6 Схемы простых гту. Преимущества и недостатки таких схем.

Тепловые схемы и основные характеристики наземных ГТД

Большинство приводных ГТУ построенных на основе авиационных двигателей выполнено по простому циклу.

Простая ГТУ

Г

К ТН

Рис.1 Схема ГТУ простого цикла

Простая ГТУ со свободной турбиной

Газотурбинный двигатель со свободной турбиной можно рассматривать как турбореактивный, в котором выходное сопло заменено свободной турбиной, схема рис. 2.

Г

К ТСТН

Рис.2. Схема простой ГТУ со свободной турбиной

Преимущество данной схемы заключается: отсутствие механической связи ротора свободной турбины с роторами турбины и компрессора газогенератора и как следствие облегченный запуск ГТУ; возможность соединения свободной турбины с нагрузкой без редуктора так как при помощи свободной турбины проще обеспечить необходимую частоту вращения нагрузки.

Недостатком такой ГТУ является менее гибкое регулирование свободной турбины газогенератором по сравнению с ГТУ без свободной турбины.

Простая ГТУ по двухконтурной схеме

Такая ГТУ, построенная на базе авиационного двухконтурного двигателя обладает всеми достоинствами и недостатками пред идущей схемы рис.2 и их термодинамические циклы подобны простой ГТУ без свободной турбины [5].

Такая схема ГТУ обладает дополнительным преимуществом: увеличение _к из-за увеличения числа компрессоров и увеличение Т_Г из-за возможности реализации лучшего охлаждения ступеней турбины высокого давления.

Г

К НД КВДТВД ТНД

СТ Н

Рис.3. Схема двухконтурной ГТУ со свободной турбиной.

7. Коэффициент полезного действия гту простых схем для идеального и реального двигателя.

Идеальный цикл простой ГТУ

Цикл состоит из процессов в различных узлах ГТУ. Кривая АК – процесс адиабатного повышения давления, соответствующее сжатию в компрессоре; при введении охлаждения в процесс сжатия за идеальный процесс примем изотерму – кривая ОА. Кривая КГ (ОГ) – процесс подвода теплоты при постоянном давлении, соответствует повышению температуры рабочего тела в камере сгорания; характер протекания этого процесса определяет наименование цикла p = const. Кривая ГТ – процесс адиабатного понижения давления, соответствует расширению в турбине. Кривая ТА – процесс охлаждения при постоянном давлении, осуществляется только в замкнутых ГТУ; в открытых (простых) ГТУ этот процесс соответствует замене горячих продуктов сгорания, выходящих из турбины, холодным воздухом, который всасывается компрессором (точка А).

Скорость рабочего тела

ГТУ

ГТУ

подведенная извне теплота; отведенная во внешнюю среду

Работа идеального цикла:

, где i - энтальпия

Идеальные работы можно выразить через степень повышения давления , пологая процессы расширения адиабатными, протекающими в интервале давления ,

, тогда:

Обозначим , получим

Графически работы идеальных турбины и компрессора соответственно пропорциональны площадям криволинейных фигур, ограниченных 1ГТ2 для турбины и 1КА2 для компрессора. Работа идеального цикла пропорциональна площади АКГТ.

Коэффициент полезного действия

Эффективный КПД _е, позволяющий судить об экономичности идеального цикла, равен превращенной в работу доле подведенной теплоты:

Теплоемкость

так как и , то , или ; тогда коэффициент полезного действия для идеального цикла будет

Полученное выражение показывает, что КПД идеального цикла зависит от степени повышения давления , причем КПД увеличивается до единицы, при .

КПД действительной ГТУ

Удельная работа цикла ГТУ, или удельная мощность ГТУ, соответствует работе, получаемой с единицы массы рабочего тела, и может быть определена как разность полезной работы турбины и действительной работы компрессора в предположении, что расход массы в турбине и компрессоре одинаков,

где: и адиабатные теплоперепады на турбине и компрессоре соответственно, а и их действительные КПД

«*» – торможение} потенциал

Экономичность компрессора обычно оценивается адиабатным КПД по параметрам торможени:

выражение для адиабатной работы будет:

, где

Работу турбины оценим по температуре торможения

(15)

Получим выражение для удельной работы и введем в неё универсальную газовую постоянную

(16)

пренебрежем гидравлическими потерями в камере сгорания и при выходе из турбины: т.е , , Обозначим степень повышения давления в цикле , а отношение температур

При этом работы компрессора и турбины будут соответственно

При постоянной температуре Т_А и выбранных значениях , _к и _т удельная работа зависит от . При  = 1 имеем . При    работа , а работа турбины достигает до некоторой максимальной величины.

только от

Вблизи нулевого значения работ тангенс кривой тангенса в раз, то кривые и пересекаются при .

Величину можно определить, решая уравнение для удельной работы (17) при . Поскольку значение одного корня очевидно, то сократив уравнение на получим

При работа цикла достигает максимального значения.

Коэффициент полезного действия цикла с учетом введенных параметров , : , где – Q₁ теплота, подведенная к 1 кг рабочего тела, т.е. . При приближенном анализе циклов Q₁ определяем условно

Пользуясь введенными выше параметрами , и выражением (14), вычислим Q₁ по формуле:

Полагая теплоемкости одинаковыми в уравнениях удельной работы и теплоты на 1 кг рабочего тела, будет

Из представленных зависимостей следует: с ростом повышения давления количество теплоты Q₁ пропорционально выражению монотонно уменьшается, при некотором работа достигает максимума, но при этом достигает максимума при соответствующем .

8. Зависимость коэффициента полезного действия от степени повышения давления в компрессоре с учетом работ компрессора и турбины, и температуры газа перед турбиной.(+ ответ есть в 7 билете)

РИС. Зависимость параметров действительного цикла от степени повышения давления

, где

КПД компрессора

КПД турбины

Работа турбины

Работа компрессора

При этом работы компрессора и турбины будут соответственно

При постоянной температуре Т_А и выбранных значениях ,_к и _т удельная работа зависит от . При = 1 имеем . При работа , а работа турбины достигает до некоторой максимальной величины.

В действительности массы рабочего тела, проходящие в компрессоре и турбине, как и значения теплоемкостей в процессах сжатия и расширения отличаются, что должно быть учтено при расчете параметров реальных ГТУ. Однако для упрощения анализа увеличения наглядности получаемых зависимостей при общем исследовании различием масс и теплоемкостей можно пренебречь.

9. Оптимальная степень повышения давления компрессора при наименьшем диаметре компрессора.

Для заданной мощности ГТУ , наименьший диаметр компрессора можно получить при минимальных размерах первой ступени. Кольцевая площадь всасывания в компрессор

(23)

где – наружный диаметр первой ступени; – относительный диаметр втулки.

Выражая площадь через расход воздуха G, удельный объем и скорость при входе в ступень , находим

или (24)

Приравнивая правые части выражений (23) и (24) , получим

(25)

Из выражения (25) следует, что при рекомендуемых значениях и минимальный диаметр компрессора соответствует максимальной работе , которая достигается при = _L.

Величину _L можно определить из выражения . Полагая в уравнении (17) все параметры, кроме , постоянными, получаем зависимость . Отсюда

(26)

(27)

или, используя зависимости (20) и (21), имеем и .

Из выражения (26) следует, что величина растет с повышением температуры газа Т_Г и с увеличением КПД процессов.