Определение адиабатического кпд силовой турбины в процессе эксплуатации ГТ-6-750

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АДИАБАТИЧЕСКОГО КПД СИЛОВОЙ ТУРБИНЫ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГТ-6-750

В работе представлено определение адиабатического (лопаточного) коэффициента полезного действия турбины при отсутствии возможности измерения давления рабочего тела на входе и на выходе из силовой турбины в процессе эксплуатации на работающем газоперекачивающем агрегате типа ГТ-6-750.

Ключевые слова: коэффициент полезного действия, силовая турбина, газоперекачивающий агрегат

Введение. Учет внутренних потерь в турбине, а именно гидравлических потерь в каналах соплового аппарата и рабочего колеса, потерь от перетекания рабочего тела (газа) в радиальном зазоре между подвижными лопатками и корпусом турбины, потерь на трение диска о газ, осуществляется с помощью адиабатического коэффициента полезного действия турбины. Его также называют лопаточным или гидравлическим.

Постановка проблемы. Согласно работам 3, данный КПД определяется по следующей формуле:

, (1)

Т2, Р2 – статическая температура и давление на выходе из турбины.

Выражение (1) является не очень удобным при определении адиабатического (лопаточного) КПД силовой турбины для газоперекачивающего агрегата типа ГТ-6-750 во время эксплуатации. Это связано с тем, что во время эксплуатации ГТ-6-750 не производится замер давления рабочего тел а на входе и на выходе из силовой турбины [4,5]. Поэтому адаптируем формулу (1) для ГТ-6-750.

Определение адиабатического (лопаточного) КПД по отношению температур. Связь между температурой и давлением в политропическом (реальном) процессе расширения выглядит следующим образом:

(2)

где Т1, Р1 – температура и давление в начале политропического процесса;

Т2, Р2 – температура и давление в конце политропического расширения;

n – показатель политропы.

Используя показатель адиабаты (k) и адиабатический (лопаточный) КПД уравнение (2) для турбины будет выглядеть в следующем виде [6,7]

или

. (3)

. (4)

Уравнение (4) является достаточно сложным для применения на практике, так как в правой части этого уравнения в степени находится адиабатический (лопаточной) КПД турбины.

Введем коэффициенти сделаем некоторые допущения.

Принимая во внимание, что согласно теории турбин адиабатический (лопаточный) КПД турбины для газотурбинных установок наземного применения находится в диапазоне 0,88-0,92 [3], примем его усредненное значение для коэффициента .

С учетом этого допущения, формула (4) примет вид

. (5)

При сопоставлении результатов расчетов адиабатического (лопаточного) КПД силовой турбины (рис. 1) было установлено, что существует некоторая разбежность в точности полученных результатов на величину Дзтs между значениями КПД, полученными по (1) и по (5).

Рис. 1. Зависимость адиабатического КПД от Т2/Т1*

Для учета этого отклонения введем поправочный коэффициент А:

. (6)

Поправочный коэффициент А, как видно на рис. 2, зависит от отношения температуры рабочего тела на входе в силовую турбину к температуре на выходе из нее. Данная зависимость описывается выражением

.

Рис. 2. Изменение поправочного коэффициента A от Т2/Т1*

Проведя аппроксимацию зависимости зтs’ = f(T2/T1*) полиномом третьей степени, получим

.

С учетом (6), получим зависимость изменения адиабатического КПД силовой турбины от отношения Т2/Т1*

. (7)

Таким образом получена формула определения адиабатического (лопаточного) КПД силовой турбины газоперекачивающего агрегата типа ГТ-6-750.

Осуществим проверку адекватности и правильности полученной зависимости для газоперекачивающего агрегата типа ГТ-6-750 с номинальной мощностью 6 МВт. Параметры на номинальном режиме работы силовой турбины данного типа газоперекачивающего агрегата, согласно [8], будут следующие:

— температура на входе (T1*) – 803 0К;

— давление на входе (Р1*) – 0,2 МПа;

— температура на выходе (T2) – 693 0К;

— давление на выходе (Р2) – 0,103 МПа.

Определим значение адиабатического (лопаточного) КПД силовой турбины, используя формулу (1)

.

