ЛЕКЦИЯ 12 Тема: Газотурбинные и паросиловые установки.

---

ЛЕКЦИЯ 12

Тема: Газотурбинные и паросиловые установки.

План лекции: 1.Газотурбинный двигатель.

2. Паросиловые установки.

1.Газотурбинный двигатель.

В газотурбинном двигателе (ГТД) в отличие от поршневого в процессе реализации термодинамического цикла отдельные изменения состояния рабочего тела протекают в пространствен­но разнесенных конструктивных блоках энергетической уста­новки (компрессор, камера сгорания и турбина). Эти техничес­кие устройства соединяются друг с другом через газопрово­ды и другие элементы конструкции (диффузоры, спирали и т.п.). Поэтому в ГТД термодинамические изменения состояния рабочего тела в реальном масштабе времени происходят не дис­кретно, а непрерывно.

В газотурбинных двигателях автотракторного назначения (рис. 1) всасываемый воздух перед конденсацией в радиаль­ном компрессоре 2 и последующим нагревом в теплообменни­ке 4 проходит через фильтр и глушитель 1 шума. Теплообмен­ник в современных автомобильных двигателях обычно выпол­няется в виде вращающегося регенератора. Таким образом, сжа­тый и предварительно нагретый газ (воздух) нагнетается в ка­меру сгорания 3; где происходит дальнейшее повышение его температуры при горении впрыскиваемого газообразного, жид­кого или эмульгированного топлива.

Продукты сгорания поступают на одно-, двух- или трехсту­пенчатую турбину, установленную на одном, двух или трех ва­лах. Радиальная, или осевая, турбина 9 сначала обеспечивает приведение в действие компрессоров и вспомогательных уст­ройств, а затем оставшаяся мощность расходуется на приведе­ние во вращение ведущего вала через тяговую турбину 7, редук­тор 6 и трансмиссию.

Рис. 1. Схема работы газотурбинного двигателя автотракторного на­значения:

1 — фильтр и глушитель; 2 — радиальный компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — теплообменник; 5 — выпускное окно; 6" — шестеренчатый редуктор; 7 — тяговая турбина; 8 — регулируемые направляющие газового потока; 9 — ком­прессорная турбина; 10 — пусковое устройство (стартер); 11 — вспомогатель­ное оборудование привода; 12 — масляный насос в смазочной системе

Таблица 1

Значения температуры, °С, элементов металлической и керамической газовых турбин, работающих в режиме полной нагрузки

Турбина обычно имеет регулируемые направляющие 8 газового потока. При их конструировании учитываются требования уменьшения расхода топлива и обеспечения возможности работы в режимах частичных нагрузок, что одновременно повышает управляемость турбиной при ускорении. После частичного охлаждения в процессе расширения газы пропускаются через газовую секцию теплообменника 4, где часть остаточной теплоты передается в окружающую среду. Затем ОГ проходят через выпускной тракт, где они также могут нагреваться для последующей передачи теплоты, например, системе отопления автомобиля.

Термический КПД и расход топлива в газотурбинном двигателе в значительной мере определяются максимально возможными рабочими температурами. В таких двигателях требуются термостойкие сплавы на основе кобальта и никеля. Уровень этих температур (табл. 1) недостаточен для того, чтобы добиться топливной экономичности, сопоставимой с аналогичными показателями современных поршневых двигателей. Сравнимая или даже лучшая топливная экономичность газотурбинного двигателя может быть достигнута при использовании в конструкции керамических материалов (см. табл. 2).

Идеальный термодинамический цикл ГТД предполагает подвод и отвод теплоты при постоянных значениях давления. Он состоит (рис. 2) из изоэнтропийного сжатия (процесс 1-изобарного подвода теплоты (процесс 2—3), изоэнтропийного расширения (процесс 3— 4) и изобарного отвода теплоты (процесс 4—1).

Высокий термический КПД может быть получен только тогда, когда температура возрастает от Т₂ до Т_2’ за счет действия теплообменника, обеспечивающего выход теплоты (4 ®4’).

