Werkingsprincipe
De GT is een "internal Combustion engine". Met de volgende stadia: |
-Inlaat |
Lucht wordt aangezogen door een compressor, vaak een axiale compressor met vele trappen.
|
- Compressie |
De eindcompressie druk en temp. Varieert, van 6-30 bar en resp. 240 –500 gr C.
|
- Gecomprimeerde lucht naar verbrandingskamer |
Slechts een relatief klein deel van deze gecomprimeerde lucht wordt toegevoerd aan de verbrandingskamer, de overige gecomprimeerde lucht is koeling.
|
- Toevoeging van brandstof met verbranding |
In de verbrandingskamer wordt brandstof toegevoerd en onder constante druk vindt verbranding plaats.
|
- Expansie van de hete rookgassen |
De gevormde rookgassen bereiken een temp. Van 900-1200 gr C en expanderen over een klein aantal turbine trappen, net als bij een turboblower.
|
De turbine zit aan een as bevestigd die door de gehele gasturbine loopt en dus zelf weer de compressor aandrijft. |
Het drijvend middel van de GT zijn dus rookgassen , vermengd met de overmaat aan lucht, die uit de schoorsteen verdwijnen.
Dit wordt een open systeem genoemd, in tegenstelling tot een gesloten systeem, waarbij het medium, dat altijd een gas is, weer wordt teruggevoerd naar de turbine.
Soorten
- Gasturbine voor Vliegtuigen |
Vliegtuigturbine / Straalmotor
|
- Stationaire Gasturbines |
Het aandrijven van generators in stationaire installaties
|
. |
Vliegtuigturbine / Straalmotor |
| |
- Geen uitgaande as en levert dus geen asvermogen.
|
| |
- Enige wat de straalmotor aandrijft is de compressor en een ev. Fan
|
| |
- gaat om de uitstroom van de rookgassen die stuwkracht leveren en dus ook de stuwkracht van de fanbladen
|
| |
- natuurkundig principe hier het behoud van impuls betreft: nl uitstromende gassen versus het voortbewegen van de straalmotor.
|
| |
. |
Stationaire Gasturbines |
Twee soorten m.b.t. de constructie, Namelijk: |
| |
|
| |
|
Vliegtuigturbine/ Straalmotor
Stationaire Gasturbine
Links: 1 as
Rechts: 2 assen
Hoofdcomponenten en Constructie
We hebben te maken met de volgende hoofdcomponenten: |
| |
|
| |
|
| |
|
Axiale Compressoren
Bij de axiale compressor stroomt de lucht axiaal, dus evenwijdig aan de compressor as. |
- Bestaat uit veel trappen achter elkaar |
hier vindt de omkering van de luchtstroom middels vaste omkeerschoepen plaats.
|
| |
Een krans met deze vaste omkeerschoepen wordt een leiwiel genoemd.
|
- De drukverhoging per trap is laag |
daarom heel veel trappen achter elkaar.
|
- Voordeel: compressor kan grote volumes lucht produceren |
zelfs ook met een hoge einddruk (bij een gasturbine bijv. 30 bar, met ook een hoge eindcompressietemp (500 gr C).
|
De doortocht wordt steeds nauwer omdat door de compressie het volume steeds kleiner wordt.
Compressie
De compressie van de lucht gebeurt snel, zodat er geen warmte uitwisseling met de omgeving is. |
- Hierdoor stijgt de temperatuur.
|
| |
- De compressielijn volgt dus niet de isothermen die in het diagram zijn getekend.
|
Verliesvrije adiabatische compressie isentroop. |
- De lijn ligt naar links.
|
| |
- Het opp. onder de compressielijn , afgetekend op de P-as is een maat voor de compressiearbeid.
|
| |
- De werkelijke compressie ligt daar rechts van de gestippelde lijn.
|
Het verschil in oppervlakte tussen de twee lijnen |
- Dit is een maat voor het compressorverlies en dus het compressorrendement.
