Obiegi turbin gazowych

1. Rys historyczny okrętowych turbin gazowych;
2. Obieg Braytona;

2. Obieg Braytona;
3. Obieg rzeczywisty otwarty prosty;
4 Obi

j

4. Obieg z regeneracją;
5. Obieg z chłodzeniem międzystopniowym;
6. Obieg z sekwencyjnymi komorami spalania;
7 Obiegi zamknięte turbin gazowych;

7. Obiegi zamknięte turbin gazowych;
8. Przykłady siłowni z turbinami gazowymi.

Rys historyczny okrętowych turbin gazowych

W Wielkiej Brytanii w 1947 roku pierwszy raz

j

y

p

y

zastosowano turbinę gazową GATRIC firmy Metropolitan

Vickers o mocy 1870kW i sprawności 12.8% do napędu

głównego kutra torpedowego.

Turbina firmy British Thomson mocy 880kW

Natomiast

w

1951

roku

na

tankowcu

Auris

zainstalowano turbinę z regeneracją firmy British

Thomson mocy 880kW o sprawności 20.1%.

W późnych latach 60-tych turbina gazowa była

stosowana na statkach Ro-Ro, promach pasażerskich,

tankowcach LNG, poduszkowcach czy szybkich jachtach.

Najczęściej stosowaną jest turbina General Electric

LM2500. Inne stosowane często turbozespoły to LM100,

LM300, LM1500, FT4, Gnome, Olympus czy rosyjskie

k

t k j GTU M2 GTU M3 GTKI GTG 1 itd M ż

konstrukcje GTU M2, GTU M3, GTKI, GTG-1 itd. Można

przypuszczać, że około 1000 światowych okrętów

wojennych jest wyposażonych w ponad 2500 turbin

gazowych.

g

y

Zubr -

poduszkowiec

Aquastrada

- typ szybkiego jachtu

Passenger

– prom samochodowy

Przykład szybkiego statku transatlantyckiego

Invincible

- klasa Brytyjskiego lotniskowca

Bora

- klasa Rosyjskiej korwetty

Asagiri

– Japański niszczyciel

Perry

- Amerykańska fregata

Obieg Braytona

Obiegi turbin gazowych

Komora spalania

pierścieniowa

Dyfuzor

Dyfuzor

wylotowy

Czynnik w obiegu

dT

T

h

T

)

(

2



dT

T

c

h

T

p

)

(

1





T

c

h

T







|

2

T

c

h

T

p





|

1

T

c

h

p







dT

T

c

c

T

T

p

T

T

p

)

(

0

0

|





0

dt

t

c

t

t

c

t

t

p

t

t

p

)

(

1

2

2

1

2

1

|







l

m

t

1

2

1

pow

pal

m

m





068

,

0



ST



023

,

0

016

,

0





TG



6

3







TG

ST







Temperatura spalania 1800-2000



C (dla TG~1450



C)





=3÷6

TG



Temperatura spalania 1800 2000 C (dla TG 1450 C)





3 6

1

2

1

2

T

T

h

h









T

T

c

h

h

l

Elementy turbozespołów gazowych – sprężarka

1

2

1

2

1

2

1

2

T

T

T

T

h

h

h

h

s

s

K















1

2

1

2

T

T

c

h

h

l

pK

K



















2

p







1

2

1

2

1

T

T

T

T

T

T

h

h

s

s





















1

2

p

p

K

1

2

p

p

p

K











1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

T

T

T

T

T

T

h

h

s

K

s

s

K

































1

1

1

2

T

T

T

T

l

s

K



1



























1

1

2

1

1

2

T

T

c

T

T

c

l

s

pK

K

s

pK

K

K

















1

K



Sprężarka

–

(cieplna

maszyna

wirnikowa)

urządzenie do sprężania

ik

b

t

K

p

p

T

T

s



1

2

1

2



















































1

1

1

2

1

K

p

p

T

c

l

pK

K

K





czynnika roboczego zatem
podnoszenie

jego

ciśnienia.

