Тепловые диаграммы и их применение для расчета тепловых процессов в турбине и компрессоре

После определения температуры газа перед турбиной можно найти температуру воздуха за компрессором и турбиной, работа­ющей' на реальном газе, для чего используют таблицы термоди­намических свойств газов. При составлении этих таблиц предпо­лагается, что газ подчиняется уравнению состояния для идеаль­ных газов pv=RT, а его энтальпия (теплосодержание) и внут­ренняя энергия зависят от температуры.

Отношение давлений в конце р и начале р₀ изоэнтропийного процесса связано с энтропией s следующим выражением:

l_S-L= ^{s 6} _Рй 2.301Я '

Обозначим s/ (2,301 R)=\gn₀. Значение яо зависит только от температуры и его можно заранее рассчитать для любого газа. Кроме того, можно рассчитать зависимость энтальпии / (кДж/моль) каж­дой составляющей газовой смеси и воздуха от температуры. Для газовой смеси значения энтальпии /_см и (lgito) см определяют по правилу смешения:

4м =

= 2 О Об «b

где г и / — объемная доля и индекс компонента смеси.

Так как газотурбинная установка работает на определенном виде топлива, предварительно необходимо определить его энталь­пию /см и (lgito) см. Результаты расчета могут быть представлены в виде таблиц или графиков. Графики зависимости /_см и (igito)cM от температуры и относительного содержания воздуха г_ъ называ­ют тепловыми диаграммами топлива (рис. 98).

Рис. 98. Тепловая диаграмма топлива

Используя тепловую диаграмму, можно найти температуру воз­духа за компрессором и газа за турбиной, учитывая зависимость" их теплоемкости с_р от температуры.

При изоэнтропийном сжатии в компрессоре можно записать следующее соотношение между я₀₁ в начале процесс, л₀₂ в конце его и степенью сжатия е:

При расчете процесса сжатия в компрессоре пользуются двумя кривыми на тепловой диаграмме — / и lgjio для чистого воздуха (г_в= 100%). Схема использования тепловой диаграммы для оп­ределения воздуха за компрессором приведена на рис. 99, а.

По температуре воздуха

перед компрессором можно определить значение lgnoi, a зная е, найти lge и затем Igjto2- По значению Igno2 можно определить энталь­пию в конце теоретического процесса сжатия Гъ, а по Т_а узнать /_о. Зная молекуляр­ную массу воздуха, определяют i'b и t_a и располагаемый теплоперепад на компрессор h_Ol(=i'b — к. Зная кпд комп­рессора, можно найти ис­пользованный теплоперепад:

Л«к= («V —'«VIk. а затем энтальпию воздуха за компрессором

Рис. 99. Схемы использования тепловой ди­аграммы для определения температуры воз­духа за компрессором (а) и газа за турби­ной (б)

Подсчитав по диаграмме ib, определяют Ть воздуха за компрессором.

При изоэнтропийном рас­ширении газа в турбине справедливо следующее со­отношение между тсоь Лог и степенью расширения а:

Для расчета процесса расширения газа в турбине на тепловой диаграмме также выбирают две кривые /_см и (lgJto)cM, которые соответствуют заданному коэффициенту избытка воздуха а или, что то же самое, относительному содержанию воздуха в газе г_в. Схема использования тепловой диаграммы для определения тем­пературы газа за турбиной приведена на рис. 99, б.

По температуре газа перед турбиной Т_с находят lgitoi и /_с, по степени расширения б определяют lg б, а затем lgn<B- Определив lgKo2, с помощью диаграммы находят' температуру газа за турби­ной Г/ и его энтальпию // при изоэнтропийном- расширении.

Располагаемый теплоперепад на турбину

Зная кпд турбины tj_t, находят использованный теплоперепад и энтальпию газа за турбиной при реальном процессе расширения

ia^ic — hir-

По значению id, зная молекулярную массу продуктов сгорания т_пс, рассчитывают Id=idMuc, а затем по значению /<г с помощью тепловой диаграммы определяют температуру газа /<j при реаль­ном процессе расширения.