|
| |
- De arbeid is s.w. lucht * delta T
|
| |
- Het compressorrendement wordt gegeven door het verschil in eindcompressietemp.
|
Het compressorrendement |
| |
- Afhankelijk van inwendige verliezen zoals stromingsverliezen.
|
| |
- Ligt in de orde van grootte 80-85%.
|
| |
- Verslechterd door vervuiling/beschadiging, wat bij gelijke drukverhouding tot hogere eindcompressietemperaturen leidt.
|
| |
- Hoge eindcompressietemp beïnvloed het totaalrendement negatief .
|
Verbrandingskamer
Deze bevat: |
- De liner |
Een dun wandige veelvuldig geperforeerde voering, waardoor verbrandingslucht gelijkmatig naar binnen stroomt.
|
- Nozzel |
|
- Igniters (sparkplug) |
Ontsteekt de ingespoten brandstof.
|
De verbrandingskamer |
| |
- Moet sterk genoeg zijn om de druk van de gecomprimeerde lucht te weerstaan.
|
| |
- het materiaal moet ook de hoge temperatuur T3 kunnen weerstaan.
|
| |
- Worden hoge eisen aan het materiaal gesteld.
|
Drukval |
| |
- Kleine drukval (een paar procent) t.o.v de eindcompressiedruk van de compressor.
|
| |
- Ontstaat doordat de lucht de geperforeerde verbrandingskamer in moet stromen.
|
| |
- De turbine een iets lagere drukverhouding dan de compressor.
|
2 zones |
- De reactie zone |
Waar de brandstof verbrand.
|
- Mengzone |
De hete verbrandingsproducten mengen met de omringende lucht en deze opwarmen.
|
Soorten Verbrandingskamers
Soorten Verbrandingskamers
Drie soorten verbrandingskamers: |
- De Silo |
Waarbij de gassen van boven geheel rondom de turbine aanstromen
|
- De ringvormige verbrandingsruimte |
De verbrandingsruimte is in een ring gevormd met daarin de verschillende brandstofinspuitingen
|
- De zogenaamde Cans |
Een cilindervormige verbrandingsruimte, waarbij een aantal rondom de GT zijn geplaatst.
|
Turbine
- Straalbuisring
- Turbinebladen
- Koeling
Turbine
Na verwarming expanderen de warme rookgassen over de loopschoepen en verrichten mechanische arbeid, net als bij de stoomturbine. |
Straalbuisring |
| |
- Gaan de rookgassen doorheen.
|
| |
- Zorgt dat de rookgassen met de juiste richting, druk en snelheid het loopwiel in stromen.
|
| |
- Analoog met een leiwiel van de stoomturbine.
|
Na elk loopwiel volgt een leiwiel of straalbuisring tbv het volgende loopwiel. |
Turbinebladen |
| |
- Dit zijn holle turbineschoepen.
|
Koeling |
| |
- Het schoepmateriaal is niet bestand tegen temperaturen boven de 900 gr C.
|
| |
- Om te koelen stroomt een groot deel van de gecomprimeerde lucht buitenom de verbrandingskamer door de turbineschoepen heen.
|
Rendement |
| |
- Voordeel uit zo hoog mogelijke inlaattemperatuur van de rookgassen.
|
|
|
Thermodynamica
Het proces in de gasturbine wordt hier links uitgezet in het P-V-diagram, rechts het T-S diagram.
Thermodynamica in P-V en T-S Diagrammen
1-2 Compressie |
- Adiabatische compressie van de lucht.
|
| |
Grote volumes worden in zeer korte tijd gecomprimeerd, geen tijd voor warmte uitwisseling met de omgeving.
|
2-3 Warmte toevoer |
Er wordt warmte toegevoerd bij een constante druk. In het echt vermindert de druk iets door de weerstand in de verbrandingskamer.
|
3-4 Expansie |
De lucht expandeert, waarbij deze arbeid verricht.
|
4-1 Uitlaat |
- De lijn is gestippeld , omdat het medium niet wordt teruggevoerd en via de uitlaat verdwijnt.
|
| |
Voordeel is dat hierdoor indirect een constant koppel wordt geleverd, in tegenstelling tot dieselmotoren.
|
Ong slechts 25% v/d lucht die wordt aangezogen is verbrandingslucht.
