За счет введения в схему ГТУ различного рода теплотехнических мероприятия (отвод теплоты при сжатии, подвод теплоты при расширении, регенерации) можно значительно улучшить основные показатели ГТУ: повысить кпд ГТУ? коэффициент полезной работы.. удельную мощность установки, уменьшить удельный расход рабочего тела. Отсюда и вытекает различные схемы ГТУ, в которых стремятся уменьшить работу сжатия, увеличить работу расширения, уменьшить (в частности, за счет регенерации) количество подводимого топлива в камере сгорания и все это, с целью повышения кпд и других показателей газотурбинной установки.
Термодинамический анализ показал, что усложнение простейшей схемы ГТУ за счет введения промежуточного охлаждения или промежуточного подвода теплоты ведет к значительному повышению кпд и удельной эффективной работы ГТУ одновременно с увеличением соотношения давлений сжатия по условию достижения наибольшего Значения кпд установки.
Усложнение схем ГТУ введением разного рода теплотехнических мероприятий является, казалось бы, простейшим средством повышения кпд. Однако применяемые в настоящее время в ГТУ теплообменные аппараты имеют пока недостаточно высокие показатели и поэтому чрезвычайно громоздки. Кроме того, сложные схемы ГТУ требуют значительно большего времени на доводку и эксплуатационное освоение, что предопределило использование на газопроводах в основном ГТУ простейших технологических схем.
Важнейшим резервом повышения кпд ГТУ являются повышение температуры газов перед турбиной, увеличение соотношения давлений сжатия по компрессору и улучшение относительных значений кпд компрессора и турбины,
В ближайшем будущем будут освоены ГТУ длительного срока службы с начальной температурой газов перед турбиной 900-950°С и выше.
В оценке перспектив развития ГТУ прежде всего должны быть отмечены следующие положительные их особенности: высокий уровень удельной мощности, отнесенный к единице массы ГТУ, исключение снабжения водой, повышение мощности и улучшение показателей установки в зимних условиях, когда пропускная способность газопроводов возрастает, сравнительная простота обслуживания, малый расход смазки и т.д.
Успешная работа ГТУ дает основание предполагать, что на ближайшую перспективу(10-15 лет) стационарные установки с хорошими моторесурсами- (до 100000 ч) могут быть выполнены с удельной массой 5-8 кг/кВт. Одновременно может быть снижена и продолжительность пуска ГТУ.
Вопросы для самоконтроля:
1.Перечислите основные показатели стационарных газотурбинных установок
2.Каковы недостатки сложных схем ГТУ?
3.Перечислите важнейшие резервы повышения кпд ГТУ
4.Приведите классификацию типовых конструктивных схем ГТУ
5.В чем заключается прогресс в стационарном газотурбостроении?
Раздел 2. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
2.1. Основы термодинамического расчета простой
газотурбинной установки
Студент должен:
знать: основы термодинамического расчета газотурбинных установок:
уметь: проводить термодинамические расчеты турбинных установок.
Предельные циклы простой ГТУ. Связь кпд простой ГТУ с величинами, характеризующими ее цикл. Характерные точки зависимости полезной работы простой ГТУ от степени сжатия. Зависимость удельной работы ГТУ от степени сжатия при разных температурах. Зависимость кпд простой ГТУ от степени сжатия.
Влияние температуры на кпд простой ГТУ. Зависимость удельного расхода газа (рабочего тела) от степени сжатия.
Литература: [2], стр. 35-41; [4], стр. 48-60
Методические указания
Отношение давления за компрессором к давлению перед ним называют степенью сжатия в компрессоре.
Отношение давления перед турбиной к давлению за ней называют степенью расширения в турбине.
Удельной полезной работой ГТУ называют разность удельной работы турбины и компрессора.
Количество подведенной теплоты зависит от разности температур пред турбиной и за компрессором и совершенства камеры сгорания.
С ростом относительной температуры газа увеличивается удельная полезная работа, а также оптимальная степень сжатия,
С увеличением относительной температуры газа кпд ГТУ увеличивается, так как увеличивается разность между верхней и нижней температурами цикла и, следовательно, должен повышаться термодинамический кпд. При одинаковых относительных температур газа максимальный кпд достигается при большей степени сжатия, чем максимальная, удельная полезная работа. Это объясняется тем, что кпд зависит не только от удельной полезной работы, но и от количества теплоты, подведенной в камеру сгорания. Уменьшение количества подведенной теплоты смещает максимум кпд в сторону больших степеней сжатия по сравнению с удельной полезной работой.
Одной из важных характеристик, цикла ГТУ является коэффициент полезной работы, который равен отношению полезной работы ГТУ к работе турбины.