Контрольные вопросы

1. Какие виды топлива используются в ГТУ?

2. На какие зоны разделяется пламенная труба?

3. Какие устройства применяются для подачи жидкого и газообразного топ­лива в камеру сгорания?

4. Как зависит кпд камеры сгорания от температуры?

5. Для чего используется вторичный воздух в камере сгорания?

6. Что такое коэффициент избытка первичного воздуха?

7. Почему нельзя произвольно выбрать температуру газа перед турбиной?

8. Как определяют температуру газа за турбиной и воздуха за компрессо­ром?

Глава шестая

Охлаждение газотурбинных установок § 28. Система охлаждения

С ростом начальной температуры газов растет тепловая эконо­мичность цикла ГТУ и уменьшается расход воздуха. Вместе едем рост начальной температуры ограничен допускаемыми напряже­ниями в рабочих лопатках. В результате в ГТУ начальные темпе­ратуры газа значительно ниже теоретически возможных, т. е. тем­ператур сжигания топлива с минимальным избытком воздуха, необходимым только для его окисления.

\/ Охлаждение наиболее горячих элементов газовых турбин по­зволяет снизить их температуру при достаточно высокой темпера­туре газа. Однако применение охлаждения уменьшает полезную работу ГТУ, так как часть теплоты, отбираемая охлаждающей средой от газа, не может быть преобразована в механическую работу, В некоторых случаях, если используется теплота охлаж­дающей среды, возможно частичное уменьшение этих потерь.

Снижение температуры элементов газовой турбины в результа­те охлаждения позволяет поднять термодинамический потенциал цикла ГТУ за счет увеличения начальной температуры рабочего газа. Охлаждение целесообразно применять в том случае, когда выигрыш в кпд от возможного повышения начальных параметров рабочего газа больше потерь,.вызываемых охлаждением.

Система охлаждения должна удовлетворять следующим тре­бованиям:

температура металла охлаждаемых деталей должна быть та­кой, чтобы его прочностные свойства обеспечивали заданный ре­сурс работы;

градиенты температур охлаждаемых деталей не должны пре­вышать значений, при которых температурные напряжения дости­гают опасных значений или возникает возможность недопустимо­го коробления деталей;

затраты энергии на охлаждение должны быть значительно ни­же дополнительной полезной энергии, вырабатываемой ГТУ за счет увеличения начальной температуры рабочего тела.

Кроме того, система охлаждения не должна чрезмерно услож­нять конструкцию турбины и схему ГТУ и, как следствие, повы­шать ее стоимость, требовать вмешательства обслуживающего персонала при эксплуатации ГТУ и должна надежно работать при пусках, остановках и на переходных режимах.

В качестве примера рассмотрим систему воздушного охлажде­ния мощной газовой турбины, работающей при температуре око­ло 900° С (рис. 100).

Охлаждающая

Soda

Рис. 100. Схема системы охлаждения мощной газовой тур­бины

Воздух для охлаждения отбирается после компрессора и за двенадцатой и девятой его ступенями. Для охлаждения деталей турбины, работающих при высоких температурах, воздух подво­дится четырьмя потоками:

поток / — воздух из напорного патрубка компрессора вводится перед соплами, первой ступени, создавая заградительное охлажде­ние дна межлопаточного канала;

поток // — воздух из напорного патрубка компрессора (дополнительно охлажденный до температуры 176° С) идет к переднему концевому уплотнению, а затем — к первому ряду направляющих лопаток, диску первой ступени со стороны входа газов, внутренним элементам ротора и частично — к гребням дисков второй и треть­ей ступеней;

поток /// — воздух после двенадцатой ступени компрессора идет к обоймам направляющих аппаратов и гребням дисков вто­рой и третьей ступеней;

поток IV — воздух после девятой ступени компрессора идет к заднему торцу диска третьей ступени и к концевому уплотнению на выходе газов.

Такая система охлаждения обеспечивает работу установки в режиме, при котором температура металла ротора не превышает 315°С.