Идеальный цикл газотурбинного двигателя

Газотурбинные двигатели относятся к ДВС. Они обладают многими преимуществами по сравнению с поршневыми двигателями. Это, в первую очередь, большие мощности при сравнительно малых габаритах и достаточно высокая экономичность.

В качестве компонентов топлива в газотурбинных двигателях используются жидкое или газообразное горючее и воздух как окислитель. Принципиальная схема авиационного газотурбинного двигателя приведена на рис.5.7, где 1 – компрессор, 2 – камера сгорания, 3 – турбина, 4 – реактивное сопло

 

Рис.5.7

Сжатый в компрессоре воздух с высоким давлением и значительной температурой подается в камеру сгорания, туда же через форсунки поступает горючее. Перемешанная топливная смесь воспламеняется и сгорает. Высокотемпературные продукты сгорания устремляются к расширительной машине – турбине. В сопловом аппарате рабочее тепло разгоняется до высокой скорости, а на рабочих лопатках турбины кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу, приводя во вращение ротор турбины. От ротора турбины крутящий момент передается компрессору и другим потребителям мощности.

В некоторых типах авиационных газотурбинных двигателей часть энергии рабочего тела используется для создания реактивной силы (тяги двигателя).

В газотурбинных стационарных и авиационных двигателях сгорание топлива осуществляется при постоянном давлении.

Идеальный цикл изобарного газотурбинного двигателя, рис. 5.8, включает следующие процессы:

 

 

1-2 – адиабатный процесс сжатия рабочего тела в компрессоре;

2-3 – изобарный подвод тепла;

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела в турбине;

4-1 – изобарный процесс отвода тепла в окружающую среду.

Заданными в цикле являются параметры на входе в компрессор p_1, v₁, T₁, степень повышения давления = р₂/р₁ и степень предваритель-

Рис. 5.8 ного расширения = v₃/v₂ = T₃/T₂.

Параметры состояния в характерных точках определяются аналогично

рассмотренным выше циклам.

Точка 2: p₂= p; v₂ = v₁; T₂= T₁ .

Точка 3: p₃ = p₂ = p₁ ; v₃ = v₁; T₃= T₂ = T₁ .

Точка 4: p₄= p₁ ; v₄ = v₁; T₄ = T₁ .

 

Значения теплоты q₁ и q₂ в изобарных процессах будут равны:

q₁ = c_p (T₃ –T₂) = c_p () T₁ и q₂ = c_p (T₄-T₁ )= c_p( -1)T₁.

После подстановки q₁ и q₂ в выражение (1.21) получим значение термического КПД цикла газотурбинного двигателя в виде:

. (5.6)

Из выражения (5.6) следует, что термический КПД газотурбинного двигателя зависит только от степени повышения давления и показателя адиабаты продуктов сгорания. С увеличением и кзначение растет.

Цикл паросиловой установки

В отличие от двигателей внутреннего сгорания в паросиловых установках продукты сгорания топлива непосредственно не участвуют в рабочем цикле, они являются лишь источником теплоты, а рабочим телом служит пар какой–либо жидкости. Принципиальная схема паросиловой установки, работающей на водяном паре, представлена на рис. 5.9,

где 1– паровой котел;

2 – пароперегреватель;

3 – паровая турбина, выполняющая функции расширительной машины;

4 – электрогенератор;

5 – конденсатор;

6 – питательный насос.

В котле вода нагревается и превращается в насыщенный пар, а в пароперегревателе – в перегретый пар. Перегретый пар поступает в турбину, где, расширяясь, совершает полезную работу. После турбины отработанный пар конденсируется, а конденсат питательным насосом снова подается

в котел. Рис. 5.9

На основании длительного исследования свойств водяного пара и работы паровых машин шотландский ученый У.Д. Ренкин создал теоретический цикл паросиловой установки, который носит его имя. На рис. 5.10 и 5.11

Представлен циклРенкина в pv и Ts- координатах.

Рис. 5.10 Рис. 5.11

Основными процессами здесь являются:

1–2 – адиабата расширения перегретого пара в турбине;

2–3 – изотерма конденсации пара;

3–4 – подача воды насосом в котел;

4–5 – подогрев воды в котле;

5–6 – образование влажного пара в котле;

6–1 – перегрев насыщенного пара в пароперегревателе.

Процесс 4 –5 – 6 –1 – изобарный.

Подвод и отвод тепла в цикле происходит при постоянном давлении. Тогда количество теплоты в процессе 4–5–6–1, используемой для нагрева воды, парообразования и перегрева, выразим через энтальпии:

 

q₁ = i₁ – i₄,

где i₁ и i₄ – энтальпия перегретого пара и энтальпия конденсата, соответственно.

Количество теплоты, отводимой в процессе конденсации пара, будет равно:

q₂ = i₂ – i₃.

Воспользовавшись значениями q ₁ и q ₂, находим термический КПД цикла паросиловой установки:

. (5.7)

С увеличением температуры перегретого пара термический КПД цикла возрастет, т.к. полезно используемая теплота увеличится. Повышение начальных параметров пара от p₁ = 10 МПа и T₁= 510 ^оС до сверхкритических

(p₁ = 30 МПа и T₁ = 650 ^оС) приводит к увеличению КПД установки на 15...18 %. Увеличение КПД происходит и при снижении давления отработавшего пара.