Transcript Turbina gazowa, silnik turboodrzutowy

Wykład 11
Turbina gazowa; historia, zasada działania
Silnik turboodrzutowy
Turbina gazowa, silnik turboodrzutowy; cykl Braytona
Silnik odrzutowy; równanie przepływu dla dyszy wylotowej
Praca i sprawność w cyklu Braytona
Turbina gazowa, cykl Braytona z powietrzem
Turbina gazowa z regeneracją
Silnik turbowentylatorowy; opis działania
Silnik odrzutowy strumieniowy
Technologia silników odrzutowych, a turbiny wiatrowe
1
Turbina gazowa
Turbina gazowa, Siemens,
400 MW, w czasie
montażu
Copyright "Siemens
Pressebild"
http://www.siemens.com,
Wikipedia, Polish edition,
GNU FDL licence
2
Turbina gazowa; historia
Wikipedia, polskie wydanie (http://pl.wikipedia.org/wiki/Turbina_gazowa)
1500: Leonardo da Vinci, projekt komina z wiatrakami poruszanymi unoszącymi
się spalinami.
1629: Giovanni Branco, młyn bijakowy wykorzystujący odrzut pary wodnej.
1678: Ferdinand Verbiest, model pojazdu napędzanego odrzutem pary.
1791: Patent na pierwszy silnik będący turbiną, posiadający wszystkie elementy
współczesnej turbiny.
1872: Dr F. Stolze, pierwsza turbina gazowa (sprężarka pobierała większą moc od
wytwarzanej przez turbinę).
1897: Ch. Parson, turbina parowa do napędu statków. Elementy działania napędu
z patentu Parsona są wykorzystywane do dzisiaj.
1903: Ægidius Elling, skonstruował pierwszą turbinę gazową pracującą
samodzielnie (sprężarka pobierała mniejszą moc niż wytwarzała turbina - nadmiar
mocy można było wykorzystać do napędu innych urządzeń).
1914: Charles Curtis, pierwsze praktyczne zastosowanie turbiny gazowej.
1918: General Electric jako pierwszy na świecie otworzył oddział produkcji turbin.
1930: Frank Whittle, patent na turbinę gazową będącą jednocześnie silnikiem
odrzutowym. W 1937 roku patent został sprawdzony w praktyce.
1936. Hans von Ohain i Max Hahn, niezależny własny opatentowany projekt
3
silnika turboodrzutowego.
Turbina gazowa; zasada działania
paliwo
komora
spalania, Q1
Wout
sprężarka
turbina
Wspr
powietrze
spaliny
Paliwo doprowadzone do komory spalania jest spalane w przepływającym
sprężonym powietrzu podawanym przez sprężarkę. Przepływające przez turbinę
spaliny napędzają turbinę sprzężoną ze sprężarką. Nadmiar mocy może być
wykorzystany przez dowolną inną maszynę, np. przez generator prądu
elektrycznego.
Im wyższa temperatura czynnika tym większa jest jego objętość właściwa; więcej
energii potrzeba do sprężenia i więcej energii otrzymujemy z rozprężenia. Niższej
temperaturze czynnika odpowiadają niższe energie sprężenia i rozprężenia.
Powietrze doprowadzone do sprężarki powinno mieć niską temperaturę a przed
4
turbiną, wysoką.
Silnik turboodrzutowy
Wikipedia; U.S. Air Force photo by Sue Sapp.
GNU FDL licence
5
©Jeff Dahl, from Wikipedia
Schemat jednoprzepływowego silnika turboodrzutowego. Powietrze pod ciśnieniem wtłaczane
jest przez sprężarkę do komory spalania gdzie dostarczane jest paliwo i zachodzi proces
spalania. Gorące spaliny napędzają turbinę połączoną wałem ze sprężarką.
1. Dyfuzor wlotowy
2. Sprężarka niskiego ciśnienia
3. Sprężarka wysokiego ciśnienia
4. Komory spalania
5. Dysza wylotowa wraz z turbiną
6. Część gorąca
7. Turbiny wysokiego i niskiego ciśnienia
8. Rura ogniowa
9. Część zimna
6
10. Wlot powietrza
©CC, GNU FDL licence
Turbina gazowa, silnik turboodrzutowy; cykl Braytona
wlot
dysza wylotowa
sprężarka
turbina
komora
dopalacz, opcjonalny.
spalania
1). a – b, wlot i adiabatyczne odwracalne
sprężanie powietrza przez sprężarkę
2). b – c, spalanie paliwa przy stałym ciśnieniu w
komorze spalania (dodawanie ciepła przy stałym
ciśnieniu)
3). c –d, adiabatyczne odwracalne rozprężanie
gorącego powietrza w turbinie i dyszy wylotowej
Cykl Braytona dla turbiny gazowej
i silnika turboodrzutowego
4). d – a, wyrzucone powietrze chłodzi się do
temperatury wyjściowej
7
©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/notes.html
cykl zamknięty
komora
spalania, Q1
sprężarka
praca zewnętrzna,
wał napędowy lub
dysza wylotowa:
napęd generatora
lub napęd samolotu
turbina
Wspr
Wout
transfer
ciepła, Q2
wał
napędowy
lub dysza
wylotowa
komora
spalania, Q1
cykl otwarty
sprężarka
turbina
Wspr
Wout
powietrze
spaliny
8
Silnik odrzutowy, równanie przepływu dla dyszy wylotowej
paliwo
utleniacz
komora
spalania
dysza
wylotowa
Przepływ przez dyszę jest adiabatyczny
i stacjonarny, więc równanie:
przyjmie postać:
wejście dyszy:
gorący gaz (Tc) o wysokim
ciśnieniu i niskiej prędkości
wyjście dyszy:
chłodny gaz (Te) o niskim
ciśnieniu i wysokiej prędkości
ce2
cc2
q  w t  he 
 hc 
2
2
.
.
ce2
cc2
he 
 hc 
2
2
ce2
cc2
 cpTc 
Ponieważ: h  cpT mamy: cpTe 
a więc, w przybliżeniu:
2
2

