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
Местоположение точки Металлическая Керамическая измерения турбина турбина Выход из турбины 230 250 Выход из теплообменника 700 950 (со стороны подачи воздуха) Выход из камеры сгорания 1000 …1100 1250… 1350 Вход в теплообменник 750 1000 (со стороны подачи газа) Выход из теплообменника 270 300 |
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 Т2’ 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 = ср(Т3, – Т2′) = ср(Т3 – Т4). Количество отводимой удельной теплоты q2 = cp(T4′ – Т1)
= сp(Т2 – Т1).
Максимальное значение термического КПД газовой турбины с теплообменником
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 lц 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: lц = (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 lц цикла ко всей подведенной в цикле теплоте q1:
ht = lц / 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