лекции коня кгмту. ЛЕКЦИИ КОНЯ ЭЛЕКТРОНН(ВРУЧНУЮ ИЗ ТЕТРАДКИ) 1-10. Лекция 1 Раздел 1 Циклы и тепловые схемы турбинных установок Классификация судовых турбомашин 1
 Скачать 7.76 Mb.
|
|
- уравнение турбины регенеративный ПТУ 1-го рода. Значение  и  - зависят от количества отбора пара (в судовых ПТУ от 1 до 5) и имеют оптимальные значения обеспечивающие наибольший прирост КПД от регенеративного подогрева питательной воды. Эти оптимальные значения приводятся в отраслевых стандартах по проектированию ПТУ.Общие выражение КПД ПТУ В=ВГУ+ВОС; В – расход топлива; ВГУ –гребную установку; ВОС – общесудовые затраты.  КПД ПТУ зависит от термического КПД цикла, КПД главных элементов входящих в состав ПТУ, и от эффективности реализации регенеративного подогрева питательной воды и расхода энергии на вспомогательные механизмы. В связи с этим КПД ПТУ можно представить в виде произведений шести сомножетелей:   - коэффициент общесудовых затрат;  - термический КПД цикла;  - КПД парового котла;  - эффективный КПД паровой турбины;  - это характеристика тепловой схемы ПТУ. Её величина зависит от расхода пара на вспомогательные механизмы и эффекта от регенеративного подогрева питательной воды;  - это КПД трубопроводов объединяющих элементов ПТУ в единое целое.Способы повышения КПД ПТУ Влияние начального давления Po на КПД ПТУ  Sсрп – подвод теплоты; Sсро – отвод теплоты; [Из последнего выражение следует: Что термический КПД цикла будет тем больше, чем ниже средняя температура процессов отвода теплоты, и чем выше средняя температура процессов подвода теплоты.] 0-1-2-3-4 – исходный цикл ПТУ; 0’-1’-2’-3’-4’ – цикл ПТУ при повышенном начальном давлении (давление в конденсаторе и температура пара на входе в турбину, такие же как и в исходном варианте.)  Влияние начальной температур  0-1-2-3-4 – исходный цикл ПТУ; 0’-1’-2-3-4 – цикл ПТУ с повышенной начальной температуры пара (давление в конденсаторе и начальное давление остаются неизменными)  С повышением начальной температуры, увеличивается средняя температура процесса 4-0, следовательно увеличивается средняя температура всех процессов подвода теплоты, в результате этого термический КПД цикла повышается. Понижение характеристики тепловой схеме вызвано снижением эффективности от регенеративного подогрева питательной воды, т.к. в регенеративные отборы поступает пар большего теплосодержание (энтальпии), в результате чего повышается недоиспользованная его работа. Чем выше начальная температура пара, тем выше КПД ПТУ. Влияние понижения давления в конденсаторе на КПД ПТУ  0-1-2-3-4 – исходный цикл ПТУ; 0-1’-2’-3-4 – это цикл с пониженным давлением в конденсаторе Px. Судовые турбомашины Лекция – 4 Влияние промежуточного перегрева пара на КПД ПТУ Схема промежуточного перегревом пара:  1- паровой котел; В паровой котел дополнительно включен пучок трубок 2 выполняющую роль промежуточного пароперегревателя. 2- пучок трубок выполняющую роль промежуточного пароперегревателя; 3- ТВД (Турбина Высокого Давления) 4- ТНД (Турбина Низкого Давления) 5- конденсатор; 6- конденсатный насос; 7- теплый ящик; 8- питательный насос; 9- подвод пара в промежуточному пароперегревателю; 10- отвод пара от промежуточного пароперегревателя;  0-1’: Адиабатный процесс расширения пара в ТВД; 1’-0’: Изобарический процесс подвода теплоты в промежуточном пароперегревателю; 0’-1: Адиабатный процесс расширения пара в ТНД; 1-2: Изобарический процесс в конденсаторе. (с отводом теплоты) 2-3: Изобарический процесс нагрева воды в котле до температуры кипения; 3-4: Изобарический процесс кипения и парообразования; 4-0: Изобарический процесс перегрева пара. Проведенные исследования показали, что наибольший эффект от промежуточного перегрева пара имеет место когда Т0-Т0’ (в промежуточном пароперегревателе пар подогревается до начальной температуре).  Термический КПД цикла повышается, т.к. появляется дополнительный процесс подвода теплоты (промежуточный перегрев пара) в области высоких температур, что повышает среднею температуру всех процессов подвода теплоты. [Реализация регенеративного подогрева питательной воды на практике: 1) Количество регенеративных отборов пара от 1 до 5 для судовых ПТУ (ПараТурбинных Установок). 