7.4. Принцип действия и схемы газотурбинных установок
Существенным недостатком ДВС является возвратно-поступательное движение поршня и наличие больших инерционных усилий, что не позволяет создавать поршневые двигатели больших мощностей с малыми размерами и весом. В газотурбинной установке (рис. 7.13), как и в ДВС рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно-поступательный принцип заменен вращательным движением рабочего колеса турбины под действием струи газа. Кроме этого, в турбинах осуществимо полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы.
Как видно из схемы, воздух окружающей среды засасывается нагнетателем 2 через подогреватель воздуха 8. В нагнетателе воздух сжимается адиабатно до требуемого давления и подаётся в камеру сгорания 5.
В неё же топливным насосом 6 из топливного бака 7 подаётся топливо. В камере сгорания в результате воспламенения топлива образуются продукты сгорания, температура которых регулируется количеством подаваемого воздуха. Воздух подаётся с большим избытком, чтобы обеспечить приемлемую температуру горения топлива. Продукты сгорания поступают в сопла газовой турбины 1, где их потенциальная энергия в процессе адиабатного расширения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопатки турбины и их кинетическая энергия расходуется на вращение вала установки и передаётся электрическому генератору 3 и нагнетателю 2. Отходящие из турбины газы направляются в подогреватель воздуха 8, где отдают своё тепло воздуху, засасываемому нагнетателем 2.
Д
ля
пуска установки используют пусковой
электродвигатель 4.
Рис. 7.13. Схема газотурбинной установки
С целью обеспечения работы компрессора и турбины на внешнюю нагрузку в наивыгоднейших режимах с высоким КПД применяют двухвальные схемы турбоустановок. В одних схемах компрессор приводится в движение турбиной высокого давления, находящейся с ним на одном валу, а в других – турбиной низкого давления. Тогда главная турбина, работающая на другом валу на внешнюю нагрузку, в первом случае будет состоять из ступеней низкого давления, а во втором – из ступеней высокого давления. Выбор частоты вращения ротора главной турбины определяется нагрузкой, частота же вращения компрессорного агрегата может изменяться в широких пределах, обеспечивая изменение расхода воздуха в соответствии с потребностью.
7.5. Циклы гту с изобарным и изохорным подводом теплоты
В качестве простейших циклов газотурбинных установок (ГТУ) приняты: цикл с изобарным подводом теплоты и цикл с изохорным подводом теплоты. Эти циклы отличаются от соответствующих циклов ДВС процессом отвода теплоты — изохорный процесс отвода заменен изобарным. Современные ГТУ в основном работают с изобарным подводом теплоты.
Теоретический
цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты
(рис. 7.14) состоит из процесса адиабатного
сжатия воздуха 1—2
в компрессоре, процесса изобарного
подвода теплоты 2—3
в камере сгорания и процесса адиабатного
расширения 3—4
продуктов сгорания в соплах газовой
турбины.
После
преобразования кинетической энергии
струи газа на рабочих лопатках и процесса
отвода теплоты 4—1
от газа в окружающую среду при постоянном
давлении
цикл завершается.
Рис. 7.14. Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты
Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины и технической работой, затраченной на привод компрессора.
Цикл газовой турбины с изобарным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления в цикле
.
Можно показать,
что
.
То есть термический
КПД цикла ГТУ с подводом тепла при
увеличивается с увеличением степени
повышения давления.
Теоретический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты (рис. 7.15) состоит из процесса адиабатного сжатия воздуха 1—2 в компрессоре, процесса изохорного подвода теплоты 2—3 в камере сгорания и процесса адиабатного расширения 3—4 продуктов сгорания в соплах газовой турбины. После преобразования кинетической энергии струи
газа на рабочих лопатках и процесса отвода теплоты 4—1 от газа в окружающую среду при постоянном давлении цикл завершается.
Рис. 7.15. Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты
Цикл газовой турбины с изохорным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления при сжатии
и степенью повышения
давления при подводе теплоты
.
Можно показать, что .
Исследование последнего выражения показывает, что термический КПД ГТУ с изохорным подводом теплоты возрастает с увеличением b и l.
Цикл ГТУ с подводом теплоты при не получил широкого распространения из-за сложности конструкции камеры сгорания и ухудшения условий работы турбины в пульсирующем потоке продуктов сгорания.