Схема и цикл газотурбинной установки (ГТУ) с подводом теплоты при постоянном давлении. Способы повышения термического КПД ГТУ.

Схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении изображена на (рис.1).

Компрессор 1 засасывает атмосферный воздух, сжимает его и на­правляет в камеру сгорания 2, в которую через форсунку 3 впрыскивается жидкое топливо; подача топлива производится топливным насосом 4. Часть воздуха в количестве, необходимом

для сгорания (с неболь­шим коэффициентом избытка), подводится непосредственно к форсунке; остальная часть его подмешивается к продуктам сгорания для их охлаждения с понижением температуры на лопатках турбины до 600-800° С. Газообразные продукты сгорания после расширения в соплах 5 поступают на лопатки 6 газовой турбины Т, а затем выбрасываются в атмосферу через выхлопной патрубок 7.

Преимущества ГТУ (по сравнению с двигателями внутреннего сгорания):

1.Меньший вес и малые габариты установки при большой мощности.

2.Отсутствие кривошипно-шатунного механизма.

3.Равномерность хода и возможность непосредственного соединения с потребителями работы (эл.генераторами, ц.б.компрессорами и др.).

4.Простота обслуживания.

Теоретический цикл газотурбинной установки со сгоранием топли­ва при р = const и адиабатическим сжатием воздуха в компрессоре изо­бражен на (рис. 2 и 3). 1-2 – адиабатное сжатие воздуха компрессором;

2-3 – подвод теплоты q₁ при p = const;

3-4 – адиабатное расширение на газовой турбине;

4-1 – отвод теплоты q₂ при p = const.

Количество теплоты, подведенное и отведенное от раб.тела:

Полезная работа:

Термический КПД цикла: ; .

Для изобар 2-3 и 4-1 соотношение температур: => .

Степень повышения давления: . Для адиабатного процесса:

. η_t зависит лишь от степени повышения давления β и не зависит от интервала температур.

Способы повышения термического КПД ГТУ.

1. Действительный процесс отвода тепла в цикле ГТУ является внешне-необратимым процессом, т.к. между выхлопными газами, отдающими тепло, и окружающей средой, воспринимаю­щей его, имеется конечная разность температур.

Термический КПД внешне-необрати­мого цикла можно повысить при помощи регенерации тепла, если толь­ко в цикле есть участки, на которых рабочее тело получает и отдает тепло при одинаковых температурах. В цикле газотурбинной установки (рис. 4.) такими участками яв­ляются отрезки изобар 2-5 и 4-6.

В цикле с регенерацией тепла средняя темпе­ратура подвода тепла будет выше, а отвода тепла — ниже. Поэтому цикл с регенерацией тепла будет иметь более высокий термический КПД, чем цикл без регенерации тепла.

Принципиальная схема газотурбинной установки с регенерацией тепла изображена на (рис.5). Она отличается от рассмотренной ра­нее схемы установки без регенерации (рис.1.) тем, что сжатый воз­дух из компрессора 1 поступает не сразу в камеру сгорания 2, а пред­варительно подогревается в регенераторе 9 за счет тепла выхлопных газов.

2.Также к способам повышения термического КПД ГТУ можно отнести применение ступенчатого подвода теплоты (рис.6) и ступенчатого сжатия воздуха с промежуточным охлаждением (рис. 7.).

2-3 – подвод теплоты при p = const в 1-ой ступени турбины;

3-4 – адиабатное расширение после 1-ой ступени;

4-3' – подвод теплоты при p = const во 2-ой ступени турбины;

3'-4' – адиабатное расширение во 2-ой ступени.

Термический КПД в случае ступенчатого подвода теплоты будет больше.

1-2 – адиабатное сжатие в 1-ой ступени компрессора;

2-3 – охлаждение сжатого воздуха при p = const;

3-4 – адиабатное сжатие во 2-ой ступени компрессора.

η_t^{со многоступенчат.сжатием} > η_t

На (рис.8) изображен цикл ГТУ со ступенчатым сгоранием и многоступенчатым сжатием воздуха, который в идеальном случае представляет собой цикл с многоступенчатым расширением, сжатием и с промежуточным подводом и отводом тепла. Процесс адиабатического расширения рабочего тела в такой установке осуществляется последовательно в не­скольких ступенях турбины, причем после расширения в каждой из сту­пеней рабочее тело подается в промежуточные камеры сгорания, где его температура за счет дополнительного сжигания топлива доводится до первоначальной. Чем больше число ступеней расширения и сжатия, тем ближе цикл газотурбинной установки к обобщенному циклу Карно и тем выше его термический КПД.