Цикл газотурбинных установок (ГТУ)

Основными недостатками поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления, которые отсутствуют в газотурбинных установках. ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.

На рис. 1.31 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении. Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3.

Рис. 1.31. Схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении

На рис. 1.32 представлен идеальный цикл ГТУ на P-v и T-s диаграммах.

Рис. 1.32. Идеальный цикл ГТУ на P-v и T-s диаграммах

1-2 - адиабатное сжатие до давления р₂; 2-3 – подвод теплоты q₁ при постоянном давлении р₂ (сгорание топлива); 3-4 – адиабатное расширение до первоначального давления р₁; 4-1 – охлаждение рабочего тела при постоянном давлении р₁ (отвод теплоты q₂)

Характеристиками цикла являются:
1) Степень повышения давления: l = р₂/ р₁ ;
2) Степень изобарного расширения: r = n₃ /n₂ ;
3) Работа турбины: l_т = h₃ – h₄ ;

4) Работа компрессора: l_к = h₂ – h₁ ;

5) Полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора: l_ГТУ = l_т – l_к ;

6) Термический к.п.д. цикла ГТУ имеет вид: h_t = 1 – 1/ l ^(k-1)/k;

7) Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ):

N_т = l_т·D/3600 = (h₃ – h₄)·D/3600 ,
N_к = l_к·D/3600 = (h₂ – h₁)·D/3600 ,
N_ГТУ = l_ГТУ·D/3600 = [(h₃ – h₄) - (h₂ – h₁) ]·D/3600 .

Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреобразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и расширение рабочего тела и пр.