Методы повышения к.п.д. ГТУ

Термический к. п. д. ГТУ со сгоранием топлива при р = соnst растет с увеличением степени повышения давления β. Однако с ростом β увеличивается и температура газов в конце сгорания топлива Т₃, в результате чего быстро разрушаются лопатки турбин и сопловые аппараты, охлаждение которых затруднительно.

Чтобы увеличить к. п. д. ГТУ:

► применять регенерацию теплоты;

► многоступенчатое сжатие воздуха в компрессоре;

► многоступенчатое сгорание.

Сжатый воздух из турбокомпрессора направляется в регенератор 8, где получает теплоту при постоянном давлении от газов, вышедших из камеры сгорания 1 через сопло 2 в турбину 3. Подогретый воздух из регенератора 8 через форсунку 7, а топливо из топливного насоса 5 через форсунку 6 направляется в камеру сгорания 1.

Идеальный цикл ГТУ с регенерацией теплоты:

1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

2-5 – изобарный подвод теплоты к воздуху в регенераторе;

5-3 – подвод теплоты при постоянном давлении в камере сгорания;

3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в соплах турбины;

4-6 – изобарный отвод теплоты от газов в регенераторе;

6-1 – изобарный отвод теплоты от газов на выходе из регенератора теплоприёмнику (окр. среде).

Если предположить, что охлаждение газов в регенераторе происходит до температуры воздуха, поступающего в него, т.е. от Т₄ до Т₆ = Т₂, то регенерация будет полная.

Термический к.п.д. цикла при полной регенерации, когда Т₄ – Т₆ = =Т₅ – Т₂, найдем по уравнению

,

где ,

а ,

тогда

Температуры в основных точках цикла:

К.п.д. цикла

Практически полную регенерацию осуществить нельзя вследствие ограниченных размеров регенераторов и наличия конечной разности температур между нагреваемым и охлаждаемым потоками газа.

Экономичность ГТУ можно повысить, осуществив изотермический подвод и отвод теплоты.

В газовых турбинах для приближения действительного процесса подвода теплоты к изотермическому применяют ступенчатое сгорание с расширением продуктов сгорания в отдельных ступенях турбины.

Исходя из технико-экономических соображений ГТУ делают с двухступенчатым расширением и трехступенчатым сжатием.

Атмосферный воздух последовательно сжимается в отдельных ступенях компрессора (1-2, 3-4, 5-6) и охлаждается в промежуточных холодильниках (2-3, 4-5). Сжатый до высокого давления воздух поступает в первую камеру сгорания, где нагревается до максимальной температуры (6-7).

После расширения в турбине (7-8) газ поступает во вторую камеру сгорания, где вследствие сжигания топлива при постоянном давлении он опять нагревается до предельной температуры (8-9). Затем продукты сгорания расширяются во второй турбине (или во второй ступени турбины) (9-10) и выбрасываются в атмосферу.

Если в ГТУ осуществляется цикл с регенерацией теплоты, то нагревание сжатого воздуха (6-12) может быть произведено за счет охлаждения выхлопных газов (10-11).

Все действительные ГТУ работают по разомкнутой схеме, в которой продукты сгорания после работы на лопатках турбины выбрасываются в атмосферу (11-1).

Отработавший 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.