Судовые паротурбинные установки.

Введение

В судовых турбинных установках (СТУ) преобразователем внутренней энергии рабочего тела в механическую являются турбины. СТУ могут работать по открытым или закрытым циклам.

Классификация СТУ осуществляется по следующим признакам:

1. По виду рабочего тела:

- паротурбинные, если рабочим телом является пар и его конденсат;

- газотурбинные, в которых рабочим телом являются газы, как правило, продукты сгорания жидкого органического топлива:

- парогазовые, если в качестве рабочего тела используются смеси газов и паров;

2. По назначению:

- главные, которые вырабатывают механическую энергию в соответствии с назначением судов, на транспортных судах главные СТУ вырабатывают энергию для обеспечения их движения;

- вспомогательные – все работающие на судне СТУ за исключением главных;

3. По организации рабочего процесса:

- однотипные, в которых используется один тип термодинамического цикла;

- комбинированные в которых выработка механической энергии осуществляется в двигателях, работающих по различным термодинамическим циклам. В свою очередь комбинированные установки можно разделить на две группы: с механической связью и термодинамической связью.

Судовые турбинные установки по сравнению с дизельными установками имеют свои преимущества и недостатки.

Паротурбинные установки отличаются высокой надежностью и сравнительной простотой ремонта, они могут использовать любой вид топлива – твердое, жидкое и газообразное. Но по экономичности они уступают дизельным, газотурбинным и комбинированным установкам.

Газотурбинные установки по сравнению с другими установками имеют низкие массогабаритные показатели, концентрируют в одном агрегате высокую мощность. Указанные положительные качества газотурбинных установок способствуют достаточно широкому их использованию в судовой энергетике.

Комбинированные СТУ используют наиболее благоприятные термодинамические процессы различных циклов тепловых двигателей, что позволяет повысить их экономичность. Отдельную группу комбинированных установок составляют установки с теплоутилизационным контуром. В этих установках часть теплоты уходящих газов базовой установки, например газотурбинной, используется в паротурбинной, образующей теплоутилизационный контур, для выработки дополнительной механической энергии, что, естественно, повышает их экономичность.

Судовые паротурбинные установки.

Общее выражение КПД ПТУ.

Общее выражение ПТУ можно представить в виде произведения шести сомножителей.

,                                        (1.43)

где β_ос – коэффициент судовых затрат, который вычисляется по формуле (1.13); η _t – термический КПД цикла, вычисляемый по формуле (рис. 1.6)

;   η_к – КПД парового котла; η_е – эффективный КПД главного турбоагрегата, определяемый по выражению (1.30); η _тр – коэффициент, учитывающий потери энергии и утечки в главном паропроводе; l – характеристика схемы.

Характеристика схемы для тепловых схем 2-го рода определяется по формуле

,                          (1.44)

Числитель в  (1.44) выражает количество теплоты затраченное на производство пара для главной турбины в нерегенеративной ПТУ, знаменатель – расход теплоты на регенеративную гребную установку (главную турбину и все вспомогательные механизмы), поскольку вся ПТУ за вычетом общесудовых потребителей является гребной установкой. Следовательно, характеристика схемы дает комплексную количественную оценку расхода энергии на привод вспомогательных механизмов ПТУ и эффективность регенеративного процесса, то есть оценивает совершенство взаимосвязей между элементами установки и системами, обслуживающими ее основные элементы.

Для тепловых схем 1-го и 3-го рода характеристика определяется по формуле

                             (1.45)

Здесь числитель определяет расход теплоты на эквивалентную главную турбину.

Таким образом оценивают совершенство процессов энергетических преобразований в основных элементах ПТУ и потери энергии в главных трактатах. Всякие изменения тепловой схемы и параметров рабочего тела приводят к изменению характеристики. На характеристику влияют также необратимые процессы в системе регенерации, например, неравновесный теплообмен в подогревателях, рассеяние теплоты в окружающую среду, гидравлические потери в трубах, утечки, сброс горячих дренажей в конденсатор и др.

 

Уравнение компрессора.

Обозначим степень повышение давления в компрессоре π_к = р₂/р₁. В связи с тем, что теплоемкость газа (воздуха) существенно зависит от его температуры, обозначим среднюю изобарическую теплоемкость процесса сжатия через Ср_к. В соответствии с обозначениями рис. 2.4 КПД компрессора определяется из выражения:

                                    (2.9)

Это выражение представляет отношение изоэнтропийной работы сжатия к затраченной при той же степени повышения давления воздуха.

Для изоэнтропийного процесса , тогда выражение (2.9) можно представить в виде:

 

 

Рис. 2.4 – Процесс повышения давления в компрессоре ГТУ в ST-координатах.

 

 .                  (2.10)

В связи с тем, что компрессор потребляет механическую энергию и увеличение потерь энергии, сопровождающих процесс сжатия, требует увеличения потребляемой компрессором мощности, главное уравнение компрессора можно представить в виде соотношения

,           (2.11)

где G – секундный расход воздуха через компрессор;  – затраченная работа сжатия;  – изоэнтропийная работа сжатия, которая находится из выражения

 

 

.                     (2.12)

С учетом (2.12) уравнение (2.11) можно переписать

.                (2.13)

В полученном уравнении показатель адиабаты процесса сжатия можно найти из соотношения

.                                     (2.14)

Уравнение турбины

Обозначим степень понижения давления в турбине , а среднюю изобарическую теплоемкость процесса расширения через C_px. Для процесса расширения соответствующий КПД может быть определен как отношение действительной работы, полученной в данном процессе к изоэнтропийной работе расширения. В соответствии с обозначениями рис. 2.5 этот КПД определяется выражением

 .                (2.15)

Обозначив показатель адиабатного процесса расширения через Х и учитывая для изоэнтропийного процесса связь между параметрами

,

находим

 .                    (2.16)

 

 

 

Рис. 2.5 – Процесс расширения газа в турбине ГТУ в ST-координатах.

 

Показатель адиабатного процесса расширения можно найти из выражения

.                                                  (2.17)

Главное уравнение турбины можно представить в виде

 ,                                          (2.18)

где G _г – секундный расход газа в турбине;  – располагаемая работа процесса расширения, которая находится по уравнению

 

 .                                (2.19)

С учетом (2.16) уравнение (2.19) можно переписать

.                        (2.20)

 

Рис. 2.6 – Схема тепловых потоков камеры сгорания ГТУ.

 

Уравнение камеры сгорания

Составим уравнение теплового баланса для камеры сгорания. Схема тепловых потоков представлена на рис. 2.6.

 ,                         (2.21)

где  – потери теплоты в камере сгорания, вызванные недожегом топлива и рассеиванием теплоты в окружающую среду;  – энтальпия воздуха на входе в камеру сгорания.

Если потери энергии в камере сгорания учесть ее КПД η_кс, то уравнение (2.21) можно записать в виде

                             (2.22)

Количество воздуха поступающего в камеру сгорания можно выразить

,                                             (2.23)

где α – коэффициент избытка воздуха; l ₀ – теоретическое количество воздуха необходимое для сжигания 1кг топлива.

Расход газа на выходе из камеры сгорания находится по выражению

 .                  (2.24)

С учетом выражений (2.23) и (2.24) уравнения камеры сгорания можно представить

 .               (2.25)

Следует отметить, что уравнение (2.25) получено без учета физического тепла топлива, по причине малости этой величины.

Газопаротурбинные установки

Введение

В судовых турбинных установках (СТУ) преобразователем внутренней энергии рабочего тела в механическую являются турбины. СТУ могут работать по открытым или закрытым циклам.

Классификация СТУ осуществляется по следующим признакам:

1. По виду рабочего тела:

- паротурбинные, если рабочим телом является пар и его конденсат;

- газотурбинные, в которых рабочим телом являются газы, как правило, продукты сгорания жидкого органического топлива:

- парогазовые, если в качестве рабочего тела используются смеси газов и паров;

2. По назначению:

- главные, которые вырабатывают механическую энергию в соответствии с назначением судов, на транспортных судах главные СТУ вырабатывают энергию для обеспечения их движения;

- вспомогательные – все работающие на судне СТУ за исключением главных;

3. По организации рабочего процесса:

- однотипные, в которых используется один тип термодинамического цикла;

- комбинированные в которых выработка механической энергии осуществляется в двигателях, работающих по различным термодинамическим циклам. В свою очередь комбинированные установки можно разделить на две группы: с механической связью и термодинамической связью.

Судовые турбинные установки по сравнению с дизельными установками имеют свои преимущества и недостатки.

Паротурбинные установки отличаются высокой надежностью и сравнительной простотой ремонта, они могут использовать любой вид топлива – твердое, жидкое и газообразное. Но по экономичности они уступают дизельным, газотурбинным и комбинированным установкам.

Газотурбинные установки по сравнению с другими установками имеют низкие массогабаритные показатели, концентрируют в одном агрегате высокую мощность. Указанные положительные качества газотурбинных установок способствуют достаточно широкому их использованию в судовой энергетике.

Комбинированные СТУ используют наиболее благоприятные термодинамические процессы различных циклов тепловых двигателей, что позволяет повысить их экономичность. Отдельную группу комбинированных установок составляют установки с теплоутилизационным контуром. В этих установках часть теплоты уходящих газов базовой установки, например газотурбинной, используется в паротурбинной, образующей теплоутилизационный контур, для выработки дополнительной механической энергии, что, естественно, повышает их экономичность.

Судовые паротурбинные установки.