Расчет параметров газотурбинной установки
Первые патенты с описанием устройств, относящихся по принципу действия к газотурбинному двигателю. Принцип работы газотурбинной установки (ГТУ), сфера ее применения. Расчет цикла ГТУ с изохорным подведением теплоты, определение ее термического КПД.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.01.2013 |
| Размер файла | 665,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- 1. Принцип работы ГТУ
- 2. Применение ГТУ в различных отраслях
- 3. Цикл газотурбинной установки
- 4. Расчет цикла ГТУ с изохорным подведением теплоты
- 4.1 Расчет параметров в основных точках
- 4.3 Определение термического КПД ГТУ
- Заключение
- Литература
- Приложение
Введение
Первые патенты с описанием устройств, относящиеся по принципу действия к газотурбинному двигателю, были выданы в Англии Джону Барберу (1791г.) и во Франции Брессону (1837 г.). По проекту Барбера для сжатия воздуха предлагалось использовать поршневой компрессор, в конструкции Брессона воздух сжимался центробежным вентилятором.
Первый газотурбинный двигатель был построен в России в 1897-1900 гг. инженером флота П.Д. Кузьминским. Газотурбинная установка Кузьминского состояла из поршневого компрессора, камеры сгорания и радиальной газовой турбины. Для уменьшения затраты мощности на сжатие воздуха охлаждение продуктов сгорания производилось не воздухом, а паром, который образовывался в змеевике, расположенном в камере сгорания. В это же время были изготовлены основные узлы установки, некоторые из них прошли предварительные испытания, но потом все работы были прекращены.
В 1900-1904 гг. в Германии была испытана газотурбинная установка инженера Штольце, запатентованная им еще в 1872 году. В этой установке впервые был применен многоступенчатый осевой компрессор. В многоступенчатой турбине расширялся чистый воздух, предварительно нагретый в камере сгорания поверхностного типа - без смешения продуктов сгорания топлива и воздуха. Из-за низких КПД турбины и компрессора испытания дали отрицательный результат: установка не могла самостоятельно работать даже на холостом ходу. Конструкция агрегата Штольце интересна тем, что в основных чертах она близка к современным газотурбинным двигателям.
Полезная энергия от газотурбинного двигателя впервые была получена в 1906 г. При испытании установки французских инженеров Арменго и Лемаля. Агрегат состоял из газовой турбины со ступенями скорости, трехкорпусного центробежного компрессора и камеры сгорания, работающей на керосине. Продукты сгорания охлаждались водой, подаваемой в камеру сгорания через форсунки. Температура парогазовой смеси перед входом ее в турбину равнялась 560° С. У агрегата Арменго и Лемаля КПД составлял всего 3-4 %. Низкое значение КПД объясняется в первую очередь несовершенством компрессоров и турбины: внутренний КПД турбины был равен примерно 70-75%, а группа компрессоров имела КПД 50-60%.
В начале ХХ в. было построено несколько установок работающих при постоянном объеме. Первой такой установкой была турбина русского инженера В.В. Кароводина, построенная и испытанная в 1908 г. В Париже. КПД двигателя составлял около 3 % при мощности 1,18 кВт.
газотурбинная установка термический теплота
1. Принцип работы ГТУ
В последние годы газотурбинные установки получают широкое применение в различных отраслях промышленности. Причиной этого являются характерные качества газотурбинного двигателя: простота тепловой и кинематической схемы, относительная простота конструкции, малая масса, приходящаяся на единицу мощности, высокая маневренность, сравнительно простая автоматизация управления. Кроме того в последние годы имеются значительные достижения как в область аэродинамики турбомашин, так и в разработке жаропрочных сталей и сплавов. Успехи аэродинамики и металлургии позволили поднять тепловую экономичность ГТУ до необходимого уровня и создать предпосылки для внедрения ГТУ в различные области народного хозяйства. Газотурбинной установкой называют тепловой двигатель, состоящий из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины (Рис. 1).
