Газотурбинные циклы Брайтона. Тепловая схема и КПД

В этом разделе рассматривается (упрощенно) один из реальных циклов, распространенных в энергетике, авиации, в судовых уста­новках, на железнодорожном транспорте. В газотурбинных циклах рабочим телом является газ. Обычно это воздух или продукты сго­рания топлива. В ядерной энергетике перспективным рабочим те­лом газотурбинного цикла считается гелий. Рассмотрим вначале простейший цикл Брайтона без регенерации тепла.

Наиболее просто нагревать и охлаждать газ при постоянном давлении (изобарически), например, нагревая или охлаждая трубы, по которым течет газ. Согласно тепловой схеме (рис. 3.8, а) газ нагревается изобарически в теплообменнике 1 (в ядерном реакторе, камере сгорания и т.п.). На pV- и TS-диаграммах (рис. 3.8, б, в) это участки 4 - 1. Нагретый газ адиабатически расширяется в газовой турбине 2 (процесс 1 - 2), расположенной на одном валу 3 с ком­прессором 4, в котором газ сжимается адиабатически (процесс 3 - 4) после охлаждения (изобарического) в холодильнике 6 (процесс 2 - 3). Вращательное движение, приобретенное турбиной при рас­ширении газа, передается ротору электрогенератора 5, где механи­ческая энергия преобразуется в электрическую.

Следует отметить, что турбины, впервые созданные в 1890 г., стали основным средством получения электроэнергии и основным типом судовых и авиационных двигателей.

Как повысить КПД цикла Брайтона при реальных степенях сжа­тия? Из TS-диаграммы на рис. 3.8 следует, что если температура газа на выходе из турбины Т₂ превышает температуру газа на вы­ходе из компрессора Т₄, то возможна регенерация тепла в цикле. Для увеличения доли тепла, регенерируемого в цикле, выгодно понижать температуру Т₄. Достигается это путем многоступенчато­го сжатия газа с промежуточным охлаждением после каждой сту­пени. Тепловая схема такого цикла с регенерацией тепла изобра­жена на рис. 3.10. Оптимальная степень расширения газа в этом случае находится в диапазоне в = 2 - 4 (см. рис. 3.9).