16. Схема и циклы гту. Сравнительный анализ двс и гту.

Газотурбинной установкой называется такой тепловой двигатель в котором рабочее тело – газ сначала подвергается сжатию и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

Средняя скорость рабочего тела в ГТУ в 50 – 100 раз выше чем в поршневых двигателях.

В ГТУ отсутствуют резкие перепады температур и давлений в одних и тех же его конструктивных элементах.

Абсолютный эффективный КПД современных ГТУ достигает 35%.

ГТУ могут работать на газообразном, жидком и твердом топливе.

Циклы ГТУ подразделяются на:

- подводах теплоты при постоянном давлении,

- подводах теплоты при постоянном объёме.

Циклы ГТУ состоят из тех же термодинамических процессов, что и циклы поршневых ДВС.

Идеализированный обратимый цикл ГТУ для идеального газа со сгоранием топлива при постоянном объёме состоит из следующих процессов:

1 – 2 – политропное сжатие воздуха;

2 – 3 – сгорание топлива при постоянном давлении;

3 – 4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в газовой турбине;

4 – 1 – изобарное удаление продуктов сгорания в атмосферу.

Для термодинамического анализа рассматриваемого цикла представляет интерес адиабатное (1А-2) и изотермическое (1U-2) сжатие воздуха в компрессоре.

Получим выражение для термического КПД рассматриваемого ГТУ.

Обозначим: - степень повышения давления в процессе сжатия в компрессоре.

- степень предварительного расширения рабочего тела в процессе подвода теплоты при постоянном давлении,

очевидно, что отводимая и подводимая в цикле теплота

теплоемкости С_р и С_v, а => и показатель адиабаты во всех точках цикла остаются постоянными, хотя фактически это условие не выполняется из-за изменения состава рабочего тела (первоначально воздух, затем продукты сгорания).

.

16.2. Рабочий процесс гту

На рис. 22-11 приведена элементарная схема ГТУ, работающей с подводом теплоты при постоянном давлении Воздушный компрессор / всасывает атмосферный воздух, сжимает его и нагнетает в камеру сго­рания 3. Туда же насосом 2 подается жидкое или газообразное топливо. При сгорании высококалорийного топлива в камере сгорания темпе­ратура доходит до 2000°

Современные жаропрочные стали и сплавы, из которых изготов­ляют газовую турбину, допускают температуры 700—900° G.

Для того чтобы понизить температуру продуктов сгорания с 2000 до 700—900°С, их разбавляют большим количеством относительно холодного воздуха. Обычно коэффициент избытка воздуха для авиа­ционных установок составляет ос = 4—5, а для стационарных а. = = 6—10.

Если сжигать топливо при таком большом коэффициенте избытка воздуха, то горение будет протекать очень медленно и с большим ме­ханическим и химическим недожогом. Поэтому для обеспечения пол­ного и правильного сжигания топлива весь воздух, подаваемый в ка­меру сгорания, делят на первичный и вторичный.

К ядру факела подводят первичный воздух с небольшим коэффи­циентом избытка. В этом же направлении подается газовое или мелкораспыленное жидкое топливо, где оно сгорает с выделением большого количества теплоты.

Вторичный воздух направляется в камеру сгорания таким образом, чтобы, охлаждая стенки камеры, он не соприкасался с факелом. По­лучая теплоту от стенок камеры сгорания, вторичный воздух нагрева­ется и в конце камеры смешивается с продуктами горения.

Полученная смесь газа с воздухом, имеющая температуру 700— 900° С, направляется в турбину 4. В сопловом аппарате потенциальная энергия рабочего тела (газа) преобразуется в кинетическую. Газ с большой скоростью вступает в каналы рабочих лопаток турбины, где

его кинетическая энергия преобразуется в механическую работу, ко­торая передается на вал генератора 5.

На рис. 22-12 изображен цикл газотурбинной установки на рv-диаграмме с подводом теплоты при р = const. Он состоит из двух ади­абат и двух изобар.

По линии 1-2 происходит адиабатное сжатие рабочего тела (воздуха) в компрессоре; по линии 2-3 осуществляется изобарный подвод тепло­ты к рабочему телу (сгорание топлива); линия 3-4 — адиабатное рас­ширение рабочего тела (продуктов сгорания); линия 4-1 — изобар­ный отвод теплоты q₂ от рабочего тела (выхлоп отработанных газов).

В газовой турбине в отличие от поршневого двигателя внутреннего сгорания расширение рабочего тела не ограничено объемом цилиндра. Поэтому в цикле газовой турбины отвод теплоты происходит не по изохоре, а по изобаре. При этом в идеальном цикле газовой турбины осуществляется полное расширение рабочего тела.

Термодинамический к. п. д. i\_t цикла газовой турбины может быть выражен через степень сжатия воздуха в компрессоре:

Можно также кпд выразить через степень повышения давления воздуха в компрессоре р2/р1

Как видно из приведенных выражений для %, его величина зависит от степени сжатия в компрессоре, а также от показателя адиабаты.

Экономичность газовой турбины можно повысить, пользуясь раз­личными способами регенерации теплоты отработавших газов. Для применения регенерации приходится несколько усложнять схему ГТУ, включая в нее регенератор.

По трубкам регенератора протекает воздух, вышедший из компрес­сора и предназначенный для подачи в камеру сгорания, а между труб­ками проходят отработавшие в турбине газы. Поскольку они имеют температуру намного выше температуры воздуха, вышедшего из ком­прессора, то воздух, отбирая от них теплоту, нагревается и поступает в камеру сгорания, а охлажденные газы отводятся в атмосферу.

Конструкция современных ГТУ достаточно отработана и надежна. По сравнению с паротурбинными установками необходимая для них кубатура здания и число обслуживающего персонала существенно меньше. Запуск ГТУ осуществляется также значительно быстрее и работа легко автоматизируется.