Значение адиабатического (лопаточного) КПД силовой турбина, с учетом (7), будет:

.

Сравнивая полученные результаты, можно сделать вывод, что используя формулу (7), можно с достаточной точностью определить адиабатический (лопаточный) КПД силовой турбины газоперекачивающего агрегата типа ГТ-6-750 в процессе его эксплуатации.

Установлена зависимость адиабатического КПД силовой турбины от изменения отношения температур рабочего тела. Получена формула определения адиабатического (лопаточного) КПД силовой турбины газоперекачивающего агрегата ГТ-6-750 для случая, когда в процессе эксплуатации нет возможности замерить значения давления рабочего тела на входе и на выходе из силовой турбины.

Кондратьєв Д. В., Панін В. В.

ВИЗНАЧЕННЯ АДІАБАТИЧНОГО КОЕФІЦІЄНТУ КОРИСНОЇ ДІЇ ТУРБІНИ У ПРОЦЕСІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ГТ-6-750

В роботі представлено визначення адіабатичного (лопатевого) коефіцієнту корисної дії турбіни при відсутності можливості вимірювання тиску робочого тіла на вході та на виході з силової турбіни під час експлуатації на працюючому газоперекачувальному агрегаті типу ГТ-6-750.

Ключові слова: коефіцієнт корисної дії, силова турбіна, газоперекачувальний агрегат

Источник

Все о транспорте газа

3. ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ ГАЗА В ТУРБИНЕ

В главе рассматриваются следующие вопросы:
— назначение газовой турбины в ТРД;
— схема и принцип действия осевой газовой турбины;
— окружное усилие, эффективная работа газа, кпд и мощность турбины;
— основные параметры, определяющие мощность тур­бины;
— совместная работа турбины и компрессора в ТРД;
— многоступенчатые турбины и особенности работы тур­бин двухвальных двигателей;
— выходные устройства ВРД.

3.1. НАЗНАЧЕНИЕ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ В ТРД

Газ, обладающий значительной потенциальной энергией, из камеры сгорания поступает я турбину.
Газовая турбина представляет собой лопаточную маши­ну, преобразующую энергию сжатого и нагретого в камерах сгорания газа в механическую работу на валу. В ТРД турбина служит для вращения ротора компрессо­ра и всех обслуживающих агрегатов: топливных, масляных, гидравлических насосов и др.
В сравнении с другими двигателями, преобразующими энергию газа в механическую работу, газовая турбина имеет ряд преимуществ:
— возможность получения больших мощностей в одном агрегате при малых габаритах и весе;
— высокий кпд, что обусловлено хорошей аэродинамикой проточной части и отсутствием крутых поворотов потока;
— простота и надежность конструкции.
Турбины классифицируют по направлению движения по­тока газа, по числу ступеней и другим признакам.
По направлению движения потока газа турбины могут бытьрадиальными, когда поток движется от центра к пери­ферии вдоль радиуса элементов турбин, и осевыми, у которых поток движется вдоль оси турбины.
В ТРД применяются осевые турбины.
—По числу ступеней турбины ТРД выполняются одно, двух или много ступенчатыми в зависимости от величины степени расширения газа в турбине.
Классификация турбин по другим признакам рассматри­вается в следующем параграфе.

3.2. СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТУПЕНИ ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

3.3. ОКРУЖНОЕ УСИЛИЕ, ЭФФЕКТИВНАЯ РАБОТА ГАЗА, КПД И МОЩНОСТЬ ТУРБИНЫ

а). Определение величины окружного усилия Р_u.
Величину силы Р_u можно получить на основании изве­стной теоремы технической механики: «Изменение количест­ва движения секундной массы газа в направлении вращения рабочего колеса (окружном направлении) равно секундно­му импульсу силы, действующей в этом же направлении».
Для составления уравнения количества движения постро­им совмещенный план скоростей ступени турбины (рис. 29).

в). К п д турбины.

3.4. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ МОЩНОСТЬ ТУРБИНЫ

Основными параметрами, определяющими мощность тур­бины являются:
— секундный весовой расход газа Gг;
— обороты ротора турбины n;
— температура газа перед турбиной Тз*;
— степень реактивности турбины ρ.

