ГТУ. Общие сведения. Регенерация в ГТУ

Газотурбинные установки (ГТУ) обладают рядом преимуществ в сравнении с вышерассмотренными пор­шневыми двигателями: их отличает маневренность, большая удельная мощность, равномерность хода и отсутствие кривошипношатунного механизма (после­днее позволяет сосредоточить в одном агрегате боль­шую мощность), относительная простота обслужива­ния, малое потребление охлаждающей воды, отсутствие системы водоподготовки питательной воды.

Принципиальная схема простейшей ГТУ представ­лена на рис. 15.2. Атмосферный воздух с помощью ком­прессора (К) сжимается и подается в камеру сгорания. Туда же поступает топливо. Соотношение между коли­чествами топлива и воздуха таковы, что происходит пол­ное сгорание топлива, а полученные продукты сгорания разбавляются избыточным воздухом. Цель такого раз­бавления — понижение температуры рабочего тела до допустимых значений, которые определяются свойства­ми материала лопаток газовой турбины (ГТ). Эта темпе­ратура в различных ГТУ колеблется от 1000 до 1750 °С.

Из камеры сгорания смесь газов поступает в ГТ, рас­ширяется, совершая работу, и выбрасывается в атмос­феру. Газовая турбина приводит во вращение компрес­сор, топливный насос (ТН) и полезную нагрузку (Н).

Сегодня газотурбинные двигатели широко распро­странены в авиации и судостроении, перспективны на железнодорожном транспорте и большегрузных авто­мобилях. Применение ГТУ на тепловых электростан­циях в комбинации с паротурбинными блоками, на так называемых парогазовых установках, позволяет уже на базе современной технологии повысить КПД таких интегральных установок до 60 %, снизить капитальные затраты на единицу установленной мощности, что в ко­нечном итоге приводит к снижению стоимости элект­роэнергии на 80 %. Перспективно применение ГТУ и в теплотехнологических процессах, где они в ряде слу­чаев должны заменить традиционные топки. Подобная комбинация — основной путь дальнейшего повыше­ния эффективности энергоиспользования в промышлен­ности.

Регенерация теплоты в ГТУ от газов выходящих из турбины осуществляет-ся для подогрева воздуха подводимого в камеру сгорания, что позволяет обес-печить требуемую максимальную температуру цикла T_z. Схема ГТУ с подводом теплоты при р=const и регенерацией теплоты приведена на рис.

Рис. 3.15. Схема ГТД с регенерацией теплоты:

К – компрессор; ТО – теплообменник; КС – камера сгорания;

ГТ – газовая турбина; Р – редуктор

В эту схему вводится теплообменник (ТО), в котором выходящие из тур-бины газы подогревают воздух, поступающий из компрессора в камеру сгора-ния. Термодинамический цикл такой ГТУ показан на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Термодинамический цикл ГТД с регенерацией теплоты:

а – в координатах pv; b – в координатах Ts

Цикл образует следующие процессы: а-с – адиабатное сжатие; c-r – изо-барный подвод теплоты q_то в теплообменнике, r-z – изобарный подвод теплоты q₁ в камере сгорания, z-b – адиабатное расширение в турбине, b-e –изобарный отвод теплоты q_то от продуктов сгорания в теплообменнике, e-a – изобарный отвод теплоты q₂ в окружающую среду.

Количество теплоты, отдаваемое газом в теплообменнике и получаемое воздухом, соответствует площадям e₀-e-b-b₀-e₀ = a₀-c-r-r₀-a₀ и определяется по формулам

 

q_то= c_p(T_b-T_e)= c_p(T_r-T_c)

Для оценки эффекта регенерации вводится степень регенерации, представ-ляющей отношение значений действительного повышения температуры возду-ха в теплообменнике (T_r – T_c) к максимально возможному T’_r-T_c= T_b-T_c

η_p= T_r-T_c/ T_b-T_c

С целью увеличения термодинамического КПД и достижения степени ре-генерации теплоты близкого к единице (1p≈η) применяется регенеративный цикл с многоступенчатым сжатием воздуха и многоступенчатым расширением газа в турбинах.

21.Двигатели с газообразным рабочим телом. Общие сведения. Поршневые ДВС и их механические циклы. Идеальный цикл Отто: (исходные данные, расчет характерных точек, подводимая, отводимая теплота цикла, работа цикла, термический КПД, среднее индикаторное давление).

Общие сведения

Практически до 70-х годов XX столетия единственным тепловым двигателем, использовавшимся в промышленности, была паровая поршневая машина, малоэкономичная и работавшая на насыщенном паре низкого _а давления. Первый непрерывнодействующий тепловой двигатель (паровая маши на) был разработан И.И. Ползуновым. Первая машина была атмосферной. Когда одна из подпоршневых полостей соединялась с котлом, поршень под действием давления пара поднимался вверх, после чего парораспределительный кран поворачивался и отсекал подпоршневую полость от котла. Через трубку впрыскивалась вода, пар конденсировался, и под поршнем создавался вакуум. Под действием атмосферного давления поршень опускался и совершая полезную работу.

К 80-м годам был практически освоен цикл работы двигателей внут­реннего сгорания (цикл Отто), но, по существу, этот цикл отражает прин­ципы многих других изобретателей, и особенно принцип Бо-де-Роша.

Идеальный цикл такого двигателя, называемый циклом двигателей внут­реннего сгорания с подводом к газу теплоты при постоянном объеме, включает адиабатное сжатие рабочего газа, изохорный подвод к газу теплоты, адиабатное расширение рабочего тела и изохорный—отдача рабочим телом теплоты.

Тепловой двигатель Николауса Августа Отто не допускал высокого сжатия, и КПД его поэтому был невелик. Стремясь создать более совре­менный двигатель внутреннего сгорания с высоким КПД, немецкий ин­женер Р. Дизель разработал другой принцип работы, отличавшийся от прин­ципа работы двигателя Отто.

Первая попытка избавиться от компрессора принад­лежит нашему соотечественнику проф. Г.В. Тринклеру, которым и был в 1904 г. построен бескомпрессорный двигатель. Двигатель Тринклера не вошел в серий­ное производство, хотя и был выполнен на одном из германских заводов (заводе Кертинга). В бескомпрессорных дизелях был осуществлен новый третий по счету рабочий цикл. Идеальный цикл этого двигате­ля, называемый циклом со смешанным подводом теп­лоты, состоит из адиабатного сжатия воздуха, изохорного, а затем изобарного подвода теплоты, адиабатно­го расширения газов и изохорной отдачи теплоты.

Тепловые двигатели, в которых газообразные про­дукты сгорании являются одновременно рабочим телом, называют двигателями внутреннего сгора­ния. Двигатели внутреннего сгорания выполнены в виде поршневых двигателей, газовых турбин¹ и ре­активных двигателей.

Тепловые двигатели (паровые машины), в которых продукты сгорания являются только нагревателем (теплоотдатчиком), а функции рабочего тела выпол­няют жидкая и перовая фазы, называются двигате­лями внешнего сгорания. Двигатели внешнего сгора­ния— паросиловые установки: паровые машины, па­ровые турбины, ядерные энергетические установки.