2.5. Газотурбинные установки

Газотурбинные установки (ГТУ) относятся к числу двигателей внутреннего сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется в турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу.

В основе работы ГТУ лежат идеальные циклы, состоящие из простейших термодинамических процессов. К числу возможных идеальных циклов ГТУ относятся:

 цикл с подводом теплоты при постоянном давлении р = const;

 цикл с подводом теплоты при постоянном объеме  = const;

 цикл с регенерацией теплоты.

Из перечисленных циклов наибольшее распространение получил цикл с подводом теплоты при р = const.

2.5.1. Цикл с подводом теплоты при р = const

Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении представлена на рис. 2.13. Компрессор К, приводимый в движение газовой турбиной ГТ, подает сжатый воздух в камеру сгорания КС, в которую впрыскивается топливо. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу.

а	б	в
Рис. 2.13. Схема ГТУ с подводом теплоты при р = const (а) и цикл в диаграммах р- (б) и Т-s (в): К  компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина

В термодинамических диаграммах р и Тs (см. рис. 2.13, б и в) цикл ГТУ 1-2-3-4-1. Работа цикла на р-диаграмме представляет собой разность площадей 2"-4-3-2' и 2"-1-2-2', соответственно равных работе турбины и компрессора.

В этих диаграммах: 1-2 – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты в камеру сгорания при р = const; 3-4 – адиабатное расширение газа в турбине; 4-1 – изобарная отдача теплоты окружающему воздуху.

Параметрами цикла являются: степень повышения давления воздуха  и степень предварительного расширения :

Термический КПД цикла определяется из выражения

где

Параметры газа в узловых точках цикла находятся по формулам, связывающим параметры газа в адиабатном и изобарном процессах:

точка 2 точка 3 точка 4

Термический КПД цикла

(2.2)

Работа цикла равна

Анализ выражения (2.2) показывает, что термический КПД ГТУ при данном рабочем веществе (данном k) зависит от степени повышения давления в компрессоре, причем с ростом  термический КПД увеличивается. С другой стороны, повышение  приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Значение этой температуры лимитируется жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 8001000 ^ОС и дальнейшее повышение температуры может быть достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми лопатками.

2.5.2. Цикл с подводом теплоты при  = const

В газотурбинной установке, работающей с подводом теплоты при  = const (рис. 2.14), процесс сгорания идет в замкнутом объеме камеры. Компрессор К, приводимой во вращение газовой турбиной ГТ, подает сжатый воздух в камеру сгорания КС через управляемый клапан Кл1. Второй клапан Кл2 находится в конце камеры сгорания и предназначен для выхода продуктов сгорания на турбину. Подача топлива осуществляется периодически через топливный клапан Кл3.

В камере сгорания при закрытых клапанах Кл1 и Кл2 происходит процесс горения топлива в постоянном объеме. При увеличении давления клапан Кл2 открывается и продукты сгорания поступают в сопловой аппарат и на лопатки турбины. Далее газ выбрасывается в окружающую среду.

На р и Тs-диаграммах процессы 1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты при  = const; 3-4 – адиабатное расширение газа в турбине; 4-1 – изобарная отдача газом теплоты окружающему воздуху.

Основными параметрами цикла являются: степень повышения давления воздуха  и степень изохорного повышения давления :

а	б	в
Рис. 2.14. Схема ГТУ с подводом теплоты при  = const (а) и цикл в диаграммах р (б) и Тs (в): К  компрессор; КС – камера сгорания; Кл1-Кл3 – клапаны; ГТ – газовая турбина

Термический КПД цикла определяется по формуле

Температуры газа в узловых точках цикла находятся по формулам:

точка 2 точка 3 точка 4

Термический КПД цикла

(2.3)

Работа цикла

Анализ формулы (2.3) показывает, что термический КПД цикла зависит от степени повышения давления и величины , характеризующей количество подведенной теплоты.

Из сравнения между собой циклов с подводом теплоты при р = const и  = const на р- и Тs-диаграммах (рис. 2.15) видно, что при одной и той же величине степени повышения давления и одинаковом количестве отведенной теплоты цикл при  = const выгоднее цикла при р = const.

а	б
Рис. 2.15. Сравнение между собой циклов с подводом теплоты при р = const и  = const на р (а) и Тs (б) диаграммах

Это объясняется большей степенью расширения, которая будет в цикле  = const, а следовательно, и большими значениями термического КПД. Несмотря на это преимущество, цикл с подводом теплоты при  = const широкого применения в практике не нашел в связи с усложнением конструкции камеры сгорания и ухудшением работы турбины в пульсирующем потоке газа.