а). Секундный весовой расход газа Gг.
Величину секундного расхода газа можно определить из уравнения неразрывности учитывая, что в сопловом ап­парате обычно устанавливается критический перепад дав­лений или близкий к нему.
Это означает, что в узком (критическом) сечении СА (fкр) устанавливается критическая скорость Скр, рав­ная местной скорости звука а. Уравнение для этого слу­чая запишется в виде:

где γкр —удельный вес газа в критическом сечении СА [кГ/м3].
Известно, что
, а

Так как давление и температура газа в критическом сечении СА Ркр и Ткр пропорциональны давлению Рз и темпе­ратуре газа Тз на входе в турбину, то можно написать:
или

.
Таким образом, при постоянной температуре газа перед турбиной Тз расход газа Gг определяется величиной давления газа Рз перед нею. Увеличение давления газа Рз ведет к увеличению расхода газа и мощности турбины;

б). Обороты ротора турбины n.

Величина температуры газа перед турбиной ограничи­вается прочностью лопаток турбины. В современных двигате­лях она равна Тз* = 1100—1300°К.

г). Степень реактивности турбины ρ.

Степень реактивности турбины характеризует распреде­ление работы расширения газа между сопловым аппаратом и рабочим колесом турбины.
Степенью реактивности турбины называется отношение адиабатической работы расширения газа в рабочем колесе Lадрк к адиабатической работе расширения газа в ступени турбины L_адрасш.
.
Величина степени реактивности турбины может изме­няться от 0 до 1, т. е.
0 NК;
3. Режим торможения уменьшения оборотов двигателя), когда Nт Прежде чем задать вопрос прочитайте: FAQ

Источник

Lagt = k/k-1 RTг* (1- 1/πт к/к-1 ),

Где: k – показатель адиабаты для газа.

R – его газовая постоянная.

Как указывалось, расширение газа в реактивной турбине проходит как в СА (участок Г-I), так и в РК (I-T). Соотношение между адиабатными работами в СА и РК характеризуются степенью реактивности – отношение адиабатной работы расширения газа в РК (Lag_рк) и адиабатной работе ступени Lagст: ρ = Lagрк/Lagст=1 – Lag ca/Lag ст

Адиабатная работа расширения газа в СА может быть посчитана по формуле:

Lag ca = k/k-1 RTг* [1 – 1/(Pг*/Рi) k/ k-1 ] = ( 1 – ρ) Lag ст

Уровень совершенства процесса в ступени определяется потерями в ней, которые условно можно разделить на внутренние и внешние.

К внутренним потерям относит гидравлические потери в каналах СА и РК (трение газа о стенки, вихреобразование), потери из-за перетекания газа в радиальном зазоре r и потери на трение диска о газ. К ним же относятся и механические потери (трение в подшипниках).

К внешним относятся, потер энергии с выходной скоростью Ст, то есть с кинетической энергией, уносимом газом из турбины. Правда в ТРД эта потеря несколько условна, так как реактивная скорость Ст частично используется в реактивном сопле для создания тяги.

Совершенство процессов турбине оценивается коэффициентами полезного действия, под которым понимается отношение работы, совершаемой турбиной, и располагаемой адиабатической работе турбины (максимальной работе при отсутствии потерь как указывалось выше).

Учет газодинамических потерь производится с помощью кпд по параметрам заторможенного потока. Это отношение работы турбины к адиабатической работе расширения газа по параметрам заторможенного потока

Значение ή*т на расчетном режиме работы 0,89 ۃ 0,93.

Оценка турбинной машины для получения мощности производится с помощью мощностного кпд – отношение работы турбины к располагаемой работе турбины Lag_т:

Этот кпд показывает, как используется располагаемая энергия для получения работы на волу. Он учитывает все потери энергии, в том числе и потери с выходной скоростью. Значение ή_т на расчетном режиме 0,75 ۃ 0,85.

При рассмотрение одноступенчатой турбины ( или одной ступени турбины, как будет сделано ниже) индекс “T” (при Lт) можно заменить на “СТ” (Lcт).

