8. Реальный цикл гту

В реальных условиях все процессы в ГТУ являются необратимыми, что оказывает большое влияние на характеристики установки. Необратимость реальных процессов вызвана:

а) потерей располагаемой работы в турбине и компрессоре, которые оцениваются внутренними (адиабатическими) КПД турбомашин;

б) потерями давления рабочего тела в тракте ГТУ, которые определяются коэффициентом гидравлических потерь.

На рис. 3.10 Действительный процесс расширения изображен линией 3-4, а действительный процесс сжатия – линией 1-2. Точками 2_t и 4_t отмечено состояние газа соответственно в конце изоэнтропийного расширения и сжатия, точкой н – параметры окружающей среды

Отличие реального цикла ГТУ от идеального;

1. сжатие воздуха в компрессоре происходит не по адиабате 1-2_t, а по некоторой политропе 1-2 и затрачиваемая в компрессоре работа идет не только на повышение внутренней энергии воздуха, а частично расходуется на компенсацию потерь. Работа компрессора в действительном цикле больше, чем в идеальном.

Адиабатный КПД компрессора - это отношение количество работы, расходуемой в идеальном компрессоре к количеству работы в реальном компрессоре, где происходит политропное сжатие:

Рис. 3.10. Реальный цикл ГТУ в Ts и pv-диаграммах

2. расширение рабочего тела в газовой турбине происходит не по адиабате 3-4_t, а по некоторой политропе 3-4.

При этом внутренняя энергия рабочего тела расходуется не только на совершение полезной работы, на и частично на преодоление всяких сопротивлений.

Полезная работа реальной турбины меньше полезной работы идеальной турбины.

Адиабатический КПД турбины - это отношение количества полезной работы, получаемой в реальной турбине к количеству полезной работы, получаемой в идеальной турбине:

2. вследствие потерь давления в тракте ГТУ степень повышения давления в компрессоре _к=р₂/р₁ больше, чем степень понижения давления в турбине _Т=р₃/р₄. Можно записать _Т = ·_К , коэффициент, характеризующий общие потери давления. Для ГТУ, выполненной по простой схеме

 = (1-_вх)·(1-_к-т)/(1+_вых),

где в соответствии с обозначениями на рис. 3.10

_вх = Δр_вх/р_н; _к-т = Δр_к-т/р₂; _вых = Δр_вых/р_н .

9. Основные показатели, характеризующие работу гту

В ГТУ имеется целый ряд потерь, которые можно разделить на внутренние и внешние.

Внутренние потери

К внутренним потерям относятся те потери, которые непосредственно связаны с изменением рабочего тела:

- внутренние потери в компрессоре (учитываются адиабатическим КПД компрессора );

- внутренние потери в газовой турбине (учитываются адиабатическим КПД турбины );

- потери теплоты в камере сгорания (учитываются тепловым КПД камеры сгорания );

- потери на гидравлические сопротивления в воздушном и газовом трактах (учитываются коэффициентом потерь  ).

Внутренние потери в целом всей ГТУ оцениваются внутренним (индикаторным) КПД ГТУ

,

где Н_B - внутренняя удельная полезная (индикаторная ) работа ГТУ;

q₁ - теплота, подведенная в камеру сгорания.

Внутренняя удельная работа ГТУ может быть представлена в виде

,

где g_T = G_T/G_K; G_T = G_ТОП + G_K; G_T – расход рабочего тела – продуктов сгорания через турбину; G_ТОП – расход топлива; G_K – расход воздуха, поступающего в компрессор.

Удельный расход теплоты в камере сгорания определяется из уравнения ее теплового баланса

Для упрощения анализа влияния различных факторов на внутренний КПД ГТУ можно допустить равенство расходов рабочего тела через компрессор и турбину и отсутствие гидравлических потерь в газовоздушных трактах. Тогда

,

где - степень повышения температуры в цикле.

Потери энергии в турбине и компрессоре, характеризуемые и , оказывают сильное влияние на экономичность ГТУ.

Это объясняется тем, что полезная мощность ГТУ составляет сравнительно небольшую долю полной мощности самой турбины. Поэтому даже самое небольшое снижение и оказывает существенное уменьшение полезной мощности.

Пример:

t₃= 700 ⁰C

t₁= 15 ⁰C

 =9

_T = 0,88

_k = 0,86

Выясним, на сколько процентов изменится полезная работа ГТУ, если адиабатный КПД турбины _T изменится на 1 %.

_T^ = 0,88 0,99 = 0,871

l_T = 390 0,99 = 386 кДж/кг

l’_B =386 - 280 = 106 кДж/кг

Таким образом, при уменьшении адиабатного КПД осевого компрессора на 1 %, внутренний КПД ГТУ уменьшится на 2,7%.

Значения адиабатных КПД изменяются в пределах:

_к = 0,89…0,90; _Т = 0,85…0,90; _кс^Т= 0,96…0,98

С увеличением  внутренний (индикаторный) КПД _I увеличивается.

Величину  можно увеличить, либо повышая температуру на входе в турбину Т₃, либо понижая температуру воздуха на входе в осевой компрессор T₁.

В связи с тем, что температура воздуха T₁ изменяется в широких пределах, она оказывает существенное влияние на экономичность ГТУ.

Температура рабочего тела (продуктов сгорания) на входе в турбину достигает значения 850 ⁰С для обычных ГТУ и 1200 ⁰С - для авиационных ГТУ.

Зависимость внутреннего КПД ГТУ от  имеет сложный характер.

КПД ГТУ принимает максимальное значение при определенном значении степени повышения давления , причем величина _оптим зависит от схемы ГТУ, возрастает с повышением Т₃ и уменьшением Т₁.

Рис.3.11. Зависимость КПД ГТУ от параметров цикла

На _оптим влияют также внутренние КПД отдельных узлов, поэтому _оптим должна вычисляться для конкретной схемы ГТУ и для вполне определенных показателей ее работы.

Отношение между полезной работой ГТУ и полезной работой турбины характеризуется коэффициентом полезной работы.

- коэффициент полезной мощности.

Коэффициент полезной мощности характеризует, какая часть мощности турбины может быть передана потребителю.

Важнейшими характеристиками ГТУ являются также:

1)удельный расход воздуха, кг/(кВт ч)

Чем меньше b_ВОЗД (при заданной мощности), тем меньше размеры установки.

2. удельный расход тепла , кДж/(кВтч)

. Характеризует экономичность ГТУ

3. удельный расход топлива , кг/(кВт ч)

Внешние потери

Помимо потерь, связанных с необратимостью процессов в ГТУ и оказывающих непосредственное влияние на состояние рабочего тела, имеются внешние потери энергии, уменьшающие полезную работу, но не изменяющие состояния рабочего тела. К ним относятся:

1. потери на трение в подшипниках;

2. потери вследствие утечек газа через торцевые уплотнения;

3. затраты энергии на привод вспомогательных механизмов.

Удельная эффективная работа ГТУ определяется по формуле

,

где Н_М – сумма внешних потерь располагаемой работы.

Эффективный КПД ГТУ – отношение эффективной работы Н_е , отдаваемой двигателем потребителю, к действительному количеству затраченной теплоты:

,

где - действительное количество теплоты, затрачиваемое в камере сгорания на нагрев 1 кг воздуха от температуры до температуры .

С учетом потерь Δq в камере сгорания

Если ввести механический КПД ГТУ

и КПД камеры сгорания

,

эффективный КПД ГТУ может быть представлен в виде

.