Идеальный цикл ГТУ с изохорным подводом тепла

В ГТУ, работающей по данному циклу, процесс сгорания топлива происходят при закрытых впускных и выпускных клапанах, установленных в камере сгорания . При этом топливо и воздух впрыскиваются в камеру периодически в момент закрытия клапанов.

Термодинамический цикл ГТУ данного типа представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Термодинамический цикл ГТУ с изохорным

подводом тепла в в P-V и T-S диаграммах

Рассмотрим процессы, составляющие этот цикл.

Процесс 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела.

Процесс 2-3 – изохорный подвод тепла.

Процесс 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела.

Процесс 4-1 – изобарный отвод тепла.

Характеристиками цикла являются:

1 - степень повышения давления,

. (37)

2 - степень добавочного повышения давления,

. (38)

Получим формулу для расчёта термического к.п.д. данного цикла. Для этого воспользуемся вновь выражением (5)

.

Выразим количества подведённого и отведённого тепла. В изохорном процессе 2-3 подведённая теплота определяется по формуле

. (39)

В изобарном процессе 4-1 отведённая теплота определяется по формуле

. (40)

Подставив и в выражение для термического к.п.д. цикла, получим

. (41)

Выразим температуры через начальную температуру и характеристики цикла.

Для адиабатного процесса 1-2

.

. (42)

Для изохорного процесса 2-3.

(43)

Для адиабатного процесса 3-4.

Подставляя полученные значения температур в выражение (41), будем иметь

.

Или, проведя несложные математические операции, окончательно получим

. (45)

Термический к.п.д. ГТУ с подводом тепла при зависит от и увеличивается с возрастанием этих величин.

Цикл ГТУ с подводом тепла при не получил практического применения, так как для его осуществления необходима установка в камере сгорания впускных и выпускных клапанов. Это в значительной мере усложняет конструкцию камеры сгорания и снижает надёжность её работы. Кроме того значительные гидравлические сопротивления клапанов снижают термодинамические преимущества в действительном цикле и даже могут привести к отрицательному эффекту. Поэтому все выполненные конструкции ГТУ работают по циклу со сгоранием топлива при .

Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе

Представим этот цикл в P-V и T-S диаграммах (рисунок 7).

Рисунок 7 – Термодинамический цикл ГТУ с изобарным подводом тепла в P-V и T-S диаграммах

Рассмотрим процессы, составляющие данный цикл.

Процесс 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела.

Процесс 2-3 – изобарный подвод тепла.

Процесс 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела.

Процесс 4-1 – изобарный отвод тепла.

Характеристиками цикла являются: степень повышения давления , степень изобарного расширения , где

(46)

(47)

Для вывода формулы термического к.п.д. цикла вновь воспользуемся выражением (6), тогда

Количество подведённой теплоты определяется по формуле

. (48)

Количество отведённой теплоты определяется по формуле

(49)

Тогда термическй к.п.д. цикла запишется в виде

(50)

Выразим температуры через начальную температуру и характеристики цикла.

Для адиабатного процесса 1-2

(51)

Для изобарного процесса 2-3

. (52)

Для адиабатного процесса 3-4

; (53)

Подставляя полученные значения температур в выражение (50), будем иметь

или . (54)

Термический к.п.д. ГТУ с подводом тепла при зависит от степени повышения давления и показателя адиабаты , причём он возрастает с их увеличением.

Несмотря на то, что ГТУ имеют существенные преимущества перед ДВС, для создания крупных стационарных ГТУ необходимо решить и ряд важных задач, а именно:

1 - для повышения установки необходимо существенно повышать температуру газа перед турбиной, то есть необходимо создать жаропрочные материалы, работающие устойчиво и длительно при высоких температурах, причём, они должны быть относительно дешёвыми;

2 - необходимо разрабатывать меры по повышению эффективного к.п.д. компрессора, входящего в схему ГТУ, так как до 70% мощности ГТ расходуется на привод компрессора;

3 - необходимо разрабатывать новые способы охлаждения лопаток турбин, так как водяное или газовое охлаждение нужного эффекта не даёт;

4 - необходимо разрабатывать более сложные системы ГТУ, позволяющие повысить к.п.д. установки. Но, поскольку практическое осуществление более сложного цикла приводит к увеличению габаритов установки, снижению надёжности работы и повышению её стоимости, то потребуется проведение и технико-экономической оценки эффективности этих схем.

Вопросы для самопроверки

1 Чем вызвано создание газовых турбин?

2 Каковы преимущества газовых турбин перед ДВС?

3 Какие основные элементы входят в принципиальную схему ГТУ?

4 Как изображается в P-V диаграмме цикл ГТУ с изохорным подводом тепла?

5 По какой формуле вычисляется цикла ГТУ с изохорным подводом тепла?

6 Почему цикл ГТУ с изохорным подводом тепла не нашёл широкого применения?

7 Из каких процессов составлен цикл ГТУ с изобарным подводом тепла?

8 Вывести выражение для термического к.п.д. цикла ГТУ с подводом тепла при .

9 Какие важнейшие задачи необходимо решить для создания крупных стационарных ГТУ?