Te 
cc  0
ce  2cp Tc  Te   2cp Tc  1  
Tc 
9

Przyjmując, że rozprężanie jest adiabatyczne mamy:
pV   const;
skąd:
V  const
 1
Te  p e  
 
Tc
p 
 c
T
;
p
T
p

 1
 const;
T  const p
 1

i:
 1 

 p   

Te 
  2cp Tc  1   e 

ce  2cp Tc  1 
Tc 
  p c 




gdzie Tc i pc określają warunki w komorze spalania, zależne od paliwa i
technologii, a pe jest ciśnieniem zewnętrznym.
10
Praca i sprawność w cyklu Braytona
Dla procesu cyklicznego, z pierwszej zasady
termodynamiki, na masę jednostkową
mamy:
uabcda  0  q1  q2  w
gdzie q1, q2 to ciepła przekazane układowi w
przemianach b-c i d-a (q2, jako ciepło
oddane, będzie ujemne).
©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz
http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/
propulsion/notes/notes.html
dq = dh = cpdT mamy dalej:
Ponieważ w przemianie izobarycznej:
q1  cp Tc  Tb  i q2  cp Ta  Td 
a więc: w  q1  q2  cp Tc  Tb  Ta  Td  i sprawność w cyklu Braytona
wyniesie:
T  Ta
T T T  1
w cp Tc  Tb  Ta  Td 


 1 d
 1 a d a
q1
cp Tc  Tb 
Tc  Tb
Tb Tc Tb  1
11
Dla przemiany adiabatycznej:
a dla cyklu Braytona

 Td   1


T 
 c
T1
p 
 1
pa = pd i pb = pc skąd:

 T   1
 a 
T 
 b
 1
T2  p 2  


i dalej:
Td Ta

Tc Tb
lub:

p 2  T2    1


p1
T 
 1
pd/pc = pa/pb
i
czyli:
Td Tc

Ta Tb
W konsekwencji sprawność w cyklu Braytona wyniesie:
T T T  1
T
1
1
  1 a d a
 1 a  1
 1
.




