Циклы газотурбинных установок

В циклах ДВС рабочее тело выбра­сывается из цилиндра с температурой и давлением , которые превышают соответствующие параметры окружаю­щей среды р₀, То, практически совпадаю­щие с Поэтому циклам ДВС при­сущи потери эксергии из-за «недорасширения» газов до параметров окружаю­щей среды. Их удается значительно сократить в циклах газотурбинных уста­новок.

Рисунок 8.4 - Схема газотурбинной установки

Воздушный компрессор К сжи­мает атмосферный воздух, повышая его давление от р₁до р₂ и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же спе­циальным нагнетателем Н непрерывно подается необходимое количество жид­кого или газообразного топлива. Образу­ющиеся в камере продукты сгорания вы­ходят из нее с температурой и практи­чески с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), что и на вы­ходе из компрессора ( )- следова­тельно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении.

В газовой турбине Т продукты сгора­ния адиабатно расширяются, в результа­те чего их температура снижается до Т₄, а давление уменьшается до атмосферно­го. Весь перепад давлений используется для получения технической работы в турбине . Большая часть этой работы l_к расходуется на привод компрессора; разность является полезной и используется, например, на производство электроэнергии в электри­ческом генераторе ЭГ или на другие цели (при использовании жидкого топлива расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать).

Рисунок 8.5 - Цикл газотурбинной установки:

а — в p,v-координатах;

б — в T,s-координатах

Заменив сгорание топлива изобар­ным подводом теплоты (линия 2-3 на рисунке), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изо­барным отводом теплоты (линия 4-1), получим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4.

Полезная работа l_ц изображается площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 6.5, а видно, что полезная работа равна разно­сти между технической работой, полу­ченной в турбине (площадь 6-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-5). Площадь цикла 1-2-3-4 в Т,s-диаграмме эквивалента этой же полезной работе (рис. б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной (площадь 8-2-3-7) и отведенной (площадь 1-4-7-8) теплоты. Коэффициент полезного дей­ствия идеального цикла ГТУ

При этом теплоемкость с_р принята для простоты постоянной. Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давле­ния в компрессоре , равная отношению давления воздуха после компрессо­ра р₂ к давлению перед ним. Тогда коэффициент полезного дей­ствия идеального цикла ГТУ

Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением . Это связано с увеличе­нием температуры в конце процесса сжа­тия и соответственно температуры га­зов перед турбиной .На рис. б от­четливо видно, что цикл 1-2'-3'-4, в кото­ром больше, экономичнее цикла 1-2-3-4, ибо по линии 2'-3' подводится больше теплоты , чем по линии 2-3, при том же количестве отведенной в процессе 4-1 теплоты . При этом и больше, чем соответственно и .

Дело в том, что с увеличением возрастает эксергия рабочего тела перед турбиной, т. е. уменьшаются потери эксергии при сгорании, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и уве­личивает КПД цикла.

Максимальная температура газов пе­ред турбиной ограничивается жаропроч­ностью металла, из которого делают ее •элементы. Применение охлаждаемых ло­паток из специальных материалов позво­лило повысить ее до 1400—1500°С в авиации (особенно на самолетах-пере­хватчиках, где ресурс двигателя мал) и до 1050—1090°С в стационарных тур­бинах, предназначенных для длительной работы. Непрерывно разрабатываются более надежные схемы охлаждения, обеспечивающие дальнейшее повышение температуры. Поскольку она все же ни­же предельно достижимой при горении, приходится сознательно идти на сниже­ние температуры горения топлива (за cчет подачи излишнего количества воз­духа). Это увеличивает эксергетические потери от сгорания в ГТУ иногда до 40 %.

Газы выбрасывают из турбины с тем­пературой . Следовательно, эксергия рабочего тела, которой мы располагаем перед турбиной, использу­ется также не полностью: потери эксер­гии с уходящими газами могут доходить до 10 %. Поэтому КПД ГТУ оказывается пока еще ниже, чем ДВС.

Не имея деталей с возвратно-посту­пательным движением, газовые турбины могут развивать значительно большие мощности, чем ДВС. Предельные мощно­сти ГТУ сегодня составляют 100—200 МВт. Они определяются высотой ло­паток, прочность которых должна выдер­жать напряжения от центробежных уси­лий, возрастающих с увеличением их высоты и частоты вращения вала. Поэто­му газовые турбины применяются пре­жде всего в качестве мощных двигателей в авиации и на морском флоте, а также в маневренных стационарных энергети­ческих установках.

Ряд технологических процессов, осо­бенно химической промышленности, свя­зан с потоками нагретых сжатых газов. Расширение этих газов в газовой турбине позволяет получить энергию, которая обычно используется в этом же процессе, например для нагнетания тех же газов. В этом случае вал турбины непосред­ственно соединяется с валом турбоком­прессора. Такое комбинирование позво­ляет существенно снизить потребление энергии в технологическом процессе. К сожалению, оно используется еще не­достаточно широко, во-первых, из-за кос­ности мышления технологов, а во-вторых, из-за отсутствия турбин на нужные пара­метры, Часто используют авиационные двигатели, выработавшие свой ресурс.

В энергетике газовые турбины иног­да используют для привода воздуходу­вок, нагнетающих воздух в топку котла, работающую под давлением. Для этого продукты сгорания, охлажденные в кот­ле до необходимой температуры, направ­ляются в турбину, сидящую на одном валу с воздуходувкой, и расширяются в ней до атмосферного давления, совер­шая работу.