Czynnikiem

ściśliwym jest gaz.

y j

g

l

ł

tki ki

i

Elementy turbozespołów gazowych – sprężarka

wlot

łopatki wirnikowe

Wał napędowy

łopatki kierownicze

Kołnierze przyłączeniowe

Dodatkowe
napędy

Kołnierze przyłączeniowe
Komór spalania

Elementy turbozespołów gazowych – sprężarka

Elementy turbozespołów gazowych – komora spalania

m

pal

η

KS

Bilans KS

h

pal

*m

pal

W

d

*m

pal

η

KS

3

2

2

2

)

(

h

m

m

W

m

h

m

pal

KS

d

pal









KS

h

2

h

3

m

2

m

3

KS

2

3

2

3

3

2

3

2

h

W

h

h

m

m

KS

d

pal













h

pal

*m

pal

<<W

d

*m

pal

pomijamy

T

c

T

c

pK

pKS







2

3

T

c

W

pKS

KS

d









El

b

łó

h k

l i

Elementy turbozespołów gazowych – komora spalania

Elementy turbozespołów gazowych – komora spalania

Elementy turbozespołów gazowych – komora spalania

Elementy turbozespołów gazowych – komora spalania

Podstawy Maszyn Cieplnych Okrętowych, Semestr III studia inżynierskie

El

t t b

łó

h t bi

T

T

h

h

Elementy turbozespołów gazowych – turbina gazowa

T

ekspansja

s

s

T

T

T

T

T

h

h

h

h

4

3

4

3

4

3

4

3



















4

3

4

3

T

T

c

h

h

l

pT

T









p

3

3

T

3

3





s

T

s

s

T

T

T

T

T

T

T

T

T

h

h

h

h

4

3

4

3

4

3

4

3

4

3

4

3





























p

4

4

N

e

TG

























3

4

3

4

3

1

T

T

T

c

T

T

c

l

s

pT

T

s

pT

T

T





p

4

4

4
s

4

4

T

T

p

p

T

T

s



 1

3

4

3

4























































T

T

p

p

T

c

l

pT

T

T







1

3

4

3

1

s

4





Turbina

gazowa

–

(cieplna

maszyna

wirnikowa) urządzenie do zamiany energii

potencjalnej czynnika na pracę mechaniczną.

















4

3

p

p

T









































T

T

T

pT

T

T

T

c

l







1

3

1

1

Marian Piwowarski,

p.131A,

tel:[phone],

[e-mail]

Czynnikiem ściśliwym jest gaz.





Elementy turbozespołów gazowych – turbina gazowa

Elementy turbozespołów gazowych – turbina gazowa

Turbozespół gazowy w całości

K

T

m

TG

l

m

l

m

Ne

2

3







- moc efektywna

d

pal

W

m

Q



1

- strumień ciepła doprowadzonego

K

T

m

TG

2

3



f

y





KS

h

m

h

m

Q



1

2

2

3

3

1





d

pal

W

m

Q

1

p

p

g

- z bilansu KS

- sprawność

efektywna

d

pal

TG

TG

TG

W

m

Ne

Q

Ne

e





1



f

y

d

pal

Q

1

K

m

T

TG

eTG

j

l

l

m

m

m

Ne

l

N











2

3

2

- moc jednostkowa









...

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

3

1

3

4

1

3

1

2

2

2

3

3

2

3































































































K

K

T

T

p

p

c

m

m

p

p

T

T

c

h

h

m

h

h

m

l

m

l

m

e

pK

K

pT

T

m

KS

m

K

T

m

TG































...

