Wykad 11 Turbina gazowa historia zasada dziaania Silnik

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, 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, Q 1 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. html

cykl zamknięty komora spalania, Q 1 sprężarka turbina Wspr Wout praca zewnętrzna, wał napędowy lub dysza wylotowa: napęd generatora lub napęd samolotu transfer ciepła, Q 2 wał napędowy lub dysza wylotowa komora spalania, Q 1 cykl otwarty sprężarka turbina Wspr Wout powietrze spaliny 8

Silnik odrzutowy, równanie przepływu dla dyszy wylotowej paliwo utleniacz komora spalania dysza wylotowa wejście dyszy: gorący gaz (Tc) o wysokim ciśnieniu i niskiej prędkości wyjście dyszy: chłodny gaz (Te) o niskim ciśnieniu i wysokiej prędkości Przepływ przez dyszę jest adiabatyczny i stacjonarny, więc równanie: przyjmie postać: Ponieważ: mamy: a więc, w przybliżeniu: 9

Przyjmując, że rozprężanie jest adiabatyczne mamy: skąd: i: 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: gdzie q 1, q 2 to ciepła przekazane układowi w przemianach b-c i d-a (q 2, jako ciepło oddane, będzie ujemne). ©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz http: //web. mit. edu/16. unified/www/SPRING/ propulsion/notes. html Ponieważ w przemianie izobarycznej: dq = dh = cpd. T mamy dalej: a więc: wyniesie: i sprawność w cyklu Braytona 11

Dla przemiany adiabatycznej: a dla cyklu Braytona lub: pa = pd i pb = pc i dalej: skąd: pd/pc = pa/pb czyli: i W konsekwencji sprawność w cyklu Braytona wyniesie: 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

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. 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): Wyznaczamy Tb, dla której, przy ustalonym Tc: . A zatem: Ponieważ, dla przemian adiabatycznych, przy równości ciśnień pa = pd i pb = pc, mamy Ta/Tb = Td/Tc, a więc: Td = Ta. Tc/Tb i: ©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz http: //web. mit. edu/16. unified/www/SPRING/ propulsion/notes. html 15

Maksymalną pracę na jednostkę masy w przepływie w cyklu Braytona uzyskamy dla stosunku temperatur na sprężarce (TR): Praca na jednostkę masy w przepływie wyniesie: a maksymalna moc dla idealnego cyklu Braytona: 16

Turbina gazowa; cykl Braytona z powietrzem DANE: T 1, p 2, T 3 Diagram p – v Zobacz pliki pomocnicze na www. fizyka. umk. pl/~andywojt/wyklady/termo. html 17

Turbina gazowa; cykl Braytona z powietrzem DANE: T 1, p 2, T 3 Diagram T – s 290 K, 0. 1 MPa 300 K, 0. 1 MPa Dane z tablic termodynamicznych 18

Turbina gazowa z regeneracją regenerator zimne spaliny 2 komora spalania, q. H 3 4 Tx sprężarka wc wał napędowy turbina wt - wc powietrze 1 Maksymalna regeneracja: 19

Turbina gazowa z regeneracją BEZ REGENERACJI: 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 Flo. Design, 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