Тема 16. Циклы газотурбинных установок

Газотурбинные установки (ГТУ) обладают рядом преимуществ по сравнению с поршневыми двигателями. Газовые турбины имеют относительно небольшие габариты и малую массу, в них нет деталей с возвратно-поступательным движением, они могут выполняться достаточно большими единичными мощностями.

В газовых турбинах отсутствуют основные недостатки поршневых двигателей – невозможность расширения рабочего тела в цилиндре двигателя до атмосферного давления.

Практическое применение нашли ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении и постоянном объеме. Им соответствуют идеальные циклы с подводом теплоты при и .

Газотурбинная установка представляет собой тепловой двигатель, объединяющий принцип работы паросиловой установки и поршневого двигателя внутреннего сгорания.

С одной стороны в газотурбинной установке так же, как в паросиловой установке, имеется специальное устройство, предназначенное только для сжигания топлива, а расширение рабочего тела осуществляется в турбине.

С другой стороны в газотурбинной установке, так же как и в поршневом двигателе внутреннего сгорания, рабочим телом является газообразные продукты сгорания топлива.

Простейшая газотурбинная установка, рис. 58 состоит из компрессора К, газовой турбины ГТ, на одном валу с которыми находятся электрогенератор ЭГ или иной потребитель механической энергии и топливный насос ТН.

Рисунок 58 – Принципиальная схема газотурбинной установки.

Атмосферный воздух адиабатно сжимается в компрессоре и поступает в камеру сгорания. Топливо из топливного бака насосом подается в форсунки и впрыскивается в камеру сгорания, где воспламеняется. Выделившаяся при сгорании топлива теплота подводится к продуктам сгорания при постоянном давлении, так как гидравлическое сопротивление камеры сгорания пренебрежительно мало. Продукты сгорания при температуре сгорания до и давлении поступают в газовую турбину, где адиабатно расширяются до атмосферного давления и выбрасываются в атмосферу. Там они смешиваются с воздухом и охлаждаются до его температуры при атмосферном давлении.

Таким образом, цикл газотурбинной установки состоит из двух адиабатных процессов сжатия и расширения и двух изобарных процессов подвода и отвода теплоты.

16.1. Цикл гту с подводом теплоты при постоянном давлении

Такой цикл называется циклом Брайтона и состоит, как было сказано ранее из двух изотерм подвода и отвода теплоты и двух адиабат сжатия и расширения и представлен в - и - диаграммах на рис. 59.

υ

Рисунок 59 – Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении.

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 количество теплоты от источника теплоты.

По адиабате 3–4 рабочее тело расширяется до первоначального давления и по изобаре 4–1 приводится к параметрам точки 1 с отводом теплоты к приемнику теплоты.

На рис. 60. дана схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении. В камеру сгорания 1 через форсунки 6 и 7 непрерывно поступают воздух из турбокомпрессора 4 и топливо из топливного насоса 5 в распыленном состоянии. Сгорание топлива происходит при постоянном давлении. Образовавшиеся продукты сгорания из камеры направляются в комбинированные сопла 2, в которых рабочее тело расширяется до давления, близкого к атмосферному. Из сопл продукты сгорания поступают на лопатки газовой турбины 3, здесь кинетическая энергия газов переходит в энергию вращения вала газовой турбины, совершая при этом полезную работу. А затем выбрасываются в атмосферу через выхлопной патрубок.

Рисунок 60 – Схема газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении: 1 – камера сгорания; 2 – комбинированные сопла; 3 – газовая турбина; 4 – турбокомпрессор; 5 – топливный насос; 6, 7 – форсунки.

Характеристиками цикла являются: степень повышения давления в компрессоре , степень изобарного расширения .

Количество теплоты подводимой по изобаре 2–3:

Количество теплоты отводимой по изобаре 4–1:

Подставляя эти выражения в формулу для термического КПД, получим:

Найдем выражения температур , , через начальную температуру рабочего тела.

для адиабаты 1–2:

для изохоры 2–3:

для адиабаты 3–4:

Тогда термический КПД:

Отсюда следует, что термический КПД увеличивается с возрастанием степени повышения давления и показателя адиабаты. Однако термический КПД еще не может служить мерой экономичности установки.

Так как при рассмотрении работы реальных ГТУ необходимо отдельно учитывать потери на необратимость процессов в турбокомпрессоре и газовой турбине. Расход энергии на трение в компрессоре влечет за собой увеличение температуры рабочего тела, так как работа трения превращается в теплоту и воспринимается рабочим телом, а это в свою очередь приводит к увеличению работы, затраченной на сжатие воздуха.

Из рис. 61. Видно, что термический цикл ГТУ с подводом теплоты при на - диаграмме изображается площадью 12341, а реальный цикл – площадью 12’34’1, где линия 1–2’ представляет собой политропу сжатия в компрессоре, а линия 3–4’- политропу расширения в турбине.

Рисунок 61 – Изображение циклов ГТУ в теоретических 12341 и реальных 12’34’1 установках.

Теоретическая удельная работа сжатия в компрессоре:

а действительная

или

где – адиабатный КПД турбокомпрессора, равен отношению

В настоящее время достигает .

Расширение газа в проточной части турбины сопровождается потерями на трение о стенки сопл, лопаток и на завихрение потока, и в результате чего часть кинетической энергии рабочего тела превращается в теплоту и энтальпия газа на выходе из турбины больше энтальпии обратимого процесса расширения .

Теоретическая удельная работа расширения в турбине равна

а действительная

Отношение внутренней действительной удельной работы расширения реальной турбины к теоретической удельной работе идеальной турбины называют внутренний относительный КПД газовой турбины

У современных турбин .

Действительная полезная (эффективная) удельная работа , которая может быть получена в газотурбинной установке определяется выражением

Отношение полезной работы ГТУ к количеству затраченной теплоты называют эффективным КПД ГТУ:

К

η

ривые зависимости и от имеют следующий вид, рис…62. Как видно, по мере увеличения степени повышения давления в компрессоре эффективный КПД ГТУ растет, а затем уменьшается и может снизиться до нуля. Поэтому стараются так выбирать , чтобы .

η_t

η_e

β=1

β_кр

β

η_{e max}

Рисунок 62 – Кривая зависимости теоретического и эффективного КПД от степени повышения давления в турбокомпрессоре.