1

Tb Tc Tb  1
Tb
TR
PR
i zależy od stosunku temperatur TR na wyjściu i wejściu (temperatura
otoczenia) sprężarki. Nie zależy zatem od najwyższej temperatury w cyklu
(Tc, komora spalania), inaczej niż dla cyklu Carnota, dla którego sprawność
byłaby zatem wyższa. Tb < Tc. Tc ograniczona przez wymóg trwałości turbiny.
12
0.7
wydajnosc cyklu
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0
10
20
30
40
50
PR, stosunek cisnien, sprezarka
Sprawność idealnego cyklu Braytona w funkcji stosunku
ciśnień PR na wyjściu i wejściu sprężarki
cp/cv = 1.4
13
©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/notes.html
Dwa cykle Braytona; jeden, dla którego temperatura na wyjściu sprężarki Tb
jest niższa, i drugi, dla którego Tb jest prawie równa Tc. W drugim przypadku
sprawność silnika zmierza do maksimum ale praca wykonana w cyklu
zmierza do zera.
14
Praca w cyklu Braytona (moc), zaplanowanym dla osiągnięcia maksymalnej
sprawności, zmierza do zera. Bardziej pożytecznym kryterium będzie więc
maksymalizacja pracy na jednostkę masy w przepływie (silniki kompaktowe):
w  q1  q2  cp Tc  Tb  Ta  Td 
Wyznaczamy Tb, dla której, przy ustalonym Tc:
dw
 0. A zatem:
dTb

dTd 
dw

  0
 cp   1 
dTb
dTb 

Ponieważ, dla przemian adiabatycznych,
przy równości ciśnień pa = pd i pb = pc,
mamy Ta/Tb = Td/Tc, a więc: Td = TaTc/Tb
i:
©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz
http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/
propulsion/notes/notes.html
dTd
TT
  a c  1
dTb
Tb2
Tb  Ta Tc
15
Maksymalną pracę na jednostkę masy w przepływie w cyklu Braytona
uzyskamy dla stosunku temperatur na sprężarce (TR):
Tb
TR 

Ta
Ta Tc
Ta

Tc
Ta
Praca na jednostkę masy w przepływie wyniesie:

 Tc

TaTc 
T
c

w  cp Tc  TaTc  Ta 
 cp Ta 
2
 1 


Ta
TaTc 
 Ta


a maksymalna moc dla idealnego cyklu Braytona:
 Tc

Tc


 cp Ta
m oc  m

2

1
T

Ta
 a

16
Turbina gazowa; cykl
Braytona z
powietrzem
Diagram p – v
pv  n RT;
n RT
p
v
n RT
v
p

pv  con st;
1

2
3
T1: 288,2 K
T2: 556,4 K
T3: 1373,2 K
T4: 711,2 K
p1: 0,1 MPa
p2: 1,00 MPa
k: 1,4
(k-1)/k = 0,286
1,0
cisnienie p, MPa
DANE: T1, p1, p2, T3
Cykl Braytona, diagram p, v
0,5
1 -2 sprezarka
2 - 3 spalanie
3 - 4 turbina
4 - 1 wydalanie
ciepla
4
1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
objetosc wlasciwa v, m3/kg

 T
p   con st;
p
p v  con st
Zobacz pliki pomocnicze na
www.fizyka.umk.pl/~andywojt/wyklady/termo/termo.html
p1  T   con st;
1

p
v 2  v1  1  ;
 p2 
Tp
1- 

 con st
 1
 
p
T2  T1  2 
 p1 
17
Turbina gazowa; cykl
Braytona z
powietrzem
Diagram T – s
q  du  pdv
dq  cpdT
1400
1200
temperatura T, K
DANE: T1, p1, p2, T3
Cykl Braytona, diagram T, s
1000
800
T1: 288,2 K
T2: 556,4 K
T3: 1373,2 K
T4: 711,2 K
p1: 0,1 MPa
p2: 1,00 MPa
k: 1,4
(k-1)/k = 0,286
1 -2 sprezarka
2 - 3 spalanie
3 - 4 turbina
4 - 1 wydalanie
ciepla
3
4
600
2
400
ds 
dq
dT
 cp
T
T
T3
s 3  s 2  cp ln
T2
T3
s 3  s 2  cp ln
T2
1
200
6,8
7,0
7,2
7,4
7,6
7,8
entropia wlasciwa s, kJ/kgK
s1  6.83521J / kgK
290 K, 0.1 MPa
cp  1.0035J/kgK
300 K, 0.1 MPa
Dane z tablic termodynamicznych
18
Turbina gazowa z regeneracją
regenerator
zimne
spaliny
2
komora
spalania, qH
3
4
Tx
sprężarka
wc
wał
napędowy
turbina
wt - wc
powietrze
1
turb
w netto w turb  w comp


