2.2. Газотурбинные установки

Цикл энергетической стационарной установки. В отличие от па­ротурбинного (паросилового цикла Ренкина для водяного пара) в циклах газотурбинных установок рабочим телом служат сжатые газы, нагретые до высокой температуры. В качестве таких газов чаще всего используют смесь воздуха и продуктов сгорания жид­кого (или газообразного) топлива.

Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ) пред­ставлена на рис. 2.10. Воздушный компрессор К сжимает атмо­сферный воздух, повышая его давление от р₀ до р₂, и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным насосом непрерывно подается необходимое количество жидкого топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с тем­пературой Тз и практически с тем же давлением р₂ (если не учи­тывать сопротивления), что и на выходе из компрессора (р₂ = р₃). Следовательно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происхо­дит при постоянном давлении.

В газовой турбине (ГТ) продукты сгорания адиабатно расширя­ются, в результате чего их температура снижается до Т₄, а давление уменьшается до атмосферного р₀. Весь перепад давлений р₃ -р₀ ис­пользуется для получения технической работы в турбине l_тех. Боль­шая часть этой работы /_к расходуется на привод компрессора, раз­ность l_тех - l_к затрачивается на производство электроэнергии в элек­трическом генераторе (Г) или на другие цели. Эта разность и со­ставляет полезную работу цикла (расход энергии на привод топ­ливного насоса невелик и в первом приближении его можно не учитывать).

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2—3 на рис. 2.11), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом теп­лоты (линия 4—1), получим цикл га­зотурбинной установки 1—2—3—4.

П

Рис. 2.11. Цикл ГТУ

олезная работаl_ц изображается в p,v-диаграмме площадью, заключен­ной внутри контура цикла (площадь 1-2—3—4). На рис. 2.11, а видно, что полезная работа равна разности между технической работой, полученной в

турбине (площадь цикла6—3—4—5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6—2—1—5). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количеством подведенной q₁ и отведенной q₂ теплоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ

(2.3)

В формуле теплоемкость с_р для простоты расчетов принята постоянной.

Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре ,равная отношению давления воздуха после компрессора р₂ к давлению перед ним р₀. Выразим отношение температур в формуле (2.3) через степень повышения давления = р₂/р₀ из уравнения адиабаты:

;

поскольку р₄ = р₁ и р₃ = р₂, то T₄/T₁, = Т₃/Т₂. Из формулы (2.3) получим

(2.4)

При показателе адиабаты к = 1,33 формула (2.4) дает следующие значения для различных величин :

….. 23456789 10

….. 16 24 29 33 36 38,5 40,5 42 43,5

Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерыв­но возрастает с увеличением п. Это связано с увеличением темпе­ратуры в конце процесса сжатия Т₂ и соответственно температуры газов перед турбиной Т_ъ.

К сожалению, максимальная температура газов перед тур­биной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают основные ее элементы (в авиационных двигателях 1100... 1200 °С, в стационарных 750... 800 °С). Поэтому приходит­ся сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за счет подачи излишнего количества воздуха).

Цикл турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя. Схема данного двигателя представлена на рис. 2.12.

Цикл такого двигателя аналогичен идеальному газотурбинно­му циклу, поэтому для определения его термического КПД мо­жет быть использована формула

где — степень сжатия, равная отношению объема в начале сжа­тия к объему в конце сжатия:

Рис. 2.12. Схема турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя:

1 — диффузор; 2 — компрессор; 3 — форсунки; 4— камера сгорания; 5— газовая турбина; 6 — выходное сопло

В идеализированном виде цикл такого двигателя состоит в сле­дующем (рис. 2.13). Воздух при движении двигателя сжимается адиабатно в диффузоре (линия 1—а), далее поступает в

компрессор и в нем сжимается до более высокого давления (линия а-2). В камере сгорания происходит изобарное горение вводимого через форсунки топлива (линия 2—3); продукты сгорания частично расширяются в газовой турбине, обеспечивая работу компрессора (линия 3—Ь).

П

Рис. 2.13. Изображение цикла

турбокомпрессорного

воздушно-реактивного двигателя в p,v-диаграмме

лощадь контураа—2——а',выражающая теоретическую работу компрессора, должна быть равна площади З——Ь'—Ь, выражающей работу газовой турбины. После выхода из турбины продукты сгорания продолжают расширяться в сопле до давления окружающей среды (линия Ь—4). При этом скорость газов доходит до 600...700 м/с. Очевидно, в данном случае достигается большая степень сжатия и, следовательно, большее значение термического КПД.