Рис. 1 Газотурбинная установка с горением при постоянном давлении.
Принцип действия ГТУ сводится к следующему. Из атмосферы воздух забирают компрессором К, после чего при повышенном давлении его подают в камеру сгорания КС, куда одновременно подводят жидкое топливо топливным насосом ТН или газообразное топливо от газового компрессора. В камере сгорания воздух разделяется на два потока: один поток в количестве, необходимом для сгорания топлива, поступает внутрь жаровой трубы ЖТ; второй - обтекает жаровую трубу снаружи и подмешивается к продуктам сгорания для понижения их температуры. Процесс сгорания в камере происходит при почти постоянном давлении.
Получающийся после смешения газ поступает в газовую турбину Т, в которой, расширяясь, совершает работу, а затем выбрасывается в атмосферу.
Развиваемая газовой турбиной мощность частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся часть является полезной мощностью газотурбинной установки.
В отличие от паротурбинной установки полезная мощность ГТУ составляет только 30-50% мощности турбины. Долю полезной мощности можно увеличить, повысив температуру газа перед турбиной или снизить температуру воздуха, засасываемого компрессором. В первом случае возрастает работа расширения газа в турбине, во втором - уменьшается работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре. Оба способа приводят к увеличению доли полезной мощности. Полезная мощность ГТУ также зависит от аэродинамических показателей проточных частей турбины и компрессора: чем меньше аэродинамические потери в турбине и компрессоре, тем большая доля мощности газовой турбины становится полезной.
Эффективность ГТУ в сравнении с другими тепловыми двигателями обнаруживается только при высокой температуре газа и высокой экономичности турбины и компрессора. Поэтому простой по принципу действия газотурбинный двигатель стали применять в промышленности позднее других тепловых двигателей, после того как был достигнут прогресс в технологии получения жаропрочных материалов и накоплены необходимые знания в области аэродинамики турбомашин.
Неудачи первых попыток создания экономичного газотурбинного двигателя заставили искать новые пути. Было ясно, что при несовершенных компрессорах затрата мощности на сжатие воздуха слишком велика и для ее снижения необходимо уменьшать количество и давление воздуха, сжимаемого компрессором. Возникла идея разработки газотурбинного двигателя, в котором горение топлива происходит не при постоянном давлении, а при постоянном объеме.
Рис. 2. Газотурбинная установка с горением при постоянном объеме
1-компрессор
2 - топливный клапан
3 - камера сгорания
4 - воздушный клапан
5 - запальное устройство
6 - газовый клапан
7 - газовая турбина
Такая газотурбинная установка работает по следующему принципу. В камеру сгорания 3 через воздушный клапан 4 от компрессора 1 подают воздух, который через газовый клапан 6 вытесняет оставшиеся продукты сгорания. При заполнении камеры воздухом открывается топливный клапан 2, через который поступает топливо. После заполнения камеры воздухом и топливом все клапаны закрываются и при помощи запального устройства 5 смесь воспламеняется. Топливо сгорает при постоянном объеме; при этом температура и давление в камере возрастают. При максимальном давлении открывается газовый клапан 6, через который продукты сгорания отправляются к соплам газовой турбины 7 и, расширяясь, совершают работу. При истечении газов из камеры сгорания давление в ней падает; когда оно достигает уровня давления, создаваемого компрессором, вновь открывается воздушный клапан 4 и весь процесс повторяется.
Газотурбинная установка с горение топлива при постоянном объеме должна иметь более высокую экономичность, так как необходимый расход воздуха и его давление при поступлении в камеру сгорания, а следовательно, и затраты мощности на привод компрессора относительно меньше, чем в установке с горением топлива при постоянном давлении.
2. Применение ГТУ в различных отраслях
Возможность применения ГТУ для различных целей демонстрируется в таблице 1, где сопоставлены возможности применения тепловых двигателей основных типов.
