8.2.2 Схема и цикл простейшей гту

В современных установках процесс подвода тепла (процесс сгорания) проходит, как правило, при p=const.

На рис. 8.5 изображены схема и цикл простейшей судовой ГТУ. Со сгоранием топлива при p=const внешний воздух засасывается турбокомпрессором (в точке 1) и адиабатно сжимается до давления р₂, после чего нагнетается в камеру сгорания. Туда же впрыскивается жидкое топливо, которое сгорая в обогащённой воздухом среде образует (при р=const) продукты сгорания высокой температуры (процесс 2-3). Продукты сгорания поступают в турбину, расширяются (при ) с понижением давления до атмосферного (процесс 3-4) и выбрасываются во внешнюю среду. Работа производится при расширении продуктов сгорания в турбине. Термодинамический принцип преобразования тепловой энергии в механическую такой же как и в ДВС.

Рис. 8.5. Схема и цикл судовой ГТУ

Важными характеристиками цикла являются: степень повышения давления в компрессоре и степень изобарного расширения . В газовой турбине возможно полное расширение газа до атмосферного давления, что увеличивает термодинамический кпд .

Учитывая соотношения для адиабат 1-2 и 3-4 можно записать

и отсюда

Тогда значение термодинамического кпд

(8.11)

Анализируя зависимость (8.11) можно увидеть, что термодинамический кпд повышается при увеличении степени сжатия.

Пример решения задачи.

Для идеального цикла ГТУ с изобарным подводом тепла определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество отводимой теплоты, работу цикла и термический КПД цикла, если начальные параметры рабочего тела (воздуха) p₁ = 0,1 МПа, t₁ = 27°C, степень повышения давления в компрессоре =6. Количество подводимой теплоты q₁ = 210 кДж/кг.

Цикл ГТУ изображен на рис. 8.5. Из соотношения для адиабатного процесса 1-2 определяем температуру в точке 2

К.

Удельный объем в точках 1 и 2

м³/кг;

м³/кг.

Температуру точки 3 определяем из выражения

q₁ = c_P(T₃ – T₂),

откуда К.

Так как процесс изобарный, p₃ = p₂.

Удельный объем в точке 3

м³/кг.

Температура в точке 4

К.

Удельный объем в точке 4

м³/кг.

Тепло, отведенное в процессе 4-1

q₂ = c_p(T₄ – T₁) = 1000·(425 – 300) = 125000 Дж/кг.

Работа цикла

l = q₁ – q₂ = 210000 – 125000 = 85000 Дж/кг.

Термический КПД цикла:

.

8.2.3 Способы повышения термодинамического кпд гту

Для всережимных установок, обеспечивающих все хода судна, а также для установок транспортных судов, для которых важна высокая экономичность на полном ходу, простые ГТУ не подходят. Такие ГТУ имеют низкий кпд даже при высокой температуре газа перед турбиной. Поэтому их обычно используют на лёгких судах в качестве ускорительных двигателей. Главная причина низкой экономичности ГТУ с простым циклом - значительные потери тепла с обработавшими газами. Термический кпд можно повысить, используя теплоту отработавших газов для подогрева воздуха после компрессора перед камерой сгорания. Такой способ использования бросового тепла называется регенерацией. Аппарат регенератор представляет собой теплообменник, в котором воздух после сжатия в компрессоре подогревается отработавшими газами.

Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – сжатие воздуха в компрессоре, 2-3 – подогрев сжатого воздуха в регенераторе за счёт тепла отработавших газов, 3-4 – горение топлива в камере сгорания, 4-5 – расширение продуктов сгорания в турбине, 5-6 – охлаждение газов в регенераторе сжатым воздухом после компрессора, 6-1 – процесс выброса тепла в окружающую среду. Регенеративные циклы оцениваются по степени регенерации  – отношению количества теплоты, переданного воздуху в регенераторе, к тому количеству тепла, которое можно было бы передать при охлаждении отработавших газов до температуры воздуха перед регенератором. Предельно возможная степень регенерации имеет место при .

Рис. 8.6. Схема и цикл ГТУ с регенерацией

На рис. 8.6 представлены схема и цикл ГТУ с регенерацией.

Повысить термический кпд ГТУ можно также применяя ступенчатое сжатие воздуха. При этом воздух между ступенями компрессоров охлаждают в воздухоохладителе. Ступенчатое сжатие с регенерацией теплоты позволяет повысить термический кпд до значений .

На практике встречаются ГТУ закрытого типа, где циркулирующее рабочее тело не участвует в процессе горения и поэтому не содержит примесей, загрязняющих проточные части турбин, регенераторов, охладителей. Нагретый в специальном котле воздух (до ) расширяется сначала в турбине высокого давления, приводящей в действие компрессор, затем в ТНД, приводящей в действие через редуктор гребной винт.

Недостатком закрытой схемы является наличие в её составе тяжёлого и громоздкого нагревателя (воздушного котла) и специальной компрессорной станции с резервуарами сжатого воздуха для запуска ГТУ при помощи воздушной турбины.