§ 10.1. Циклы гту с подводом теплоты при постоянном давлении

Принципиальная схема ГТУ с подводом теплоты при постоянном давле­нии приведена на рис. 10.1. Рассмотрим принцип действия установки.

В камеру сгорания (КС) через форсунки поступают воздух из осевого компрессора (ОК) и топливо из топливного насоса (ТН). Из камеры сгорания горячие газы через комбинированные сопла направляются на лопатки газо­вой турбины (ГТ), а затем выбрасываются в атмосферу. ЭГ - электрогенера­тор.

Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме pν - и Ts - диаграммах представлен на рис. 10.2 и 10.3.

В адиабатном процессе 1-2 происходит сжатие рабочего тела от парамет­ров точки 1 до параметров точки 2. В изобарном процессе 2-3 к рабочему телу подводится некоторое количество теплоты q₁ от верхнего источника теп­лоты. По адиабате 3-4 рабочее тело расширяется до первоначального давле­ния р₄= р₁ и по изобаре 4-1 приводится к параметрам точки 1 с отводом те­плоты q₂ к нижнему источнику теплоты.

Рис. 10.1.

Рис. 10.2.

Рис. 10.3.

Характеристики цикла:

- степень повышения давления в компрессоре;

- степень изобарного расширения.

Количества подводимой и отводимой теплоты определяются по формулам

;

.

С учетом последних соотношений формула для термического кпд будет

.

Найдем выражения температур Т₂, Т₃, Т₄ через начальную температуру Т₁ рабочего тела. Для адиабатного процесса 1-2 справедливо следующее соот­ношение

.

Отсюда

.

В изобарном процессе 2-3

.

Отсюда

.

В адиабатном процессе 3-4

.

Отсюда

.

Подставляя найденные значения температур в формулу для кпд, получим

.

Отсюда следует, что с увеличением степени повышения давления β и по­казателя адиабаты k, кпд ГТУ с подводом теплоты в процессе при постоян­ном давлении возрастает.

Однако термический кпд еще не может служить мерой экономичности ус­тановки. Эту роль выполняет эффективный кпд ГТУ

,

где l_e - эффективная работа (полезная работа на валу двигателя с учетом внутренних и механических потерь в установке). Эффективная работа опре­деляется как разность действительных работ расширения и сжатия

,

где - внутренний относительный кпд газовой турбины; - адиабатный кпд турбокомпрессора; η_м - механический кпд.

Рис. 10.4

Кривые зависимости η_t и η_e от β =p₂ /p₁ имеют следующий вид (рис. 10.4). Как видно, по мере увеличения β η_е сначала растет, а потом уменьша­ется и может упасть до нуля. Поэтому стараются так выбирать β, чтобы β ≤ β^*.

§10.2. Циклы гту с подводом теплоты при постоянном объеме

В отличие от ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении, где процесс горения осуществляется непрерывно, в ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме процесс горения является периодическим (пульсирующим). Через воздушный клапан 7 в камеру сгорания 1 поступает воздух, сжатый в компрессоре 6 (рис. 10.5). Сюда же топливным насосом 5 через топливный клапан 8 подается жидкое топливо. Процесс горения произ­водится при закрытых воздушном клапане 7 и сопловом клапане 2. Воспла­менение происходит от электрической искры. После сгорания топлива в ре­зультате повышения давления в камере 1 открывается сопловой клапан 2. Продукты сгорания, проходя через сопловые аппараты 3, поступают на ло­патки газовой турбины 4.

Идеальный цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при по­стоянном объеме в pν- и Ts - диаграммах представлен на рис. 10.6.

В адиабатном процессе 1-2 рабочее тело с параметрами р₁, ν₁, T₁ в точке 1 сжимается до параметров р₂, ν₂, T₂ в точке 2.

Рис. 10.5

В изохорном процессе 2-3 к рабочему телу подводится некоторое количе­ство теплоты q₁. Затем рабочее тело расширяется в адиабатном процессе 3-4 до начального давления р₄=р₁ и по изобаре 4-1 возвращается в первоначаль­ное состояние, характеризуемое параметрами точки 1. Характеристики цик­ла:

- степень повышения давления в компрессоре;

- степень добавочного повышения давления.

Рис. 10.6

Удельное количество подводимой и отводимой теплот определяется по формулам

;

.

Подставляя эти величины в формулу для термического кпд, получим

.

Найдем выражения для температур T₂, T₃, Т₄ через начальную температу­ру Т₁. В адиабатном процессе 1-2 имеем

.

Отсюда

.

В изохорном процессе 2-3

.

Отсюда

.

В адиабатном процессе 3-4

.

Отсюда

.

Подставляя найденные значения температур в выражение для термиче­ского кпд, получим

.

Отсюда видно, что термический кпд возрастает с возрастанием величин λ, β, k.