В работе рассматривается конструкция трехступенчатой турбины ТРД (фиг. 4). Для изучения конструкции используются чертежи, а также разрез турбины в сборе на настенном учебном стенде.

Узел турбины состоит из неразборного ротора и статора. Работоспособность турбины обеспечивается применением жаропрочных и жаростойких материалов и охлаждением элементов ее конструкции.

Ротор (фиг. 2). Ротор состоит из: вала, дисков и установленных на них рабочих лопаток, цапфы, тубы, лабиринтов и роликового подшипника.

На переднем конце конического вала (1) выполнены наружные шлицы для передачи крутящего момента и внутренняя резьба для соединения с ротором компрессора. В передней части вала имеются 3 окна для ввода охлаждающего воздуха и гребенчатый лабиринт. На заднем конце вала выполнен кольцевой аз для крепления дисков (поз. 1).

На ободах дисков выполнены пазы “елочного” типа для крепления рабочих лопаток. Диск 1-ой ступени соединяется с валом радиальными штифтами. В переднем кольцевом поясе и ободе диска выполнены отверстия для прохода воздуха на охлаждение рабочих лопаток.

Источник

Адиабатным КПД ступени турбины называется отношение

. (6.11)

или (для неохлаждаемой ступени)

, (6.12)

т.е. адиабатический КПД неохлаждаемой ступени турбины равен отношению действительного теплоперепада к располагаемому.

Таким образом, этот КПД учитывает снижение (вследствие наличия гидравлических потерь) действительного теплоперепада в ступени (т.е. уменьшения энтальпии газа, преобразуемой в работу на валу и в приращение кинетической энергии газового потока) по сравнению с тем, который имел бы место при адиабатном процессе расширения.

Полагая средние значения теплоемкости газа в идеальном и реальном процессах расширения одинаковым, формулу (6.12) можно записать как

. (6.13)

КПД ступени турбины в параметрах заторможенного потока (cокращенно – КПД ступени турбины)равен

(6.14)

или (для неохлаждаемой ступени)

. (6.15)

Значения (используемого в расчетах) и мало отличаются друг от друга и обычно в неохлаждаемых ступенях турбины равны 0,9 … 0,92.

В ступенях с интенсивным воздушным охлаждением сопловых и рабочих лопаток от газового потока к стенкам лопаток отводится теплота, что уменьшает располагаемую работу расширения газа (т. е. работу расширения при отсутствии гидрав­лических потерь). Однако, это уменьшение не превышает долей процента от адиабатического теплоперепада H,в связи с чем формула (6.11) используется и для охлаждаемых ступеней. Но работа на валу ступени (при том же Н) и, соответственно, КПД охлаждаемой ступени при этом несколько (обычно на 1 … 2 %) снижаются. Кроме того, уравнения (6.9) и (6.10) в этом случае уже неточны и соответственно формулы (6.13) и (6.15) завыша­ют значение КПД ступени.

Дата добавления: 2018-05-10 ; просмотров: 1706 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Адиабатический процесс в тепловом двигателе

Характеристика основных термодинамических процессов. Уравнение адиабаты для идеального газа. Краткая история развития тепловых двигателей. Виды тепловых машин внешнего и внутреннего сгорания, принцип их работы. Коэффициент полезного действия устройств.

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/

Введение

Адиабатическим называется процесс, при котором от системы не отбирается и не сообщается энергии. Такой процесс может происходить, если система изолирована или протекает столь быстро, что теплообмен практически не происходит. Примером процесса, очень близкого к адиабатическому, является расширение газов в двигателях внутреннего сгорания.

Соответственно при адиабатическом сжатии внутренняя энергия повышается и, следовательно, температура повышается. Например, в двигателе Дизеля объем быстро уменьшается, и поэтому температура увеличивается, а впрыскиваемая смесь из-за высокой температуры воспламеняется.

Достаточно несложно получить тепловую энергию за счет работы, например, достаточно потереть два предмета друг о друга и выделится тепловая энергия. Однако получить механическую работу за счет тепловой энергии гораздо труднее, и практически полезное устройство для этого было изобретено лишь около 1700 г.

