1.4. Термодинамические циклы газотурбинных двигателей

Газотурбинным двигателем (ГТД) называется ТД, в котором процессы, образующие цикл, происходят в различных элементах двигателя: осевом компрессоре, одной или нескольких камерах сгорания и одной или нескольких газовых турбинах [3, 5, 7, 8].

Газотурбинные двигатели подразделяются на газотурбинные установки (ГТУ), используемые, в частности, в качестве энергопривода центробежных нагнетателей на компрессорных станциях магистральных газопроводов, и турбореактивные двигатели (ТРД), применяемые в авиации.

По способу подвода теплоты циклы ГТУ делятся на две группы:

1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = idem) или цикл Гемфри;

2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (p = idem) или цикл Брайтона.

1.4.1. Термодинамический цикл газотурбинной установки

с подводом теплоты при v = idem (цикл Гемфри)

На рис. 10а изображена принципиальная схема ГТУ, работающей по циклу Гемфри. Атмосферный воздух с начальными параметрами p_a и t_a сжимается в осевом компрессоре ОК до давления p_c, что приводит к увеличению температуры воздуха до t_c. Сжатый в осевом компрессоре ОК воздух поступает в камеры сгорания КСг через впускной клапан 1, а газообразное топливо  через впускной клапан 2 (клапан 3 при этом закрыт). Горение топливно-воздушной смеси происходит при закрытых клапанах 1, 2 и 3, т.е. в камерах сгорания КСг осуществляется изохорический (v = idem) подвод теплоты. Поскольку процесс сгорания топливно-воздушной смеси в камерах сгорания КСг происходит периодически, такая ГТУ имеет несколько камер сгорания, работающих со сдвигом во времени происходящих в них процессов. Давление и температура образовавшихся продуктов сгорания увеличиваются до p_z и t_z. Затем открывается выпускной клапан 3 (клапаны 1 и 2 при этом закрыты) и продукты сгорания (ПС) поступают в газовую турбину ГТ, где они, расширяясь на лопатках, совершают работу. Тепловая энергия ПС преобразуется в газовой турбине ГТ в работу в два этапа. На первом этапе потенциальная энергия, которой обладают ПС на входе в газовую турбину ГТ, преобразуется в кинетическую энергию потока ПС, расширяющегося и ускоряющегося на рабочих лопатках газовой турбины. На втором этапе кинетическая энергия потока ПС при изменении направления его движения на лопатках газовой турбины ГТ преобразуется в механическую энергию вращения силового вала СВ, приводящего в действие нагрузку Н  центробежный нагнетатель ЦБН или электрогенератор ЭГ. После расширения в газовой турбине ГТ продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Рабочим телом в цикле ГТУ, применяющихся в газовой промышленности,

в зависимости от стадии реализации цикла являются атмосферный воздух или смесь его с продуктами сгорания топлива.

На рис 10б изображен термодинамический цикл Гемфри в координатах p-v. Линия a-c изображает процесс адиабатического (q = 0) сжатия газа в осевом компрессоре, линия c-z  процесс изохорического (v = idem) подвода теплоты q_1,v в камере сгорания, линия z-s  процесс адиабатического расширения газа в турбине и линия s-a – процесс изобарического (p = idem) отвода теплоты q_2,p в атмосферу.

Значение температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину t_z ограничивается условиями прочности и охлаждения элементов турбины.

На рис. 10в изображен термодинамический цикл Гемфри в координатах T-s. Площадь фигуры а₁-c-z-s₁-а₁ представляет собой теплоту q_1,v, подводимую к газу при v = idem, площадь фигуры а₁-a-s-s₁-а₁  теплоту q_2,p, отводимую от газа при p = idem, а площадь фигуры а-c-z-s-а на рис. 8б и 8в  работу, совершаемую в цикле Гемфри.

Термический КПД цикла Гемфри, определяемый по формуле

_t,Г = 1  , (20)

зависит от степени повышения давления газа в осевом компрессоре  = (p_c / p_a), соотношения давлений газа в процессе подвода теплоты q_1,v в камере сгорания  = (p_z / p_c) и от показателя адиабаты k.

Термический КПД цикла Гемфри возрастает с увеличением степени повышения давления газа в осевом компрессоре  и соотношения давлений газа в процессе подвода теплоты в камере сгорания .