2) Использования стандартных коэффициентов качества и количество отборов. 3) Полная конденсация греющего пара в подогревателях питательной воды. 4) Использование конденсата греющего пара для ввода в конденсатно питательной системы, что также позволяет повысить температуру питательной воды. Выполнение этих требований позволяет с экономить от 8 до 10% топлива.] Судовые газотурбинные установки (ГТУ) С изобарическим подводом теплоты:  1- компрессор – служит для повышения давления воздуха подаваемую в камеру сгорания; 2- газовая турбина; 3- вал привода компрессора; 4- камера сгорания; 5- потребитель механической энергии; 6- подвод воздуха к компрессору; 7- отвод отработавших газов в атмосферу. Энергия вырабатываемая турбиной делится на два потока: 1) Первый поток идет на привод компрессора; 2) А второй поток идет на привод потребителя; Чем меньше энергия (мощности) потребляет компрессор, тем больше энергии достается потребителю, тем выше КПД установки. 1-2: Адиабатный процесс повышение давления в компрессоре; 2-3: Изобарический процесс подвода теплоты в камере сгорания (сжигание топлива); 3-4: Адиабатный процесс расширения газа в турбине; 4-1: Изобарический процесс отвода теплоты. Характеристики Газотурбинной установи (ГТУ): 1) Степень повышения давления в компрессоре:  ;2) Максимальная температура цикла: Т3; 3) Степень понижение давления в турбине:  ;Термический КПД цикла:  ;Работа цикла:   ;Работа турбины:  ;х – это показатель адиабата газа работающий в проточной части. Работа компрессора:  ; .Главные уравнения газотурбинных установок (ГТУ) К главным уравнениям ГТУ относится: 1) Уравнение энергетического баланса ГТУ; 2) Уравнение компрессора; 3) Уравнение камеры сгорания; 4) Уравнение турбины. Цикл реальный ГТУ(ГазоТурбинных Установок):  P0 – это барометрическое давление или окружная среда. Установим связь между степенью расширения в турбине и степени повышения давления компрессора: и  ;ед1 – степень дросселирования воздуха подводящем патрубке газотурбинного двигателя:  ;ед2 – степень дросселирования рабочего тела в камере сгорании:  ;ед3 – степень дросселирования при выпуске:  .Степень повышения давления в компрессоре:   ; .Степень расширения рабочего тела в турбине будет тем больше, чем ниже степень дросселирования подводящим патрубке, в камере сгорания и отводящем патрубку. 2) Главные уравнения компрессора  1-2t: Адиабатный процесс повышения давления в компрессоре. Этому процессу соответствует адиабатная работа Laк, которая теории компрессоров – называется действительной работой компрессора. 1-2: Процесс повышения давления в компрессоре с учетом необратимых потерь энергии, этому процессу соответствует внутренняя работа Liк.  называется КПД компрессора.  главным уравнением компрессора. 1) Главное уравнение энергетического баланса ГТУ  3) Уравнение камеры сгорания:  КПД камеры сгорания:   Qп = Gг∙ Сp г∙T3−G∙Cp∙T2; G- расход воздуха < Gг- расход газа; Gг=G+B,  Тогда  главное уравнение камеры сгорания.4) Уравнение турбины   ; ; P3 – давление на входе турбины; Li – внутренняя работа;Судовые турбомашины Лекция – 5 Способы повышения тепловой экономичности газотурбинного двигателя (ГТЗ) 1) Промежуточное охлаждение воздуха   Для реализации данного способа повышения КПД компрессор разбивается на несколько блоков. 1- компрессор низкого давления (КНД); 2- компрессор высокого давления (КВД); 3- турбина привода компрессор высокого давления (КВД); 4- турбина привода компрессор низкого давления (КНД); 5- вал привода КВД; 6- вал привода КНД; 7- силовая турбина; 8- камера сгорания; 9- промежуточный охладитель воздуха. Из теории компрессоров известно, что с понижением температуре газа на входе, понижается мощность компрессора для создания заданной степени повышение давления. 