Основная идея, лежащая в основе любого теплового двигателя, состоит в следующем: механическая энергия может быть получена за счет тепловой, только если дать возможность тепловой энергии переходить из области с высокой температурой в область с низкой температурой, причем в процессе этого перехода часть тепловой энергии может перейти в механическую работу.

Актуальность настоящей работы обусловлена, с одной стороны, большим интересом к теме «Тепловой двигатель» в современной науке, с другой стороны, ее недостаточной разработанностью.

Объектом исследования является анализ понятий «Тепловой двигатель» и «Адиабатический процесс». Предметом исследования является рассмотрение отдельных вопросов, сформулированных в качестве задач данного исследования.

Целью исследования является изучение темы «Тепловой двигатель» и «Адиабатический процесс» с точки зрения новейших отечественных и зарубежных исследований по сходной проблематике.

Работа имеет традиционную структуру и включает в себя введение, основную часть, состоящую из 2 глав, заключение и библиографический список.

В процессе работы выполнялся теоретико-методологический анализ темы «Тепловой двигатель» «Адиабатический процесс», в том числе исследовались теоретические аспекты изучения явления «Тепловой двигатель», изучалась природа темы «Тепловой двигатель».

1. Адиабатический процесс

Чтобы рассматривать модели динамики рабочего тела, были предложены законы термодинамики, описывающие основные термодинамические процессы, такие как:

Для идеальных газов, чью теплоёмкость можно считать постоянной, в случае квазистатического процесса адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением:

График адиабаты (жирная линия) на диаграмме для газа.

С учётом уравнения состояния идеального газа уравнение адиабаты может быть преобразовано к виду:

Если в (3) подставить из (2), а затем из (1), получим:

или, введя коэффициент

Это уравнение можно переписать в виде:

что после интегрирования даёт:

Потенцируя, получаем окончательно:

что и является уравнением адиабатического процесса для идеального газа.

2. Тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

3. Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания:

Тепловые двигатели внутреннего сгорания:

2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.

Но не все исследователи были настроены столь пессимистично. Они искали реальные циклы для тепловых машин. В результате их поисков Николаус Август Отто создал свой цикл тепловой машины, который сегодня реализуется в двигателях, работающих на бензине. Здесь выполняются адиабатический процесс сжатия рабочего тела и изохорный подвод теплоты (сгорание топлива при постоянном объеме), затем появляются адиабата расширения (работа совершается рабочим телом в процессе увеличения его объема) и изохорный отвод теплоты. Первые двигатели внутреннего сгорания по циклу Отто использовали в качестве топлива горючие газы. Много позже были придуманы карбюраторы, которые стали создавать бензовоздушные смеси воздуха с парами бензина и подавать их в цилиндр двигателя.

— и есть показатель адиабаты. Почему в теоретических циклах тепловых машин используется адиабатический процесс? На самом деле выполняются политропные процессы, но из-за того, что они происходят с высокой скоростью, принято предполагать отсутствие теплообмена с окружающей средой. 90 % электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. В них в качестве рабочего тела используется водяной пар. Его получают при кипении воды. Чтобы повысить рабочий потенциал пара, его перегревают. Затем при высоком давлении перегретый пар подается на паровую турбину. Здесь также совершается адиабатический процесс расширения пара. Турбина получает вращение, его передают на электрогенератор. Тот, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию для потребителей. Паровые турбины работают по циклу Ренкина. В идеале повышение эффективности также связано с увеличением температуры и давления водяного пара. Как видно из изложенного, адиабатный процесс является весьма распространенным в производстве механической и электрической энергий. термодинамический адиабата тепловой двигатель

Заключение

Адиабатические процессы обратимы, только тогда, когда в каждый момент времени система остаётся равновесной (например, изменение состояния происходит достаточно медленно) и изменения энтропии не происходит. Адиабатический процесс для идеального газа описывается уравнением Пуассона. Для идеальных газов, чью теплоёмкость можно считать постоянной, в случае квазистатического процесса адиабата имеет простейший вид и определяется уравнением:

Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты QН от нагревателя, совершает работу A’ и передает холодильнику количество теплоты QХ. В соответствии с законом сохранения энергии:

Источник