книги из ГПНТБ / Нигматулин И.Н. Тепловые двигатели учеб. пособие

нок. Клапаны, свеча зажигания и форсунки (если камера работает на жидком топливе) управляются посредством специального распредели­ тельного механизма 4, который имеет механический привод от вала турбины 2. Этот механизм позволяет открывать и закрывать клапаны, осуществлять подачу топлива и зажигание его с помощью свечи 7 в строго определенные моменты. Как это видно из рис. 2-3, газовая тур­ бина 2 приводит во вращение компрессор 1 и топливный насос 3, а избыточную мощность отдает на электрогенератор 10.

5 6 7 8 9

Рис. 2-3. Принципиальная схема простейшей ГТУ с закрытой камерой сгорания

Рабочий процесс в закрытой камере сгорания 8 происходит сле­ дующим образом. После заполнения ее воздухом клапан 5 закрывается и только тогда подается (впрыскивается) топливо. Образовавшаяся горючая смесь затем воспламеняется электрической искрой от свечи 7. В связи с тем, что выпускной клапан 9 в это время закрыт, процесс сгорания происходит в замкнутом (постоянном) объеме. Температура

идавление газообразных продуктов сгорания в камере 8 повышаются пропорционально скорости выделения тепла, т. е. интенсивности про­ цесса сгорания топлива. В конце сгорания выпускной клапан 9 откры­ вается, и газы из камеры направляются в турбину 2. По мере выпуска температура и давление газов в камере понижаются. Когда их давле­ ние упадет до определенной величины, открывается впускной клапан 5,

ив камеру сгорания начинает поступать свежий воздух, с помощью

160

весь процесс снова повторяется. Таким образом, нетрудно заметить, что давление в закрытой камере сгорания при работе периодически изменяется, причем в весьма широких пределах.

Следует отметить, что кроме камер вышеописанного типа разрабо­ таны также одноклапанные и бесклапанные конструкции закрытых камер сгорания, которые являются более перспективными.

Сравнение циклов ГТУ со сгоранием при р = const и v = const показывает, что при одинаковой величине степени повышения давле­ ния |3 в компрессоре в цикле с v = const степень расширения, а значит, и термический к. п. д. будут больше. Но, несмотря наэто пре­ имущество, ГТУ с v = const до сих пор не получили практического

конструкцию камеры сгорания. Больше того, практика показала, что именно из-за клапанов камера сгорания становится ненадежной и не­ долговечной в работе; 2) вследствие пульсаций газового потока воз­ можно появление опасных вибраций турбинных лопаток, что может привести к авариям; 3) так как газ проходит через клапаны, он дрос­ селируется, а за счет этого снижается к. п. д. ГТУ; 4) к. п. д. снижает­ ся еще и потому, что при переменном давлении турбина на протяже­ нии большей части цикла работает на нерасчетном режиме, когда об­ текание ее проточной части сопровождается повышенными потерями.

§ 2-3. Основные показатели, характеризующие ГТУ, и способы повышения экономичности ГТУ

В реальной ГТУ имеется целый ряд потерь, которые разделяют­ ся на внутренние и внешние.

Внутренние потери непосредственно связаны с изменением состоя­ ния рабочего тела. К ним относятся: 1) внутренние потери в компрес­

тельным внутренним к. п. д. турбины -q0i; 3) потери тепла в камересгорания учитываются с помощью теплового к. п. д. камеры сгорания г1к.с', 4) потери на гидравлическое сопротивление в воздушном тракте ГТУ, к которым относятся гидравлические потери в воздухопроводах,

где /г — внутренняя полезная работа ГТУ, кДж/кг; qK-c — действи­ тельное количество тепла, затрачиваемого в камере сгорания на нагрев 1 кг воздуха от температуры Т 4 до Т 4 (см. рис. 2-2), кДж/кг;

и камере сгорания. Из (2-21) видно, что зависимость ч\ь от Y£.c линей­

шего совершенствования конструктивного исполнения компрессоров и газовых турбин, особенно их проточной части. В настоящий момент

Как можно заметить, с увеличением т величина к. п. д. ГТУ непре­ рывно растет. Повышается при этом и работоспособность 1 кг воздуха, а это значит, что снижается его расход на единицу мощности, и следо­ вательно, уменьшается потребляемая компрессором мощность. Но увеличение т возможно как путем повышения Tlt так и за счет сниже­

ния Т3.

В связи с тем что температура атмосферного воздуха изменяется в сравнительно широких пределах, она оказывает существенное влия­ ние на экономичность и мощность ГТУ. При повышении Т3 удельный объем воздуха увеличивается, в результате чего увеличивается и ра­ бота, затрачиваемая на сжатие его в компрессоре. Весовой расход воздуха, а значит, и мощность установки при этом снижаются.

162

В практике увеличение к. п. д. ГТУ достигается за счет повышения 7\ — начальной температуры газов при некотором заданном значе­ нии Т3. Из рис. 2-4 видно, что чем выше Ти тем больше т)г. Это спра­ ведливо для любых схем ГТУ и типов турбин, так как 7\, с термодина­ мической точки зрения, является максимальной температурой цикла и поэтому повышение ее всегда ведет к увеличению к . п . д . Допускае­ мая в настоящее время, исходя из условий надежной и долговечной работы стационарных турбин

схемы ГТУ, она возрастает с повышением 7\ и уменьшением Тг. Но

Очевидно, чем больше б, тем меньшая часть работы (или мощности) ГТУ расходуется на сжатие в компрессоре и тем соответственно боль­ шую часть ее можно полезно использовать, т. е. передать потребителю.

