Principiul funcționării instalațiilor de turbine cu gaz
Fig.1. Schema GTU cu un singur ciclu GTE de ciclu simplu
Aerul curat este furnizat compresorului (1) al unității de alimentare cu turbină cu gaz. Sub presiune înaltă, aerul din compresor este trimis în camera de combustie (2), unde este furnizat și combustibilul principal, gazul. Amestecul se aprinde. Atunci când amestecul gaz-aer este ars, energia este generată sub forma unui flux de gaze incandescente. Acest curent curge la viteză mare pe rotorul turbinei (3) și îl rotește. Energia cinetică rotativă prin arborele turbinei acționează compresorul și generatorul electric (4). Din terminalele generatorului, energia electrică generată, de obicei printr-un transformator, este trimisă la rețeaua electrică, către consumatorii de energie.
turbine cu ciclu Brayton descrie termodinamică ciclu Brayton / Joule - ciclu termodinamic care descrie procesele de lucru ale unei turbine cu gaz, turboreactoare și motoare statoreactoare cu combustie și motoarele cu turbină cu gaz, cu gaz de combustie externă a buclei închise (o singură fază) ale corpului de lucru.
Ciclul este numit după inginerul american George Brighton, care a inventat un motor cu ardere internă cu piston, care a lucrat la acest ciclu.
Uneori acest ciclu este numit și ciclul Joule - în onoarea fizicianului englez James Joule, care a stabilit echivalentul mecanic al căldurii.
Fig.2. Diagrama P, V a ciclului Brighton
Ciclul ideal Brighton constă în următoarele procese:
- 1-2 Compresie isentropică.
- 2-3 Aprovizionarea izobarică de căldură.
- 3-4 Expansiunea isentropică.
- 4-1 Îndepărtarea izobarică a căldurii.
Având în vedere diferențele dintre procesele de expansiune și compresie adiabatică reale cu ciclu isentropic, construit reale Brayton (1-2p-3-4p-1 T-S diagrama) (Figura 3)
Figura 3. Diagrama T-S a ciclului Brighton
Idealul (1-2-3-4-1)
Real (1-2p-3-4p-1)
Eficiența termică a ciclului ideal Brighton este de obicei exprimată prin formula:
- unde P = p2 / p1 - gradul de creștere a presiunii în procesul de compresie izentropică (1-2);
- k este exponentul adiabatic (pentru aer egal cu 1,4)
Trebuie remarcat în mod special faptul că acest mod general acceptat de calcul al eficienței unui ciclu ascunde esența procesului în desfășurare. Eficacitatea limitativă a ciclului termodinamic este calculată prin raportul temperaturilor conform formulei Carnot:
- unde T1 este temperatura frigiderului;
- T2 - temperatura încălzitorului.
Exact același raport de temperatură poate fi exprimat în raport cu raportul de presiune utilizat în ciclu și exponentul adiabatic:
Astfel, eficiența ciclului Brighton depinde de temperaturile inițiale și finale ale ciclului, precum și de eficiența ciclului Carnot. Cu o cantitate infinit de mică de încălzire a fluidului de lucru de-a lungul liniei (2-3), procesul poate fi considerat izotermic și complet echivalent cu ciclul Carnot. Cantitatea de încălzire a fluidului de lucru T3 în procesul izobaric determină cantitatea de muncă atribuită cantității mediului de lucru utilizat în ciclu, dar în nici un caz nu afectează eficiența termică a ciclului. Cu toate acestea, în punerea în practică a ciclului, încălzirea se efectuează, de regulă, la valorile maxime posibile ale materialelor utilizate pentru a limita rezistența la căldură, pentru a minimiza dimensiunile mecanismelor care comprimă și extind lichidul de lucru.
În practică, frecare și turbulență cauzează:
- Compresie nonadiabatică: pentru un factor de presiune total dat, temperatura de descărcare a compresorului este superioară idealului.
- expansiune Nonadiabatic deși temperatura turbinei scade la nivelul cerut pentru locul de muncă, compresorul nu este afectată, raportul de presiune este mai mare, ca urmare, extinderea nu este suficient pentru a oferi o muncă utilă.
- Pierderea presiunii în admisia aerului, camera de ardere și evacuare: ca urmare, extinderea nu este suficientă pentru a oferi o muncă utilă.
Ca și în cazul tuturor motoarelor termice ciclice, cu cât este mai mare temperatura de combustie, cu atât este mai mare eficiența. Factorul de restrângere este capacitatea oțelului, a nichelului, a ceramicii sau a altor materiale care compun motorul pentru a rezista la temperatură și presiune. O parte semnificativă a lucrărilor de inginerie vizează eliminarea căldurii de la piesele turbinelor. Majoritatea turbinelor încearcă, de asemenea, să recupereze căldura gazelor de eșapament, care, altfel, este irosită.
Recuperatoarele sunt schimbătoare de căldură care transferă căldura gazelor de eșapament la aer comprimat înainte de ardere. Cu un ciclu combinat, căldura este transferată în sistemele de turbine cu abur. Și cu generarea combinată a căldurii și a energiei (cogenerare), căldura reziduală este utilizată pentru producerea apei calde.
turbine cu gaz Mechanically poate fi considerabil mai simplu decât motoarele cu ardere internă. turbină simplă poate avea o singură mișcare: / compresor / turbină / ansamblu rotor alternativ arbore (. vezi imaginea de mai jos) Fără a considera sistemul de combustibil.
Figura 4. Această mașină are un compresor radial cu o singură treaptă,
turbine, recuperatoare și rulmenți de aer.
turbină avansate Mai multe (cele utilizate la motoare cu reacție moderne) pot avea mai multe arbori (bobine), sute de palete de turbine, lamele mobile ale statorului, și un sistem extins de conducte complexe, schimbătoare de căldură și camerele de ardere.
În mod obișnuit, cu cât motorul este mai mic, cu atât este mai mare viteza (turațiile) arborelui necesară pentru a menține viteza maximă liniară a lamelor.
Viteza maximă a paletelor turbinelor determină presiunea maximă care poate fi atinsă, rezultând o putere maximă, indiferent de dimensiunea motorului. Motorul cu jet rotește la o frecvență de aproximativ 10.000 rpm și o micro-turbină la o frecvență de aproximativ 100.000 rpm.