Циклы газотурбинных установок (гту)

О сновными недостатками поршневых двигателей внутреннего сгорания явяляются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления, котрые отсутствуют в газотурбиннных установках. ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.

На рис.7.6 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении. Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3.

На рис.7.7 и рис7.8 представлены идеальный цикл ГТУ на PV и TS диаграммах.

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 -  = Р₂/ Р₁ ;

степень изобарного расширения -  = ₃ /₂ .

Работа турбины:

l_т = h₃ – h₄ . (7.10)

Р абота компрессора:

l_н = h₂ – h₁ . (7.11)

Полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора:

L_ГТУ = l_т – l_к . (7.12)

Термический к.п.д. цикла ГТУ имеет вид:

_t = 1 – 1/  ^(-1)/ . (7.13)

Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ):

N_т = l_т·D/3600 = (h₃ – h₄)·D/3600 , (7.14)

N_к = l_к·D/3600 = (h₂ – h₁)·D/3600 , (7.15)

N_ГТУ = l_ГТУ·D/3600 = [(h₃ – h₄) (h₂ – h₁) ]·D/3600 . (7.16)

Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреообразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и расширение рабочего тела и пр.

2.Основы теории теплообмена

2.1. Основные понятия и определения

Тепловая энергия представляет собой внутреннюю энергию вещества, и ее количество, передаваемое в тепловом процессе, называют количеством тепла. Количество тепла, передаваемое в единицу времени, называется тепловым потоком. Обе величины будем обозначать через Q, а отличаться они будут единицей измерения. Количество тепла измеряется в джоулях, а тепловой поток – в ваттах. В формулах для расчета количества тепла всегда присутствует время , а при расчете теплового потока предполагается =1 с и время в формуле отсутствует. Отношение теплового потока к поверхности, через которую он проходит [поверхность теплопередачи F (м²)], называют удельным тепловым потоком q (Вт/м²).

Тепловой поток возникает только при наличии разности температур, которая является движущей силой тепловых процессов и называется температурным напором. Единицей измерения температурного напора является градус. Численные значения температурного напора не зависят от шкалы измерения температуры (шкала Кельвина или Цельсия).

При неизменности температур всех точек системы во времени тепловой процесс будет стационарным. Если это условие не соблюдается даже для отдельных точек системы, то процесс считается нестационарным.

Передача тепла может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучистым теплообменом. В чистом виде встречаются теплопроводность и лучистый теплообмен, а конвекция всегда проходит совместно с теплопроводностью, и, в некоторых случаях, – совместно с лучистым теплообменом. Обычно конвекция, которую чаще называют теплообменом, всегда проходит совместно с теплопроводностью, а, в отдельных случаях, – еще и с лучистым (или радиационным) теплообменом.

Тепловой процесс, проходящий между твердой стенкой и теплоносителем (жидким или газообразным), называют теплоотдачей, а между двумя теплоносителями через разделяющую их стенку – теплопередачей.

В общем случае количество передаваемого тепла определяется по основному уравнению теплопередачи

Q=KFt_ср, (2.1)

где К – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопередачи, Вт/(Км²);  – время, с; t_ср – средний температурный напор, К или С. В простейшем случае средний температурный напор равен разности средних температур горячего и холодного теплоносителей.

Коэффициент теплопередачи численно равен количеству тепла, передаваемому от горячего теплоносителя к холодному за время =1 с, через поверхность теплопередачи F=1 м² при среднем температурном напоре t=1 С. Он зависит от большого числа факторов, и определение коэффициента теплопередачи представляет основную задачу теории теплообмена.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением R=1/К (м²К/Вт).