Цикл газотурбинной установки

Цикл энергетической стационарной установки. В отличие от паротурбинного (паросилового цикла Ренкина для водяного пара) в циклах газотурбинных установок рабочим телом служат сжатые газы, нагретые до высокой температуры. В качестве таких газов чаще всего используют смесь воздуха и продуктов сгорания жидкого (или газообразного) топлива.

Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ) представлена на рис. 2.10. Воздушный компрессор К сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от р₀ до р₂, и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным насосом непрерывно подается необходимое количество жидкого топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой 7) и практически с тем же давлением р₂ (если не учитывать сопротивления), что и на выходе из компрессора (р₂ = р₂). Следовательно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении.

В газовой турбине (ГТ) продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Т_А, а давление уменьшается до атмосферного р₀. Весь перепад давлений р_г — р₀ используется для получения технической работы в турбине /_тех. Большая часть этой работы /_к расходуется на привод компрессора, разность /_тех — 1_К затрачивается на производство электроэнергии в электрическом генераторе (Г) или на другие цели. Эта разность и составляет полезную работу цикла (расход энергии на привод топливного насоса невелик и в первом приближении его можно не учитывать).

Рис. 2.10. Схема газотурбинной установки (ГТУ).

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2—3 на рис. 2.11), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом теплоты (линия 4—1), получим цикл газотурбинной установки 1—2—3—4.

Полезная работа /" изображается в р, у-диаграмме площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1—2—3—4). На рис. 2.11, а видно, что полезная работа равна разности меж;

Рис. 2.11. Цикл ГТУ: а — в р, «-диаграмме; 6 — в Т, s-диаграмме ду технической работой, полученной в турбине (площадь цикла 6—3—4—5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6—2—1—5). Площадь цикла 1—2—3—4 в T, s- диаграмме эквивалентна этой же полезной работе (см. рис. 2.11, б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количеством подведенной q_y (площадь 8—2—3—7) и отведенной q₂ (площадь 1—4— 7—8) теплоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ.

В формуле теплоемкость с_р для простоты расчетов принята постоянной.

Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре п, равная отношению давления воздуха после компрессора р₂ к давлению перед ним р₀. Выразим отношение температур в формуле (2.3) через степень повышения давления л = р^Ро из уравнения адиабаты:

поскольку А, = _Р и р_} = р_ъ то TJT_X = Т_г/Т_ь Из формулы (2.3) получим

При к = 1,33 формула (2.4) дает следующие значения ц, для различных величин п:

Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением л. Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия Т₂ и соответственно температуры газов перед турбиной Т₃.

На рис. 2.11, б отчетливо видно, что цикл 1—2—3—4, в котором п больше, экономичнее цикла 1—2—3—4, так как по линии 2— 3' подводится больше теплоты q_b чем по линии 2—3 при том же количестве отведенной в процессе 4—1 теплоты q₂. При этом Т{ и Т{ больше, чем Т₂ и Г₃ соответственно.

К сожалению, максимальная температура газов перед турбиной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают основные ее элементы (в авиационных двигателях.

1100… 1200 °C, в стационарных 750… 800 °С). Поэтому приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за счет подачи излишнего количества воздуха).

Цикл турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя. Схема данного двигателя представлена на рис. 2.12.

Цикл такого двигателя аналогичен идеальному газотурбинному циклу, поэтому для определения его термического КПД может быть использована формула.

где s — степень сжатия, равная отношению объема в начале сжатия к объему в конце сжатия: е = V/V₂ =

В идеализированном виде цикл такого двигателя состоит в следующем (рис. 2.13). Воздух при движении двигателя сжимается адиабатно в диффузоре (линия 1—а), далее поступает в компрессор и в нем сжимается до более высокого давления (линия а—2). В каме;

Рис. 2.12. Схема турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя:

1 — диффузор; 2 — компрессор; 3 — форсунки; 4 — камера сгорания; 5 — газовая турбина; 6 — выходное сопло ре сгорания происходит изобарное горение вводимого через форсунки топлива (линия 2—3); продукты сгорания частично расширяются в газовой турбине, обеспечивая работу компрессора (линия 3—Ь).

Рис. 2.13. Изображение цикла турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя в р,^{-диаграмме} Площадь контура а—2—Г—а', выражающая теоретическую работу компрессора, должна быть равна площади З—Г—b'—b, выражающей работу газовой турбины. После выхода из турбины продукты сгорания продолжают расширяться в сопле до давления окружающей среды (линия Ь—4). При этом скорость газов доходит до 600…700 м/с. Очевидно, в данном случае достигается большая степень сжатия и, следовательно, большее значение термического КПД.