Wykład Va TURBINY GAZOWO - PAROWE

Turbina gazowa - silnik turbogazowy - turbina spalinowa - silnik turbospalinowy - jest silnikiem cieplnym z których procesy sprężania i rozprężania odbywają się w maszynach wirnikowych. Kolejność procesów jest następująca: czynnik zimny sprężany jest w sprężarce ,

podgrzewany w komorze spalania lub wymienniku przeponowym, czynnik gorący rozprężany jest w turbinie. Czynnikiem roboczym jest w pierwszej fazie powietrze, w drugiej spaliny powietrze lub mieszanina tych gazów.

Wytwornica gazu Turbina

Czynnikiem roboczym mogą być również inne gazy niż powietrze. Efektem energetycznym użytecznym jest suma pracy na wale turbiny zmniejszoną o pracę sprężania. Funkcjonalnie wytwornica gazu zastępuje kocioł parowy. Turbiny gazowe muszą być zasilane gazami pozbawionymi zawiesiny stałej powodującej w warunkach wysokich prędkości zjawisko erozji. Stąd zasilanie turbin spalinami z spalania paliw stałych jest trudne - wymaga dokładnego oczyszczania spalin. Schemat podstawowego układu turbiny gazowej pokazano poniżej.

O Qel

1

4 3 2

gaz lub paliwo ciekłe

Z

Schemat turbiny gazowej w prostym układzie: S- sprężarka, T - turbina,

G - generator prądu, KS - komora spalania, P - pompa paliwowa lub sprężarka gazu, Z - zawór obejściowy .O,1,2,3,4 - punkty charakterystyczne procesu

Układ podstawowy jest uzupełniony silnikiem rozruchowym - elektryczny oraz pompa ( PO) i chłodnica ( CH ) olejowa chłodząca smarujący reduktor obrotów ( R) i łożyska olej.

Z - zawór obejściowy umożliwia zrzut spalin w stanach awaryjnych na tak zwany „gorący komin” z pominięciem turbiny

Pokazany układ w stosunku do siłowni z turbinami gazowymi charakteryzuje się prostotą i znacznie mniejszymi wymiarami. Przy jego powstawaniu i udoskonalaniu problemem były zagadnienia materiałowe. Moc efektywna turbiny gazowej określa równanie:

P_e = P_t - P_k - ∆P_m

przy czym: P_t - moc wewnętrzna turbiny, P_k - moc wewnętrzna sprężarki, ∆P_m - straty mocy na oporach mechanicznych oraz napędach urządzeń pomocniczych.

Przy obciążeniu turbiny: P_t > P_k + ∆P_m

W stanie biegu jałowego P_t = P_k + ∆P_m

Gdy P_t <P_k + ∆P_m układ nie może pracować.

Turbiny gazowe dzieli się na : obiegi proste, obiegi złożone z regeneracją ciepła lub międzystopniowym chłodzeniem czy podgrzewaniem czynnika roboczego. Ponadto układy turbin mogą nieć strukturę jedno lub wielowałową. Turbiny gazowe można dzielić na lotnicze, energetyczne, przemysłowe, trakcyjne;

.Wskaźniki termodynamiczne turbin gazowych;

spręż: Π = P_max/ P_min stosunek ciśnienia najwyższego do najniższego w obiegu,

wskaźnik przyrostu temperatury:
Q = Tmax/ T min

sprawność cieplna układu : η_c = P_i / P _p gdzie P_i moc wewnętrzna układu -( indykowana ), P_k , P _t moc w wewnętrzne sprężarki i turbiny, P_P - moc odpowiadająca energii chemicznej zawartej w paliwie.

moc i sprawność efektywna turbiny: P_e = P_i - ∆P_m ; η_e = P_e/ P_p = η_c η_m gdzie η_m - sprawność mechaniczna układu, można również napisać że:

η_m = P_e/ P_i = 1 - ∆P_m/ P_i

jednostkowa moc wewnętrzna - wskaźnik koncentracji mocy:

P_j = P_i/ m_k m_k - strumień macy w przekroju wlotowym sprężarki

Główną wielkością charakterystyczną jest spręż zmieniający się od ok. 7 do ok. 26. Wskaźnik przyrostu temperatury zależy od doboru materiałów konstrukcyjnych, układu chłodzenia oraz długowieczności turbiny. Większość bloków parowo - gazowych realizowana jest w układzie prostym. Przebieg procesów cieplnych w takim układzie pokazano poniżej na wykresie T -S. Izobara „0” odpowiada ciśnieniu atmosferycznemu .

