение рабочего газа в газовой турбине; 2-2р - изобарное охлаждение отработавших газов в регенераторе; 2p-3 - изобарный отвод теплоты с уходящими газами в атмосферу (условный замыкающий цикл процесс).Повышение экономичности, снижение удельного расхода воздуха и газа, а, следовательно, увеличение единичкой мощности могут быть достигнуть также при помощи ступенчатого расширения с промежуточным подводом теплоты в камерах сгорания, расположенных последовательно по ходу газа между турбинами. В этом случае процесс расширения приближается к изотермическому, а это приводит к увеличению располагаемой работы турбины.Схема ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным подогревом рабочего газа представлена на рис. 24. Рисунок 24 - Схема ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным подогревом рабочего газа 1-компрессор; 2-турбина высокого давления (ТВД); 3-камера сгорания низкого давления (КСНД); 4-турбина низкого давления (ТНД); 5-камера сгорания высокою давления (КСВД); 6-регенераторВоздух из компрессора 1, пройдя регенератор 6, поступает в КСВД 5, после которой рабочий газ с температурой t1 направляется в ТВД 2. Здесь происходит частичное расширение газа. После ТВД рабочий газ отводится в КСНД 3, в которой за счет дополнительного сжигания топлива его температура повышается до t1. В виду большого коэффициента избытка воздуха после КСВД сжигание топлива в КСНД происходит интенсивно без дополнительной подачи воздуха. Из КСНД 3 рабочий газ поступает в ТНД 4, после которой проходят через регенератор 6, где отдает часть своей теплоты воздуху. Цикл ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным подогревом и регенерацией изображен на рис. 25.Рисунок 25 - Цикл ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным подогревом рабочего газа Здесь показаны следующие процессы: 3-4 - сжатие воздуха в компрессоре 1; 4-4р - подогрев воздуха в регенераторе 6; 4р-1 – подвод теплоты в КСВД 5; 1-2’ - расширение рабочего газа в ТВД 2; 2'-1’ - подвод теплоты в КСНД 3; 1’-2 - расширение рабочего газа в ТНД 4; 2-2р - охлаждение рабочего газа в регенераторе 6; 2р-3 - отдача теплоты в окружающую среда (условный, замыкающий цикл процесса).Схема одновальной ГТУ с промежуточными подводом теплоты и охлаждением воздуха показана на рис. 26.