1

1

1

1

1

1

2

1

3

2

3

2

2

3

3

2

2

3

3











































K

K

p

p

c

T

T

c

m

m

h

m

h

m

h

m

h

m

e

pK

K

pKS

KS

KS

KS

TG















































































1

1

1

1

1

2

3

1

1

3

K

K

T

T

K

pK

K

T

pT

T

m

KS

TG

c

m

m

T

T

c

e







































1

1

1

1

3

2

3

K

K

K

pK

K

pKS

KS

TG

c

T

T

c

m

m

e











T b

ół

ł ś i

Turbozespół gazowy w całości

T b

ół

ł ś i

Turbozespół gazowy w całości

W ł

ż

ść i

j d

tk

bi

Wpływ sprężu na sprawność i moc jednostkową obiegu

Regeneracyjny podgrzew powietrza dolotowego do KS

T

rzecz

R







Stopień regeneracji

max

T

R



T

T

2

4

2

5

T

T

T

T

R









85

,

0

75

,

0





R



9

,

0



R



dla obiegów zamkniętych

Regeneracyjny podgrzew powietrza dolotowego do KS

Zmienia się kierunek wzrostu sprężu

ę

p ę

Maleje praca jednostkowa
Większe zapotrzebowanie powietrza

Zbliża się do obiegu idealnego Ericcsona gazowego

Powietrze chłodzące

%

]

Regeneracyjny

podgrzew i

m

iczna [

%

Regeneracyjny

podgrzew

p

g

chłodzenie

Porównanie
sprawności

rmodyna

m

Obieg z

chłodzeniem

p

obiegów
gazowych

w

no

ść

te

r

Obieg prosty

g

y

Spra

w

Punkt projektowy

Spręż

Stale krąży ten sam czynnik w

Obiegi zamknięte

ą y

y

obiegu

WT - wysokotemperaturowy

wymiennik ciepła nagrzewacz;

wymiennik ciepła-nagrzewacz;

NT – niskotemperaturowy

wymiennik – chłodnica;

a, b – zawory.

Zaworami a i b można zmieniać ilość czynnika w obiegu a tym samym ciśnienie. Upuszczając

ciśnienie przed kompresorem zmniejszamy ciśnienie do p < p przy stałych obrotach przy

ciśnienie przed kompresorem zmniejszamy ciśnienie do p

1’

< p

1

, przy stałych obrotach, przy

takim samym sprężu oraz przy stałej temperaturze. Wykres przesunie się w prawo ale będzie

taki sam jak przy obciążeniu nominalnym. Jest to dobra metoda regulacji poślizgowej i pozwala

zachować stałą sprawność niezależnie od obciążenia.

ą p

ą

Zalety obiegów zamkniętych:

•można spalać dowolne paliwo;

Obiegi zamknięte

•można spalać dowolne paliwo;
•wysokosprawna regulacja mocy, brak występowania naprężeń termicznych;
•można stosować wysokie ciśnienie na wlocie do kompresora



mniejsze gabaryty przy stałej

mocy c y też więks y strumień masy c ynnika



więks a moc;

mocy czy też większy strumień masy czynnika



większa moc;

•można stosować dowolny gaz w obiegu



gaz o wysokim cieple właściwym i wysokie przyrosty

temperatury co skutkuje większą pracą;

ż

ć

ik



i j

ś d i

i ó

•można stosować czystszy czynnik



mniejsze średnice rurociągów;

•można budować układy o wielkich mocach;
•można zastosować w układach z reaktorami jądrowymi;
•można łatwo prowadzić gospodarkę skojarzoną.

Wady obiegów zamkniętych:

y

g

ę y

• większe gabaryty zespołów
• skomplikowany wymiennik WT, duży, ciężki, drogi;
• uzależnienie od źródła wody chłodzącej

• uzależnienie od źródła wody chłodzącej.

Obi i

k i t

Obiegi zamknięte

Obi i

k i t

Obiegi zamknięte

Obi i

k i t

Obiegi zamknięte

Obiegi turbin gazowych

Obiegi turbin gazowych

Obiegi turbin gazowych

Obiegi turbin gazowych

Obiegi turbin gazowych