SADR@AJDiplomski radUVODGasno turbinska postrojenja se sastoje iz kompresora za sabijanje vazduha, izvoratopote(komorazasagorevanje, vazdu{ni kotaoitd.) i tasne turbine u kojoj se odvija ekspanzija radnog tela i dobijanje mehani~kog rada.RadnotelouGTPpredstavljakomprimovani vazduhzagrejando visoketemperatureili prodikti sagorevanjabilokoggoriva. Obi~nose koriste te~na i gasovita goriva, ali se u upotrebi nalaze i ~vrsta goriva.Dovo|enje toplote do radnog tela se mo`e ostvariti pri konstantnom pritisku (p=const.) i konstantnojzapremini (v=const.). U prvom slu~aju tplota se dovodi uz neprekidan tok vazduha, a u drugom slu~aju komora se isklju~uje od gasne turbine (radi ostvarivanja zatvorenog zapreminskog sagorevanja) pa je gasni tok prekidan, tj. pulsiraju}i.Prema karakteristici procesa rada, postojeGRPsaotvorenimi zatvorenim procesom rada. Ova druga je zbog slo`enosti sistema i visoke cene manje u upotrebi. Najpogodniji ciklus rada GTP je D`ulov ciklus sa izobarskimsagorevanjemi adijabatskomkompresijomi adijabatskom ekspanzijom.Gasne turbine se prema procesu rada dele na akcione i reakcione, u zavisnosti odtoga gdesevr{i transgormacija potencijalne (pritisne) energije u kineti~ku. Koli~ina transformicane energije odre+uje se toplotnimpadomkioji predstavlja razliku entalpije gasa koji ulazi u turbinu i izlazi iz njenog radnog dela. Kod akcionih turbina transformacija energijeseodigravasamoumlaznicama, tj. ustatorskomdelu, au reakcionim tubinama transformacija energije se vr{i kako u statorskom takoi u rotorskom delu.u TGP jaPiru primenu imaju rotacionikompresorikojikomprimuju vazduhpomo}upopaticakojeseobr}uvelikombrzinom, obezbe|uju}i veliku proizvodnost pri malim gabaritnima agregata.Brzina obrtanja kompresora obi~no je ista kao i gasne turbine, {to omogu}uje da se montiraju na istomvratilu, izbegavaju}i prelazne prenose. Rotacioni kompresori se dele na dva osnovna tipa:2Diplomski rad- osne ili aksijalne i- centrifugalneProces u kompresoru je suprotan onom kojise odigrava u tubini. Mehani~ki radkoji sedovodi dokompresoratro{i senapove}anje kineti~ke energije vazduha koji se u lopati~nom aparatu transformi{e u pritisak.Uloga komore za sagorevanje u ciklusu GRP svodi se na zagrevanje vazduha, obi~nopri konstantnompritisku, poslenjegovogsabijanjau kompresoru, do temperature gasa na ulazu u turbinu. Dato zagrevanje se ostvaruje putem sagorevanja goriva, u sredini pokretljivog komprimovanog vazduha, pri konstantnom pritisku, a proces sagorevanja mora sa se zavr{i u granicama same komore. Dospevanje jezi~ka pramena u turbini ili anatna toplotna neravnomernost dovode do ozbiljnijiho{te}enjaturbine. KOmorezasagorevanjepostoje}ihGRP konstruktvno se realizuje na razne na~ine. U prvom pribli~enju mo`emo izvr{iti podelu na:- cilindri~ne- sekcione i - prstenasteCilindri~nesepimenjujuretkoi tosamouslu~ajupostojanaj regeneracije.Sekcione komore za sagorevanje imaju Piroku primenu u avijacionim i lokomotivskim GTP bez regeneratora.Prstenasta komora ima veateni protoru obliku prstenaste {upljineU GTP se nalaze u primeni i aparati za hla|enje vazduha, kao i za hla|enje ulja.Uovomradubi}edatedetaljnijeteoretskeosnoveGTP, kaoi prora~un jednog usvojenog GTP.3Diplomski rad1. [EME GASNOTURBINSKIH POSTROJENJA I TERMODINAMI^KI PRORA^UN1.1. PRINCIP RADA GASNO - TURBINSKIH POSTROJENJAGasno - turbinskim postrojenjima (GTP) se nazivaju postrojenja koja se sastoje iz slede}ih elemenata:- kompresora za kompresiju vazduha (radnog tela);- izvora toplote (kompore za sagorevanje, vazdu{ni kotlovi itd.) i-gasne turbine u kojoj se odvija {irenje (ekspanzija0 radnog tela i dobijanje mehani~kog rada.RadnotelouGTPpredstavljakoprimovani vazduh, zagrejando visoketemperatureili prodikti sagorevanjabilo kojeggoriva. u GTPse obi~no koriste te~na goriva, ali postoje i postrojenja koja rade sa gasovitim i ~vrstim gorivima.Princip rada g se obi~no koriste te~na goriva, ali postoje i postrojenja koja rade sa gasovitim i ~vrstim gorivima.Princip rada GTP objasni}emo uz povo} slike 1. Kompresor 2 usisava atmosferski vazduh i komprimuje ga (sabija) do radnog pritiska. Kompimovani vazduh se zatim usmerava u komoru za sagorevanje 5. Sme{a vazduha i produkata sagorevanja goriva, sa temperaturom700-800 oC, dospevaumlaznikgasnetrubine3,gde ekspandira. Zatimseurotorskimlopaticama, ume|usobnoj interakciji strujei gasai lopatica, kineti~kaenergijastrujegasatransformi{eu koristn mehani~ki rad. Posle ovoga izra|eni gas izlazi kroz ispusni cevni nastavak 9uokolinu. Dobijeni raduurbini delimi~nosekoristi za pokretanjekompresora2. Korisnasnaga, kaorazlikasnageturbinei snage kompresora, prenosi se preko spojnice 1 ka potro{a~u.4Diplomski radSlika 