GASTURBINER. Meget meget vigtigt!!

Transkript

1 GASTURBINER Meget meget vigtigt!! 1

2 3 typer gasturbiner Flygasturbiner Flyafledte gasturbiner Industrigasturbiner Flygasturbiner er, som navnet antyder den type der sidder på fly. Flyafledte gasturbiner er bygget til fly, men ombygget til brug på landjorden Industrigasturbiner er udelukkende til brug på landjorden eller på skibe. De er ofte størrer og mere klodsede end de flyafledte. 5

3 Flygasturbine Propellen forrest skaber 80% af fremdriften med den luft der passerer forbi turbinen. Kompressoren komprimerer luften og sender den ind til brændkamret. Her afbrændes brændstoffet og den varme luft ekspanderer ud igennem turbinen, som trækker kompressoren og den forreste propel. 6

4 Industrigasturbine G 7 Til forskel fra flymotoren har industrigasturbinen ikke en stor propel forrest. Al luften går ind i kompressoren og brændes af i brændkamrene. I flygasturbinen er brændkamret en stor ring, mens den i industrigasturbenen kan bestå af flere mindre kamre. Til at udnytte den varme røggas kan der sidde to seperate turbiner. Den første driver kompressoren og den bagvedliggende turbine driver en el-generator.

5 to-delt turbine Den varme røggas kommer ind fra højre og passerer igennem højtryksturbinen. Denne turbine trækker kompressorturbinen som ses ude til højre. De to næste turbinetrin trækker en aksel som går ud af billedet i venstre side. 8

6 Processen P Isentrop Isentrop 2 3 Isobar 1 4 Isobar V Joules kredsproces 10

7 Processen

8 Processen P Isentrop Isentrop q Isobar W i 1 4 Isobar q 41 V 12

9 T,S diagram Da vi ofte bruger temperaturene til at regne på gasturbiner er et T,S diagram smart at bruge til at anskueliggøre processen 13

10 T,S diagram Det farvede areal er den varme vi arbejder med 14

11 T,S diagram Den grønne del af det farvede areal kan vi ikke udnytte 15

12 T,S diagram Man kan hæve trykket i turbinen og dermed temperaturen for at maksimere arealet og dermed arbejdet. Materialerne sætte dog en begrænsning for temperaturen. 16

13 T,S diagram 17 Man kan ikke ændre på den nederste grænsekurve da den er bestemt af den omgivende lufts tryk.

14 Tryk, temp. og lufthastighed m/s bar C Kompression Forbrænding Turbine til komp. Turbine til Generator 18

15 Termisk virkningsgrad Termisk virkningsgrad:!t= Wi q23 Joule-processen:!t= 1- T1 T2 Termisk virkningsgrad: Forholdet mellem det afgivne nyttearbejde og den tilførte varme. for joule-processen: T1 og T2 er de absolutte temperaturer før og efter kompressionen. virkningsgraden afhænger her kun af temperaturen og ikke den tilførte varme. 19

16 Termisk virkningsgrad Termisk virkningsgrad:!t= Wi q23 Joule-processen:!t= T1 1- = T2 1- ( p1 )!"#! p2 20 Fordi tryk og temperatur følges ad under kompressionen kan den termiske virkningsgrad for joule-processen udregnes på baggrund af trykket før og efter kompressionen. Et højere trykforhold vil altså kunne forbedre den termiske virkningsgrad.