Schemat procesu cieplnego w prostym układzie turbiny gazowej

Sprężarka zasysa powietrze o ciśnieniu p_o które na drodze ssania obniża się w przemianie izotermicznej do p₁ o wartość straty dolotowej ∆p_o - straty w kanałach dolotowych powietrza. Powietrze za sprężarką uzyskuje w wyniku zachodzącej przemiany politropowej - będącej wynikiem strat wewnętrznych- parametry p₂ i T₂ W sprężarce idealnej - pozbawionej strat wewnętrznych co odpowiada przemianie izentropowej parametry odpowiadały by p.2s. Przemiana 2-3 w której zachodzi doprowadzenie ciepła nie jest izobaryczna z uwagi na straty ciśnienia w kanałach dolotowych i komorze spalania. Najwyższą temperaturę czynnik roboczy osiąga za komorą spalania T₃ - ograniczeniem jest wytrzymałość materiałów. Proces rozprężania gorących spalin odbywa się wzdłuż politropy 3 -4 a nie w przemianie izentropowej 3 - 4s - jest to wynikiem istnienia strat wewnętrznych w turbinie. Oczywiście w wyniku występowania strat wylotowych ∆p₄ ciśnienie wylotowe z turbiny jest wyższe do ciśnienia atmosferycznego. Straty ciśnienia charakteryzują wskaźniki :

oraz

gdzie ∆p_i - strata ciśnienia całkowitego w itym elemencie, p_i ciśnienie całkowite na wlocie do go

itego elementu.

Spręż sprężarki Π _k jest większy od stosunku rozpężu w turbinie Π_T - powodują to straty ciśnienia. Czyli Π = Π_k = p₂/p₄ ; Π_T = p₃/p₄ oraz Π_T = ε Π_k gdzie ε = ε_o ε₂ ε₄ gdyż
,

Schemat turbiny gazowej w układzie z regeneracją ciepła

Sprawność cieplna turbiny gazowej w układzie z regeneracją linia przerywana : temperatura przed turbiną:T=1123 K, linia ciągła T = 1050K

Wprowadza się pojęcie stopnia regeneracji:

σ = T₅ -T₂/ T₄ - T_{2_}

Schemat jednowałowej turbiny gazowej w układzie z regeneracją ciepła oraz jednokrotnym chłodzeniem międzystopniowym i jednokrotnym chłodzeniem wtórnym: G - prądnica, S_NP niskoprężna część sprężarki, S_NW - wysokoprężna część sprężarki, CH- chłodnica międzystopniowa, T_WP wysokoprężna część turbiny, T_NW- niskoprężna część turbiny, KS₁- komora spalania wysokiego ciśnienia, KS₂ - komora spalania niskiego ciśnienia, R - regenerator, 0,1,2,3,4,5,6 - punkty charakterystyczne

Schemat procesów cieplnych w turbinie gazowej z regeneracją ciepła i podgrzewam międzystopniowym: oznaczenia jak na rysunku poprzednim

Charakterystyki techniczne turbiny gazowej w układzie z jednokrotnym chłodzeniem międzystopniowym w funkcji sprężu i temperatury T₃ ,P_j - moc jednostkowa turbiny

Turbina gazowa - patentuje Anglik w 1791 John Barbera. Pierwszą turbinę energetyczną o mocy 4 MW wykonano w 1939 r. W Neuchatel - firma Brown Boveri CO

Sprężanie czynnika

Podgrzewanie czynnika

Rozprężanie czynnika

T

S

G

≈

P

KS

R

PO

Stopień regeneracji

Wnioski:

• Z wzrostem temp. przed turbiną powoduje wzrost sprawność,

• Istnieje pojęcie optymalnego sprężu,

• Wzrost mocy jednostkowej powoduje wzrost sprawności - efekt skali

---