2.4. Идеальный термодинамический цикл гту.

РАБОТА И КПД ЦИКЛА ГТУ

Газотурбинная установка, как и любой другой тепловой двигатель, представляет собой комплекс технических средств, в которых совершаются термодинамические процессы преобразования теплоты в механическую работу. Замкнутая совокупность этих процессов представляет собой термодинамический цикл газотурбинной установки.

Рассмотрим термодинамические процессы, происходящие в простейшей ГТУ открытого цикла (рис. 53). В состав ГТУ входит компрессор – К, приводимый в действие от газовой турбины –Т. От этой же газовой турбины через редуктор отбирается полезная мощность на движитель судна.

Рис. 53. Схема и термодинамический цикл простейшего ГТД открытого цикла

Воздух, являющийся рабочим телом в установке открытого цикла, забирается компрессором из атмосферы с давлениеми температурой– (точка1диаграммы, рис. 53). В процессе сжатия воздуха в компрессоре до давленияего температура повышается до значения(точка2). Из компрессора воздух с параметрамипоступает в камеру сгорания, куда одновременно подается топливо. Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, аккумулируется воздухом, и на выходе из камеры сгорания газы имеют параметры(точка3диаграммы). Величина давления газовв общем случае определяется характером процесса, происходящего в камере сгорания. Из камеры сгорания горячие газы поступают в газовую турбину, где происходит их расширение до давления , равного атмосферному (точка4). В процессе расширения в турбине температура газов снижается до значения. Отработавшие в турбине газы выбрасываются в атмосферу, где смешиваются с атмосферным воздухом. В процессе смешения параметры атмосферного воздуха не меняются (количество выбрасываемых газов пренебрежимо мало по сравнению с объемом земной атмосферы), открытый цикл замыкается условным процессом охлаждения продуктов сгорания в атмосфере до состояния воздуха на входе в компрессор –.

Таким образом, рабочий цикл ГТД открытого типа состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 53):

– адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

– подвод теплотыв камере сгорания двигателя;

– адиабатное расширение газов в газовой турбине;

– условный замыкающий процесс – отвод теплотыиз цикла

(охлаждение газов в атмосфере).

Количество теплоты , подведенное в камере сгорания двигателя, численно равно площади диаграммы; количество теплоты, отведенное из цикла – площади диаграммы.

Теоретически процесс повышения параметров рабочего тела в камере сгорания может протекать изохорноилиизобарно. Изохорный процесстермодинамически более выгоден, и цикл, построенный на изохорном подводе теплоты, имеет больший КПД. Но осуществить изохорное сжигание топлива в камере сгорания ГТД технически сложно, поэтому работа всех судовых ГТД основана на принципеизобарного подвода теплоты. При дальнейшем рассмотрении циклов ГТУ будем подразумевать, что параметры воздуха на выходе из компрессора равны, а параметры газа на входе в газовую турбину –, т. е. в камере сгорания ГТД происходит изобарное сгорание топлива.

Термодинамический цикл ГТУ с изобарным сгоранием топлива викоординатах изображен на рис. 54.

Рис. 54. Термодинамический цикл ГТУ с изобарным сгоранием топлива

в икоординатах (без учета потерь энергии).

Полученная в процессе расширения в газовой турбине механическая работа –, эквивалентная площадина диаграмме (рис. 54), частично расходуется на работу сжатия воздуха в компрессоре –(площадь). Полезная работа цикла –, отдаваемая потребителю энергии (движителю судна, генератору и т. д.), равна разности работ расширения газов в турбине и сжатия воздуха в компрессоре (площадь фигуры):

Площадь фигуры вдиаграмме также эквивалентна полезной работе цикла ГТУ –, и находится как разность между количеством подведенной теплоты в камере сгорания –(площадь) и отведенной теплоты в окружающую среду –(площадь):

Количество теплоты , подведенное в цикл с топливом, определяется условиями перехода рабочего тела из состоянияв состояние. Количество теплоты, отведенное из цикла с рабочим телом, определяется разностью энтальпий газа на выходе из турбины и воздуха на входе в компрессор:

где: – среднее значение теплоемкости для изобарного

подогрева рабочего тела в камере сгорания при

давлении ;

– среднее значение теплоемкости для изобарного

процесса охлаждения газов при давлении .

Коэффициент полезного действия для теоретического цикла ГТУ равен отношению полезной работы, совершенной в цикле, к затраченной:

Одной из основных характеристик газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре –, равная отношению давления воздуха на выходе из компрессора к давлению воздуха на входе в него:

Если выразить отношение температур в формуле КПД цикла через степень повышения давления, то формула КПД теоретического цикла ГТУ примет вид:

где: – показатель адиабаты.

Из формулы видно, что значение КПД теоретического цикла ГТУ напрямую зависит только от – степени повышения давления в компрессоре. Физический смысл влияния степени повышения давления в компрессоре на КПД цикла ГТУ виден из рис. 55. При давлении воздуха на выходе из компрессора, по линииподводится количество теплоты, соответствующее площади диаграм-мы. При повышении давления на выходе из компрессора до величины, по линииподводится большее количество теплоты –, соответствующее большей площади диаграммы.

Рис. 55. Влияние степени повышения

давления в компрессоре на КПД цикла

ГТУ.

Увеличение количества подве-денного тепла вызывает увеличение полезной работы цикла –(площадь фигурыбольше площади фигуры), что в свою очередь, при одинаковом количестве отведенного из цикла тепла(площадь диаграммы), приводит к увеличению КПД.

Подставив значение в формулу КПД теоретического цикла, можно численно рассчитать значения КПД ГТУ и проследить влияние степени повышения давления в компрессоре на коэффициент полезного действия цикла. Например, при показателе адиабаты для воздуха:

	2	4	6	8	10	12	14	16	18
	16	29	36	40	44	46	48	50	51

Увеличение степени повышения давления в компрессоре приводит к неизбежному увеличению температуры газа на входе в газовую турбину – (рис. 55), верхняя граница которой ограничена жаропрочностью материалов, из которых изготавливают детали проточной части газовых турбин, и современным развитием технологий металлургии. Несколько повысить верхнюю границупозволяет применение специальных жаропрочных материалов для изготовления деталей проточной части (лопаток и дисков турбин) и использование интенсивного их охлаждения. Эти мероприятия позволяют повысить верхнюю границудо 1400 ÷ 1500^оСв авиации, где ресурс ГТД мал, и до 1050 ÷ 1100^оСв стационарных, судовых и корабельных ГТД.