2. Гту со ступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением и гту со ступенчатым расширением с промежуточным подводом теплоты

Из термодинамики известно, что:

Затрачиваемая работа на сжатие в компрессоре минимальна, если сжатие осуществлять изотермично, Однако при этом необходимо непрерывно и интенсивно отводить теплоту от воздуха, что практически осуществить невозможно.

В реальных компрессорах процесс сжатия 1-2 приближается к адиабатному. Чтобы приблизить сжатие воздуха к изотермическому, применяют ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением.

охлаждение

а) б)

Рис. 3.17. Процессы ступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением

а, б – соответственно двухступенчатое и трехступенчатое сжатия с промежуточным охлаждением после каждой ступени

Чем больше ступеней сжатия, тем ближе процесс сжатия подходит к изотермическому.

На рис. 3.17. заштрихованные площади соответствуют уменьшению работы сжатия при ступенчатом сжатии и промежуточным охлаждением по сравнению с процессом сжатия без охлаждения. Они соответствуют увеличению полезной работы ГТУ в целом.

Конструктивно ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением можно осуществить в двухкомпрессорном двигателе (рис. 3.12.). Воздух после первой ступени сжатия в компрессоре низкого давления (КНД) (процесс 1-2) направляется в промежуточный холодильник и охлаждается там (процесс 2-1).

Затем воздух поступает в компрессор высокого давления (КВД) и происходит вторая ступень сжатия (процесс 1-2). Преимущества такого процесса снижаются из-за усложнения схемы, дополнительных гидравлических потерь и дополнительных затрат на охлаждения после каждой ступени.

Рис.3.20. Цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением

Рис.3.19. Схема ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением

Внутренний КПД ГТУ с промежуточным охлаждением

где - внутренняя полезная работа ГТУ, равная разности между работой турбины Т и работой компрессоров КНД и КВД; - удельный расход теплоты в камере сгорания; и - работа изоэнтропного сжатия компрессоров КНД (1) и КВД (2); - работа изоэнтропного расширения турбины Т.

Схема ГТУ со ступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением не всегда приводит к существенному повышению КПД ГТУ. Целесообразность ее применения в будущем определяется тенденцией к повышению температуры Т₃. При достаточно высоких температурах продуктов сгорания на входе в турбину промежуточное охлаждение может оказаться необходимым для обеспечения значительных степеней повышения давления _к осевого компрессора.

Повышение экономичности, снижение удельного расхода воздуха и газа, а следовательно, увеличение единичной мощности могут быть достигнуты также при помощи ступенчатого расширения с промежуточным подводом теплоты в камерах сгорания, расположенных последовательно по ходу газа между турбинами. В этом случае процесс расширения приближается к изотермическому, а это приводит к увеличению располагаемой работы турбины (рис. 3.21).

Схема ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным подогревом рабочего тела представлена на рис.3.22. (1.27)!!!!!!!!

Воздух из компрессора К поступает в камеру сгорания высокого давления КСВ, после которой рабочий газ с температурой Т₃ направляется в турбину высокого давления ТВД, где происходит частичное расширение рабочего газа. После ТВД рабочий газ отводится в камеру сгорания низкого давления КСН, в которой за счет дополнительного сжигания топлива его температура повышается с Т_4в до Т_3н. Ввиду достаточного коэффициента избытка воздуха после КСВ сжигание топлива в КСН происходит без дополнительной подачи воздуха. Из КСН рабочий газ поступает в турбину низкого давления ТНД и далее на выхлоп.

Ц икл ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным подогревом изображен на рис. 3.23.

Рис. 3.21. Цикл ГТУ с промежуточным расширением и промежуточным подводом теплоты

Рис. 3.22. Принципиальная схема ГТУ при промежуточном подогреве рабочего тела

Рис.3.23. Цикл ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным

подогревом рабочего тела

Рис.3.24. Принципиальная схема ГТУ при промежуточном подогреве и охлаждении рабочего тела со свободным валом высокого давления

Внутренний КПД ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным подогрева рабочего тела

Промежуточное охлаждение и подогрев рабочего тела наиболее эффективно реализуется в двухкомпрессорных ГТУ, работающих по схеме с выделенным валом высокого давления (рис. 3.24).

3.4.3. Многовальные ГТУ

Деление турбины на две и более ступеней с их независимым друг от друга числом оборотов позволяет регулировать мощность ГТУ при частичных нагрузках, не снижая эффективности путем изменения расхода и топлива, и воздуха.

В установках с разрезным валом, или с независимой силовой турбиной, вал полезной мощности выделен от турбокомпрессора, поэтому между ними нет такой однозначной связи, и нагнетатель может практически иметь любую частоту вращения, ему необходимую.

Пи постоянной частоте вращения вала осевого компрессора и переменной частоте вращения силового вала температура перед газовой турбиной высокого давления может практически оставаться постоянной в достаточно широком диапазоне изменения частоты вращения вала силовой турбины.

Многовальные ГТУ дают возможность повысить эффективность особенно при работе на частичных нагрузках. Это наглядно видно на рис.3.25.

Рис. 3.25. Изменение относительного КПД ГТУ в зависимости от нагрузки

1 – простая одновальная ГТУ; 2 – двухвальная ГТУ открытого цикла.

Кроме того, двухвальные ГТУ имеют несколько лучшие экономические характеристики не только на частичных нагрузках, но и на расчетной, когда одновальная установка, имея некоторый запас по мощности, на номинальной нагрузке будет обеспечивать режим работы нагнетателя ниже расчетного.

Благодаря этим особенностям двухвальные установки с регенерацией и без регенерации теплоты отходящих газов и получили широкое распространение в качестве привода насосов магистральных нефте- и нефтепродуктопроводов и центробежных нагнетателей компрессорных станций на газопроводах.

На рис. 3.26 приведена схема ГТУ простого цикла с двумя осевыми компрессорами без промежуточного охлаждения воздуха между ними и независимой силовой турбиной для привода нагнетателя.

Рис. 3.26. Простейшая схема ГТУ открытого цикла с двумя компрессорами

Установки подобных схем, созданных по типу авиационных и судовых ГТУ, позволяют получать в цикле высокую степень сжатия (до 18...25) и обеспечивать оптимальную работу компрессора на пусковых и переменных режимах. Высокая степень повышения давления осевых компрессоров при высоких температура продуктов сгорания перед турбиной позволяет получить в таких установках КПД на уровне 33...35% и выше. Компактность таких установок достигается размещением обоих компрессоров, камер сгорания и газовых турбин в одном корпусе. Привод компрессоров низкого и высокого давления осуществляется соответственно от турбин среднего и высокого давления, с использованием схемы "вал в валу".