Если полезная работа цикла ГТУ по сравнению с работой турбины мала, коэффициент полезной работы также мал. В этом случае большая часть работы турбины расходуется на привод компрессора.
Второй характерной ГТУ является удельный расход газа. Удельная полезная работа ГТУ обратно пропорциональная удельному расходу газа. Чем выше удельная полезная работа и меньше расход газа, тем меньший расход газа необходим для получения заданной мощности, а следовательно, меньше размеры установки.
Вопросы для самоконтроля
1. Какими соотношениями можно связать удельную работу турбины и компрессора соот ветственно со степенью сжатия и степенью расширения?
2.От чего зависит количество подведенной теплоты в камеру сгорания?
3. Каков характер изменения удельной полезной работы ГТУ в зависимости от степени сжатия в компрессоре?
4. Какова зависимость кпд ГТУ от степени сжатия?
5. Как влияет уменьшение количества подведенной теплоты на максимальный кпд?
6. Перечислите основные характеристики ГТУ
7. Какова зависимость удельного расхода газа от степени сжатия?
Тема 2.2 Основы термодинамического расчета
газотурбинной установки с регенерацией теплоты
Студент должен:
знать: основы термодинамического расчета газотурбинной установки с регенерацией теплоты;
уметь: применять методики термодинамических расчетов газотурбинных установок с регенерацией теплоты.
Зависимость степени регенерации от конструкции регенератора и от площади его теплопередающей поверхности. Зависимость кпд ГТУ с регенерацией теплоты от степени сжатия и степени регенерации. Влияние регенерации на оптимальную степень сжатия. Зависимость оптимальной степени сжатия от степени регенерации.
Раздел 3. ОСЕВЫЕ ТУРБОМАШИНЫ
Тема 3.1 Общие сведения об осевых компрессорах.
Элементарная ступень осевого компрессора
Студент должен:
знать: основные уравнения для газодинамического расчета ГТУ и схему многоступенчатого осевого компрессора, треугольники скоростей в элементарной ступени, основные параметры элементарной ступени компрессора;
уметь: определять абсолютные и относительные скорости и углы треугольников скоростей.
Требования, предъявляемые к компрессорам газотурбинных установок. Схема многоступенчатого осевого компрессора, Основные уравнения, используемые при газодинамическое расчете компрессоров ГТУ.
Схема ступени осевого компрессора и кинематика потока в ней. Основные параметры элементарной ступени компрессора. Влияние радиальных и осевых зазоров на работу ступени. Особенности сверхзвуковых ступеней.
Литература: [2], стр. 8-22; [4], стр. 33-37
Методические указания
Из известных типов компрессоров - поршневых, ротационных и лопаточных - наибольшей экономичностью и компактностью отличаются лопаточные компрессоры, к которым относятся осевые и центробежные. Кпд крупных осевых компрессоров достигает 90-91% при умеренных окружных скоростях (порядка 200 м/с) и 87-88% при больших окружных скоростях (порядок 250-330 м/с).
Осевые компрессоры применяются, как правило, одно- и двухкаскадные с промежуточным охлаждением рабочего тела. Соотношение давлений в одном корпусе осевого компрессора стационарной ГТУ достигают 6-9 при числе ступеней в компрессоре 10-12.
В ГТУ средней и большей мощности (4000-16000 кВт) применяются только однокаскадные осевые компрессоры.
Простейший одноступенчатый компрессор имеет ротор, состоящий из вала, диска и рабочих лопаток. На внутренней поверхности корпуса компрессора располагаются направляющие лопатки. Решетку направляющих лопаток и следующую за ней рабочую решетку называют ступенью компрессора. Воздух засасывается в компрессор через входной патрубок. Каналы между направляющими и рабочими лопатками имеют такую форму, что скорость воздуха в них уменьшается, а давление растет. Чтобы производилась работа сжатия воздуха, от турбины отбирается значительная часть мощности, необходимой для вращения ротора компрессора.
Выхлопной патрубок (диффузор) служит для вывода воздуха из компрессора. Давление воздуха за диффузором значительно выше, чем во входном патрубке, и является наибольшим давлением в ГТУ.
Компрессоры, имеющие одну ступень, называют одноступенчатыми. Роторы осевых компрессоров стационарных ГТУ характеризуются большим разнообразием конструкций; цельнокованые, барабанные, барабанно-дисковые.
Крепления отдельных направляющих лопаток ступени осевых компрессоров является их крепление в Т - образный паз, проточенный в корпусе компрессора. Крепления рабочих лопаток - это их осевая заводка в пазы ротора по схеме «ласточкиного хвоста», цилиндра и сложного крепления. Роторы компрессоров опираются на опорные подшипники.