Термодинамические циклы ГТУ.

В современных газотурбинных установках (ГТУ) подвод теплоты (сгорания топлива) и отвод ее (выпуск отработавших газов) совершается, как правило, при постоянном давлении.

Принципиальная схема ГТУ со сгоранием при постоянном давлении показана на (рис. 13а), а ее теоретический цикл – на (рис. 13б).

 

Рабочее тело (воздух) засасывается из атмосферы и сжимается в компрессоре (1). Начальное состояние рабочего тела определяется по диаграмме точкой (а). В компрессоре воздух подвергается адиабатному сжатию от начального давления () до давления (). Конец сжатия определяется точкой (с).

Воздух поступает в камеру сгорания (2), куда одновременно подается топливо. Топливо сгорает при постоянном давлении. На диаграмме сгорание топлива изображается изобарой (сz). Количество теплоты подведенной при этом процессе (на 1кг раб тел.), равно ().

Продукты сгорания расширяются по адиабате в газовой турбине (3) (линия ze). Часть энергии, развиваемой в газовой турбине, расходуется на привод компрессора, а остальная на привод через редуктор (4) гребного винта (5). Продукты сгорания охлаждаются в атмосфере при Р = const (линия еа). Отводимое количество тепла равно .

Воздух, являющийся рабочим телом в установке открытого цикла, забирается компрессором из атмосферы с давлением и температурой – (точка 1 диаграммы, рис. 53). В процессе сжатия воздуха в компрессоре до давления его температура повышается до значения (точка 2).

Из компрессора воздух с параметрами поступает в камеру сгорания, куда одновременно подается топливо.

 

Рис. 53. Схема и термодинамический цикл простейшего ГТД открытого цикла

 

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, аккумулируется воздухом, и на выходе из камеры сгорания газы имеют параметры (точка 3 диаграммы). Величина давления газов в общем случае определяется характером процесса, происходящего в камере сгорания.

Из камеры сгорания горячие газы поступают в газовую турбину, где происходит их расширение до давления , равного атмосферному (точка 4). В процессе расширения в турбине температура газов снижается до значения . Отработавшие в турбине газы выбрасываются в атмосферу, где смешиваются с атмосферным воздухом.

В процессе смешения параметры атмосферного воздуха не меняются (количество выбрасываемых газов пренебрежимо мало по сравнению с объемом земной атмосферы), открытый цикл замыкается условным процессом охлаждения продуктов сгорания в атмосфере до состояния воздуха на входе в компрессор – .

Количество теплоты , подведенное в камере сгорания двигателя, численно равно площади диаграммы ; количество теплоты , отведенное из цикла – площади диаграммы .

Термодинамический цикл ГТУ с изобарным сгоранием топлива в и координатах изображен на рис. 54.

 

Полученная в процессе расширения в газовой турбине механическая работа – , эквивалентная площади на диаграмме (рис. 54), частично расходуется на работу сжатия воздуха в компрессоре – (площадь ). Полезная работа цикла – , отдаваемая потребителю энергии (движителю судна, генератору и т. д.), равна разности работ расширения газов в турбине и сжатия воздуха в компрессоре (площадь фигуры ):

 

 

Рис. 54. Термодинамический цикл ГТУ с изобарным сгоранием топлива в и координатах (без учета потерь энергии).

 

Площадь фигуры в диаграмме также эквивалентна полезной работе цикла ГТУ – , и находится как разность между количеством подведенной теплоты в камере сгорания – (площадь ) и отведенной теплоты в окружающую среду – (площадь ):

 

Количество теплоты , подведенное в цикл с топливом, определяется условиями перехода рабочего тела из состояния в состояние .

Количество теплоты , отведенное из цикла с рабочим телом, определяется разностью энтальпий газа на выходе из турбины и воздуха на входе в компрессор:

 

 

где: – среднее значение теплоемкости для изобарного подогрева рабочего тела в камере сгорания при давлении ;

– среднее значение теплоемкости для изобарного процесса охлаждения газов при давлении .

 

Коэффициент полезного действия для теоретического цикла ГТУ равен отношению полезной работы, совершенной в цикле, к затраченной:

 

 

Одной из основных характеристик газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре – , равная отношению давления воздуха на выходе из компрессора к давлению воздуха на входе в него:

Если выразить отношение температур в формуле КПД цикла через степень повышения давления, то формула КПД теоретического цикла ГТУ примет вид:

Где: k = c_p /c_v– показатель адиабаты

Из формулы видно, что значение КПД теоретического цикла ГТУ напрямую зависит только от – степени повышения давления в компрессоре. Физический смысл влияния степени повышения давления в компрессоре на КПД цикла ГТУ виден из рис. 55.

При давлении воздуха на выходе из компрессора , по линии подводится количество теплоты , соответствующее площади диаграммы . При повышении давления на выходе из компрессора до величины , по линии подводится большее количество теплоты – , соответствующее большей площади диаграммы .

 

Рис. 55. Влияние степени повышения давления в компрессоре на КПД цикла ГТУ

 

Увеличение количества подведенного тепла вызывает увеличение полезной работы цикла – (площадь фигуры больше площади фигуры ), что в свою очередь, при одинаковом количестве отведенного из цикла тепла (площадь диаграммы ), приводит к увеличению КПД.

Увеличение степени повышения давления в компрессоре приводит к неизбежному увеличению температуры газа на входе в газовую турбину – (рис. 55), верхняя граница которой ограничена жаропрочностью материалов, из которых изготавливают детали проточной части газовых турбин, и современным развитием технологий металлургии.

Несколько повысить верхнюю границу позволяет применение специальных жаропрочных материалов для изготовления деталей проточной части (лопаток и дисков турбин) и использование интенсивного их охлаждения.

Эти мероприятия позволяют повысить верхнюю границу до 1400 ÷ 1500^оС в авиации, где ресурс ГТД мал, и до 1050 ÷ 1100^оС в стационарных, судовых и корабельных ГТД.

 

Термический КПД ГТУ возрастает с увеличением степени повышения давления . Данные установки отличаются простотой устройства, малыми габаритами и массой.

Однако их эффективный КПД составляет ≈ 24 - 25%. Одной из важнейших причин низкой экономичности ГТУ подобного типа является большая потеря теплоты с отработавшими газами.