Таблица 1. Область применения тепловых двигателей.
|
ГТУ |
ПТУ |
ДВС |
||
|
Область применения |
||||
|
Стационарная энергетика |
+ |
+ |
+ |
|
|
Дальнее газоснабжение |
+ |
- |
+ |
|
|
Металлургическая промышленность (технологический процесс) |
+ |
+ |
- |
|
|
Нефтяная промышленность (технологический процесс) |
+ |
- |
- |
|
|
Транспорт |
||||
|
воздушный |
+ |
- |
+ |
|
|
водный |
+ |
+ |
+ |
|
|
Автомобильный |
+ |
- |
+ |
|
|
Железнодорожный |
+ |
- |
+ |
ГТУ применяется также в качестве надувных агрегатов в ДВС и в парогенераторах с топкой под повышенным давлением, а также наряду с ДВС в качестве привода всевозможных вспомогательных и резервных электрогенераторов, пожарных насосов и др. Из приведенных в таблице 1 данных видно, что ГТУ является универсальным двигателем, имеющим различное назначение. Однако ГТУ достигли широкого применения не во всех перечисленных областях, можно назвать две область - авиацию и дальнее газоснабжение, где они получили преимущественное использование. В авиации турбинный двигатель занимает ведущее место, почти полностью вытеснив двигатель внутреннего сгорания.
На компрессорных станциях магистральных газопроводов ГТУ используется в качестве приводов для газоперекачивающего компрессора. Топливом служит природный газ отбираемый с магистральной линии. В стационарной энергетике на тепловых электрических станциях применяются газотурбинные установки различного типа и назначения. ГТУ пикового назначения работают в периоды максимума потребления электрической энергии (обычно менее 2000 ч в год). Резервные ГТУ обеспечивают собственные нужды ТЭС в период, когда основное оборудование не эксплуатируется. Достоинства и особенности применения ГТУ в малой энергетике:
Газотурбинные ТЭС в малой энергетике на базе газотурбинных установок обладают следующими достоинствами: высокая надежность: ресурс работы основных узлов составляет до 150 тыс. час., а ресурс работы до капитального ремонта - 50 тыс. час.; коэффициент использования топлива (КИТ) при полной утилизации тепла достигает 85%; экономичность установки: удельный расход условного топлива на отпуск 1 кВт электроэнергии составляет 0,2 кг у. т., а на отпуск 1 Гкал тепла - 0,173 кг у. т.; короткий срок окупаемости и небольшие сроки строительства - до 16-22 месяцев (при наличии необходимых согласований и разрешений - до 10-12 месяцев); относительно низкая стоимость капитальных вложений - $600-1000 за установленный киловатт в пределах площадки ГТУ ТЭС; возможность автоматического и дистанционного управления работой ГТУ, автоматическое диагностирование режимов работы станции;
Как недостаток следует отметить необходимость дополнительных расходов на сооружение газокомпрессорной дожимающей станции. ГТУ требуется газ с давлением 2,5 МПа, а в городских сетях давление газа составляет 1,2 МПа.
3. Цикл газотурбинной установки
Основными недостатками поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления, которые отсутствуют в газотурбинных установках. ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.
На рис. 3 и рис. 4 представлен идеальный цикл ГТУ в PV и TS диаграммах.
Рис. 3 Цикл ГТУ на РV диаграмме
Рис. 4 ГТУ на TS диаграмме: 1-2 - адиабатное сжатие до давления Р2; 2-3 - подвод теплоты q1 при постоянном давлении Р2 (сгорание топлива); 3-4 - адиабатное расширение до первоначального давления Р1; 4-1 - охлаждение рабочего тела при постоянном давлении Р1 (отвод теплоты q2);
Характеристиками цикла являются:
степень повышения давления - l = Р2/ Р1;
степень изобарного расширения - r = n3 /n2.
Работа турбины:
lт = h3 - h4.
Работа компрессора:
lн = h2 - h1
Полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора:
LГТУ = lт - lк.
Термический к. п. д. цикла ГТУ имеет вид:
ht = 1 - 1/ l (g-1) /g.
Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ):
Nт = lт·D/3600 = (h3 - h4) ·D/3600,Nк = lк·D/3600 = (h2 - h1) ·D/3600,NГТУ = lГТУ·D/3600 = [ (h3 - h4) (h2 - h1)] ·D/3600.
Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреобразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и расширение рабочего тела и пр.
4. Расчет цикла ГТУ с изохорным подведением теплоты
Исходные данные:
Показатель политропы n= 1,78
Показатель адиабаты k=1,55
Молекулярная масса вещества µ= 71 кг/кмоль
Абсолютное давление бар
Начальный объем газа=
Начальная температура газа
лp =2,9
сp=2,3
вp =3,3
лt =3,0
сt=2,8
вt =4,7
лv =3,0
сv=2,4
вv =2,5
4.1 Расчет параметров в основных точках
Точка 1
Параметры рабочего тела в начальном состоянии:
энтропия
,
Точка 2
Сжатие по изотерме:
Энтропия рабочего тела при конечном сжатии:
= + (-15959,23) =28428,39 Дж/K
2) Сжатие по адиабате:
Объем сжатого рабочего тела:
,
Температура рабочего тела
При адиабатном сжатии
3) Сжатие по политропе
, бар
, бар
,
, К
Точка 3. Изохорное подведение теплоты:
При изотермическом сжатии рабочего тела:
При адиабатическом сжатии рабочего тела:
При политропном сжатии рабочего тела:
Объем сжатого рабочего тела:
При изотермическом сжатии рабочего тела:
При адиабатическом сжатии рабочего тела:
При политропном сжатии рабочего тела:
Температура:
Температура при изотермическом сжатии рабочего тела:
Температура при адиабатическом сжатии рабочего тела:
Температура при политропном сжатии рабочего тела:
Энтропия рабочего тела: при изотермическом сжатии рабочего тела:
При адиабатическом сжатии рабочего тела:
При политропном сжатии рабочего тела:
Точка 4. Давление на завершение процесса расширения:
Объем рабочего тела:
При изотермическом сжатии рабочего тела:
При адиабатическом сжатии рабочего тела:
При политропном сжатии рабочего тела:
Температура на завершение процесса расширения:
При изотермическом сжатии рабочего тела:
При адиабатическом сжатии рабочего тела:
При политропном сжатии рабочего тела:
Энтропия рабочего тела: . При изотермическом сжатии рабочего тела:
При адиабатическом сжатии рабочего тела:
При политропном сжатии рабочего тела:
4.2 Определение теплоты цикла. Количество подведенной теплоты
Изохорный процесс (V=const)
При изотермическом сжатии рабочего тела:
При адиабатическом сжатии рабочего тела:
При политропном сжатии рабочего тела:
Количество отведенной теплоты:
а) изотермический:
, Дж
б) адиабатный:
, Дж
в) политропный:
, Дж
? количество теплоты, отведенной от рабочего тела в компрессоре, при сжатии
a) изотермический:
б) адиабатный:
в) политропный:
? количество теплоты отведенной от рабочего тела в изобарном процессе 4 - 1.
При изотермическом сжатии рабочего тела:
При адиабатическом сжатии рабочего тела:
При политропном сжатии рабочего тела:
Количество теплоты, затраченное на полезную работу цикла, Дж.
При изотермическом сжатии рабочего тела:
При адиабатическом сжатии рабочего тела:
При политропном сжатии рабочего тела:
Определение работы цикла
? работа сжатия
а) изотермического
б) адиабатного:
в) политропный:
? работа процесса подведения теплоты
б) изохорного
=0 Дж
? работа адиабатного расширения
? работа изометрического расширения
? работа политропного расширения
-Работа изобарного процесса отвода теплоты:
Изотермического:
Адиабатного:
Политропный:
Изотермического:
Адиабатного:
Политропный:
4.3 Определение термического КПД ГТУ
n
Изотермического: n
Адиабатного: n
Политропный: n
Для цикла ГТУ с адиобатным сжатием рабочего тела в компрессоре и изохорным подведении теплоты:
Для цикла ГТУ с изотермическим сжатием рабочего тела в компрессоре и изохорным подведении теплоты:
Заключение
Мы рассмотрели принцип действия газотурбинной установки, ее тепловую и кинематическую схемы. Было приведено описание конструкции газотурбинной установки с горением при постоянном объеме. Дан небольшой исторический обзор с описанием устройств, относящиеся по принципу действия к газотурбинному двигателю.
