Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Газотурбинные установки (ГТУ)

Рабочий процесс ГТУ. В современных ГТУ используется цикл со сгоранием при p = const .

В состав ГТУ обычно входят камера сгорания, газовая турбина, воздушный компрессор, теплообменные аппараты различного назначения (воздухоохладители, маслоохладители системы смазки, регенеративные теплообменники) и вспомогательные устройства (маслонасосы, элементы водоснабжения и др.).


Рабочим телом ГТУ служат продукты сгорания топлива, в качестве которого используется природный газ, хорошо очищенные искусственные газы (доменный, коксовый, генераторный) и специальное газотурбинное жидкое топливо (прошедшее обработку дизельное моторное и соляровое масло). Подготовка рабочей смеси производится в камере сгорания. Огневой объем камеры (рис. 20.9) разделяется на зону горения, где происходит сгорание  топлива при температуре порядка 2000°С, и зону смешения, где к продуктам сгорания подмешивают воздух для снижения их температуры до 750—1090 °С в стационарных турбинах и до 1400°С - в авиационных турбинах. В связи с высокой температурой продуктов сгорания детали проточной части турбин (сопла, рабочие лопатки, диски, валы) изготавливают из легированных высококачественных сталей. Для надежной работы у большинства турбин  предусмотрено интенсивное охлаждение наиболее нагруженных деталей корпуса и ротора. В реальных условиях все процессы в ГТУ являются неравновесными, что связано с потерями работы в турбине и компрессоре, а также с аэродинамическими сопротивлениями в тракте ГТУ. Распределение молекул по скоростям Аналогичная неравномерность имеет место и в распределении частиц газе по скоростям. Случайный обмен импульсами энергиями при столкновениях приводит к некоторому разбросу кинетических энергий скоростей молекул вокруг их средних значений, соответствующих установившейся температуре. Случайные изменения результате столкновений можно рассматривать как случайное блуждание частиц, но не реальном координатном пространстве, а пространстве скоростей, осями котором являются скорости vx, vу, vz

Применение ГТУ. В последние  годы ГТУ широко используются в различных областях: на транспорте, в энергетике, для привода стационарных установок и др.

Энергетические ГТУ Газовая турбина меньше и легче паровой, поэтому при пуске она ирогревае ся до рабочих температур значительно быстрее. Камера сгорания выводится на режим практически мгновенно, в о личие от парового котла, который требует медленного длительного (многие чась и даже десятки часов) прогрева во и:бежа- ние аварии из-за неравномерных тепловых удлинений, особенно массового барабана диаметром до 1,5 м, дли юй до 15 м, с толщиной стенки выше. 100 мм. Поэтому ГТУ применяют прежде всего для покрытия пиковых нагрузок и в качестве аварийного резерва для собственных нужд крупных энергосистем, когда надо очень быстро включить агрегат в работу. Меньший КПД ГТУ по сравнению с ПСУ в этом случае роли не играет, так как установки работают в течение небольших отрезков времен л. Для таких ГТУ характерны частые пуски (до 1000 в год) при относительно малом числе часов использования (от 100 до 1500 ч/год).

Приводные ГТУ широко используются для привода центробежных нагнетателей природного газа на компрессорных станциях магистральных трубопроводов, а также насосов для транспортировки нефти и нефтепродуктов и воздуходувок в парогазовых установках. Полезная мощность таких ГТУ составляет от 2 до 30 МВт.

Транспортные ГТУ широко применяются в качестве главных и форсажных двигателей самолетов (турбореактивных и турбовинтовых) и судов  морского флота. Это связано с возможностью получения рекордных показателей по удельной мощности и габаритным размерам по сравнению с другими типами двигателей, несмотря на несколько завышенные расходы топлива. Газовые турбины весьма перспективны как двигатели локомотивов, где их незначительные габариты и отсутствие потребности в воде являются особенно ценными.

Транспортные ГТУ работают в широком диапазоне нагрузок и пригодны для кратковременных форсировок. Единичная мощность ГТУ пока не превышает 100 МВт, а КПД установки 27—37 %. С повышение начальной тем- 176 пературы газов до 1200 °С мощность ГТУ будет доведена до 200 МВт и КПД установки до 38 40 %.

Задача 13. В цилиндре под поршнем находится водород, который имеет массу 0,02 кг и начальную температуру 27°С. Водород сначала расширился адиабатически, увеличив свой объем в 5 раз, а затем был сжат изотермически, причем объем газа уменьшился в 5 раз. Найти температуру в конце адиабатического расширения и работу, совершаемую газом. Изобразить процесс графически.

Дано:

m = 0,02 кг

Т1 = 27°С = 300 К

М = 2 кг/кмоль

i = 5

Решение:

При адиабатном процессе температура и объем газа связаны

соотношением: , где  – отношение теплоемкостей газа при

T2 - ?

А - ?

постоянном давлении и постоянном объеме. Для водорода γ = 1,4. 

Отсюда выражение для конечной температуры Т2 будет:

 

Работа А1 газа при адиабатическом расширении равна изменению внутренней энергии:

 .

(Дж).

 
 

Работа А2 газа при изотермическом процессе может быть выражена в виде:

(Дж).

 
 Подставляя известные числовые значения величин, входящих в правую часть равенства, и выполняя арифметические действия, находим: .

Знак «минус» показывает, что при сжатии газа работа совершается над газом внешними силами. Полная работа, совершенная газом при описанных процессах, равна:

(Дж).

 
 .

График процесса приведен на рисунке 1.

 


Ответ: 8,7 · 103 Дж.

Внутренняя энергия. Механическая энергия: " потенциальная (определяется взаимным положением взаимодействующих тел) " кинетическая (определяется движением тела) Потенциальная и кинетическая энергия могут превращаться друг в друга. Энергию движения и взаимодействия частиц, составляющих тело, называют внутренней энергией тела. Внутренняя энергия тела не зависит от механического движения тела (как целого) и от положения этого тела относительно других тел.
На главную