3.3 Циклы газотурбинных установок

В газотурбинных установках подвод теплоты к рабочему телу происходит при p=const или υ=const. На рисунке 3 представлена схема наиболее распространенного типа газотурбинной установки со сгоранием топлива при p=const, а на рисунке 4 ее цикл в координатах Р,υ и T,S.

Компрессор К, расположенный на одном валу с газовой турбиной Т, засасывающей атмосферный воздух с давлением Р₁ и сжимая его с повышением давления Р₂ нагнетает в камеру сгорания КС. Туда же топливным насосом ТН, приводимым в действие газовой турбиной, подается жидкое топливо. Топливо распыляется форсункой и сгорает в камере сгорания КС.

Сгорание происходит при постоянном давлении. Из камеры сгорания газы поступают в турбину, приводят ее в действие, а затем выбрасываются в атмосферу.

Идеальный цикл ГТУ состоит из двух адиабат и из двух изобар. В компрессоре К происходит адиабатное 1-2 сжатие рабочего тела до давления Р₂, затем изобарный 2-3-4 подвод теплоты q₁ в камере сгорания КС, адиабатное 4-5 расширение газов на лопатках газовой турбины Т и изохорный 5-6-1 отвод теплоты к холодному источнику (внешней среде).

Рисунок 3 Принципиальная схема ГТУ с подводом теплоты при p=const

Рисунок 4 Диаграммы циклов ГТУ с подводом теплоты при p=const

В рассматриваемом цикле λ_р=λ-1 и формула термического кпд 11 примет вид

. (21)

Так как Р₄/Р₂=λ=1, Р₂/Р₅= Р₂/Р₁=(ν₁/ν₂)^К=ε^К,

Ν₄/ν₂=ρ, ν₂/ν₁=1/ε, ν₆/ν₁= ν₅/ν₁=ε_ν.

Тогда .

И термический кпд цикла формула 21 примет вид

(22)

В газотурбинных двигателях часто в место степени сжатия ε принимают степень повышения давления в компрессоре β=Р₂/Р₁. Так как (ν₁/ν₂)^К=ε^К= Р₂/Р₁=β, то

(23)

Как видно из формулы 1.23 термический кпд цикла зависит от работы компрессора, сжимающего воздух и свойства рабочего тела (показателя адиабаты К). Чем выше показатель адиабаты К, большее сжатие воздуха компрессором (больше ε или β), тем выше fη.

При изменении нагрузки ГТУ (процесс расширения показан штриховыми линиями на рисунке 4) степень сжатия и показатель адиабаты К не меняются, поэтому η_t=const.

Удельная работа цикла при λ_р=1,λ=1,ε_υ=ρ

(24)

3.4 Сравнение циклов

Сравнение эффективности различных циклов тепловых двигателей производится сопоставлением их термических кпд.

Условиями для сравнения сопоставляемых циклов применяют одинаковые максимальные давления и максимальные температуры в конце горения, так как указанные параметры определяют конструктивные особенности тепловых установок, ограничивающие по требованиям прочности и надежности в эксплуатации двигателя. Кроме того исходят из степени сжатия, свойственной отдельным циклам при заданных P_max и T_max.

Характерным показателем для сравнения циклов также служит удельная работа W_y=q₁η_t.

Для выявления способов повышения термического кпд тепловых двигателей целесообразно их циклы сравнить с циклом, характеризующимся наибольшим термическим кпд – Карно, который имеет тот же температурный перепад, что сравнимый с ним цикл.

(25)

Другим методом анализа циклов является нахождение для исследуемых циклов эквивалентных циклов Карно и последующее их сравнение между собой.