17 Termisk virkningsgrad Termisk virkningsgrad:!t= Wi q23 Joule-processen:!t= T1 1- = T2 1- ( p1 )!"#! p2 Isentropeksponenten for luft:!"!#$% Isentropeksponenten for luft er lig 1,4. Ved at bruge gasarter med større isentropeksponent kan den termiske virkningsgrad øges. Dette kan gøres med én atomige gasser f.eks. i en lukket kredsproces med helium. 21

18 Arbejdsforholdet Arbejdsforholdet: ri = Wi W34 Joule-processen: ri = 1- T2 T3 Arbejdsforholdet er forholdet mellem det samlede afgivne arbejde og det arbejde turbinen afgiver. Turbinens arbejde går dels til kompressoren, generatoren og mekanisk tab. Arbejdsforholdet for joule-processen kan udtrykkes med forholdet mellem temperaturen før og efter forbrændingen. arbejdsforholdet stiger med stigende forbrændingstemperatur. Denne er dog begrænset af turbinematerialet. 22

19 T2 er afgørende T1=10 C T2=? T3=1200 C T1 er givet ved omgivelsesluftens temperatur T3 er fastsat af materialevalget T2 er derfor den eneste der kan rykke ved den termiske virkningsgrad og arbejdsforholdet. (ovenstående temperaturer er blot eksempler) 23

20 T2 er afgørende Termisk virkningsgrad i joule-processen:!t= 1- T1 T2 Arbejdsforholdet i joule-processen: ri = 1- T2 T3 Når T2 er høj er den termiske virkningsgrad stor og arbejdsforholdet lille. Når T2 er lille er den termiske virkningsgrad lille og arbejdsforholdet stort. Med andre ord: Hvis temperaturen og trykket er højt efter kompressoren er den termiske virkningsgrad god. Til gengæld skal kompressoren bruge mere af det arbejde turbinen leverer for at skabe det høje tryk, og derfor falder arbejdsforholdet. Derfor ønsker man at finde en balance for ønsket arbejdsforhold og virkningsgrad. 24

21 Kompressionen Kompressionen foregår enten ved radial eller aksialkompression. Kompressortrinnene til venstre er aksialkompressortrin da luften komprimeres på langs af akslen. Kompressortrinnet længst til højre er en radialkompressor hvor luften komprimeres og forlader kompressoren radialt væk fra akslen. 25

22 Kompressionen Isentropisk virkningsgrad:!is = Wis Wi = Beregning af T2: T1( p2 ) T2,is= p1 h2,is-h1 h2-h1!"#! = T2,is-T1 T2-T1 T2 = T2,is-T1!is +T1 I joule-processen bruger vi ikke en isentropisk virkningsgrad da denne er adiabatisk, tabsfri og foregår isentropisk. I virkeligheden er processen polytropisk. Den er næsten isentropisk men der er en del strømningstab, som gør at den afviger fra den isentropiske proces. Jo højere trykforhold over de enkelte kompressortrin jo lavere isentropisk virkningsgrad. Trykforholdet er ca. 1,2-2 ved aksiale kompressorer og 2-3,8 ved radiale kompressorer. 26

23 Brændkamret Primær Sekundær Køleluft Forbrændingen sker forrest i flammerøret ved ilt-underskud. Dette er for at undgå NOx dannelser. Sekundærluft tilføres længere henne til restforbrænding og til sidst tilføres luft som skal køle røggassen tilpas meget så turbinen ikke tager skade. Det resulterende luftoverskud bliver meget højt, på trods af at selve forbrændingen sker ved ilt-underskud. Luftens passage rundt om brændkamret er desuden med til at isolere og køle flammerør og brændkammer. 27

24 Turbinen Isentropisk virkningsgrad: Wi = h3-h4 = T3-T4!is = Wis h3-h4,is T3-T4,is Beregning af T4: T3( p3 ) T4,is= p4!"# # T4 = T3-!is (T3-T4,is) 28 Den isentropiske virkningsgrad for aksiale turbiner er typisk 0,85-0,93 og for radiale turbiner typisk 0,83-0,90

25 Det specifikke arbejde Kompressorens specifikke arbejde W12 = h2-h1 = Cp (T2-T1) Turbinens specifikke arbejde W34 = h3-h4 = Cp (T3-T4) Ved at gange Massen af luft på hvert led fåes det samlede arbejde i henholdsvis turbinen og kompressoren. Cp for luft er 1 KJ/Kg*K 29