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 lтех. Большая часть этой работы /к расходуется на привод компрессора, разность lтех - lк 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).
З
аменив
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
т
урбине
(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 ср 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 Тъ.
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

Рис.
2.13. Изображение цикла турбокомпрессорного воздушно-реактивного
двигателя в
p,v-диаграмме
П
—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.