1. [ema najjednostavnijeg GTP sa dovo|enjem toplote pri p=const.1-spojnica regulatora snage; 2-kompresor; 3-tubina; 4-pumpa za napojno gorivo; 5-komora za sagorevanje; 6-brizgaljka; 7-mlaznik; 8-radne lopatice; 9-ispusni cevni narepak; 10-vratilo.UGTPdovo|enje toplote doradnogtela mo`e seostvariti pri konstantnom pritisku (p = const.) i konstantnoj zapremini (v = const.). U prvomslu~ajutoplota se dovodi uz neprekidantok komprimovanog vazduha, audrugomslu~ajukomorazasagorevanjeseperiodi~no isklju~uje od gasne trubine (radi ostvarivanja zatvorenog zapreminskog sagorevanja), tj. gasni tok postaje prekidan - pulsiraju}i.Bitan faktor za konstrukciju GTP predstavlja i vrsta goriva koja se u njima koristi. Ako se, na primer, u postrojenju koristi te`no gorivo ili gas, onda u sastav postrojenja koje ostvaruje dovo|enje toplote do radnog tela ulaze komora za sagorevanje (5) i ure|aji za dovod goriva: pumpa ( 4) i brizgaljka (6) (slika 1.). Ako se sagoreva ugljena pra{ina, onda se uklju`uju ure|ajiza pripremanje itransport pra{ine u komoru, ~i{}enje gasaitd. Urazmotrenimslu~ajevimasagorevanjegorivaseodigrava uporedo sa neprekidnim tokom komprimovanog vazduha.Toplotu mo`emo dovoditi do vazduha i kroz neku povr{inu zagrevanja (tzv. vazdu{ni kotao). U ovom slu~aju u turbinu dolazi ~isti (neprome{an s produktima sagorevanja) vazduh. Ovakvi ure|aji koriste se uslu~aju~vrstihili atomskihgoriva. Najzad, mogu|ejekombinovano dovo|enje toplote do radnog gasa kod GPT sa me{ovitim sagorevanjem goriva. JednaodglavnihkarakteristikaGPTjeveomavelik(65- 70%) utro{ak snage turbine na komprimovanje vazduha u kompresoru, a to je zbog neophodnosti komprimovanja velikih koli~ina vazduha. Prilikom sagorevanja goriva temperatura dosti`e vrednosti od 1800-2000 oC, ali gas sa tom temperaturom ne treba usmeravati u turbinu zbog ograni~enevatrostalnosti radnihlopatica. Stacionarnei lokomotivske turbine rade sa po~etnom temperatrom gasa 700 - 800 oC. U vezi sa ovim zaklju~ujemo da je vazduh neophodan ne samo za sagorevanje goriva, ve} i za sni`avanje temperature produkata sagorevanja. Koeficijent iskori{}enja GTP najjednostavnije konstrukcije nije velik ( 20 - 25 %). Ovimse, ipak, ne iscr[ljuju mogu}nosti stvaranja visokoekonomi~nih GTP. Veoma va`na osobna cikljusa u GTP je mogu}nost delimi~nog iskori{}enja izra|enog gasa koji izlazi iz turbine za zagrevanje bazduha sabijenog u kompresoru, tj. mogu{nost ostvarivanja regeneracije toplote u specjalnom aparatu za razmenu toplote.smanjenje utro{ka snage na pogon kompresora mo`e biti postignuto putemvi{estepenogkomprimovanja vazduha sa me|uhla|enjem. Najdad,mo`ebti primenjenoi vi{estepenoodvo|enjetoploteu postojenju sa nekoliko gasnih turbina.5Diplomski rad1.2. REGENERATIVNI CIKLUS GTP SA DOVO\ENJEM TOPLOTE PRI KOSTANTNOM PRITISKUNaslici 2. prikazanajeprincipijelna{emaGTPsaregeneracioj toplote. Ukompresor ( 1) ulazi vazduhizokolinepodpritiskomp1i komprimujesedopritiskap2. Satimpritiskomi temperaturomT2on dolazi u regenerator ( 2 ), zagreva se, na ra`un toplote izra|enog gasa iz turbine,dotemperatureT3,a zatimdospevau komoru za sagorevanje ( 3) gdeseobrazujeradni gas satemperaturomT4koji sezatim usmerava u turbinu ( 4 ). Usled adijabatskog {irenja, temperatura gasa u turbini se smanjuje to T5. Iz turbine izra|eni gas odlazi u regenerator ( 2 ) gdesevr{i daljesmanjenjenjegovetemperaturenara~unodavanja toplote vazduhu koji se usmerava u komoru za sagorevanje. Iz regeneratora gas odlazi u okolinu.Ovaj ciklus je prikazan na slici 3. u koordinatama p -vi T - s.Slika 2. Principijelna {ema GTP sa dovo|enjem toplote prip=const. i regeneracijom toploteSlika 3. Dijagram termodinami~kog ciklusa GTP sa dovo|enjem toplote pri p=const.,regeneracijom toplote iadijabatskom kompresijomDa bi se vazduh mogao zagrevati pre dolaska u komoru za sagorevanje, na ra~un toplote izra|enog gasa, neophodno je da temperatura na kraju ekspanzije T5bude ve}a od temperature vazduha nakrajukompresijeT2. Ipak, ohladiti gas dotemperatureT2, tj. u potpunost iprenetisvu toplotukomprimovanom vazduhu,prakti~no je nemogu}e. Zato se fazduhu prenosi samo deo toplote izra|enog gasa pa se u ovom slu~aju radi o postrojenju s delimi~nom regeneracijom. Za ocenu potpunosti regeneracije uvodi se pojam stepena regeneracije . Stepenom regeneracije se naziva odnos koli~ine toplote stvarno prenete sa izra|enog gasa na vazduh, prema onoj kli~ini toplote kojabi bilaprenetaakobi vazduhbiozagrejandotemperaturekoja odgovara temperaturi izra|enog gasa. Najve}akoli~inatoplotekojamo`ebiti preneta1kgvazduhau regeneratoru (smatraju}i konstantnom koli`inu materije u svim stadijumima ostvarivanja ciklusa):6Diplomski rad) (2 5T T C qp R 1]1

