2.5. Потери энергии в газотурбинной установке.

тепловой баланс камеры сгорания.

МОЩНОСТЬ И КПД ГТД

В реальных ГТУ, как и в других видах энергетических установок, часть энергии, вырабатываемой двигателем, не доходит до потребителя и безвозвратно теряется из цикла. Все потери энергии в ГТУ разделяются на внутренние, изменяющие термодинамическое состояние рабочего тела; ивнешние, не влияющие на состояние рабочего тела.

К внутренним потерямэнергии в ГТУ относят:

• внутренние потери в компрессоре, которые учитываются внутренним КПД компрессора –. К внутренним потерям компрессора относят:

• профильные потери, обусловленные трением потока воздуха или газа о профильную часть лопаток (потери от трения и вихреобразования в пограничном слое на поверхности рабочих и направляющих лопаток, потери от вихреобразования в вихревом закромочном следе, потери в скачках уплотнений);

• концевые потери, обусловленные наличием торцевых поверхностей лопаток и радиальных зазоров у вершин лопаток;

• другие внутренние потери, возникающие за пределами лопаток от трения ротора о воздух, смешения потоков и т.д.

• внутренние потери в газовой турбине, которые учитываются относительным внутренним КПД турбины –. К этим потерям (как и для компрессора) относят профильные, концевые и другие внутренние потери в проточной части газовой турбины;

• потери теплоты в камере сгорания, которые учитываются с помощью теплового КПД камеры сгорания –;

• потери на гидравлическое сопротивление в воздушном тракте ГТУ (гидравлические потери в воздухопроводах, регенераторах, воздухоохладителях);

• потери на гидравлическое сопротивление в газовом трактеГТУ (гидравлические потери в газопроводах, камере сгорания и регенераторе);

• потери,связанные с расходом воздуха на охлаждениетурбинных деталей (лопаток, дисков и т.д.).

Внутренние потери ГТУ учитываются внутренним КПД:

где: – внутренняя полезная работа ГТУ, [кДж/кг];

– действительное количество теплоты, затрачиваемое в камере

сгорания на нагрев воздуха от температуры Т₂доТ₃, [кДж/кг];

– расход топлива, [кг/с];

– расход воздуха, [кг/с];

– низшая теплота сгорания топлива, [кДж/кг].

К внешним потерямэнергии в ГТУ относятся:

• потери на трение в подшипниках компрессора, учитываемые механическим КПД компрессора –;

• потери на трение в подшипниках турбины, учитываемые механическим КПД газовой турбины –;

• потери на трение в подшипниках и зацеплениях редуктора, учитываемые механическим КПД редуктора –;

• потери вследствие утечки газачерез концевые уплотнения;

• затраты энергии на привод навешенных механизмов.

Внешние потери ГТУ учитываются механическим КПД установки:

где: – эффективная работа ГТУ, [кДж/кг];

– сумма внешних потерь энергии, [кДж/кг].

Наличие потерь энергии видоизменяет характер процессов, протекающих в реальной установке, по сравнению с теоретическим циклом (рис. 56):

При сжатии воздуха в компрессоре конечная точка 2, характеризующая термодинамическое состояние рабочего тела на выходе из компрессора, смещается по изобаре вправо относительно теоретической точки –(процесс сжатия воздуха происходит с увеличением энтропии рабочего тела). Аналогично, с увеличением энтропии рабочего тела, протекает процесс расширения газа в газовой турбине. Конечная точка – 4, характеризующая термодинамическое состояние газа на выходе из газовой турбины, смещается по изобаревправо относительно теоретической точки –.

Внутренние и внешние потери в ГТУ учитываются эффективным КПД, равным отношению эффективной работы к действительному количеству теплоты, затраченной на нагрев воздуха в камере сгорания:

где:

– величина, связанная с коэффициентом избытка воздуха при горении топлива.

Величина может быть определена из уравнения теплового баланса камеры сгорания ГТД.

В левую часть уравнения входят:

• теплота, выделяющаяся при сгорании топлива (первое слагаемое);

• теплота, вносимая в камеру сгорания с воздухом (второе слагаемое);

• Рис. 56. Диаграмма реального

  (с учетом потерь) цикла ГТУ

  теплота, вносимая в камеру сгорания с топливом (третье слагаемое).

Правая часть уравнения характеризует количество теплоты, содержащейся в отводимом из камеры сгорания газе.

где:

– расход топлива;

– низшая теплота сгорания топлива;

– коэффициент полноты горения;

– коэффициент избытка воздуха: отношение фактического расхода воздуха к теоретически необходимому для обеспечения полного сгорания топлива;

– теоретически необходимый расход воздуха для обеспечения полного

сгорания топлива;

– удельные теплоемкости воздуха, топлива и газа соответственно;

– температуры: воздуха на входе в камеру сгорания, топлива,

газов на выходе из камеры сгорания соответственно;

– количество теплоты, затраченной в цикле на подогрев 1кгвоздуха.

Эффективная мощностьгазотурбинной установки:

Наряду с термодинамической характеристикой реальный цикл ГТУ оценивается также двумя другими показателями – удельными расходами топлива и воздуха. Они представляют собой отношение массовых расходов топлива и воздуха, потребляемых установкой, к мощности, отдаваемой потребителю:

удельный расход топлива:;

удельный расход воздуха :

С учетом этих показателей, формула для определения КПД газотурбинной установки примет вид: