3. Термодинамические процессы и циклы гту

1. Классификация гту

В зависимости от способа подвода теплоты:

1. ГТУ с подводом теплоты Q при постоянном давлении р=const;

2. ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме V=const.

В зависимости от способа организации холодного источника (отвода теплоты Q):

1) ГТУ открытого цикла; 2) ГТУ закрытого цикла; 3)ГТУ полузакрытого цикла.

ГТУ открытого цикла - ГТУ, в которой рабочее тело поступает из атмосферы, однократно проходит через все элементы ГТУ и выбрасывается в атмосферу.

ГТУ закрытого цикла - когда рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, а подвод и отвод теплоты осуществляется в специальных теплообменниках.

ГТУ полузакрытого цикла - это установки промежуточной схемы между ГТУ открытого и закрытого циклов.

Рабочим телом ГТУ открытого цикла служит атмосферный воздух и продукты сгорания топлива, в ГТУ замкнутого цикла - СО₂, гелий, воздух.

В зависимости от конструктивных требований, условий запуска, регулируемых режимов работы различают:

1)одновальные ГТУ; 2)двухвальные ГТУ; 3)трехвальные ГТУ.

В зависимости от использования теплоты уходящих газов:

1)с регенерацией теплоты уходящих газов; 2)без регенерации теплоты.

По назначению:

1. энергетические (для привода электрических генераторов);

2. приводные (для привода центробежных насосов и нагнетателей);

3. транспортные (в качестве двигателей в авиации, железно-дорожном транспорте, водном транспорте, военной технике).

3.3.2. Принципиальная схема газотурбиной установки непрерывного горения (р=const)

1- воздушный фильтр; 2- воздушный компрессор; 3- камера сгорания; 4- турбина газовая; 5 - нагрузка ГТУ (насос); 6

1

- пусковой двигатель

Рис. 3.1. Тепловая схема одновальной ГТУ

Атмосферный воздух через фильтр 1 поступает в компрессор 2. После сжатия в компрессоре воздух с р₂=4…6 кг/см² и t₂=180…240⁰C поступает в камеру сгорания двигателя 3. Туда же из системы подготовки топливного газа непрерывно подается топливный газ, который, смешиваясь с воздухом, сгорает. Образовавшиеся газообразные продукты сгорания с температурой, обусловленной жаропрочностью лопаток газовой турбины (700…1100 ⁰С), направляется на лопатки газовой турбины 4. В газовой турбине тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения вала.

4 а - силовая турбина

Рис.3.2. Тепловая схема двухвальной ГТУ

Мощность, развиваемая турбиной, частично затрачивается на привод воздушного компрессора и других вспомогательных механизмов (60…75%), а оставшаяся часть передается потребителю 5.

После прохождения газовой турбины продукты сгорания с t₄=400…450 ⁰С выбрасываются в атмосферу.

Запуск ГТУ производится пусковым двигателем 6, а зажигание топлива осуществляется при запуске с помощью установленной в камере сгорания электрической свечи.

ГТУ с разрезным валом широко используются для облегчения и улучшения регулирования режимов работы, особенно в условиях переменной нагрузки.

3. Схема простейшей ГТУ прерывистого горения (при постоянном объеме)

ГТУ со сгоранием при V=const отличаются от ГТУ со сгоранием при р=const, в основном, устройством и принципом работы камеры сгорания, что определяет и характер протекания самого цикла.

Рис.3.3. Камера сгорания ГТУ при V=const

При таком способе подачи тепла камера сгорания закрытая: клапан 1 предназначен для впуска газообразного топлива; клапан 2 предназначен для впуска нагнета-емого компрессором воздуха; клапан 3 - для выпуска газов из камеры сгорания в турбину; свеча 4 предназначена для зажигания топливо - воздушной смеси.

Рабочий процесс в закрытой камере сгорания происходит следующим образом: после заполнения камеры сгорания воздухом клапан 2 закрывается и только после этого подается через клапан 1 топливо. Образовавшаяся топливно-воздушная смесь воспламеняется электрической свечей 4. Клапан 3 в это время закрыт. Процесс сгорания происходит при V=const. Температура и давление газов в камере сгорания резко повышаются. В конце процесса сгорания клапан 3 открывается и газы направляются в турбину.

По мере выпуска газов их температура и давление в камере сгорания снижаются. Когда их давление упадет до определенной величины, открывается впускной клапан 2 и в камеру сгорания начинает поступать свежий воздух. С помощью этого воздуха происходит продувка камеры сгорания с целью более полного удаления оставшихся газов и одновременного охлаждения камеры сгорания и рабочих лопаток турбины.

В конце продувки выпускной клапан 3 закрывается и камера сгорания заполняется сжатым воздухом, после чего процесс снова повторяется.

Недостатки схемы ГТУ при V=const:

1. наличие клапанов и распределительного механизма в значительной степени усложняют конструкцию камеры сгорания; это ведет к уменьшению надежности и сроков службы камеры сгорания;

2. наличие пульсации газового потока может привести к опасным вибрациям лопаток газовой турбины, что может привести к их поломке;

3. вследствие того, что газ проходит через клапан, он дросселируется и за счет этого снижается КПД ГТУ;

4. КПД ГТУ снижается и потому, что при переменном давлении турбина работает на протяжении большей части цикла на нерасчетном режиме.

4. Показатели эффективности циклов ГТУ

Циклом теплового двигателя называют круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу.

Все термодинамические процессы действительного реального цикла в той или иной степени необратимы.

Необратимость процессов связана с наличием теплообмена, трения в потоке газов и т.д.

Необратимость процессов снижает эффективность процессов преобразования теплоты в работу.

В анализе эффективности циклов решают две задачи:

1. определяют, от каких факторов зависит КПД обратимого термодинамического цикла (идеального цикла) и какими должны быть процессы цикла, чтобы его КПД имел наибольшее значение при заданных ограничительных условиях;

2. находят степень необратимости процессов действительного цикла и устанавливают, какие процессы целесообразно усовершенствовать с целью снижения необратимых потерь и повышения КПД цикла.

Основным показателем, достаточным для суждения об эффективности термодинамического цикла, является его термический КПД.

,

где - полезная работа цикла, отнесенная к 1 кг рабочего тела; - полученная от горячего источника теплота, отнесенная к 1 кг рабочего тела; - отведенная к холодному источнику теплота, отнесенная к 1 кг рабочего тела.

- теплота цикла,

- теплота идеального цикла.

Степень совершенства действительного необратимого цикла характеризуется индикаторным (внутренним) КПД.

,

где - индикаторная работа цикла (с учетом внутреннего трения); - количество действительно отведенной теплоты к холодному источнику.

- из-за наличия необратимостей.

Индикаторный КПД сам по себе не дает возможности оценить степень необратимости цикла, поэтому при анализе действительных циклов используют метод сравнения их с обратимыми идеальными циклами.