Циклы газотурбинных установок

Газотурбинная установка (ГТУ) представляет собой тепловой двигатель, основным элементом которого является газовая турбина. Кроме того, в схему простейшей ГТУ (рис. 3.14) входят камера сгорания и воздушный компрессор.

П

Рис. 3.39

ринцип работы такого теплового двигателя состоит в следующем. Наружный воздух сжимается в компрессоре и подается в камеру сгорания, куда одновременно подается и топливо. Образующиеся продукты сгорания направляются в газовую турбину, где, расширяясь до давления окружающей среды, производят работу и выбрасываются наружу. Механическая энергия, выработанная в газовой турбине, с помощью генератора превращается в электрическую.

Процесс горения в камере сгорания может быть организован двумя различными путями: при постоянном давлении (p = const) и постоянном объеме (v = const).

В первом типе ГТУ процессы подачи топлива и воздуха, а также горения и истечения осуществляются непрерывно.

Для осуществления сгорания топлива при v = const во втором типе установок камеру сгорания после наполнения ее горючей смесью необходимо отключать, закрывая впускные и выпускные клапаны.

Затем производится зажигание рабочей смеси искровым электрическим разрядом, ее горение при постоянном объеме, после чего продукты сгорания выпускаются из камеры в газовую турбину. Для снижения пульсации давления ставят несколько камер сгорания на одну турбину.

Рассмотрим идеализированные термодинамические циклы газотурбинных установок. Цикл с подводом тепла при р = const (рис. 3.15) состоит из адиабаты 1 – 2 сжатия воздуха в компрессоре, процесса 2 – 3 изобарного подвода тепла q₁, адиабаты 3 – 4 расширения газов в проточной части турбины и изобары 4 – 1 отвода тепла q₂.

Рис. 3.40 Рис. 3.41

Термический КПД цикла определяется по общей формуле:

. (3.133)

Поскольку

,

то T₄ / T₂ = T₃ / T₂ и запись формулы (3.33) приобретает вид:

. (3.134)

Обозначив степень повышения давления в компрессоре p₂ / p₁ = σ, а степень сжатия, как и прежде, v₁ / v₂ = , получаем окончательное выражение для термического КПД цикла ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении:

. (3.135)

Термический цикл газотурбинной установки с подводом тепла при v = const отличается от предыдущего лишь процессом 2 – 3 (рис. 3.16).

Найдем термический КПД этого цикла:

. (3.136)

Для изохоры 2 – 3 T₃ / T₂ = p₃ / p₂ = λ.

Для изобары 4 – 1, используя уравнение адиабат: ; , получим:

. (3.137)

После подстановки полученных выражений для отношений температур в уравнение (3.36) имеем:

. (3.138)

Проведем сравнение циклов ГТУ с помощью Т, s-диаграммы, считая q₂ = idem (рис. 3.17).

Если принять одинаковыми степени сжатия, то точка 2 будет общей для обоих циклов. Так как процесс v = const протекает круче, чем р = const, то при изохорном подводе тепла работа цикла будет больше, поэтому η_{t v} > η_{t p}.

Если сравнить циклы из условия равенства максимальных температур конца процесса горения T₃ = idem, тогда совместятся точки 3. Как видно из диаграммы на рис. 3.18, в этом случае КПД цикла с изобарным подводом тепла будет больше, т.е. η_{t p} > η_{t v}.

Рис. 3.42 Рис. 3.43

В силу особенностей работы газовых турбин, проточная часть которых непрерывно находится в потоке горячих газов (в отличие от ДВС, где цилиндры наполняются холодным воздухом), температура продуктов сгорания T₃, направляемых в турбину, лимитируется термостойкостью материала лопаток. Поэтому второй случай сравнения имеет решающее значение. Учитывая и то, что осуществление процесса горения при v = const требует более сложного конструктивного исполнения установки, в настоящее время предпочтение отдается ГТУ с подводом тепла при р = const.

В заключение отметим преимущества и недостатки газотурбинных установок в сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

1. Цикл ГТУ более совершенен, так как в нем осуществляется полное расширение газов до давления окружающей среды, тогда как в циклах ДВС происходит изохорный отвод тепла, приводящий к потере работы расширения.

2. ГТУ имеют η_t ниже, чем ДВС, так как достижимая температура подвода тепла у них много меньше, чем у ДВС (примерно на 1000 С).

3. ГТУ могут достигать единичной мощности 100 – 200 МВт, в то время как мощность ДВС обычно не превышает 3 МВт.

4. ГТУ имеют хорошую динамическую уравновешенность, поскольку не имеют масс, движущихся возвратно-поступательно, как у ДВС.

5. ГТУ при необходимости могут иметь скорость вращения до 10 – 15 тыс. об/мин, а тяжелые ДВС – примерно в 10 раз меньше.

6. В ГТУ возможно применение более дешевых видов топлива, чем в ДВС, поэтому несмотря на более низкий эффективный КПД их эксплуатация оказывается более экономичной, чем ДВС.