1-2’: действительный процесс повышения давления в КНД; 1’-2: действительный процесс повышения давления в КВД; 2-3: процесс в камере сгорания с подвода теплоты q1; 3-4: действительный процесс расширения газа во всех турбинах двигателя; КПД газотурбинного двигателя:  (Описание этой формулы написано внизу и для защиты ПЗшки): {Приведенное выражение уменьшение Т1’ позволяет понизить мощность потребляемую КВД, что приводит соответственно к снижению мощности турбины привода КВД, в результате этого газ проходящий через турбину привода КВД отдает меньшею долю внутренней энергии и большая доля энергии передается в силовую турбину, что позволяет повысить её мощность и соответственно КПД.} Для каждых конкретных параметров ГТД существуют оптимальные значения степени повышения давления в КНД и КВД, что обеспечивает наибольший прирост КПД установки. ГТУ с промежуточном подводом теплоты  1- компрессор; 2- турбина привода компрессора; 3- силовая турбина; 4- вал привода компрессора; 5- первый блок камеры сгорания; 6- второй блок камеры сгорания; 7- потребитель механической энергии. Диаграмма: 1-2: Действительный процесс повышения давления в компрессоре; 2-3: Процесс подвода теплоты в первом блоке камеры сгорания (как правило изобарический); 3-4’: Действительный процесс расширения газа в турбине привода компрессора; 4’-3’: Процесс подвода теплоты во втором блоке камеры сгорания (как правило изобарический); 3’-4: Действительный процесс расширения газа силовой турбине.  (1) Чем выше температура Т3’, тем выше прирост КПД от промежуточного подвода теплоты. Однако Т3’не превышает Т3, что связано с теплонапряженностью данного двигателя. Газотурбинные двигатели (ГТД) с регенерации  1- компрессор; 2- газовая турбина; 3- вал привода компрессора; 4- потребитель механической энергии; 5- камера сгорания; 6- регенератор (теплообменный аппарат в котором воздух поступающий в камеру сгорания подогревается газами отработавшие в турбине); 7- ? В современных ГТД температура газа на выходе из газовой турбине составляет 350-450 оС, а температура воздуха на выходе из компрессора (перед камерой сгорания) составляет 180-250 оС. В связи с этим имеет место резерв для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Чем выше температура газа входе в камеру сгорания, тем меньше затрачивается топливо для обеспечение заданной температуре Т3. 1-2: Действительный процесс в компрессоре; 2-А: Процесс подогрева воздуха в регенераторе (как правило изобарический); А-3: Процесс подвода теплоты в камере сгорания (как правило изобарический); 3-4: Действительный процесс расширения газа в турбине.   это количество теплоты которое переданное в регенераторе – воздуха.  это степенью регенерации.Существует 3 вида регенерации: 1) Полное r = 1. Размер регенератора стремится к бесконечность, на практике не применяется. 2) Оптимальное r = 0,87-0,95. Применяется крайне редко, но за то КПД высокий, 3) Назначенная r = 0,6-0,8. Их применяют. Лекция – 6 Комбинированные энергетические установки Различают комбинированные энергетические установки с механической и термодинамической связью. Комбинированные установки с механической связью используются на судах в работающих в широком диапазоне режимов. Известно, что с уменьшением мощности двигателя ниже номинальной резко падает его КПД, что приводит к перерасходу топлива на долевых нагрузках. В связи с этим состав СЭУ вместо одного двигателя большой мощности включают несколько двигателей суммарная мощности которых равняется номинальной мощности СЭУ.  Комбинированные энергетические установки с термодинамической связью. Идея использования таких комбинированных установок заключается в желании использовать в одном и том же двигателе наиболее благоприятные процессы подвода и отвода теплоты.  Наиболее благоприятными процессами является изобарический процесс. Подвод и отвод теплоты – изобарический. Комбинированная газопаротурбинная установка. В этой установке базовым двигателем - является газотурбин. двигатель, а отработавшие газы используются в утилизационной паротурбинной установке для вырабатывания дополнительной механической энергии. Надо поменять трубы (линию) чтобы из «прямоточной» сделать «противоточную»  1 – газотурбинный двигатель - базовый двигатель этой комбинированной установки 2 – утилизационный паровой котел 3 – подвод отработавших ГТД газов к улиль. котлу 4 – отвод газов после утиль. котла в атмосферу 5 – экономайзерный пучок трубок УК (утиль. котла) 6 – испарительный пучок трубок УК 7 – пароперегревательный пучок трубок УК 8 – сепаратор пара 9 – отвод насыщенного пара к потребителям общесудового назначания (камбуз, и т.