РАБОТА И КПД ЦИКЛА ГТУ

Газотурбинная установка, как и любой другой тепловой двигатель, представляет собой комплекс технических средств, в которых совершаются термодинамические процессы преобразования теплоты в механическую работу. Замкнутая совокупность этих процессов представляет собой термодинамический цикл газотурбинной установки.

Рассмотрим термодинамические процессы, происходящие в простейшей ГТУ открытого цикла (рис. 53). В состав ГТУ входит компрессор – К, приводимый в действие от газовой турбины – Т. От этой же газовой турбины через редуктор отбирается полезная мощность на движитель судна.

Воздух, являющийся рабочим телом в установке открытого цикла, забирается компрессором из атмосферы с давлением и температурой – (точка 1 диаграммы, рис. 53). В процессе сжатия воздуха в компрессоре до давления его температура повышается до значения (точка 2). Из компрессора воздух с параметрами поступает в камеру сгорания, куда одновременно подается топливо. Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, аккумулируется воздухом, и на выходе из камеры сгорания газы имеют параметры (точка 3 диаграммы). Величина давления газов в общем случае определяется характером процесса, происходящего в камере сгорания. Из камеры сгорания горячие газы поступают в газовую турбину, где происходит их расширение до давления , равного атмосферному (точка 4). В процессе расширения в турбине температура газов снижается до значения . Отработавшие в турбине газы выбрасываются в атмосферу, где смешиваются с атмосферным воздухом. В процессе смешения параметры атмосферного воздуха не меняются (количество выбрасываемых газов пренебрежимо мало по сравнению с объемом земной атмосферы), открытый цикл замыкается условным процессом охлаждения продуктов сгорания в атмосфере до состояния воздуха на входе в компрессор – .

Таким образом, рабочий цикл ГТД открытого типа состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 53):

– адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

– подвод теплоты в камере сгорания двигателя;

– адиабатное расширение газов в газовой турбине;

– условный замыкающий процесс – отвод теплоты из цикла

(охлаждение газов в атмосфере).

Количество теплоты , подведенное в камере сгорания двигателя, численно равно площади диаграммы ; количество теплоты , отведенное из цикла – площади диаграммы .

Теоретически процесс повышения параметров рабочего тела в камере сгорания может протекать изохорно или изобарно. Изохорный процесс термодинамически более выгоден, и цикл, построенный на изохорном подводе теплоты, имеет больший КПД. Но осуществить изохорное сжигание топлива в камере сгорания ГТД технически сложно, поэтому работа всех судовых ГТД основана на принципе изобарного подвода теплоты. При дальнейшем рассмотрении циклов ГТУ будем подразумевать, что параметры воздуха на выходе из компрессора равны , а параметры газа на входе в газовую турбину – , т. е. в камере сгорания ГТД происходит изобарное сгорание топлива.

Термодинамический цикл ГТУ с изобарным сгоранием топлива в и координатах изображен на рис. 54.

Рис. 54. Термодинамический цикл ГТУ с изобарным сгоранием топлива в и координатах (без учета потерь энергии).

Полученная в процессе расширения в газовой турбине механическая работа – , эквивалентная площади на диаграмме (рис. 54), частично расходуется на работу сжатия воздуха в компрессоре – (площадь ). Полезная работа цикла – , отдаваемая потребителю энергии (движителю судна, генератору и т. д.), равна разности работ расширения газов в турбине и сжатия воздуха в компрессоре (площадь фигуры ):

Площадь фигуры в диаграмме также эквивалентна полезной работе цикла ГТУ – , и находится как разность между количеством подведенной теплоты в камере сгорания – (площадь ) и отведенной теплоты в окружающую среду – (площадь ):

Количество теплоты , подведенное в цикл с топливом, определяется условиями перехода рабочего тела из состояния в состояние . Количество теплоты , отведенное из цикла с рабочим телом, определяется разностью энтальпий газа на выходе из турбины и воздуха на входе в компрессор:

где: – среднее значение теплоемкости для изобарного

подогрева рабочего тела в камере сгорания при

давлении ;

– среднее значение теплоемкости для изобарного

процесса охлаждения газов при давлении .

Коэффициент полезного действия для теоретического цикла ГТУ равен отношению полезной работы, совершенной в цикле, к затраченной:

Одной из основных характеристик газотурбинной установки является степень повышения давленияв компрессоре – , равная отношению давления воздуха на выходе из компрессора к давлению воздуха на входе в него:

Если выразить отношение температур в формуле КПД цикла через степень повышения давления, то формула КПД теоретического цикла ГТУ примет вид:

где: – показатель адиабаты.

Из формулы видно, что значение КПД теоретического цикла ГТУ напрямую зависит только от – степени повышения давления в компрессоре. Физический смысл влияния степени повышения давления в компрессоре на КПД цикла ГТУ виден из рис. 55. При давлении воздуха на выходе из компрессора , по линии подводится количество теплоты , соответствующее площади диаграм-мы . При повышении давления на выходе из компрессора до величины , по линии подводится большее количество теплоты – , соответствующее большей площади диаграммы .

Увеличение количества подве-денного тепла вызывает увеличение полезной работы цикла – (площадь фигуры больше площади фигуры ), что в свою очередь, при одинаковом количестве отведенного из цикла тепла (площадь диаграммы ), приводит к увеличению КПД.

Подставив значение в формулу КПД теоретического цикла, можно численно рассчитать значения КПД ГТУ и проследить влияние степени повышения давления в компрессоре на коэффициент полезного действия цикла. Например, при показателе адиабаты для воздуха :

Увеличение степени повышения давления в компрессоре приводит к неизбежному увеличению температуры газа на входе в газовую турбину – (рис. 55), верхняя граница которой ограничена жаропрочностью материалов, из которых изготавливают детали проточной части газовых турбин, и современным развитием технологий металлургии. Несколько повысить верхнюю границу позволяет применение специальных жаропрочных материалов для изготовления деталей проточной части (лопаток и дисков турбин) и использование интенсивного их охлаждения. Эти мероприятия позволяют повысить верхнюю границу до 1400 ÷ 1500 ^оС в авиации, где ресурс ГТД мал, и до 1050 ÷ 1100 ^оС в стационарных, судовых и корабельных ГТД.