Циклы газотурбинных установок (ГТУ)

ГТУ называются теплоэнергетические устройства, в которых рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива (или другие газы, нагретые тем или иным способом), а рабочим двигателем является газовая турбина.

ГТУ могут работать по циклам со сгоранием топлива при постоянных объёме и давлении.

Первая ГТ была построена П. Д. Кузьминским в 1897 г., затем ГТ со сгоранием топлива при постоянном объеме была построена В. В. Караводиным в 1906 г.

На рис. 25.1 изображена принципиальная схема работы ГТУ, состоящей из объединенных общим валом ГТ (1), нагнетателя (компрессора) 2, электрического генератора 3 и пускового электродвигателя 4, камеры сгорания 5, насоса 6 и топливного бака 7 (для жидкого топлива).

В идеализированном виде рабочие процессы ГТУ происходят следующим образом. Воздух из окру-

Рис. 25.1 жающей среды засасывается нагнетателем, сжимается до требуемого давления и подается в камеру сгорания, в неё же подается жидкое или газообразное топливо, которое там и сгорает.

Продукты сгорания при требуемой температуре, регулируемой количеством подаваемого воздуха (который подается с большим избытком, чтобы обеспечить приемлемые температуры продуктов сгорания), поступают в сопла ГТ, где их энергия в процессе адиабатного истечения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопасти турбины, где кинетическая энергия газа расходуется на вращение вала установки и передается электрическому генератору, здесь механическая энергия – энергия вращения вала преобразуется в электрическую.

На основании изложенного можно написать для ГТУ следующий баланс мощности: N_г.т. = N_к + N_э.г. + N_н откуда N_э.р.= N_г.т. – N_к ­–N_н , (25.1)

где N_г.т. – мощность ГТУ; N_к – мощность компрессора; N_э.г. – мощность электрического генератора; N_н – мощность насоса.

 

25.2. Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const

Этот цикл в p,v- и T,S-диаграммах изображен на рис. 25.2

Цикл состоит из следующих процессов:

1-2 – адиабатное сжатие воздуха в нагнетателе;

2-3 – изобарный подвод теплоты q₁ в количестве c_p(T₃ – T₂), которая на T,S-диаграмме выражается пл. 2-3-5-6-2; 3-4 – ади-

Рис. 25.2 абатное расширение продуктов сгорания в соплах газовой турбины;

4-1 – изобарный процесс, в котором от рабочего тела отводится теплота в

количестве c_p(T₄ – T₁), выражаемое на T,S-диаграмме пл. 4-1-6-5-4.

Параметры цикла:

b = р₂/р₁ –степень повышения давления при адиабатном сжатии в компрессоре; r = v₃/v₂ – степень предварительного расширения в камере сгорания.

e = v₁/v₂ – степень адиабатного сжатия в компрессоре.

Термический К.П.Д. определяется следующим образом:

h_t = 1 – q₂/q₁, (25.2)

Как известно, h_t будет различной в зависимости от процесса сжатия воздуха в компрессоре, который может быть адиабатным, изотермическим и политропным.

Рассмотрим цикл ГТУ со сгорание при p = const для случая адиабатного сжатия воздуха в компрессоре.

Количество теплоты, отводимое в изобарном процессе 4-1

q₂ = c_p(T₄ – T₁), (25.3)

Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в изобарном процессе 2-3

q₁ = c_p(T₃ – T₂) , (25.4)

Подставляя значения q₁ и q₂ в уравнение (25.2), получаем

_, (25.5)

Выразим температуры Т₂, Т₃ и Т₄ через начальную температуру Т₁ и параметры цикла b и r.

Для адиабаты 1-2: и , (25.6)

Для изобары 2-3, учитывая что р₃ = р₂ и р₄ = р₁, получаем:

, (25.7)

Для адиабаты 3-4:

(25.8)

Подставляя выражения (25.6) – (25.8) в выражения (25.2) – (25.4), находим:

, (25.9) , (25.10)

, (25.11)

где e = v₁/v₂ – степень адиабатного сжатия в компрессоре.

Из выражения (25.11) видно, что h_t ГТУ с подводом теплоты при p = const и адиабатном сжатии воздуха в компрессоре определяется степенью повышения давления при адиабатном сжатии b и показателем адиабаты k продуктов сгорания, т.е. h_t зависит от работы компрессора. Чем выше показатель адиабаты k и чем больше значение b, тем выше h_t.