Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
Преимущества ГТУ перед поршневыми ДВС:
- относительно малый вес;
- небольшие габариты;
- большая мощность;
- высокое число оборотов;
- рабочее тело (газы) может расширяться до атмосферного давления.
Рабочее тело ГТУ - продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.
Принципиальная схема ГТУ:
Внешний воздух засасывается компрессором, сжимается в нем до определенного давления и подается в камеру сгорания. В камеру сгорания впрыскивается жидкое топливо, которое, сгорая, образует газообразные продукты сгорания высокой температуры. Затем продукты сгорания поступают в газовую турбину, где расширяются до атмосферного давления. Выпуск отработавших газов из турбины производится во внешнюю среду.
Классификация ГТУ:
- установка с изобарным подводом теплоты;
- установка с изохорным подводом теплоты.
Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты
1 - 2 - адиабатное сжатие в компрессоре;
2 - 3 - изобарный подвод тепла;
3 - 4 - адиабатное расширение в газовой турбине;
4 - 1 - изобарный отвод теплоты.
Характеристики цикла:
Степень повышения давления в компрессоре:
Степень изобарного расширения:
Количество подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Термический КПД:
Термический КПД зависит от степени повышения давления β и показателя адиабаты k. С возрастанием степени повышения давления и показателя адиабаты КПД повышается.
В реальных процессах имеют потери энергии:
- на трение в компрессоре:
Вследствие этого повышается температура рабочего тела, что приводит к увеличению работы, затраченной на сжатие воздуха (линия 1 - 2’).
|
|
Теоретическая работа сжатия в компрессоре:
Действительная работа сжатия:
Адиабатный КПД компрессора:
- на трение в турбине (стенки сопл, лопатки):
Вследствие этого часть кинетический энергии рабочего тела превращается в теплоту и энтальпия газа на выходе будет больше (i4’ > i4).
Теоретическая работа расширения в турбине:
Действительная работа расширения:
Внутренний относительный КПД турбины:
Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты
Сжатый в турбокомпрессоре (6) воздух поступает из ресивера (7) (сосуд для выравнивания давления) через воздушный клапан (8) в камеру сгорания (1). Сюда топливным насосом (5) через топливный кран (9) подается жидкое топливо. Продукты сгорания, пройдя через сопловой клапан (2), расширяются в сопле (3) и приводят во вращение ротор газовой турбины (4).
1 - 2 - адиабатное сжатие;
2 - 3 - изохорный подвод теплоты;
3 - 4 - адиабатное расширение;
4 - 1 - изобарный отвод теплоты.
Характеристики цикла:
Степень повышения давления в компрессоре:
Степень дополнительного повышения давления:
Количество подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Термический КПД:
Термический КПД зависит от показателя адиабаты, степени повышения давления и степени дополнительного повышения давления. С увеличением этих величин КПД растет.
Сравнение циклов ГТУ
1) Сравнение циклов ГТУ при одинаковых степенях повышения давления и одинаковых максимальных температурах.
В цикле с 
среднеинтегральная температура подвода теплоты Тυ’ выше, а среднеинтегральная температура отвода теплоты Тυ’’ ниже, чем в цикле с 
.
|
|
2) Сравнение циклов ГТУ при разных степенях повышения давлений и одинаковых максимальных температурах.
Методы повышения КПД ГТУ
1) Регенерация - предварительный подогрев сжатого в компрессоре воздуха за счет тепла уходящих газов.
Идеальный цикл ГТУ с регенерацией теплоты при
Сжатый воздух из турбокомпрессора (4) 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 (6) направляется в камеру сгорания (1).
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 сопле турбины;
4 - 6 - изобарный отвод теплоты от газов в регенераторе;
6 - 1 - изобарный отвод теплоты от газов на выходе из регенератора теплоприемнику.
КПД цикла:
Кпд цикла зависит от начальной температуры газа и от температуры в конце адиабатного расширения.
Степень регенерации:
Идеальный цикл ГТУ с регенерацией теплоты при 
Так как регенерация происходит при постоянном давлении, то подвод тепла производится как по изобаре, так и по изохоре:
1 - 2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре при 
;
2 - 3 - нагрев сжатого воздуха в регенераторе при ;
3 - 4 - подвод теплоты при 
в камере сгорания;
4 - 5 - адиабатное расширение продуктов сгорания в соплах турбины;
|
|
5 - 6 - отвод теплоты от газов в регенераторе при ;
6 - 1 - отвод теплоты от газов при теплоприемнику.
Количество подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Термический КПД:
Применение регенерации позволяет уменьшить наибольшее давление в цикле без снижения его экономичности.
2) Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением.
Для приближения действительного процесса сжатия к изотермическому.
3) Ступенчатое сгорание с расширением продуктов сгорания в отдельных ступенях турбины.
Для приближения действительного процесса подвода теплоты к изотермическому.
Современное ГТУ с двухступенчатым расширением и трехступенчатым сжатием (увеличение числа камер сгорания и холодильников усложняет конструкцию ГТУ):
Атмосферный воздух сжимается в отдельных ступенях давления компрессора и охлаждается в промежуточных холодильниках. Сжатый воздух поступает в первую камеру сгорания, где нагревается до максимальной температуры.
В турбине газ расширяется. Затем он поступает во вторую камеру сгорания, где при 
он опять нагревается. Продукты сгорания расширяются во второй ступени турбины и выбрасываются в атмосферу.