16. Циклы газотурбинных установок

Газотурбинные установки (ГТУ) обладают рядом преимуществ по сравнению с поршневыми двигателями. Они имеют относительно небольшие габариты и малую массу, в них нет деталей с возвратно-поступательным движением, могут выполняться достаточно большими единичными мощностями. В газовых турбинах отсутствует основной недостаток поршневых двигателей – невозможность расширения рабочего тела в цилиндре двигателя до атмосферного давления. Практическое применение нашли ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении и постоянном объеме. Им соответствуют идеальные циклы с подводом теплоты при и .

Газотурбинная установка представляет собой тепловой двигатель, объединяющий принцип работы паросиловой установки и поршневого двигателя внутреннего сгорания. С одной стороны, в газотурбинной установке, так же, как в паросиловой установке, имеется специальное устройство, предназначенное только для сжигания топлива, а расширение рабочего тела осуществляется в турбине. С другой стороны, в газотурбинной установке, так же, как и в поршневом двигателе внутреннего сгорания, рабочим телом является газообразные продукты сгорания топлива. Простейшая газотурбинная установка, рис. 60, состоит из компрессора К, газовой турбины ГТ, на одном валу с которыми находятся электрогенератор ЭГ или иной потребитель механической энергии и топливный насос ТН. Атмосферный воздух адиабатно сжимается в компрессоре и

Рис. 60. Принципиальная схема газотурбинной установки

поступает в камеру сгорания. Топливо из топливного бака насосом подается в форсунки и впрыскивается в камеру сгорания, где воспламеняется. Выделившаяся при сгорании топлива теплота подводится к продуктам сгорания при постоянном давлении, так как гидравлическое сопротивление камеры сгорания пренебрежительно мало. Продукты сгорания при температуре сгорания до 1200 С и давлении 1 МПа поступают в газовую

турбину, где адиабатно расширяются до атмосферного давления и выбрасываются в атмосферу. Там они смешиваются с воздухом и охлаждаются до его температуры при атмосферном давлении. Таким образом, цикл газотурбинной установки состоит из двух адиабатных процессов сжатия и расширения и двух изобарных процессов подвода и отвода теплоты.

16.1. Цикл гту с подводом теплоты при постоянном давлении

Такой цикл называется циклом Брайтона и состоит из двух изотерм подвода и отвода теплоты и двух адиабат сжатия и расширения и представлен в p, V- и T, S-диаграммах на рис. 61.

V

Рис. 61. Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении

В адиабатном процессе 1–2 происходит сжатие рабочего тела от параметров точки 1 до параметров точки 2. В изобарном процессе 2–3 к рабочему телу подводится количество теплоты от источника теплоты. По адиабате 3–4 рабочее тело расширяется до первоначального давления и по изобаре 4–1 приводится к параметрам точки 1 с отводом теплоты к приемнику теплоты.

Рис. 62. Схема газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении: 1 – камера сгорания; 2 – комбинированные сопла; 3 – газовая турбина; 4 – турбокомпрессор; 5 – топливный насос; 6, 7 – форсунки

На рис. 62 дана схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении. В камеру сгорания 1 через форсунки 6 и 7 непрерывно поступают воздух из турбокомпрессора 4 и топливо из топливного насоса 5 в распыленном состоянии. Сгорание топлива происходит при постоянном давлении. Образовавшиеся продукты сгорания из камеры направляются в комбинированные сопла 2, в которых рабочее тело расширяется до давления, близкого к атмосферному.

Из сопл продукты сгорания поступают на лопатки газовой турбины 3, здесь кинетическая энергия газов переходит в энергию вращения вала газовой турбины, совершая при этом полезную работу, а затем выбрасываются в атмосферу через выхлопной патрубок.

Характеристиками цикла являются:

степень повышения давления в компрессоре

степень изобарного расширения

Количество теплоты, подводимой по изобаре 2–3:

Количество теплоты, отводимой по изобаре 4–1:

Подставляя эти выражения в формулу для термического КПД, получим:

.

Найдем выражения температур , , через начальную температуру рабочего тела.

Для адиабаты 1–2: ,

Для изобары 2–3: ,

Для адиабаты 3–4:

Тогда термический КПД:

Отсюда следует, что термический КПД увеличивается с возрастанием степени повышения давления и показателя адиабаты. Однако термический КПД еще не может служить мерой экономичности установки.

П ри рассмотрении работы реальных ГТУ необходимо отдельно учитывать потери на необратимость процессов в турбокомпрессоре и газовой турбине. Расход энергии на трение в компрессоре влечет за собой увеличение температуры рабочего тела, поскольку работа трения превращается в теплоту и воспринимается рабочим телом, а это, в свою очередь, приводит к увеличению работы, затраченной на сжатие воздуха.

Из рис. 63 видно, что термический цикл ГТУ с подводом теплоты при в T, S-диаграмме изображается площадью 12341, а реальный цикл – площадью 12'32'1, где линия 1–2' представляет собой политропу сжатия в компрессоре, а линия 3–4' – политропу расширения в турбине.

Теоретическая удельная работа сжатия в компрессоре: а действительная или где – адиабатный КПД турбокомпрессора, равен отношению В настоящее время достигает . Расширение газа в проточной части турбины сопровождается потерями на трение о стенки сопл, 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 , действительная .

Отношение внутренней действительной удельной работы расширения реальной турбины к теоретической удельной работе идеальной турбины называют внутренний относительный КПД газовой турбины

У современных турбин

Действительная полезная (эффективная) удельная работа которая может быть получена в газотурбинной установке, определяется выражением

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

Кривые зависимости и от имеют следующий вид, рис. 64.

η_t

η

η_e

β = 1

β_кр

β

η_{e max}

Рис. 64. Кривая зависимости теоретического и и эффективного КПД