6.4. Цикли газотурбінних установок

У двигунах внутрішнього згорання зворотно-поступальний рух поршня перетворюється в обертальний за допомогою кривошипно-шатунного механізму. При цьому наявність великих інерційних зусиль не дозволяє створювати поршневі двигуни великих потужностей з малими розмірами і вагою. У газотурбінних установках зворотно-поступальний рух замінений обертанням колеса турбіни під дією струменя газу.

Схема газотурбінної установки надається на рис. 6.6.

Повітря стискується в компресорі 1 і подається в камеру згорання 2, туди ж паливним насосом 3 подається паливо. Димові гази, що утворюються після згорання палива в камері згорання 2, прискорюються в соплах 4 і надходять на лопатки 5 колеса газової турбіни 6. При проходженні димовими газами лопаток турбіни виникає сила, що приводить в обертання колесо турбіни. Вал колеса турбіни передає обертання ротору електрогенератора 8, що виробляє електричну енергію. Димові гази через вихлопний патрубок 7 виходять в атмосферу.

По способу спалювання палива розрізняють: цикл газотурбінної установки з ізобарним горінням палива, Р=const і цикл газотурбінної установки з ізохорним горінням палива v=const. Камери згорання ГТУ з ізохорним горінням палива забезпечуються всмоктувальними і нагнітальними клапанами.

Рис. 6.6. Схема газотурбінної установки.

Цикл ГТУ з ізобарним горінням палива, Р=const.

Рис. 6.7. Цикл ГТУ з підведенням теплоти при Р=const.

1-2 – адіабатне стискування повітря в компресорі 1;

2-3 – ізобарне горіння палива в камері згорання 2, підведення теплоти q₁ у циклі;

3-4 – адіабатне розширення продуктів згорання палива в соплах 4 і на лопатках 5 газової турбіни 6;

4-1 – ізобарний вихлоп газів, відведення теплоти q₂ у циклі.

Характеристикою циклу є ступінь підвищення тиску в адіабатному процесі стискування β.

Термічний к.к.д. циклу

Зі збільшенням β термічний к.к.д. циклу зростає. Це пояснюється тим, що підвищується середня температура підведення теплоти в циклі.

На р-v діаграму нанесемо цикл ДВЗ Дізеля 1-2-3-4^′-1. Його порівняння з циклом ГТУ по термічному к.к.д. показує, що газотурбінна установка має більш велику площу 1-2-3-4-1 ніж площа циклу Дізеля 1-2-3-4^′-1, а отже і більш високий термічний к.к.д. за рахунок заміни ізохорного вихлопу газів у ДВЗ, ізобарним вихлопом у ГТУ. Площа циклу ГТУ більша площі ДВЗ на величину трикутника 1-4^′-1.

Цикл ГТУ з ізохорним горінням палива

Рис. 6.8. Цикл ГТУ з підведенням теплоти при v=const.

1-2 – адіабатне стискування повітря у компресорі;

2-3 – ізохорне горіння палива, підведення теплоти q₁ у циклі;

3-4 – адіабатне розширення продуктів згорання палива;

4-1 – ізобарний вихлоп газів, відведення теплоти q₂ у циклі.

Характеристикою циклу є степінь стискування , степінь підвищення тиску β і степінь додаткового підвищення тиску λ.

Термічний к.к.д. циклу

або

Для підвищення термічних к.к.д. ГТУ використовують регенерацію – попереднє нагрівання стиснутого у компресорі повітря теплотою димових газів, що виходять в атмосферу. Для цього повітря пропускають через теплообмінник, встановлений у вихлопному патрубку турбіни.