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=р₂/р₁ и степень изобарного расширения ρ=υ₃/υ₂.

Количество подводимой теплоты определяется по формуле

q₁ = c_p(T₃-T₂)

а количество отводимой теплоты – по следующей формуле

q₂ = c_p(T₄-T₁)

Термический КПД цикла

η_t = 1-(q₂/q₁) = 1-[(T₄-T₁)/(T₃-T₂)]

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

η_t = 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

l^к_ад=i₂-i₁,

а действительная

l^к_дейст.=(i₂-i₁)/η^к_ад,

где η^к_ад – 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

l_т = i₃-i₄,

а действительная

l^т_дейст.=l_т∙η_турб.

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

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

l_д = (i₃-i₄)η_турбη_мех – (i₂-i₁)/η^к_ад

где η_мех – механический КПД.

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

η_е = l_д/q_1д

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 q_1, 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=р₂/р₁ и степень добавочного повышения давления λ = р₃/р₂.

Удельное количество подводимой теплоты определяется по формуле

q₁=c_υ(T₃-T₂),

а удельное количество отводимой теплоты – по формуле:

q₂=c_p(T₄-T₁).

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

η_t=1 – [k(T₄-T₁)/(T₃-T₂)]

Выразим температуры T_2, T₃, T₄ через начальную температуру рабочего тела T₁:

η_t=1 – [k(λ^1/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.