Принципиальная схема и цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты

Отличительной особенностью циклов ГТУ от циклов поршневых ДВС является осуществление процессов в разных элементах двигателя одновременно при непрерывном или пульсирующем потоке через них рабочего тела.

Различают циклы ГТУ с непрерывным потоком, в котором теплота подводится к рабочему телу при постоянном давлении р = const, и цикл ГТУ с пульсирующим потоком, в котором теплота подводится к рабочему телу при постоянном объёме V = const.

Рис. 3.12. Схема простейшей (одновальной) ГТУ:

Ф – форсунка; ТБ – топливный бак; Н – топливный насос; КС – камера сгорания; К – воздушный компрессор; ГТ – газовая турбина; Р – редуктор; ЭГ – электрический генератор

В компрессоре (К) атмосферный воздух засасывается, сжимается и его начальные параметры , увеличиваются до , .

Из компрессора воздух непрерывно подается в камеру сгорания (КС), туда же непрерывно подается под давлением через форсунки распыленное жидкое или газообразное топливо в необходимом количестве.

Запуск ГТУ осуществляется от стартера после раскрутки турбокомпрессора до пусковой частоты вращения в КС подается мелкораспыленное топливо, которое воспламеняется от электрической искры. После появления устойчивого горения свеча отключается и дальнейшее воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется от пламени образовавшегося факела.

Образовавшиеся в КС продукты сгорания выходят из неё с температурой и давлением , несколько меньше давления , вследствие гидравлического сопротивления КС, которое учитывается коэффициентом полного давления

Температура газа в зоне горения составляет ≈ 2300 К, однако для обеспечения работоспособности лопаток турбины, за зоной горения в КС в поток продуктов сгорания подмешивается избыточный воздух и температура снижается до значений в транспортных ГТУ – 1100…1500 К, в авиационных -достигает 1650…1700 К. Таким образом горение топлива (т.е. подвод теплоты ) происходит при постоянном давлении р = const.

Из КС продукты сгорания поступают в турбину, где адиабатно расширяются и совершают работу, вращая рабочее колесо. В результате температура и давление газа понижаются до , . Большая часть работы, совершаемая газом в турбине, вследствие перепада давлений , расходуется на привод компрессора, а остальная часть работы (полезно-эффективная) через редуктор (Р) передается потребителю, например, в электрогенератор для производства электроэнергии.

После выхода газа из турбины происходит отвод теплоты в атмосферу с давлением и температурой (при р = const).

Рис. 3.13. Термодинамический цикл ГТД с подводом теплоты при

р = const

На диаграммах процессы «ас» и «zb» - сжатие и расширение считаются адиабатными, процессы «cz» и «aв» - подвода и отвода теплоты считаются изобарными (р = const).

В изобарных процессах и . На диаграмме Ts эти процессы изображены в виде = площадь 1-е-z-2, = площадь

1-а-в-2. Принимая = const, определяем

(3.22)

Удельная работа цикла определяется как разность работ в турбине и работы сжатия в компрессоре.

На диаграмме рv работа турбины l_т изобразится площадью р_c-c-z-b-a-р_a-р_c, работа компрессора l_к соответственно р_c-c-а-р_a-р_c, а разность между этими площадями даст работу цикла l_ц, равную площади a-c-z-b-a.

(3.23)

Для снижения температуры горения в камеру сгорания подводится излишнее количество воздуха и газы выбрасываются из турбины в атмосферу с высокими значениями температур эти два обстоятельства приводят к тепловым потерям и, следовательно, снижению КПД ГТУ.

ГТУ, не имея деталей с возвратно-поступательным движением могут иметь большую частоту вращения и развивать большие мощности, чем поршневые ДВС. Предельные мощности ГТУ составляют 100 -200 МВт в одном агрегате, в ДВС – около 50 – 60 МВт. Мощности ГТУ определяются высотой лопаток и их прочностью при высоких температурах и скорости вращения.

3.3.2. Цикл ГТУ с подводом теплоты при V=const

В ГТУ, работающей по циклу с подводом теплоты при V=const, процесс сгорания топлива происходит при закрытых впускных и выпускных клапанах, установленных в КС. Топливо впрыскивается в КС периодически в момент закрытия клапанов. Термодинамический цикл в координатах pv и Ts изобразится следующими диаграммами (рис. 3.14)

(а)

(б)

Рис.3.14

Процессы «а-с» и «b-z» - адиабатные (т.е. q=0,S=const), процессы «c-z» - изохорный и «a-b» - изобарный. Тогда в изохорном процессе подвод теплоты q₁=c_p(T_b-T_a) откуда термический КПД цикла определяется:

. (3.24)

Параметры газа в характерных точках цикла через начальную температуру Т_а определяются из соотношений:

; ; ,

где - степень повышения давления в изохорном процессе, - степень повышения давления в компрессоре.

Подставляя их в формулу термического КПД получим

. (3.25)

Таким образом значение КПД с подводом теплоты при V=const зависит от степени повышения давления П_К в компрессоре и от степени повышения давления в камере сгорания, зависящего от количества подводимой теплоты q₁ в изохорном процессе. Удельная работа за цикл определяется:

. (3.26)