ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

 

Основным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления. Эти недостатки отсутствуют в газотурбинных установках, где рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива. Рабочее тело, имеющее высокие температуру и давление, из камеры сгорания направляется в сопло, в котором оно расширяется и с большой скоростью поступает на лопатки газовой турбины, где используется его кинетическая энергия для получения механической энергии.

ГТУ обладают многими важными преимуществами перед поршневыми двигателями. Газовые турбины имеют относительно малую массу и небольшие габариты, в них нет деталей с возвратно-поступательным движением, они могут выполняться с большими единичными мощностями. Однако, для увеличения термического КПД установки, необходимо иметь высокую температуру рабочего тела перед турбиной, что требует для их изготовления жаропрочных сталей, способных устойчиво и длительно работать при максимально высоких температурах. Большое значение имеет эффективность компрессора, входящего в состав установки, который потребляет приблизительно 75% мощности газовой турбины и поэтому общий эффективный КПД ГТУ резко снижается.

ГТУ могут работать со сгоранием топлива при постоянном давлении и при постоянном объеме. Соответствующие им идеальные циклы делятся на циклы с подводом теплоты в процессе при постоянном давлении и постоянном объеме.

 

6.1 ЦИКЛ ГТУ С ПОДВОДОМ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ В ПРОЦЕССЕ Р=const

 

На рис.14 представлена принципиальная схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при р=const. В камеру сгорания 1 через форсунки 6 и7 непрерывно поступают воздух из турбокомпрессора 4 и топливо с помощью топливного насоса 5. из камеры сгорания продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, в которых рабочее тело расширяется и поступают на лопатки газовой турбины 3, а затем выбрасываются в атмосферу через выхлопной патрубок.

На рис.15 представлен идеальный цикл газотурбинной установки на рυ- и Ts-диаграммах с подводом теплоты при р=const. В этом цикле отвод теплоты производится по изобаре. В поршневых двигателях объем газов при расширении ограничен объемом цилиндра. В газовых турбинах этого ограничения нет, и газы могут расширяться до атмосферного давления.

 

 

Рис.14. Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при р=const

 

Рис.15. Цикл газотурбинной установки на рυ- и Ts-диаграммах с подводом теплоты при р=const.

 

Характеристиками цикла являются степень повышения давления в компрессоре β=р21 и степень изобарного расширения ρ=υ32.

Количество подводимой теплоты определяется по формуле

 

q1 = cp(T3-T2)

 

а количество отводимой теплоты – по следующей формуле

 

q2 = cp(T4-T1)

 

Термический КПД цикла

 

ηt = 1-(q2/q1) = 1-[(T4-T1)/(T3-T2)]

 

Выражая температуры T2, T3, T4 через начальную температуру рабочего тела T1, получим

ηt = 1 – (1/β(k-1)/k).

 

Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении зависит от степени повышения давления и показателя адиабаты, возрастая с увеличением этих величин.

Отработанный газ после газовой турбины целесообразно направлять в теплообменный аппарат для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, или направлять для нужд коммунального хозяйства на получение горячей воды, пара и т.д.



При рассмотрении работы реальных ГТУ необходимо отдельно учитывать потери на необратимость процессов в турбокомпрессоре и в газовой турбине.

Расход энергии на трение в компрессоре влечет за собой увеличение температуры рабочего тела, так как работа трения превращается в теплоту и воспринимается рабочим телом, а это в свою очередь приводит к увеличению работы, затраченной на сжатие воздуха.

Теоретическая работа сжатия в компрессоре

 

lкад=i2-i1,

 

а действительная

 

lкдейст.=(i2-i1)/ηкад,

 

где ηкад – адиабатный КПД турбокомпрессора.

Расширение газа в проточной части турбины сопровождается потерями на трение о стенки сопел, лопаток и на завихрение потока, в результате чего часть кинетической энергии рабочего тела превращается в теплоту и энтальпия газа на выходе из турбины больше энтальпии обратимого процесса расширения. Теоретическая удельная работа расширения в турбине равна

 

lт = i3-i4,

 

а действительная

lтдейст.=lт∙ηтурб.

 

где ηтурб. – внутренний относительный КПД газовой турбины, равный ηтурб.=0,8÷0,9.

Действительная полезная удельная работа, которая может быть получена в газотурбинной установке, равна разности действительных работ расширения и сжатия:

lд = (i3-i4турбηмех – (i2-i1)/ηкад

 

где ηмех – механический КПД.

Отношение полезной работы ГТУ к количеству затраченной теплоты называют эффективным КПД газотурбинной установки:

 

ηе = lд/q

 

6.2 ЦИКЛ ГТУ С ПОДВОДОМ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ В ПРОЦЕССЕ υ=const

На рис.16 дана схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме. В этой установке сжатый воздух в турбокомпрессоре 6 поступает из ресивера 7 через воздушный клапан 8 в камеру сгорания 1. сюда же топливным насосом 5 через топливный клапан 9 подается жидкое топливо. Продукты сгорания, пройдя через сопловой клапан 2, расширяются в сопле 3 и приводят во вращение ротор газовой турбины 4.

Рис.16. Схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме

 

Для осуществления периодического процесса горения необходимо подавать воздух и топливо через управляемые клапаны 8 и 9 в определенные периоды времени. Процесс горения производится при закрытых клапанах 2 и 8. воспламенение топлива происходит от электрической искры. После сгорания топлива давление в камере 1 повышается, открывается сопловой клапан 2 и продукты сгорания направляются в сопло 3, где и расширяются до конечного давления.

На рис. 17 на рυ- и Ts-диаграммах изображен идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при υ = const. Рабочее тело с начальными параметрами (т.1) сжимается по адиабате 1-2 до точки 2, давление которой определяется степенью повышения давления. Далее по изохоре 2-3 к рабочему телу подводится некоторое удельное количество теплоты q1, затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до начального давления (т.4) и возвращается в первоначальное состояние по изобаре 4-1, при этом отводится удельное количество теплоты q2.



 

Рис. 17. идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при υ = const в

рυ- и Ts-диаграммах

 

Характеристиками цикла являются степень повышения давления в компрессоре β=р21 и степень добавочного повышения давления λ = р32.

Удельное количество подводимой теплоты определяется по формуле

 

q1=cυ(T3-T2),

 

а удельное количество отводимой теплоты – по формуле:

 

q2=cp(T4-T1).

 

Подставив значение q1 и q2 в выражение термического КПД цикла, получим

ηt=1 – [k(T4-T1)/(T3-T2)]

 

Выразим температуры T2, T3, T4 через начальную температуру рабочего тела T1:

ηt=1 – [k(λ1/k-1)]/[β(k-1)/k(λ-1)].

 

Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при υ=const зависит от k, β и λ и увеличивается с возрастанием этих величин.

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Температура и энтальпия продуктов сгорания топлива | КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ


Дата добавления: 2017-04-20; просмотров: 37; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2017 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.092 сек.