Рис. 2. Диаграммы термодинамического цикла газотурбинного дви­гателя в координатах р — V₀ (а) и T—s (б):

1—2 — изоэнтропийное сжатие; 2—2’—3— изобарный подвод теплоты в теп­лообменнике и при сгорании топлива; 3—4 — изоэнтропийное расширение; 4— 4’— 1 — изобарный отвод теплоты, предварительно осуществляемый в теп­лообменнике

При полном теплообмене количество удельной теплоты, кото­рое дополнительно должен получить газ, снижается до величины q₁ = с_р(Т₃, – Т_2′) = с_р(Т₃ – Т₄). Количество отводимой удельной теплоты q₂ = c_p(T_4′ – Т₁)

= с_p(Т₂ – Т₁).

Максимальное значение термического КПД газовой турби­ны с теплообменником

.

При и общий КПД

.

Современные газотурбинные двигатели имеют КПД до 35 %. Преимуществами газовой турбины перед другими тепловыми двигателями являются низкая токсичность ОГ (если не прини­мать во внимание применение каталитических нейтрализато­ров), устойчивая работа при равномерном вращении вала, спо­собность работать на разных сортах топлива (многотопливность), плавное изменение крутящего момента, отсутствие не­обходимости в частом техническом обслуживании.

К недостаткам ГТД следует отнести высокую стоимость из­готовления, неудовлетворительную работу на неустановивших­ся режимах, высокий расход топлива, непригодность для при­ведения в действие маломощных установок и транспортных средств.

2. Паросиловые установки

Паросиловые установки отличаются от ГТД и ДВС тем, что рабочим телом в них служит пар какой-либо жидкости (обычно водяной пар), а продукты сгорания топлива являются лишь про­межуточным теплоносителем. Паротурбинная установка, работающая по наиболее идеальному циклу — циклу Карно с влаж­ным насыщенным паром в качестве рабочего тела, должна со­стоять из парового котла, парового двигателя, конденсатора и компрессора. Однако паросиловые установки, работающие по циклу Карно, имеют столь существенные недостатки, что их применение становится нецелесообразным¹.

Ввиду сказанного в качестве идеального цикла паросиловой установки принят другой специальный цикл, называемый цик­лом Ренкина. Этот цикл может быть осуществлен в паросило­вой установке по схеме и диаграмме, приведенным на рис. 3. В паровом котле ПК за счет теплоты сжигаемого топлива про­исходит процесс превращения воды в пар.

_________________

¹ Основными ограничениями применения цикла Карно с влажным паром, в качестве рабочего тела являются необходимость использования громоздкого компрессора и большие затраты энергии на сжатие пара.

Пароперегреватель ПП обеспечивает необходимые начальные параметры пара (р₁, Т₁). На лопатках паровой турбины ПТ происходит преобразо­вание теплоты в работу, а затем в электрогенераторе ЭГ — в электрическую энергию. Отработавший пар в конденсаторе К конденсируется с передачей теплоты охлаждающей воде ОВ. Полученный конденсат питательным (конденсатным) насосом ПН подается в водяной экономайзер ВЭ, служащий для подо­грева воды, и далее в паровой котел ПК.

Полезная работа l_ц цикла Ренкина на диаграмме рис. 3.8 чис­ленно определяется площадью фигуры 1 — 2—3—4—5—6—1. Она соответствует полезной работе, совершаемой 1 кг пара: l_ц = (р₁ – p₂)V₀₃ = i₁ – i₂. Из этого уравнения видно, что полезная работа в цикле Ренкина зависит от разности энтальпий i₁ – i₂. Эта разность называется теплопадением или тепловым напо­ром. Термический КПД цикла Ренкина определяется как отно­шение полезной работы l_ц цикла ко всей подведенной в цикле теп­лоте q₁:

h_t = l_ц / q₁= (i₁ – i₂)/( i₁ – i^‘₂), где i^‘₂ — энтальпия воды при температуре конденсатора (холодильника).

Рис. 3. схема (а) и термодинамическая диаграмма Т —s (б)

пароси­ловой установки:

1 — 2 — адиабатное расширение пара на лопатках паровой турбины; 2—3 — конденсация пара в конденсаторе; 3—4 — сжатие воды в конденсатном насо­се; 4—5 — подогрев воды до температуры кипения в водяном экономайзере и котле; 5—6— парообразование в котле; 6— 1 — перегрев пара в паропере­гревателе; ПТ — паровая турбина; ЭГ — электрогенератор; К — конденсатор; ОВ — охлаждающая вода; ПН — питательный насос (конденсатный); ВЭ — водяной экономайзер; ПК — паровой котел; ПП — пароперегреватель