2.2. Циклы газотурбинных установок(гту)

Газотурбинная установка представляет собой тепловой двигатель, состоящий из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, приводящей в движение, например, ротор электрического генератора или ротор осевого компрессора, сжимающего газ, транспортирующийся по газопроводу.

В зависимости от характера процесса горения топлива в камере сгорания ГТУ делятся на два типа: с горением топлива при постоянном давлении (ГТУ p=const) и с горением топлива при постоянном объеме (ГТУ V=const).

ГТУ широко используются в энергетике, авиации, на перекачивающих станциях магистральных газопроводов.

Лекция 4

2.2.1. Гту с подводом теплоты при постоянном давлении

Схемау ГТУ с горением топлива при p=const приведена на рис. 2.4. На общем валу находится газовая турбина ГТ, компрессор К, топливный насос ТН и электрический генератор ЭГ (если ГТУ используется для выработки электроэнергии). Компрессор повышает давление воздуха из окружающей среды и направляет его в камеру сгорания КС. Туда же топливным насосом подается топливо. Топливо горит в камере сгорания при p = const. Продукты сгорания производят работу на лопатках турбины, а затем выбрасываются в атмосферу.

Х арактеристикой данного цикла является степень повышения давления воздуха в компрессоре .

Ц икл ГТУ в p-v и T-s координатах изображен на рис. 2.5.

Процессы: 1–2 и 3–4 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре и адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках турбины; 2–3 – изобарный процесс горения топлива в камере сгорания (подвод теплоты q₁ к рабочему телу); 4–1 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду (выхлоп газов в атмосферу заменяется изобарным процессом отвода теплоты).

При расчете цикла будем считать, что рабочее тело является идеальным газом с неизменными свойствами и расходом.

Термический КПД цикла

.

Количества подведенной теплоты в процессе 2-3 и отведенной в процессе равно 4–1 равны

, .

КПД цикла равен

.

Определим температуры, входящие в выражение для КПД.

Температуру T₂ найдем из уравнения адиабатного процесса 1–2:

.

Обозначив , определим T₃ из уравнения изобарного процесса 2–3:

.

T₄ найдем из уравнения адиабатного процесса 3– 4:

Подставив эти температуры в выражение для КПД, получим

Термический КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при p=const зависит от степени повышения давления и показателем адиабаты . С увеличением β цикла возрастает.

2.2.2. Регенерация теплоты в цикле гту

Принципиальная схема такой установки приведена на рис.2.6. Регенерация теплоты осуществляется в теплообменном аппарате Р, где воздух после сжатия в компрессоре К подогревается за счет подвода теплоты от выбрасываемых из турбины газов имеющих сравнительно большую температуру.

Цикл в T – s координатах изображен на рис.2.7. В регенеративном цикле теплота подводится в изобарном процессе а–3, а отводится в окружающую среду в изобарном процессе b–1. Теплота процесса 4–b теплота подводится к рабочему телу в процессе 2–а и таким образом используется в цикле.

Отношение количества регенерирующей теплоты к максимально возможному в данном цикле называется степенью регенерации .

При одинаковых теплоемкостях воздуха и продуктов сгорания

.

При степени регенерации  = 1 температура воздуха на выходе из регенеративного теплообменника достигает максимального значения T_а = T_а. Нетрудно видеть, что регенерация увеличивает термический КПД , так как не изменяет количества работы цикла, но уменьшает количество подведенной теплоты.