д.) 10 – отвод насыщенного пара к пароперегревателю 11 – подвод питательной воды к сепаратору 12 – циркуляционный насос для подачи циркуляционной воды в УК (утиль. котел) 13 – питательный насос 14 – теплый ящик 15 – конденсатный насос 16 – конденсатор 17 – паровая трубка 18 – редуктор 19 – потребитель механической энергии 20 – подвод перегретого пара к утилизационной паровой турбине 21 – подвод пара водяной смеси в состоянии насыщения к сепаратору Всё оборудование приведены на схеме кроме ГТД 1, редуктор 18 и гребной вин 19, входят в состав теплоутилизационного контура (ТУК)  1-2: Действительный процесс давления компрессоре ГТД.; 2-3: Изобарический процесс подвода теплоты в камере сгорания ГТД; 3-4: Действительный процесс расширения газов в газовой турбине ГТД; 4-5: Изобарический процесс охлаждения газа в утилизационном котле; 5-1: Изобарический процесс отвода теплоты от ГТД в окружающую среду; 6-7: Процесс расширения пара в паровой утилизационной турбине; 7-8: Изобарический процесс конденсации пара в конденсаторе; 8-9: Изобарический процесс нагрева воды в утилизационном котле до состояния кипения; 9-10: Изобарический процесс кипения и парообразования в УК (утилизационный котел); 10-6: Изобарический процесс перегрева пара в УК (утилизационный котел).  Г – газы П – пар (или вода) Термическое КПД:   Тепловой баланс утиль котла комбинированный ГПТУ    - Тепловой баланс; .Тепловой баланс сепаратора Лекция – 7  Gнв – расход конденсатной воды; Gпв – расход питательной воды; iпв – энтальпия питательной воды; Gц – расход циркуляции воды; iц – энтальпия циркуляции воды.  (1)i’ – энтальпия воды в состоянии насыщения Для установившегося режима работы установки количество или расход питательной воды равен расходу насыщенного пара, который выходит и сепаратора. GПВ = GНП Введем понятие кратности циркуляции. Под кратностью циркуляции понимают – отношение расхода циркуляционной воды к расходу насыщенного пара.  Поделим уравнение (1) правую и левую части на расход насыщенного пара.  (2)  (3) – уравнение энтальпии поступающую в паровой котел.Из уравнения (3) следует, что энтальпия циркулирующей воды будет тем ниже чем меньше кратность циркуляции К. Современные методы водоподготовки в котлах позволяют понизить кратность циркуляции в котлах до Кmin = 1,25. По котлу – КminЭ = 2,5 Судовые турбины Устройство, принцип действия осевой турбинной ступени – смотри ПЗ Уравнение неразрывности рабочего тела  G1 – массовый расход  ; - массовый расход в сечении 1. ; - для сечения 2.  Понятие параметры рабочего тела или параметры заторможенного потока Под полными параметрами рабочего тела (параметры заторможенного потока) – понимают параметры состояния рабочего тела, которые будут получены при изоэнтропийном торможении потока рабочего тела до нулевой скорости. При этом внешняя кинетическая энергия рабочего тела в полном объеме переходит во внутреннею энергию, в результате чего увеличивается давление и температура рабочего тела. Параметры потока рабочего тела называется «статическими параметрами». С – абсолютная скорость. i – это полная энергия потока рабочего тела (  (4)  , где Ср – изобарическая теплоемкость.  - температура заторможенного потока. , где R – удельная газовая постоянная  - давление заторможенного потока Уравнение энергии рабочего тела Для получения уравнения энергии воспользуемся 1 законом термодинамики для потока.  , где lтех – техническая работа - полная работа термодинамической системы. В соплах (или конфузорах) и дифузорах техническая работа (lтех) не совершается. lтех = 0.  (5) – справедливо для идеального режима без потери, так и для реального режима с потерями. - для теоретического режима - для реального режима с трением.