Методы повышения к.п.д. ГТУ

Термический к. п. д. ГТУ со сгоранием топлива при р = соnst растет с увеличением степени повышения давлении β. Однако с ростом β увеличивается и температура газов в конце сгорания топлива Т₃, в результате чего быстро разрушаются лопатки турбин и сопловые аппараты, охлаждение которых затруднительно.

Чтобы увеличить к. п. д. ГТУ, частично изменили условия их работы. В установках стали применять регенерацию теплоты, многоступенчатое сжатие воздуха в компрессоре, многоступенчатое сгорание и т. д. Это дало значительный эффект и повысило в установках степень совершенства превращения теплоты в работу.

Рассмотрим несколько подробнее применение регенерации теплоты в ГТУ со сгоранием топлива при р = const (рис. 11.19). Сжатый воздух из турбокомпрессора направляется в регенератор 8, где получает теплоту при постоянном давлении от газов, вышедших из камеры сгорания 1 через сопло 2 в турбину 3. Подогретый воздух из регенератора 8 через форсунку 7, а топливо из топливного насоса 5 через форсунку 6 направляется в камеру сгорания 1.

Идеальный цикл такой ГТУ с регенерацией теплоты показан на рис. 11.20 и 11.21.

На этих рисунках: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 – изобарный подвод теплоты в регенераторе; 5-3– подвод теплоты при постоянном давлении в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в соплах турбины; 4-6 – изобарный отвод теплоты от газов в регенераторе; 6-1 – изобарный отвод теплоты от газов по выходе из регенератора теплоприемнику.

Термический к.п.д. цикла при полной регенерации, когда Т₄ -Т₆ = =Т₅- Т₂, найдем по уравнению

,

где

,

а

,

тогда

.

Температуры в основных точках цикла определяются так

.

К.п.д. цикла

η_{t рег}. (11.9)

Термический к. п. д. цикла с подводом теплоты при р = const и полной регенерацией зависит от начальной температуры газа Т₁ и от температуры в конце адиабатного расширения Т₄.

Практически полную регенерацию осуществить нельзя вследствие ограниченных размеров регенераторов и наличия конечной разности температур между нагреваемым и охлаждаемым потоками газа. В этом случае нагреваемый в регенераторе воздух будет иметь температуру Т₇ несколько меньшую Т₅, а охлаждаемые газы – температуру Т₈, более высокую, чем Т₆. Поэтому термический к. п. д. цикла должен зависеть от степени регенерации, которая определяется как отношение температур

. (11.10)

Термический к.п.д. цикла ГТУ с неполной регенерацией, т.е. при

σ <1, определяется следующим образом

. (11.11)

Величина степени регенерации зависит от конструкции теплообменника или от величины рабочих поверхностей.

Регенерацию теплоты можно осуществить и в ГТУ с подводом теплоты при = const. Поскольку процесс регенерации осуществляется в теплообменнике при постоянном давлении, то подвод теплоты в этом случае производится как по изобаре, так и по изохоре (рис. 11.22). Данный цикл состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 – нагрев сжатого воздуха в регенераторе при р = const; 3-4 – подвод теплоты при = const в камере сгорания; 4-5– адиабатное расширение продуктов сгорания в соплах турбины; 5-6 – отвод теплоты от газов в регенераторе при

р = const, 6-1– отвод теплоты от газов при р =const теплоприемнику.

Количество подведенной и отведенной теплоты составит

.

Термический к.п.д. рассматриваемого цикла равен

. (11.12)

Термический к. п. д. цикла ГТУ с подводом теплоты при = const в результате регенерации теплоты также возрастает. Применение регенерации позволяет уменьшить наибольшее давление в цикле без снижения его экономичности.

Кроме того, экономичность ГТУ можно повысить, осуществив изо-термный подвод и отвод теплоты. Однако на практике из-за конструктивных трудностей невозможно в полной мере осуществить изотермные процессы сжатия и подвода теплоты. Для приближения действительного процесса сжатия к изотермному в компрессорах применяют многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением. Точно так же в газовых турбинах для приближения действительного процесса подвода теплоты к изотермному применяют ступенчатое сгорание с расширением продуктов сгорания в отдельных ступенях турбины. Чем больше число ступеней расширения и сжатия, тем выше его термический к. п. д. Но применение большого числа камер сгорания и холодильников нецелесообразно, так как это в значительной степени усложняет конструкцию ГТУ и увеличивает потери от необратимости процессов.

Обычно исходя из технико-экономических соображений ГТУ делают с двухступенчатым расширением и трехступенчатым сжатием. В такой установке атмосферный воздух последовательно сжимается в отдельных ступенях давления компрессора и охлаждается в промежуточных холодильниках. Сжатый до высокого давления воздух поступает в первую камеру сгорания, где нагревается до максимальной температуры.

После расширения в турбине газ поступает во вторую камеру сгорания, где вследствие сжигания топлива при постоянном давлении он опять нагревается до предельной температуры. Затем продукты сгорания расширяются во второй турбине (или во второй ступени турбины) и выбрасываются в атмосферу. Если в ГТУ осуществляется цикл с регенерацией теплоты, то нагревание сжатого воздуха может быть произведено за счет охлаждения выхлопных газов.

Идеальный цикл такой ГТУ изображен в Ts-диаграмме на рис. 11.23. Примененные мероприятия – регенерация теплоты, ступенчатое сжатие, ступенчатый подвод теплоты – значительно повышают к. п. д. ГТУ, а идеальный цикл при этом приближается к обобщенному (регенеративному) циклу Карно.

Все действительные ГТУ работают по разомкнутой схеме, в которой продукты сгорания после работы на лопатках турбины выбрасываются в атмосферу. В этих схемах применяют жидкое или газообразное топливо, содержащее минимальное количество твердых частиц, которые не вызывают преждевременный износ лопаток турбины.

При использовании твердых топлив ГТУ работают по замкнутому процессу, где рабочим телом является чистый воздух или другой газ, нагреваемый в поверхностных теплообменниках. В такой установке одна и та же порция воздуха или газа проходит через газовую турбину и теплообменники, в результате чего получается замкнутый процесс рабочего тела.

Замкнутый процесс обладает рядом достоинств. В нем можно использовать дешевые твердые топлива и применять воздух при повышенных давлениях, что приводит к уменьшению объема рабочего тела, а, следовательно, и габаритов установки. В таких установках вместо воздуха используют более тяжелые газы и низкокипящие вещества, например углекислоту. Замена воздуха углекислотой позволяет вместо компрессора применить насос, что повышает к. п. д. и надежность установки. Недостатком замкнутой схемы являются большие габариты теплообменников.

Тема №12

Циклы паросиловых установок