Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты

Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении изображена на рис. 14.1. Компрессор 2, приводимый в движение газовой турбиной 1, подает сжатый воздух в камеру сгорания 6, в которую через форсунку 7 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 3, находящимся на валу турбины, из топливного бака 4. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате газовой турбины и частично на лопатках ротора турбины и выбрасываются в атмосферу. Мощность, развиваемая турбиной, частично расходуется на привод компрессора и топливного насоса, а остальная часть потребляется электрогенератором 8 (или другим потребителем). Пуск установки осуществляется пусковым эл.двигателем 5.

Рис. 14.1

Изобразим термодинамический цикл такой ГТУ в координатах p, u и T, s (рис. 14.2)

Цикл состоит из следующих процессов: 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 - изобарный подвод теплоты q₁ в камере сгорания; 3-4 - адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине; 4-1 - изобарный отвод теплоты.

Работа, совершаемая в турбине 1 кг газа l_т при адиабатном расширении, будет равна разности энтальпий газа перед турбиной и после нее: l_т = h₃ - h₄. Эта работа за вычетом работы, затрачиваемой на привод компрессора l_к = h₂ - h₁, воспринимается потребителем и составляет работу цикла.

l_ц = l_т - l_к = (h₃ - h₄) - (h₂ - h₁).

С другой стороны, работу цикла можно найти как разность подведенного и отведенного тепла.

l_ц = q₁ - q₂ = (h₃ - h₂) - (h₄ - h₁).

При обоих подходах получаем один и тот же результат.

Найдем термический к.п.д. цикла: h_t = 1 - q₂/q₁.

Подведенное и отведенное тепло будет q₁ = c_p(T₃ - T₂) и q₂ = c_p(T₄ - T₁). Тогда h_t = 1 - c_p(T₄ - T₁)/c_p(T₃ - T₂).

Параметрами цикла будут:

- степень повышения давления при адиабатном сжатии в компрессоре;

- степень предварительного расширения.

Определим температуры газа в точках 2,3 и 4 через заданную температуру в точке 1.

Из адиабаты 1-2

, откуда .

Из изобары 2-3

, откуда .

Из адиабаты 3-4

, откуда .

Тогда

. (14.1)

Следовательно, h_t цикла ГТУ с подводом теплоты при p = const является прямой функцией степени повышения давления b. Однако повышение b приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Величина этой температуры лимитируется жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 800 - 1000 ^оС.