Циклы газотурбинных установок
Газотурбинная установка (ГТУ) представляет собой тепловой двигатель, основным элементом которого является газовая турбина. Кроме того, в схему простейшей ГТУ (рис. 3.14) входят камера сгорания и воздушный компрессор.
Принцип работы такого теплового двигателя состоит в следующем. Наружный воздух сжимается в компрессоре и подается в камеру сгорания, куда одновременно подается и топливо. Образующиеся продукты сгорания направляются в газовую турбину, где, расширяясь до давления окружающей среды, производят работу и выбрасываются наружу. Механическая энергия, выработанная в газовой турбине, с помощью генератора превращается в электрическую.
Процесс горения в камере сгорания может быть организован двумя различными путями: при постоянном давлении (p = const) и постоянном объеме
(v = const).
В первом типе ГТУ процессы подачи топлива и воздуха, а также горения и истечения осуществляются непрерывно.
Для осуществления сгорания топлива при v = const во втором типе установок камеру сгорания после наполнения ее горючей смесью необходимо отключать, закрывая впускные и выпускные клапаны.
Затем производится зажигание рабочей смеси искровым электрическим разрядом, ее горение при постоянном объеме, после чего продукты сгорания выпускаются из камеры в газовую турбину. Для снижения пульсации давления ставят несколько камер сгорания на одну турбину.
Рассмотрим идеализированные термодинамические циклы газотурбинных установок. Цикл с подводом тепла при р = const (рис. 3.15) состоит из адиабаты 1 – 2 сжатия воздуха в компрессоре, процесса 2 – 3 изобарного подвода тепла q1, адиабаты 3 – 4 расширения газов в проточной части турбины и изобары 4 – 1 отвода тепла q2.
|
|
|
Ошибка! Ошибка связи. Ошибка! Ошибка связи.
Рис. 3.15 Рис. 3.16
Термический КПД цикла определяется по общей формуле:
. (3.33)
Поскольку
,
то T4 / T2 = T3 / T2 и запись формулы (3.33) приобретает вид:
. (3.34)
Обозначив степень повышения давления в компрессоре p2 / p1 = σ, а степень сжатия, как и прежде, v1 / v2 = e, получаем окончательное выражение для термического КПД цикла ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении:
. (3.35)
Термический цикл газотурбинной установки с подводом тепла при
v = const отличается от предыдущего лишь процессом 2 – 3 (рис. 3.16).
|
|
|
Найдем термический КПД этого цикла:
. (3.36)
Для изохоры 2 – 3 T3 / T2 = p3 / p2 = λ.
Для изобары 4 – 1, используя уравнение адиабат: 
; 
, получим:
. (3.37)
После подстановки полученных выражений для отношений температур в уравнение (3.36) имеем:
. (3.38)
Проведем сравнение циклов ГТУ с помощью Т, s-диаграммы, считая
q2 = idem (рис. 3.17).
Если принять одинаковыми степени сжатия, то точка 2 будет общей для обоих циклов. Так как процесс v = const протекает круче, чем р = const, то при изохорном подводе тепла работа цикла будет больше, поэтому ηt v > ηt p.
Если сравнить циклы из условия равенства максимальных температур конца процесса горения T3 = idem, тогда совместятся точки 3. Как видно из диаграммы на рис. 3.18, в этом случае КПД цикла с изобарным подводом тепла будет больше, т.е. ηt p > ηt v.
Ошибка! Ошибка связи. Ошибка! Ошибка связи.
Рис. 3.17 Рис. 3.18
В силу особенностей работы газовых турбин, проточная часть которых непрерывно находится в потоке горячих газов (в отличие от ДВС, где цилиндры наполняются холодным воздухом), температура продуктов сгорания T3, направляемых в турбину, лимитируется термостойкостью материала лопаток. Поэтому второй случай сравнения имеет решающее значение. Учитывая и то, что осуществление процесса горения при v = const требует более сложного конструктивного исполнения установки, в настоящее время предпочтение отдается ГТУ с подводом тепла при р = const.
|
|
|
В заключение отметим преимущества и недостатки газотурбинных установок в сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.
1. Цикл ГТУ более совершенен, так как в нем осуществляется полное расширение газов до давления окружающей среды, тогда как в циклах ДВС происходит изохорный отвод тепла, приводящий к потере работы расширения.
2. ГТУ имеют ηt ниже, чем ДВС, так как достижимая температура подвода тепла у них много меньше, чем у ДВС (примерно на 1000 °С).
3. ГТУ могут достигать единичной мощности 100 – 200 МВт, в то время как мощность ДВС обычно не превышает 3 МВт.
4. ГТУ имеют хорошую динамическую уравновешенность, поскольку не имеют масс, движущихся возвратно-поступательно, как у ДВС.
|
|
|
5. ГТУ при необходимости могут иметь скорость вращения до
10 – 15 тыс. об/мин, а тяжелые ДВС – примерно в 10 раз меньше.
6. В ГТУ возможно применение более дешевых видов топлива, чем в ДВС, поэтому несмотря на более низкий эффективный КПД их эксплуатация оказывается более экономичной, чем ДВС.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 152; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!