10. Циклы газотурбинных установок

Практическое применение нашли газотурбинные установки (ГТУ) со сгоранием топлива при постоянном давлении и постоянном объеме.

1. Цикл ГТУ со сгоранием топлива (подводом тепла) при постоянном давлении (цикл Брайтона)

Схема установки, реализующей этот цикл, представлена на рис. 10.1. Соответствующие P-v- и Т-s-диаграммы идеального цикла приведены на рис 10.2.

Рис. 10.1. Схема ГТУ, реализующей цикл Брайтона:

OК – осевой компрессор; ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; С – сопловой аппарат; ГТ – газовая турбина;

ЭГ – электрогенератор; 1 – 4 – характерные точки диаграмм цикла

Компрессор, расположенный на одном валу с газовой турбиной, всасывает воздух из атмосферы (P=P₁) и сжимает его до заданного давления (P=P₂). Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, туда же топливным насосом подается жидкое топливо. Сгорание (подвод тепла) происходит при постоянном давлении. Из камеры сгорания газ поступает в сопла, ускоряется и поступает на лопатки турбины, приводя во вращение ее ротор. Отработавший газ выпускается в атмосферу (P=P₁).

Рис. 10.2. P-v- и T-s- диаграммы идеального цикла Брайтона:

q₁ – подведенное тепло; q₂ – отведенное тепло; 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в ОК; 2-3 – изобарный подвод теплоты;

3-4 – адиабатное расширение в ГТ; 4-1 – условный изобарный процесс, замыкающий цикл

Полагая рабочее тело идеальным газом (PV=RT) с постоянными теплоемкостями C_p и C_v ( ), для термического коэффициента полезного действия такого цикла нетрудно получить

а)

б) ,

отсюда следует

,

где – степень сжатия;

в) т.к. , то , – степень повышения давления.

2. Цикл ГТУ со сгоранием топлива (подводом тепла) при постоянном объеме (цикл Гемфри).

В отличие от ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении, где процесс сгорания осуществляется непрерывно, в ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме процесс горения является периодическим (пульсирующим).

Схема ГТУ, реализующей цикл Гемфри, представлена на рис. 10.3. Соответствующие P-v- и Т-s- диаграммы идеального цикла приведены на рис. 10.4.

Компрессор и топливный насос подают сжатый воздух и жидкое топливо через клапаны (воздушный и топливный) в КС. Для воспламенения топлива, как правило, используется электрическая свеча. Сопловой аппарат отделен от КС сопловым клапаном. При сгорании топлива все три клапана закрыты и горение происходит при постоянном объеме. После сгорания топлива давление в КС повышается, сопловой клапан открывается и газ через сопла поступает на лопатки турбины, приводя во вращение ее ротор. Отработавший газ выпускается в атмосферу.

Рис. 10.3. Схема ГТУ, реализующей цикл Гемфри:

ЭС – электросвеча (остальные обозначения см. на рис. 10.1)

Термический к.п.д. цикла для идеального газа при постоянных значениях C_p и C_v определяется по формуле

, .

Основными характеристиками для данного цикла являются – степень повышения давления в ОК; – степень повышения давления в КС. Используя эти величины, получим

Рис. 10.4. P-v и Т-s- диаграммы идеального цикла Гемфри:

1-2 – адиабатное сжатие воздуха в ОК; 2-3 – подвод тепла при V=const; 3-4 – адиабатное расширение в ГТ; 4-1 – условный изобарный процесс отвода тепла в окружающую среду, замыкающий цикл