Мы рассмотрели идеальный цикл ГТУ в PV и TS диаграммах, а также основные характеристики цикла.
Был произведен расчет цикла ГТУ с изобарным подведением теплоты, рассчитаны основные параметры рабочего тела газотурбинной установки в основных точках цикла: температура, энтропия, объем, давление. Определи теплоту цикла и количество подведенной теплоты. Был произведен расчет термического КПД газотурбинной установки с адиобатным сжатием рабочего тела в компрессоре и изобарным подведении теплоты.
По расчетным данным, основным параметрам рабочего тела, был построен рабочий цикл газотурбинной установки в PV диаграмме.
Был приведен пример применения газотурбинных установок в различных отраслях промышленности, в частности достоинства и особенности применения ГТУ в малой энергетике, а также их преимущества перед другими тепловыми двигателями основных типов (ДВС, ПТУ).
Можно сделать вывод, что развитие ГТУ в ближайшем будущем, несомненно, даст большой толчок для развития энергетики в целом.
Литература
1. Теплотехника [Текст] /И.Г. Швец, В.И. Толубинский, А.Н. Алабовский и др. - Вища школа, 1976. - 520с.
2. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника [Текст]. - Высшая школа, 1980. - 552с.
3. Теплотехника [Текст] /Учеб. для инж. - техн. спец. вузов/ А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др. /Под ред А.П. Баскаков. - 1991. - 224с.
4. Теоретичні основи теплотехніки [текст]: метод. вказівки щодо викон. курсового проекту "Розрахунок термодинамічних циклів теплових установок та двигунів внутрішнього згоряння" для студентів спеціальності 6.090221 "Обладнання переробних та харчових виробництв” заочної форм навчання/В. В Карнаух, В.П. Данько; Донец. нац. ун-т. економіки і торгівлі імені Михайла Туган-Барановського, каф. холодил. і торг. техніки. - Донецьк: ДонНУЕТ, 2009. - 31с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Принципиальная схема простейшей газотурбинной установки, назначение и принцип действия; термодинамические диаграммы. Определение параметров сжатого воздуха в компрессоре; расчет камеры сгорания. Расширение дымовых газов в турбине; энергетический баланс.
курсовая работа [356,9 K], добавлен 01.03.2013Схема и принцип действия газотурбинной установки. Выбор оптимальной степени повышения давления в компрессоре теплового двигателя из условия обеспечения максимального КПД. Расчет тепловой схемы ГТУ с регенерацией. Расчёт параметров турбины и компрессора.
курсовая работа [478,8 K], добавлен 14.02.2013Нахождение параметров для основных точек цикла газотурбинной установки, который состоит из четырех процессов, определяемых по показателю политропы. Определение работы газа за цикл и среднециклового давления. Построение в масштабе цикла в координатах.
контрольная работа [27,4 K], добавлен 12.09.2010Расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей газотурбинной установки. Определение зависимостей внутреннего КПД цикла от степени повышения давления при разных значениях начальных температур воздуха и газа.
курсовая работа [776,2 K], добавлен 11.06.2014Назначение, конструкция технологические особенности и принцип работы основных частей газотурбинной установки. Система маслоснабжения ГТУ. Выбор оптимальной степени сжатия воздуха в компрессоре. Тепловой расчет ГТУ на номинальный и переменный режим работы.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 14.05.2015Проектирование контактной газотурбинной установки. Схема, цикл, и конструкция КГТУ. Расчёт проточной части турбины. Выбор основных параметров установки, распределение теплоперепадов по ступеням. Определение размеров диффузора, потерь энергии и КПД.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 02.08.2015Преобразование тепловой энергии в механическую турбинными и поршневыми двигателями. Кривошипный механизм поршневых двигателей внутреннего сгорания. Схема газотурбинной установки. Расчет цикла с регенерацией теплоты и параметров необратимого цикла.