KJKkgKJ.Stvarna predata toplota u regeneratoru iznosi1]1

kgJT T C qp) (2 3 ,pa je stepen regeneracije:) () (2 52 3T T CT T CqqppR ,odnosno2 52 3T TT T (1)Ako je T3=T2 =0 - zna~i ure|aj radi bez regeneracije.AkojeT3=T5=1- {toodgovarateoretski mogu}oj potpunoj regeneraciji.Termi~ki koeficijent iskori{}enja ciklusa sa regeneracijom odre|uje se kao odnos korisnogradaprematoploti koja je dovedena doradnog tela.Rad ekspanzije gasa u turbini iznosi:

,_

KKp p TT C m T T C m W14 5 411 ) ([ ] J .Rad komprimovanja vazduha u kompresoru:

,_

1 ) (11 1 2KKp p KT C m T T C m W [ ] J .Toplota dovedena radnom telu:( )2 5 2 4 1) ( T T C m T T C m Qp p [ ] J .Termi~ki koegicijent iskori{}enja ciklusa je:11]1

,_

,_

,_

,_

21 1 11 111KKKKKKKKKKK TtQW W (2)gde je 14TT ; 12pp .7Diplomski radIz izraza(2) sevidi datermi~ki koeficijent iskori{}enjaciklusa zavisi odstepenapove}anjapritiska(stepenakompresije), odnosa grani~nih vrednosti temperatora u ciklusu i stepena regeneracije .Na slici 4. je prikazano kako se menja termi~ki koeficijent iskori{}enja ciklusa, u zavisnosti od stepena kompresije .Slika 4. Promena termi~kog koeficijeta iskori{}enja ciklusa sa dovo|enjem toplote pri p=const: 1-bez regeneracije; 2-sa regeneracijomSa grafika se vidi da pri jednakimvrednostima koeficejenta iskori{}enja za GTP bez regeneracije i sa regeneracijom, stepen kompresije za drugi slu~aj }e biti manji. Po pravilu, regeneracija sni`ava optimalni stepen kompresije , ~ija veli~ina postaje utoliko manja ukoliko je ve}i stepen regeneracije .Stepen regeneracije jako uti~e na dimenzije regeneratora. Zavisnost izme|u stepena regeneracijei povr{ine regeneratora se najbolje vidi iz formule profesora V.V. Uvarova: 1 kCm Ap[ ]2m (3)gde je:1]1

skgm- utro{ak vazduha i gasa po jedinici vremena;1]1

kgKJCp- specifi~ni toplotni kapacitet;1]1

sK mJk2 ili 1]1

K mW2- koeficijent prolaza toplote.Izformule(3) zaklju~ujemodasapove}anjem ( naro~itopri >0,5) jakorastetra`enapovr{inazagrevanjakodregeneratora. Na primer, pri pove}anju od 0,5 do 0,75 vrednost povr{ine zagrevanja se pove}ava tri puta.Re{avanjepitanjaocelishodnosti premeneregeneracijei izbora stepena regeneracije je zadatak tehno - ekonomskog karaktera.8Diplomski radTe{ko}a razme{taja regeneratora i zahtevi visoke eksploatacijone sigurnosti ograni~avaju primenu regulacije toplote u lokomotivnim GTP.1.3. CIKLUSI SA ME\UHLA\ENJEMI DOVO\ENJEM TOPLOTENa slici 5. prkazana je principijelna {ema GTP sa stepenastim dovo|enjem toplete.Slika 5. Principijelna {ema GTP sa dvostepenim dovo|enjem toplote prip=const. i regeneracijiSlika 6. Dijagram termi~kog ciklusa GTP sa dvostepenim dovo|enjem toplote pri p=const. i regeneracijomKompresor (1) usisavavazduhizokolnesredinei sabijagado pritiska p2. Komprimovani vazduh iz kompresora ide u regenerator (2), a zatim u komoru za sagorevanje (3) visokog pritiska. Radni gas iz komore zasagorevanje(3)satemperaturomT4dospevauturbinu(4) visokog pritiska i u njoj ekspandira do me|upritiska p5' i temperature T5', a zatim seusmeravaukomoruzasagorevanje(5) niskogpritiskagdemuse pove}ava temperatura do T4'=T4. Iz komore za sagorevanje (5) radni gas dolazi u turbinu (60 niskog pritiska gde se odigrava dalja ekspanzija do 9Diplomski radpritiska p5. Izra|eni (upotrebljeni) gas izlazi iz turbine (6) sa temperaturom T5i ide u regenerator gde predaje odre|enu koli~inu