1.3 Сложные циклы. Цикл с регенерацией

Существенный недостаток газотурбинного двигателя, работающего по простому циклу – сравнительно низкая его экономичность даже при высоких значениях температуры газов перед турбиной. Одна из причин такого недостатка – большая потеря теплоты с уходящими газами. Однако эта потеря теплоты может быть значительно уменьшена, если ввести в цикл регенерацию, т.е. если теплоту отработавших газов из турбины использовать для подогрева сжатого воздуха. В данном случае воздух будет поступать в камеру сгорания с более высокой температурой, что потребует меньшего количества топлива для получения газов заданной температуры, т.е. приведет к повышению экономичности работы двигателя.

Рис. 1.3

На рис. 3 изображена схема газотурбинной установки, работающей по циклу с регенерацией. Воздух, сжатый в компрессоре 6, вначале поступает в теплообменный аппарат (регенератор) 5, где он несколько подогревается, а затем в камеру сгорания 4. Образовавшиеся здесь газы направляются в турбину 3, расширяясь в ней до давления близкого к атмосферному, и поступают в регенератор, отдавая часть теплоты воздуху. Мощность, развиваемая турбиной, затрачивается на привод компрессора и потребителя 1 через редуктор 2.

Степень использования уходящей теплоты в цикле характеризуется коэффициентом регенерации. Коэффициентом регенерации или степенью регенерации называется отношение теплоты, полученной воздухом в регенераторе, к той максимальной теплоте, которую он мог бы получить, будучи нагретым, до температуры газов, выходящих из турбины. Считая теплоемкость воздуха и газов одинаковыми, можем записать

где	- температура воздуха на входе в камеру сгорания
	- температура воздуха за компрессором
	- температура газов за турбиной.

Регенераторы имеют весьма большую площадь нагрева. Например при r = 0.75 и мощности установки 10 000 кВт площадь регенератора составляет ~ 2 550 м².

С увеличением степени регенерации площадь регенератора резко возрастает и при r = 1 .

Таким образом, увеличение степени регенерации, а вместе с этим и к.п.д. установки влечет за собой увеличение поверхности теплообмена регенератора.

В результате рассмотрения цикла с регенерацией необходимо сделать следующие выводы. Регенерация – эффективное средство повышения экономичности газотурбинной установки возможное только за счет ее усложнения и утяжеления.

При рассмотрении цикла с регенерацией не учитывались дополнительные потери на преодоление гидравлических сопротивлений, которые имеются при прохождении воздуха и газов через регенератор. Это снижает полезную работу установки и ее к.п.д., что в относительных случаях не приносит экономического эффекта.

1.4 Цикл с промежуточным охлаждением и регенерацией

Полезная работа цикла может быть увеличена путем осуществления процесса сжатия до требуемого давления в двух компрессорах с охлаждением воздуха между ними. При этом работа, затраченная на привод второго компрессора, уменьшается пропорционально понижению абсолютной температуры воздуха на входе в компрессор.

Рис. 1.4

Судовые газотурбинные установки выполняются многовальными; обычно каждый из компрессоров находится на отдельном валу и приводится в действие собственной турбиной. Таким образом, наличие в схеме, например, двух компрессоров требует как минимум двух турбин.

Однако, чтобы показать влияние промежуточного охлаждения на характеристики установки, достаточно рассмотреть упрощенную схему ГТУ с двумя компрессорами расположенными на одном валу и приводимыми в действие одной турбиной, обеспечивающей также и привод гребного винта.

Полезная удельная работа рассматриваемого цикла определяется из выражения

где и- удельные работы компрессоров низкого и высокого давления

и - степени повышения давления в КНД и КВД.

- общая, или полная степень повышения давления.

Удельная работа турбины

Для уменьшения габаритов промежуточного воздухоохладителя принимают .

Количество теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле, определится

Температура воздуха на входе в камеру сгорания может быть найдена из выражения для степени регенерации

Температура воздуха на входе в регенератор и температура газов за турбиноймогут быть найдены из следующих выражений

Внутренний к.п.д. установки определится как

Принимая теплоемкость воздуха и газа одинаковыми, а также пренебрегая их массовым различием, после подстановки в уравнение для определения значенияи, установим, что внутренний к.п.д. ГТУ с промежуточным охлаждением и регенерацией при заданной общей степени повышения давлениявозрастает с увеличениеми с уменьшениеми.

На внутренний к.п.д. рассматриваемой установки влияет также степень повышения давления в компрессоре низкого давления . При этом с увеличениемвнутренний к.п.д.вначале растет, так как работа сжатия уменьшается быстрее, чем увеличивается количество подведенной теплоты.

По достижении определенного значения работа сжатия начинает уменьшаться медленнее, чем увеличивается количество подведенной теплоты, вследствие чего происходит замедление роста, а затем и его падение.

При дальнейшем увеличении наблюдается уже увеличение работы сжатия, и уменьшениестановится еще более заметным.

Оптимальное значение , обеспечивающее максимум к.п.д., приближенно может быть принято равным

Анализ показывает, что промежуточное охлаждение воздуха между ступенями компрессора значительно повышает полезную работу установки (уменьшает удельный расход воздуха), что сокращает проходные сечения труб, компрессоров, турбин и регенератора.

Расчеты показывают, что применение промежуточного охлаждения повышает к.п.д. ГТУ (в относительном выражении) примерно на 7% и уменьшает удельный расход воздуха (при оптимальных значениях ) примерно ~ 20%. С учетом всех факторов к.п.д. газотурбинного двигателя с регенерацией и промежуточным охлаждением приисоставит ~ 31,5%.