Подставив в (2-22) значения /т и I, из (2-16) и (2-17), после преобра­

Удельный расход воздуха равен отношению часового весового рас­ хода GB к полезной мощности и в определенной степени характеризует размеры установки. Чем он меньше при заданной мощности и прочих равных условиях, тем меньше будут размеры установки:

164

на состояние рабочего тела. К ним относятся потери на трение в под­ шипниках турбины и компрессора, в зубчатой передаче (если она име­ ется), потери вследствие утечки газа через концевые уплотнения вала, а также затраты энергии на привод навешенных вспомогательных механизмов (топливного и масляного насосов, регулятора и т. д.).

Внешние потери учитываются с помощью механического к.п.д.

Зная величины внутреннего к.п.д. компрессора т)к , относительного

Внутренние и внешние потери в ГТУ учитываются в комплексе с помощью эффективного к.п.д. установки, который равен отношению эффективной работы к действительному количеству тепла, затрачен­ ному на нагрев 1 кг воздуха в камере сгорания:

165

Удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт-ч),

Существует ряд следующих способов повышения экономичности ГТУ: 1) за счет применения регенерации тепла отработавших в тур­ бине газов; 2) путем ступенчатого сжатия воздуха с промежуточным его охлаждением; 3) с помощью применения ступенчатого сгорания (подогрева газа); 4) путем создания сложных и многовальных устано­ вок, что дает возможность повысить экономичность ГТУ, особенно при работе на частичных нагрузках; 5) путем создания комбиниро­ ванных установок, работающих по парогазовому циклу и с поршне­ выми камерами сгорания.

Все перечисленные способы рассматриваются в последующих па­ раграфах.

§ 2-4. Одновальные ГТУ с регенерацией

Одним из способов повышения экономичности ГТУ является ис­ пользование тепла отработавших в турбине газов для подогрева посту­ пающего в камеру сгорания воздуха. Для этого воздух после компрес­ сора / (рис. 2-5, а) пропускается через регенератор 2, который пред­ ставляет собой теплообменный аппарат поверхностного типа. Туда же, в регенератор 2, после газовой турбины 4 направляются отходящие газы, которые путем теплообмена отдают часть своего тепла воздуху и затем удаляются в атмосферу. Подогретый воздух далее поступает обычным путем в камеру сгорания 3.

тепла в камере сгорания при р = const; /—2 — расширение в турби­

166

ченного 1 кг воздуха в регенераторе, а площадь d—6—2—е — коли­ чество тепла, отданного 1 кг газа воздуху. Они будут, очевидно, равны при условии отсутствия потерь в окружающую среду. Тепло отрабо­

называется степенью регенерации. Иначе говоря, степенью регенера­ ции называется отношение количества тепла, действительно передан­ ного воздуху в регенераторе, к тому количеству тепла, которое было бы передано при нагреве воздуха до температуры газов, уходящих из турбины.

Выразим qt и q2 через параметры цикла:

где Tk — температура воздуха перед регенератором, К; Тъ — темпе­ ратура воздуха после регенератора, К-

Очевидно, если нагреть воздух до температуры уходящих газов из турбины, т. е. до Тъ = Т2, то количество переданного в регенерато­ ре тепла

Если пренебречь потерями давления газа и воздуха в регенераторе, то можно считать, что регенерация не влияет на величину полезной работы ГТУ которая определяется (2-17). Зато при регенерации количество тепла, которое вносится в камеру сгорания с сжигаемым топливом <7Р, будет меньше на величину qt по сравнению с циклом без регенерации, т. е.

где qKuC — тепло, вносимое в камеру сгорания с сжигаемым топливом в цикле без регенерации.

Отсюда внутренний к. п. д. ГТУ при наличии регенерации

167

ва регенератора, а следовательно, его габариты и вес получаются обычно очень большими. Поэтому выбор наивыгоднейшего значения

168

R производится в зависимости от схемы и назначения ГТУ на основа­

поновки всего оборудования установки в целом. Кроме того, нужно всегда учитывать, что установка регенератора ведет к дополнительным

ной величине гидравлических сопротивлений положительный эффект от применения регенерации может быть сведен к нулю.

В заключение необходимо отметить следующее. Регенерация по­ зволяет повысить экономичность ГТУ не только на номинальном ре­ жиме, но также и при работе на частичных нагрузках, так как к.п.д. установки с регенерацией уменьшается медленнее при уменьшении нагрузки, чем к.п.д. ГТУ без регенерации.

Регенерация применяется не только в одновальных ГТУ, схема которой была рассмотрена в настоящем параграфе, но и в сложных многовальных установках, во всех тех случаях, когда она дает реаль­ ный экономический выигрыш.

§ 2-5. ГТУ со ступенчатым сжатием и со ступенчатым сгоранием

Из термодинамики известно, что затрачиваемая на сжатие газа работа при прочих равных условиях будет наименьшей, если процесс осуществляется изотермически. Но практически такое сжатие в ком­ прессоре осуществить невозможно.

Рис. 2-7. ГТУ со ступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха

Чтобы приблизить процесс к изотермическому и тем самым умень­ шить затрачиваемую работу, применяют ступенчатое сжатие с охлаж­ дением воздуха после каждой ступени в промежуточных воздухоохла­ дителях (холодильниках). Очевидно, чем больше будет таких ступеней с холодильниками, тем ближе к изотермическому станет процесс сжа­ тия. Однако установка при этом будет все более сложной и дорогой и,

169