toplote vazduha, a ostatak ide u okolnu sredinu.Prikaz ciklusa u koordinatama p -v i T - s dat je na slici 6.Naslici 7. prikazanajeprincipijelna{emaGTPsastepenastim komprimovanjem, me|uhla|enjemvazduha i stepenastimdovo|enjem toplote.Slika 7. [ema GTP sa me|uhla|enjem, me|upregrevanjem iregeneracijom:1- kompresor niskog pritiska; 2-vazdu{ni hladnjak; 3-kompresor visokog pritiska; 4-pogonski motor; 5-regenerator; 6-komora za sagorevanje visokog pritiska; 7, 11, -pumpa za dovod goriva; 8-spojnica; 9-TVP;10-komora za sagorevanje niskog pritiska; 12-TNP.Slika 8. Dijagram termodinami~kog ciklusa GTP sa slike 7. u T-s koordinatnom sistemuPosmatraju}i {emu na slici 7. i ciklus u t-s koordinatama na slici 8., vidimo da ciklus ide slede}im redosledom: vazduh posle kompimovanja u kompresoru (1) dolaziu me|uhladnjak (2) gde se hladi do temperature okolne sredine, a zatimide u kompresor (3) visokog pritiska. Iz 10Diplomski radkompresora (3) visokog pritiska vazduh se uvodi u regenerator (5) gde se zagreva gasovima iskori{}enim u turbini. Dalji put vazduha je analogan prethodnom opisanom ciklusu prikaznom na slikam 5. i 6.Pa`nju zaslu`uje i ciklus sa izotermoadijabatskim komprimovanjem i ekspanzijom bez regeneracije koji obezbe|uje visoku ekonomi~nost (slika 9.a.).Slika 9. Dijagrami termodinami~kih ciklusa GTPPo{to su izotermi~ko kompirmovanje i izotermi~ka ekspancija prakti~no neostvarivi, pribli`an ciklus takvomciklusu je vi{estepeni slo`eniciklus (slika 9.b.). Slo`ene {eme zahtevaju prelaz na vievratilna vi{ekompresorska GTP jer realizovat jednosvratilno postrojenje sa visokim vrednostima optimalnog stepena pove}anja pritiska prakti~no je nemogu}e.Prelazak na vi{evratilne motore obezbe|uje mogu}nost kori{}enja povoljnih vu~nih karakteristika pogonske turbine. U tim uslovima turbine koje se sa kompresoromnalaze na zajedni~komvratilu obrazuju tubokompresorskegrupekojegeneri{uradnotelozapogonskuvu~nu tubinu.1.4. TERMODINAMI^KI PRORA^UN GTPStvarni radni ciklus GTP se razlikuje od termodinami~kog (idealnog) jer je pra}en gubicima. Na slici 10. u T-s koordinatama dat je dijagram ciklusa GTP sa regeneracijom toplote. U ciklusu su uzeti u obzir gubici u komori zasagorevanje, uturbini, ukompresorui hidrauli~ki gubici u mre`i cevovoda sa vazdu{ne i gasne strane.11Diplomski radSlika 10. Dijagram stvarnog ciklusa GTP sa dovo|enjem toplote prip=const.Zaocenukori{}enjatopletepostojenjaucelini uvodi sepojam efektivnog koeficijenta iskori{}enja GTPkoji se odre|uje kao proizvod tri umno{ka: efektivno - termodinami~kog koeficejenta iskori{}enja ciklusa osnovnih elemanata postrojenjac, koeficijenta iskori{}enjakomorezasagorevanje(ili drugogure|ajakoji ostvaruje dovo|enje toplete do vazduha, npr. vazdu{nog kotla itd.) KSi koeficijenta idkosi{}enjagkoji uzimauobzirorganizacijuciklusaGTPi potro{nju energije za pomo}ne ure}aje (pumpe za gorivo i dr.)g KS C e (4)Odlu~uju}i uticaj na eima efektivno - termodinami~ki koeficijent iskori{}enjaciklusaosnovnihelemenatapostrojenjaCkoji predstavlja odnos efektivnog rada We i toplote goriva:1 1QW WQWK T eC (5)gde suWK - rad komprimovanja vazduha u kompresoru;WT - rad ekspanzije gasa u turbini.Izrazi}emo korisni rad koji vr{i gas u turbini i rad koji se tro{i za komprimovanje vazduha u kompresoru kroz osnovne parametre i karakteristike procesa:( )KmpmV V KmKadV KT T C m T R m W 1 1111'211