Het medium waarop de GT werkt zijn dus lucht waar warmte aan wordt toegevoerd, of beter rookgassen. Een aanzienlijk deel van het opgewekte vermogen van de GT wordt gebruikt voor compressie arbeid.
Thermodynamica expansie
Thermodynamica expansie
De Expansie gaat zeer snel |
Hierdoor vindt er weinig of geen warmte uitwisseling met de omgeving plaats.
|
Tijdens de Expansie van de turbine inlaattemperatuur T3 |
De druk en temp. dalen naar de werkelijke uitlaattemp. T4 accent.
|
Werkelijke Expansie |
| |
- Deze lijn ligt door de wrijvingsverliezen rechts van de omkeerbare adiabaat.
|
| |
- Turbineuitlaattemp. T4 ligt hoger dan in het omkeerbare geval.
|
| |
- De thermische energie wordt niet maximaal omgezet in arbeid, maar blijft deels in het rookgas zitten.
|
Werkelijke arbeid |
| |
- De werkelijke turbine arbeid.
|
| |
- = de s.w. v.d. rookgassen *delta T werkelijk.
|
Turbinerendement |
| |
= De verhouding tussen het werkelijk optredende temperatuurverschil T3 - T4 ' en het verliesvrij adiabatische temperatuurverschil T3 - T4.
|
De arbeid die door elke kg stromend medium op de turbine wordt geleverd is veel groter dan de nuttige arbeid aan de uitgaande as. Want de turbine moet immers ook nog de compressor aandrijven en deze vraagt een aanzienlijke hoeveelheid arbeid per kg lucht.
Gehele Kringproces
De verschuivingen van het werkelijke (deel)proces tov het theoretische proces.
De compressor zuigt lucht aan bij een iets lagere druk dan atmosferisch (1 ~1'). Daardoor wordt ook de compressorpersdruk lager.
2. De compressie gaat gepaard met verliezen (2 ~ 2').
3. De druk daalt iets tijdens de verhitting in de verbrandingskamer (3 ~ 3') door de delta P over de verbrandingskamer
4. De expansie gaat gepaard met verliezen en de uitlaatdruk is iets hoger dan de atmosferische (4 ~ 4').
STEG
Dit is een combinatie van een gasturbine en een stoom turbine |
Na les van woensdag aanvullen
Variable inlaatschoepen
|
|
Brandstof
Meest draaien op: |
- Gas |
- Destillaat brandstoffen |
| |
Draaien op residual fuels: |
- Meer belasting op verbrandingsonderdelen |
- Ash |
De as die na verbranding overblijft geeft vervuiling en slijtage.
|
- Zouten |
De zouten zitten in het vocht dat in de brandstof zit, deze veroorzaken corrosie.
|
- Zware metalen |
zoals vanadium en lood, dienen zelfs corrosie inhibitors worden toegevoegd. Vanadium en natrium te samen kunnen HT corrosie veroorzaken.
|
Bij het verstoken van zware brandstoffen dient er derhalve vaker (boroscoop)inspecties worden toegepast, waardoor de GT dan buiten bedrijf is.