курсовая работа [201,3 K], добавлен 20.11.2012Состав и принцип работы компрессорной станции, предложения по реконструкции её системы отопления. Описание газотурбинной установки. Устройство, работа и техническое обслуживание теплообменника, его тепловой, аэродинамический и гидравлический расчёты.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 23.04.2016Расчет идеального цикла газотурбинной установки, ее тепловой и эксергетический баланс. Тепловой расчет регенератора теплоты отработавших газов. Определение среднелогарифмической разности температурного напора, действительной длины труб и генератора.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 05.10.2013Определение внутреннего КПД газотурбинной установки с регенерацией теплоты по заданным параметрам. Расчет теоретической мощности привода компрессора при изотермическом, адиабатном и политропном сжатии. Себестоимость теплоты, вырабатываемой в котельной.
контрольная работа [79,9 K], добавлен 09.01.2011Общее описание Череповецкой ГРЭС, основное оборудование электростанции. Расчет газотурбинной установки при нормальных условиях и при повышенной температуре. Подбор оборудования для системы охлаждения воздуха. Проект автоматизации газотурбинной установки.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 20.03.2017Расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей ГТН–16. Определение расчётных зависимостей внутреннего КПД цикла от степени повышения давления при различных значениях начальных температур воздуха и газа.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 07.02.2016Конструкция теплообменника ГДТ замкнутого цикла. Определение потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат. Тепловой, гидравлический расчет противоточного рекуперативного теплообменника газотурбинной наземной установки замкнутого цикла.
курсовая работа [585,3 K], добавлен 14.11.2012Разработка и определение основных технологических параметров котла-утилизатора для параметров газотурбинной установки ГТУ – 8 РМ. Тепловой конструктивный, гидравлический, прочностной расчет проектируемого аппарата, обоснование полученных результатов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.03.2017Описание и принцип действия газотурбинной технологии, ее основные элементы и назначение. Установки с монарным и бинарным парогазовым циклом, с высоконапорным парогенератором. Характеристика и оптимизация энерготехнологических парогазовых установок.
реферат [1,8 M], добавлен 18.05.2010Характеристика парогазовых установок. Выбор схемы и описание. Термодинамический расчет цикла газотурбинной установки. Технико-экономические показатели паротурбинной установки. Анализ результатов расчета по трем видам энергогенерирующих установок.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 27.04.2015Состав продуктов сгорания топливного газа. Расчет осевого компрессора и газовой турбины, цикла, мощности и количества рабочего тела. Определение диаметров рабочих лопаток, числа ступеней. Технические характеристики агрегатов ГТНР-16 и ГПА "Надежда".
курсовая работа [3,1 M], добавлен 16.04.2014Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания и его характеристика. Определение изменения в процессах цикла внутренней энергии и энтропии, подведенной и отведенной теплоты, полезной работы. Расчет термического коэффициента полезного действия цикла.
курсовая работа [209,1 K], добавлен 01.10.2012Устройство и принцип действия оборудования нефтеперекачивающих и компрессорных станций. Правила эксплуатации, виды ремонтов оборудования. Термодинамический расчет простой газотурбинной установки с регенератором. Температура рабочего газа в турбине.
курсовая работа [313,3 K], добавлен 25.03.2015Общая характеристика парогазовых установок (ПГУ). Выбор схемы ПГУ и ее описание. Термодинамический расчет цикла газотурбинной установки. Расчет цикла ПГУ. Расход натурального топлива и пара. Тепловой баланс котла-утилизатора. Процесс перегрева пара.
курсовая работа [852,9 K], добавлен 24.03.2013
