Циклы газотурбинных установок

Основным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления. Эти недостатки отсутствуют в газотурбинных установках, где рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива. Рабочее тело, имеющее высокие температуру и давление, из камеры сгорания направляется в сопло, в котором оно расширяется и с большой скоростью поступает на лопатки газовой турбины, где используется его кинетическая энергия для получения механической работы.

ГТУ обладают многими важными преимуществами перед поршневыми двигателями. Газовые турбины имеют относительно малый вес и небольшие габариты, в них нет деталей с возвратно-поступательным движением, они могут выполняться с высокими числами оборотов и большими единичными мощностями.

Однако при создании крупных стационарных ГТУ еще нужно решить ряд важных задач. Прежде всего, необходимо существенно повысить начальную температуру газа перед турбиной, чтобы увеличить термический к. п. д. цикла установки. Это потребует создания новых жаропрочных сталей, способных устойчиво и длительно работать при максимальных температурах. Применяемое в настоящее время водяное или газовое охлаждение элементов газовой турбины, работающих в области высоких температур, является недостаточно надежным и конструктивно сложным.

Необходимо также решить проблему создания компактного регенеративного газовоздушного теплообменника, который, как это будет ясно из дальнейшего изложения, должен являться неотъемлемой частью современной экономичной ГТУ.

Большое значение для экономичности газотурбинной установки имеет повышение эффективного к. п. д. компрессора, входящего в схему установки. Дело в том, что примерно 75% мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора и поэтому общий эффективный к. п. д. ГТУ главным образом определяется совершенством работы компрессора. Вообще же газовая турбина является перспективным двигателем, и широкое внедрение ее в промышленность – одна из важных задач развития энергетики.

ГТУ могут работать со сгоранием топлива при постоянном давлении и при постоянном объеме. Соответствующие им идеальные циклы делятся на циклы с подводом теплоты в процессе при постоянном давлении и постоянном объеме.

11.3 Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе р = const

На рис. 11.10 дана схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при

р =const.. В камеру сгорания 7 через форсунки 6 и 7 непрерывно поступает воздух из турбокомпрессора 4 и топливо из топливного насоса 5. Из камеры продукты сгорания 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, а затем выбрасываются в атмосферу через выхлопной патрубок.

На рис. 11.11 и 11.12 представлен идеальный цикл газотурбинной установки на - и TS – диаграммах с подводом теплоты при р = const. В этом цикле отвод теплоты от рабочего тела производится не по изохоре, как это имеет место в двигателях внутреннего сгорания, а по изобаре. В поршневых двигателях объем газов при расширении ограничен объемом цилиндра. В газовых турбинах такого ограничения нет и газы могут расширяться до атмосферного давления.

Рабочее тело с начальными параметрами сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. От точки 2 к рабочему телу подводится некоторое количество теплоты по изобаре 2-3. Затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до начального давления и возвращается по изобаре 4-1 в первоначальное состояние, при этом отводится теплота.

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

Количество подводимой теплоты определяется по формуле

а количество отводимой теплоты – по следующей формуле

Термический к.п.д. цикла равен

Выразим температуры Т₂, Т₃, Т₄ через начальную температуру рабочего тела Т₁ :

для адиабаты 1-2

для изобары 2–3

; ; ;

для адиабаты 3–4

;

Подставляя полученные значения температур в уравнение для термического к.п.д., получаем

(11.5)

или .

Термический к. п. д. газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении зависит от степени повышения давления β и показателя адиабаты k, возрастая с увеличением этих величин.

Отработавший газ после газовой турбины целесообразно направлять в теплообменный аппарат для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, или направлять для нужд коммунального хозяйства на получение горячей воды, пара и т. д.

На Ts – диаграмме к. п. д. цикла газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении определяем из соотношения площадей (рис. 11.12):

При рассмотрении работы реальных ГТУ необходимо отдельно учитывать потери на необратимость процессов в турбокомпрессоре и в 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 (потерей теплоты во внешнюю среду пренебрегаем). Из рис. 11.13 видно, что теоретический цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при р = const на Ts– диаграмме изображается пл. 12341, а реальный цикл пл. 12'34'1, где линия 1-2' представляет собой условную необратимую адиабату сжатия в компрессоре, а линия 3-4' – условную необратимую адиабату расширения в турбине.

Теоретическая работа сжатия в компрессоре равна , а действительная , или

где – адиабатный к.п.д. турбокомпрессора, равный отношению

В настоящее время достигает 0,8 – 0,85.

Расширение газа в проточной части турбины сопровождается потерями на трение о стенки сопл, лопаток и на завихрения потока, в результате чего часть кинетической энергии рабочего тела превращается в теплоту и энтальпия газа на выходе из турбины будет больше энтальпии обратимого процесса расширения . Теоретическая работа расширения в турбине равна , а действительная работа расширения .

Отношение внутренней действительной работы расширения реальной турбины к теоретической работе идеальной турбины называют внутренним относительным к. п. д. газовой турбины:

(11.6)

Чем лучше выполнена проточная часть турбины, чем меньше в ней потери от трения газа и завихрений, тем выше η_турб. У современных турбин η_турб = 0,8 – 0,9.

Действительная полезная работа, которая может быть получена в газотурбинной установке, l_Дравна разности действительных работ расширения и сжатия:

где η_мех – механический к. п. д.

Отношение полезной работы ГТУ l_Д к количеству затраченной теплоты

q _1Д – называют эффективным к. п. д. газотурбинной установки:

(11.7)

Подробный анализ полученного уравнения приводится в специальной литературе по газотурбинным установкам.

11.4 Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе = const.

На рис. 11.14 дана схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме. В этой установке сжатый в турбокомпрессоре 6 воздух поступает из ресивера (сосуда большой емкости для выравнивания давления) 7 через воздушный клапан 8 в камеру сгорания 1, Сюда же топливным насосом 5 через топливный клапан 9 подается жидкое топливо. Продукты сгорания, пройдя через сопловой клапан 2, расширяются в сопле 3 и приводят во вращение ротор газовой турбины 4.

Для осуществления периодического процесса горения необходимо подавать воздух и топливо через управляемые клапаны 8 и 9 в определенные периоды времени. Процесс горения производится при закрытых клапанах 2 и 8. Воспламенение топлива происходит от электрической искры. После сгорания топлива давление в камере 1повышается, открывается сопловой клапан 2 и продукты горения направляются в сопло 3, где и расширяются до конечного давления.

На рисунке 11.15 и 11.16 на – и Ts – диаграммах изображен идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при = const. Рабочее тело с начальными параметрами Р₁, ₁, Т₁сжимается по адиабате 1-2 до точки 2, давление в которой определяется степенью повышения давления. Далее по изохоре 2-3 к рабочему телу подводится некоторое количество теплоты q₁, затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до начального давления (точка 4) и возвращается в первоначальное состояние по изобаре 4-1, при этом отводится теплота q₂.