Лекция – 8  (6) (7) – для действительного режима течения Турбинная ступень имеет характерные сечения. Сечение 0-0 совпадает со входными лопаток кромками соплового аппарата. Сечение 1-1 совпадает с выходными кромками лопаток соплового аппарата. Сечение 2-2 совпадает с выходными кромками лопаток рабочего аппарата. Параметры рабочего тела и геометрические размеры в характерных сечениях обозначаются индексом этого сечения. Приведенные уравнения (6) и (7) справедливы для абсолютного течения рабочего тела, так для относительного течения рабочего тела. Скорость истечения газов и паров из сопел. Перепишем уравнение (6) применительно к сопловому аппарату турбинной ступени:  (8)Из уравнения (8) следует, что теоретичиски  (9)  Уравнение (9) и (10) используются для вычисления теоретической скорости истечения как реальных рабочих тел, так и для идеальных газов.  - Для адиабатного процесса означает, что это располагаемая работа.L0 – это располагаемая работа. Для адиабатного процесса:  Теоретическая скорость истечения С1t:  Уравнения (11) и (12) используются для вычисления газов, которые по свойствам равных к идеальному.  W1 – относительная скорость на входе в рабочий аппарат. Расход рабочего тела. Расход через сопловой аппарат:  Gt – теоретический расход; f1 – это площадь сечения на выходе из соплового аппарата;  - это плотность.Уравнение (15) справедливо как для реальных рабочих тел, так и для идеального газа. Но на практике применяется как правило для определения расхода реальных рабочих тел. Массовый расход в кг/е.  Для адиабатного режима стечения будет справедливо:  Уравнение газа для идеального процесса. Критический режим течения. Критическая степень понижения давления.  - степень понижения давления в соплах.  Малые возмущения в сплошных средах распространяется со скоростью звука.  Приведения исследования сопел показали, что правая ветвь зависимости полученная в эксперименте полностью совпадает с теорией, а первая ветвь не соответствует результатам экспериментальным данным.  Максимальная степень понижения давления при которой достигается максимальный теоретический расход называется критической степенью понижения давления  кр.При такой степени понижения давления скорость потока на выходе из соплового аппарата становится равной местной скорости звука. При достижении критического режима течения дальнейшего понижения давления за соплом не вызывает перераспределение давления внутри сопла, т.к. возмущение, в виде понижения давления за соплом сдувается потоком рабочего тела движущегося со скоростью звука. Определим критическую степень понижения давления, для этого проиндексируем уравнение (19) по  В уравнении (12) от зависит только соотношения в скобках, поэтому достаточно взять произведенную от от этого выражения. Показатели адиабаты – это величина большей единицы. Поэтому в уравнение (20) будет отрицательный показатель степени.  Вывод: При критической степени понижения давления в самом узком сечении сопла устанавливается критический режим стечения. При этом скорость потока становиться равной скорости звука, а параметры состояния, соответствующие этому режиму стечения, называется «критическим». Уравнение (21) показывает, что критическая степень понижения давления не зависит от параметров состояния рабочего тела, а зависит только от его теплофизических свойств, которые заключены в показатели адиабаты К. Критическое значение степени понижения давления делит все режимы течение на 2 области:   Критическая скорость истечения. Для определения критической скорости истечения необходимо в уравнение скорости вместо подставить  Из уравнения (22) следует, что критическая скорость зависит от начальных параметров рабочего тела и от его теплофизических свойств. Таким образом при неизмененных начальных параметрах критическая скорость по длине канала не изменяется. В связи с этим для характеристики течения внутри каналов используется приведенная скорость  . Максимальный расход рабочего тела.   - выражение для максимального расхода рабочей среды.Максимальный расход соответствует критическими сверхкритическим режимам течения. Увеличить max расход можно путем увеличения начальных параметров  , а так же увеличением площади  .Лекция – 9 Закон обращения воздействий |