POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI

Computer Design Systems

Sprawozdanie Nr 3

Temat: Turbina Gazowa.

Imię i nazwisko: Marcin Kempny

Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn

Specjalność: Maszyny i Urządzenia Energetyczne

Sekcja: S2

Data zajęć: 14.12.2015

1. Celem ćwiczenia jest budowa zespołu turbiny gazowej i badanie wpływu wprowadzonych, poszczególnych zmian na sprawność i moc elektryczną badanego układu, który w najprostszej wersji składa się z:

1. Sprężarki- napędzanej przez turbinę za pośrednictwem wału. Sprężarka ma za zadanie podnieść ciśnienie powietrza doprowadzanego do Komory Spalania.

2. Komory Spalania, gdzie do sprężonego powietrza jest wtryskiwane paliwo, następuje zapłon i spalenie paliwa

3. Turbina gazowa- Z Komory Spalania są dostarczane gorące spaliny o wysokiej entalpi, które przekazują energię na łopatki turbiny powodując ruch wirnika, następnie są usuwane do otoczenia.

1. Wprowadzane zmiany:

1. Wprowadzenie podgrzewacza powietrza przed wejściem do Komory Spalania, zasilanego przez spaliny opuszczające turbinę. To rozwiązanie powinno skutkować otrzymaniem wyższej entalpii powietrza przed Komorą, a przez to większej mocy przy tej samej ilości paliwa. Podgrzewanie powietrza spalinami to wykorzystanie energii odpadowej, czyli zmniejszenie strat do otoczenia.

2. Ustawienie temperatury za Komorą Spalania do 1250^oC za pomocą ilości podawanego paliwa.

3. Sprężarkę rozdzielono na 2 stopnie i wprowadzono międzystopniowe chłodzenie powietrza, aby upodobnić proces do sprężania izentalpowego i przez to zmniejszyć moc potrzebną do sprężania i polepszyć efektywność procesu.

1. Schematy badanych obiegów.

1. W pierwszej fazie ćwiczenia przeanalizowano prosty obieg turbozespołu.

Rysunek

1. Następnie dodano podgrzewacz powietrza.

Rysunek 2

1. Kolejnym dodanym elementem była międzystopniowa chłodnica powietrza zasilana wodą.

Rysunek 3

1. Parametry czynników w modelu:

- Strumień powietrza doprowadzany do sprężarki $\dot{m} = 10\frac{\text{kg}}{s}$

- Parametry powietrza na wejściu do sprężarki t=15^oC, p=1 bar, φ=60%

- Sprzęż (stosunek ciśnienia na wyjściu sprężarki do ciśnienia na wejściu sprężarki β=12

-Temperatura paliwa doprowadzanego do Komory Spalania t_p=10^oC

- Izentropowa sprawność sprężarki η_i=0,9; sprawność mechaniczna η_m=0,98

- Izentropowa sprawność turbiny η_i=0,92; sprawność mechaniczna η_m=0,99

- Współczynnik nadmiaru powietrza w Komorze Spalania λ=2

5. Otrzymane wykresy zależności.

a) Zależność mocy i sprawności od temperatury na wejściu do sprężarki.

b) Zależność mocy i sprawności od sprężu.

c) Zależność mocy elektrycznej i sprawności od temperatury na wejściu do sprężarki, po wprowadzeniu międzystopniowego chłodzenia.

1. Zależność mocy elektrycznej i sprawności sprężu po wprowadzeniu międzystopniowego chłodzenia powietrza.

6. Zalety i Wady zespołu turbiny gazowej:

1. Wady:

-wysokie koszty paliwa,

- niska sprawność w porównaniu do układów parowych,

- duża część mocy jest zużywana na napęd sprężarki

b) Zalety:

-osiąga bardzo duże moce i prędkości obrotowe.

- małe gabaryty.

6. Uwagi i Wnioski.

a) Z powyższych wykresów wynika, że zastosowane metody podgrzewania powietrza przed komorą spalania wyraźnie podniosły sprawność, około 10%, co wynika z faktu dotychczas traconą energię cieplną w spalinach użyto do podgrzania powietrza przed spalaniem, a co za tym idzie zmniejszono ilość strat.

b) Analizując wykresy 1,2 można zauważyć, że pomimo znacznego wzrostu sprawności nastąpił wyraźny spadek mocy, może to wynikać z konstrukcji samej turbiny, która nie jest w stanie odebrać od czynnika więcej mocy, pomimo że w drugim przypadku został doprowadzony czynnik o większej entalpii.

c) Na wykresie 1 zauważono, że wzrost temperatury powietrza dolotowego powoduje wyraźny spadek mocy i to zarówno przed jak i po modernizacji. Zjawisko to może być spowodowane większym przyrostem temperatury w procesie sprężania, co generuje straty na sprężarce. Ponadto wszystkie zależności są zależnościami liniowymi, wynika to z tego, że Moc i sprawność są zależne liniowo od entalpii czynnika, a ta z kolei jest proporcjonalna do temperatury czynnika.

d) Analizując wykres 2 zauważono, że zarówno krzywe mocy jak i sprawności są krzywymi parabolicznymi co wynika z charakterystyki urządzeń. Zauważono również spadek sprawności po modernizacji dla tych samych wartości sprężu, dla których przed modernizacją sprawność wzrastała. Powodem takiej sytuacji jest zmiana parametrów turbozespołu, a przez to całej charakterystyki. Sprawność spada ponieważ przekroczono już punkt optymalnej sprawności w obszarze poza wykresem.

e) Z analizy wykresów 3 i 4 można wysnuć wniosek, że chłodzenie powietrza między kolejnymi stopniami sprężarki podnosi zarówno sprawność jak i moc zespołu. Dzieje się tak dlatego że proces sprężania jest upodabniany do sprężania izentalpowego, które jest bardziej efektywne.

f) Po wprowadzeniu chłodnicy do obiegu sprawność i moc rosną wraz ze wzrostem temperatury powietrza dolotowego, wynika to z zależności entalpii od temperatury, im cieplejsze powietrze doprowadzone, tym większą entalpię doprowadzono do układu.

g) Spadek sprawności obserwowany na wykresie 4, powstał z tych samych powodów które zostały opisane w podpunkcie d).