1.4.2. Термодинамический цикл газотурбинной установки

с подводом теплоты при p = idem (цикл Брайтона)

На рис. 11а изображена принципиальная схема ГТУ, работающей по циклу Брайтона. Она аналогична рассмотренной схеме ГТУ, работающей по циклу Гемфри, за исключением того, что горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания КСг этой ГТУ происходит непрерывно. Поэтому камера сгорания КСг ГТУ, работающей по циклу Брайтона, в отличие от ГТУ, работающей по циклу Гемфри, не имеющей клапанов.

На рис 11в, г изображен термодинамического цикла Брайтона в координатах соответственно p-v и T-s.

Формула для расчета термического КПД цикла Брайтона _t,Б выводится с использованием уравнения первого начала термостатики для потока 1 кг газа [6]

, (21)

поскольку процессы, происходящие в осевом компрессоре и газовой турбине ГТУ, являются процессами перемещения РТ из области одного давления в область другого. Работы адиабатических процессов сжатия 1 кг газа в компрессоре w_a-c и расширения его в газовой турбине w_z-s определяются следующим образом:

|w_a-c| , (22)

, (23)

а теплота q_c-z, подведенная к газу в камере сгорания, – из соотношения

, (24)

где  = (p_c / p_a) = (p_z / p_s) – степень повышения давления газа в компрессоре; C = [(k 1) /k]; k показатель адиабаты.

С учетом соотношений (21)(24), а также того, что при анализе теоретических циклов предполагается, что значения C_p,m и k одинаковы для процессов а-с, с-z, z-s и s-а, формула для расчета термического КПД цикла Брайтона _t,Б принимает вид

_t,Б = 1  ^C . (25)

Термический КПД цикла Брайтона возрастает с увеличением степени повышения давления газа в осевом компрессоре  и показателя адиабаты k.

Из сопоставления термических КПД циклов Гемфри _t,Г (с подводом теплоты при v = idem) и Брайтона _t,Б (с подводом теплоты при p = idem) (см. рис. 11, г) следует, что в этих циклах:

при одинаковой степени повышения давления газа ( = (p_c / p_a))

_t,Б  _t,Г , (26)

а при одинаковой наивысшей температуре T_z

_t,Б  _t,Г . (27)

Мощность ГТУ без учета механических потерь работы в подшипниках на трение и потерь на преодоление гидравлических сопротивлений в элементах ГТУ G , передаваемая потребителю, определяется из соотношения

, (28)

где G  расход воздуха через осевой компрессор.

Реальные процессы сжатия рабочего тела в осевом компрессоре и расширения его в газовой турбине происходят с увеличением энтропии в связи с наличием необратимых превращений работы в теплоту внутреннего теплообме-на  см. линии а-с_д и z-s_д на рис. 10в и рис. 11г. Кроме того, существуют потери давления в камере сгорания, в рекуператоре и в трубопроводах, а также потери полезной мощности ГТУ, что обусловлено наличием трения в подшипниках. Эти факторы снижают значения КПД ГТУ и мощности, передаваемой потребителю. Поэтому вводится понятие эффективного КПД ГТУ, представляющего собой отношение полезной работы ГТУ в реальном процессе к количеству теплоты, выделяемой при сгорании топливно-воздушной смеси.

При одинаковых степени повышения давления газа в осевом компрессоре  и температуре Т_m,2 температура Т_m,1 в цикле Гемфри (v=idem) больше, чем в цикле Брайтона (p=idem), т.к. изохора в координатах Т-s расположена круче по отношению к оси s, чем изобара. Однако, цикл Брайтона получил большее распространение в ГТУ, применяющихся в различных отраслях промышленности, по сравнению с циклом Гемфри, т.к. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, более просты в конструктивном отношении. Например, в цикле Гемфри для обеспечения непрерывности потока РТ через газовую турбину необходимо устанавливать несколько более сложных в конструктивном отношении клапанных камер сгорания, надежную работу которых трудно обеспечить в течение длительного срока эксплуатации ГТУ. Кроме того, пульсационный режим работы камер сгорания такой ГТУ снижает надежность и показатели эффективнос-ти  адиабатические КПД осевого компрессора и газовой турбины ГТУ.

В газовой промышленности применяются ГТУ только открытого цикла. Следует отметить, что существуют ГТУ закрытого цикла. В них РТ не выбрасывается в атмосферу, а после расширения в турбине и последующего охлаждения водой или наружные воздухом вновь поступает на вход осевого компрессора. Преимуществами таких ГТУ являются, во-первых, возможность использования высокоэффективных рабочих тел (например, гелия) и, во-вторых, возможность существенного увеличения мощности ГТУ путем повышения давления рабочего тела перед компрессором. Однако, большим недостатком ГТУ закрытого цикла является необходимость применения громоздких и дорогих промежуточных теплообменников.