,_

[ ] J (6)( )Tm pmg gTmToig TT T C m T R m W '5 4'1 '41 111 ' '

,_

[ ] J (7)gde sumV, mg- sekundarnakoli~inavazduha koji sekomprimujeu kompresoru (mV) i gasa koji dolazi u turbinu (mg);, ' - izlo`ilac adijabatske kompresije () i ekspanzije (');,1- stepen kompresije u kompresoru ()i stepen ekspanzije u turbini (1);ToiKad ,- unutra{nji relativni koeficijent iskori{}enja kompresora (Kad) i gasne turbine (Toi );Km ,Tm - mehani~ki koeficijenti iskori{}enjakompresorai gasne turbine;'2T - stvarna apsolutna temperatura vazduha posle komprimovanja u kompresoru12Diplomski rad1]1

+ KadT T1) 1 ( 11'2[ ] K (8)- odnos apsolutne temperature na po~etku i na kraju adijabatskog komprimovanja u kompresoru112TT(9)'5T- stvarna temperatura gasa posle ekspanzije u turbiniToiT T T T ) (5 4 4'5 [ ] K (10)Rad ekspanzije u turbini (7) mo`e bit izra`en kroz parametre komprimovanja i K putem uvo|enja karakteristike mre`e GTPTmToi g TT R m W

,_

14111[ ] J (11)gde je - karakteristikamre`e GTPkojaodra`ava uticaj hidrauli~kih gubitaka sistema (1