Verliezen
Deze treden op meerdere plaatsen op, namelijk: |
| |
- Aanzuigen compressorverliezen
|
| |
- Uitlaat |
Aanzuigen |
- Aanzuigen van lucht gebeurt via een inlaatsysteem |
Bestaat uit een eenvoudig rooster dat vogels en insecten tegenhoudt
|
- Het gebruik van filters, zorgt voor toename delta P |
Hierdoor is de lucht bij het bereiken van de compressor al iets in druk gedaald t.o.v. de atmosferische druk
|
| |
Daardoor is de eindcompressiedruk ook lager
|
- Vervuiling van de Filters |
Hierdoor daalt de massastroom lucht, waardoor de GT minder vermogen kan leveren.
|
Uitlaat |
- Uitlaatkanaal levert weerstand |
Deze geleverde weerstand aan het stromende gas wordt bij het berekenen van de turbineprestatie in rekening gebracht.
|
- Drukverlies door uitlaatweerstand |
In de orde van grootte van 300 tot 1500 Pa (3 tot 15 mbar).
|
- Uitlaatgassen ketel |
Bij het gebruik hiervan neemt de uitstroomweerstand nog verder toe, zeker als deze vervuild raakt.
|
Mechanische Verliezen |
Deze treden op in bv. de aslagering |
De verliezen nemen toen zodra je in ons geval gebruik maakt van een powerturbine.
Rendement
De nuttige energie/ Nuttige Arbeid |
| |
De nuttige energie van de GT is wat hij netto levert aan de as.
|
| |
De gasturbine zelf dient ook nog het vermogen te leveren dat voor de compressor nodig is
|
| |
Was=W turbine – W compressor
|
Totaal rendement van de GT |
|
| |
- Houden de soortelijke warmte (s.w.) van de rookgassen constant.
|
| |
- Formule als verhouding van temperaturen.
|
| |
- De samenstelling tussen lucht en rookgassen nauwelijks verschilt door de grote luchtovermaat.
|
Te hoog rendement |
Wanneer dit het geval is dan dient: |
- T4' |
Temp na expansie, zo laag mogelijk te zijn.
|
| |
Bij een verslechterd turbinerendement, bijv. door vervuiling, eindigt de temperatuur hoger.
|
- T1 |
Omgevingstemp., deze kan je niet beïnvloeden (tenzij je een verdampingskoeler gebruikt om de inlaatlucht te koelen-eta omlaag, maar massastroom hoog i.v.m. vermogen)
|
- T3 |
Inlaattemp. van de turbine, zo hoog mogelijk te zijn.
|
| |
- Deze wordt in realiteit begrenst door wat materialen aankunnen (1250 grC). Daarom is luchtkoeling zo belangrijk.
|
- T2' |
Eindcompressietemp., zo laag mogelijk te zijn.
|
| |
- Daarom is het compressorrendement belangrijk, nl bij gelijke drukverhouding produceert een compressor met een slechter rendement een hogere eindcompressietemp.
|
Nuttige & Specifieke arbeid
Hiervoor werd de arbeid/warmte telkens berekend als Cp*delta T, wat de arbeid per kg medium opleverde, ook wel specifieke arbeid genoemd.. Het medium van de GT is lucht, dan wel rookgassen. De brandstof is ong 2% van de luchtmassa.
Het vermogen is de massastroom * specifieke arbeid, Let wel, W is hier de nuttige specifieke arbeid, us Wt-Wc.
Diagram met rend spec arbeid en drukverhouding
Diagram is rendement (lijn) en de specifieke arbeid (stippellijn) afgezet tegen de drukverhouding van de turbine, voor verschillende turbine inlaattemperaturen.
Hoge turbine inlaattemp T3 gunstig voor:
- GT rendement
- Hoogte van de specifieke arbeid
Ontwerp GT afhankelijk van op welk vermogen hij moet leveren; hoe hoger het specifieke vermogen, hoe kleiner de GT geconstrueerd kan worden.
Soortelijke warmte rookgassen
In eerdere benaderingen van GT formules gingen we ervan uit dat de soortelijke warmte van de rookgassen constant waren, dit is echter niet het geval.
In dit diagram is cp, de s.w. bij constante druk, van rookgassen gegeven als functie van de temp en het percentage brandstof dat in de lucht verbrand wordt. Tevens is k, de adiabatische constante van de wet van Poisson, nl P1V1k=P2V2k.
|
