14. Циклы газотурбинных установок

Газотурбинные установки (ГТУ) отличаются от ДВС тем, что полезная работа производится в них за счет кинетической энергии движущегося газа. ГТУ состоят из нескольких агрегатов, из которых основными являются: 1) компрессор, сжимающий воздух, направляющийся в камеру сгорания; 2) камера сгорания, в которой при p = const или при u = const происходит горение топлива, подаваемого специальным насосом; 3) газовая турбина. Газовая турбина в свою очередь состоит из вращающегося вала (называемого ротором), на который насажен ряд дисков с радиальными лопатками, и неподвижного корпуса (называемого статором), образующего сопловый аппарат.

Процесс преобразования тепловой энергии в работу на валу турбины происходит следующим образом. Продукты сгорания топлива, имеющие высокие температуру и давление, поступают из камеры сгорания в сопла турбины, в которых за счет уменьшения энтальпии увеличивается их кинетическая энергия. Затем газ, вытекая из сопел с большей скоростью, проходит через криволинейные каналы, образованные лопатками ротора турбины, в которых и совершает работу за счет своей кинетической энергии. При прохождении газа по криволинейным каналам в результате изменения направления и скорости его движения развивается давление на лопатки, создающее вращение ротора турбины. Ротор турбины приводит во вращение электрогенератор (или другой потребитель энергии). Конструктивно ГТУ выполняются так, что турбина, компрессор, эл.генератор, топливный насос и пусковой эл.двигатель обычно находятся на одном валу.

ГТУ обладают существенными преимуществами перед ДВС: 1) малым весом и малыми габаритами при большой мощности; 2) отсутствием кривошипно-шатунного механизма; 3) равномерностью хода; 4) простотой обслуживания.

При рассмотрении циклов ГТУ сделаем те же допущения, которые были сделаны в предыдущей главе при рассмотрении циклов ДВС, т.е. будем рассматривать термодинамические циклы.

14.1 Цикл гту с изобарным подводом теплоты

Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении изображена на рис. 14.1. Компрессор 2, приводимый в движение газовой турбиной 1, подает сжатый воздух в камеру сгорания 6, в которую через форсунку 7 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 3, находящимся на валу турбины, из топливного бака 4. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате газовой турбины и частично на лопатках ротора турбины и выбрасываются в атмосферу. Мощность, развиваемая турбиной, частично расходуется на привод компрессора и топливного насоса, а остальная часть потребляется электрогенератором 8 (или другим потребителем). Пуск установки осуществляется пусковым эл.двигателем 5.

Изобразим термодинамический цикл такой ГТУ в координатах p, u и T, s (рис. 14.2)

Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 - изобарный подвод теплоты q₁ в камере сгорания; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине; 4-1 - изобарный отвод теплоты.

Работа, совершаемая в турбине 1 кг газа l_т при адиабатном расширении, будет равна разности энтальпий газа перед турбиной и после нее: l_т = h₃ - h₄. Эта работа за вычетом работы, затрачиваемой на привод компрессора l_к = h₂ - h₁, воспринимается потребителем и составляет работу цикла.

l_ц = l_т - l_к = (h₃ - h₄) - (h₂ - h₁).

С другой стороны, работу цикла можно найти как разность подведенного и отведенного тепла.

l_ц = q₁ - q₂ = (h₃ - h₂) - (h₄ - h₁).

При обоих подходах получаем один и тот же результат.

Найдем термический к.п.д. цикла: h_t = 1 - q₂/q₁.

Подведенное и отведенное тепло будет q₁ = c_p(T₃ - T₂) и q₂ = c_p(T₄ - T₁). Тогда h_t = 1 - c_p(T₄ - T₁)/c_p(T₃ - T₂).

Параметрами цикла будут:

- степень повышения давления при адиабатном сжатии в компрессоре;

- степень предварительного расширения.

Определим температуры газа в точках 2,3 и 4 через заданную температуру в точке 1.

Из адиабаты 1-2

, откуда .

Из изобары 2-3

, откуда .

Из адиабаты 3-4

, откуда .

Тогда

. (14.1)

Следовательно, h_t цикла ГТУ с подводом теплоты при p = const является прямой функцией степени повышения давления b. Однако повышение b приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Величина этой температуры лимитируется жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 800 - 1000 ^оС.