2. Основные циклы газотурбинных установок

Одним из основных недостатков, присущих поршневым двигателям внутреннего сгорания, является неизбежная неравномерность работы двигателя во времени — в течение цикла температуры и давления в цилиндре резко меняются; для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное неизбежно применение кривошипно-шатунного механизма. Средняя скорость рабочего тела относительно двигателя невелика. Все эти обстоятельства не позволяют при создании двигателей внутреннего сгорания сосредоточить большую мощность в одном агрегате.

От этих недостатков свободен двигатель внутреннего сгорания другого типа — газотурбинная установка. Цикл газотурбинной установки состоит из тех же процессов, что и цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания, но существеннейшее различие заключается в следующем: если в поршневом, двигателе эти процессы происходят последовательно, один за другим, в одном и том же элементе двигателя — цилиндре, то в газотурбинной установке эти процессы происходят в различных элементах этой установки и, таким образом, в ней нет такой неравномерности условий работы элементов двигателя, как в поршневом двигателе. В газотурбинных установках средняя скорость рабочего тела в 50— 100 раз выше, чем в поршневых двигателях. Все это позволяет сосредоточить в малогабаритных газотурбинных установках большие мощности. Термический КПД газотурбинных установок высок. Эти важные преимущества делают газотурбинную установку весьма перспективным двигателем. Пока еще ограниченное применение газовых турбин в высокоэкономичных крупных энергетических установках объясняется в основном тем, что из-за недостаточной жаропрочности современных конструкционных материалов такая турбина может надежно работать в области температур, меньших области температур в двигателях внутреннего сгорания поршневого типа (ибо в поршневых двигателях температура рабочего тела меняется во времени и, следовательно, тепловой режим работы поршня, стенок цилиндра и других узлов является не очень напряженным, тогда как в газотурбинной установке многие конструкционные элементы работают в условиях постоянного воздействия высоких температур); это обстоятельство приводит к снижению термического КПД установки. Дальнейший прогресс в создании новых жаропрочных материалов позволит газовой турбине работать в области более высоких температур.

В настоящее время газотурбинные двигатели широко применяются в авиации, на магистральных газопроводах, на колесных и гусеничных машинах, во флоте, в некоторых странах применяются на железнодорожном транспорте.

Циклы газотурбинных установок разделяются на две основные группы: со сгоранием р=const; со сгоранием при V=const.

Таким образом, газотурбинные установки классифицируются по тому же признаку, что и поршневые двигатели внутреннего сгорания, — по способу сжигания топлива.

3. Расчёт циклов газотурбинных установок

Принимаем по заданию:

Рис.1. Схема ГТУ при p=const

Сгорание топлива происходит в камере сгорания при p=const. Продукты сгорания, расширившись в соплах 5 газовой турбины, попадают на лопатки 6 турбины, производят там работу за счет своей кинетической энергии и затем выбрасываются в атмосферу через выпускной патрубок 7. Давление отработавших газов несколько превышает атмосферное (поскольку отработавшим газам нужно преодолеть сопротивление выходного патрубка).

Идеализированный цикл рассматриваемой газотурбинной установки изображен в р, υ-диаграмме на рис. 1.

Принцип построения этого идеализированного цикла такой же, как использованный ранее для поршневых двигателей: предполагается, что цикл замкнутый, т. е. количество рабочего тела в цикле сохраняется постоянным; выход отработавших газов в атмосферу заменяется изобарным процессом с отводом теплоты к холодному источнику; считается, что теплота q₁подводится к рабочему телу извне, через стенки корпуса установки, а рабочим телом турбины является газ неизменного состава, например чистый воздух.

В р,υ-диаграмме на рис.1 процесс 1-2 представляет собой сжатие воздуха в компрессоре. По изобаре 2-3 к рабочему телу подводится теплота (этот процесс соответствует сгоранию топлива в камере сгорания). Далее рабочее тело (в действительном цикле — это воздух и продукты сгорания) адиабатно расширяется в сопловом аппарате турбины и отдает работу турбинному колесу (3-4). Изобарный процесс 4-1 соответствует выходу отработавших газов из турбины.

Определим термический КПД цикла газотурбинной установки со сгоранием при p=const, иногда называемого циклом Брайтона. Как и раньше, считаем рабочее тело идеальным газом с постоянной теплоемкостью.

Значение η_т рассматриваемой установки будет различным — изотермическим, адиабатным или политропным в зависимости от процесса сжатия, осуществляемого в компрессоре.

Рассмотрим вначале цикл газотурбинной установки со сгоранием при p=const с изотермическим сжатием воздуха в компрессоре.

Может возникнуть вопрос — почему при рассмотрении поршневых двигателей внутреннего сгорания мы считаем процесс выхлопа, происходящим по изохоре, а для газотурбинной установки — по изобаре? Дело в том, что поршневой двигатель является машиной периодического действия (т. е. параметры рабочего тела в фиксированной точке цилиндра меняются с течением времени), а турбина является машиной непрерывного действия (в стационарном режиме работы параметры рабочего тела неизменны во времени). Следовательно, давление отработавших газов на выходе из турбины всегда постоянно (p₄ =const) и близко к атмосферному, тогда как в поршневом двигателе при открытии выхлопного клапана давление в цилиндре снижается до атмосферного практически мгновенно, за время, в течение которого поршень смещается весьма мало (υ=const).

Зависимость η_т от ρ для разных значений β (при κ=1,40), описывается уравнением (4).

Из уравнения (4) можно найти максимальное значение η_т для каждой степени предварительного расширения ρ. Возьмем для этого первую производную от η_т по степени увеличения давления β при ρ=const. После соответствующих преобразований получим:

(5)