qH
qH
q H  cp T3  Tx ; w t  cp T3  T4 ; w c  cp T2  T1 
Maksymalna regeneracja:
Tx  T4
19
Turbina gazowa z regeneracją
 1
 
 p2
 
1
T3  T4  T2  T1 
T1  p1 
t 
 1
 1
T3  T4
T3
 p1  
1   
 p2 
 1
 
T1  p 2
t  1   
T3  p1 
Turbina gazowa, cykl Braytona
bez regeneracji
z regeneracja, T1/T3 = 0.4
z regeneracja, T1/T3 = 0.25
0,8
 1
 
 p1
T1
  1
 1   
T2
 p2 
wydajnosc cyklu
BEZ REGENERACJI:
0,6
0,4
0,2
0,0
0
3
6
9
12
stosunek cisnien na we i wy sprezarki
15
20
Silnik turbowentylatorowy
From Wikipedia
©CC, GNU FDL licence
Fan – wentylator, compressor – sprężarka, shaft – wał napędowy, combustion chamber – komora
spalania, turbine – turbina, nozzle – dysza, high (low) pressure – wysokie (niskie) ciśnienie
21
Silnik turbowentylatorowy, opis działania
Silnik turbowentylatorowy (turbofan engine) to odmiana silnika turboodrzutowego
dwuprzepływowego o dużym stosunku dwuprzepływowości (BPR - By-Pass Ratio).
Popularny w lotnictwie cywilnym, stosowany m. in. w samolotach boeing 737, 747.
Charakteryzuje go duży ciąg przy starcie, jest ekonomiczny, o niskim poziomie
hałasu. Działanie silnika dwuprzepływowego polega na podziale powietrza wstępnie
sprężanego na dwa strumienie.
W silniku turbowentylatorowym wstępny wentylator dużej średnicy rozdziela
sprężone powietrze kierując je do:
1. sprężarki niskiego i wysokiego ciśnienia, a następnie do komory spalania silnika
gdzie następuje spalanie paliwa. Gorące sprężone gazy opuszczające komorę
spalania napędzają turbiny wysokiego i niskiego ciśnienia (napędzające z kolei
wentylator i sprężarki) oddając im część energii, a następnie przez dyszę wylotową,
po rozprężeniu i przyspieszeniu, wypływają do atmosfery tworząc ciąg silnika.
2. kanału zewnętrznego i dalej bezpośrednio do atmosfery, wytwarzając w ten
sposób ciąg podobny do ciągu śmigła
Opracowane na podstawie Wikipedii, polskie wydanie
22
Silnik odrzutowy strumieniowy (ramjet)
(brak części ruchomych, nie ma sprężarki)
©CC, GNU FDL licence
Schemat silnika strumieniowego.
Opis: Inlet - wlot, Compression - sprężanie, Fuel injection - wtrysk paliwa,
Combustion chamber - komora spalania, Nozzle - dysza, Exhaust - wylot.
Cykl Braytona: adiabatyczne sprężanie powietrza zewnętrznego, spalanie
paliwa w strumieniu sprężonego powietrza – proces izobaryczny,
rozprężanie gorącego powietrza poprzez dyszę, oddawanie ciepła do
otoczenia.
23
Opracowane na podstawie Wikipedii, polskie wydanie
Technologia silników odrzutowych a turbiny wiatrowe
http://www.alternative-energy-news.info/jet-engines-new-wind-power-technology/
© 2010 Powered by Renewable Energy and AEoogle!
Firma FloDesign, MA, USA. Grant z US Dept. Of Energy
Turbina wiatrowa, wydajniejsza i tańsza od typowych „wiatraków”.
Is the future of wind turbines with jet engines? Michael Kanellos, w:
http://www.greentechmedia.com/green-light/2008/05/15/
is-the-future-of-wind-turbines-with-jet-engines/
24