Semesteroppgave. Gassturbinprosess

Transkript

1 Semesteroppgave Gassturbinprosess Sted: Varmeteknisk Laboratorium, Kolbjørn Hejes vei 1.A Målsetting: Etter å ha gjennomført semesteroppgaven skal studenten ha fått kjennskap til hvordan en jetmotor (Brayton prosess) fungerer og kunne gjøre beregninger av massestrøm og virkningsgrader for en slik prosess. Pensum: Labforelesning Gassturbinprosesser Kapittel 9.5 og 9.6 i Moran & Shapiro: Fundamentals of Engineering Thermodymamics forutsettes lest før laboratorieforsøket. Figur 1 JetCat SPM5. JetCat SPM5 er et småskala gassturbindrivverk for modellbåter. Det er utstyrt med radiell kompressor, forbrenningskammer, to turbiner, eksoskanal og girkasse. Den ene turbinen driver kompressoren, den andre turbinen er i laben koblet (via girkassen) til en generator som produserer strøm. Gassturbindrivverket er utstyrt med termoelementer og trykkmålere på målestedene angitt i tabell 1 og på figurene og 3. I tillegg er det mulig å måle massestrømmen av brensel, massestrømmen av luft, turtallet og generert elektrisk effekt. Side 1 av 6

2 Tabell 1 Sensortype Målested Sensorplassering Flow Temperatur Trykk nummer* 1 Innløp Etter kompressor 3 Etter brennkammer 4 Foran 1.turbin 5 Foran.turbin ledeskovler 6 Foran.turbin 7 Eksos * Se figur og 3. Figur Skjematisk skisse av en jetmotor med turbiner En idealisering som benyttes for å studere åpne gassturbinprosesser er den såkalte airstandard analysis. I en air-standard analyse er det gjort to antagelser: Arbeidsmediet er luft som opptrer som ideell gass Temperaturløftet som skjer på grunn av forbrenningen er presentert som en varmeoverføring fra en ekstern kilde. Oppgave før laboratoriet: 1. Sett dere inn i teorien om hvordan en Braytonprosess fungerer.. Bestem hvilke parametere som skal måles for å svare på spørsmålene nedenfor. Oppgave etter laboratoriet: 3. Ved hvilket turtall begynner generatoren å gå? Gjør beregningene nedenfor ved et konstant turtall hvor generatoren produserer strøm. 4. Finn massestrømmen av luft og luft/brenselsforholdet ( air-fuel ratio ). 5. Beregn kompressorarbeidet og turbinarbeidet for hver turbin. 6. Hvor mye av det totale turbinarbeidet går med til å drive kompressoren? 7. Finn isentropisk virkningsgrad for kompressoren og for hver turbin. 8. Hvor mye av energien som blir tilført brenslet, blir overført til lufta som passerer gjennom brennkammeret? 9. Skriv rapport (veiledning til rapportskriving på hjemmesiden) Side av 6

3 Oppgitte data: Brensel: Parafin Tetthet: Nedre brennverdi: Arbeidsmedium: Luft Tetthet: 800 [kg/m3] 43, [MJ/kg] 1,3 [kg/m3] Trykkmålerne gir absolutt trykk. Side 3 av 6

4 Brennkammer Stasjonære ledeskovler foran.turbin Sentrifugalkompressor Innløp 1 Stasjonære ledeskovler foran 1.turbin turbin 5.turbin (kraftturbin) 6 Girkasse Startmotor Diffusor (Legg merke til at de to turbinene er frikoplet, dvs. akslinger) Aksling til generator Figur 3 Illustrasjon. Dette er ikke en JetCat, men tilsvarende. Side 4 av 6 7 Eksoskanal

5 Vedlegg 1: Pitotmåling (leses, men brukes ikke i lab i år): The Pitot tube (named after Henri Pitot in 173) measures a fluid velocity by converting the kinetic energy of the flow into potential energy. The conversion takes place at the stagnation point, located at the Pitot tube entrance (see the schematic below). A pressure higher than the free-stream (i.e. dynamic) pressure results from the kinematic to potential conversion. This "static" pressure is measured by comparing it to the flow's dynamic pressure with a differential manometer. Cross-section of a Typical Pitot Static Tube Converting the resulting differential pressure measurement into a fluid velocity depends on the particular fluid flow regime the Pitot tube is measuring. Specifically, one must determine whether the fluid regime is incompressible, subsonic compressible, or supersonic. A flow can be considered incompressible if its velocity is less than 30% of its sonic velocity. For such a fluid, the Bernoulli equation describes the relationship between the velocity and pressure along a streamline: V g p z g C Evaluated at two different points along a streamline, the Bernoulli equation yields: Side 5 av 6

6 V 1 1 z1 p V z p g g g g If z1 = z and point is a stagnation point, i.e., V = 0, the above equation reduces to: V 1 1 p p The velocity of the flow can hence be obtained: V 1 p p ) 1 or more specifically: V p p ) stagnation static Side 6 av 6