По термодинамическому признаку ГТУ подразделяют на две группы:
- с подводом теплоты при постоянном давлении ;
- с подводом теплоты при постоянном объеме .
По способу организации цикла различают:
- ГТУ разомкнутого цикла – рабочее тело в круговом процессе подвергается замене, соприкасаясь с атмосферой;
- ГТУ замкнутого цикла – рабочее тело не соприкасается с атмосферой.
По конструктивному выполнению ГТУ делят на типы:
1) одновальные; 2) двухвальные; 3) многовальные.
По назначению ГТУ подразделяют:
1) стационарные; 2) авиационные; 3) судовые.
Принципиальная схема простейшей ГТУ разомкнутого цикла с подводом теплоты при постоянном давлении приведена на Рис. 7.4. Данный цикл носит название цикла Брайтона.
Рис.7.4. Принципиальная схема простейшей ГТУ разомкнутого цикла с подводом теплоты при постоянном давлении
Атмосферный воздух сжимается в воздушном компрессоре 1 до давления 0,8-3,0 МПа. Затем воздух поступает в камеру сгорания 2, куда подается жидкое или газообразное топливо B. Процесс сгорания происходит при температурах 1800-2300°С; на выходе из КС температура газов достигает 1100-1500°С, ее снижают до требуемых значений. Продукты сгорания поступают в турбину 3, где при их расширении кинетическая энергия преобразуется в работу на лопатках турбины, соединенных с валом. Вал установки 4 соединяет турбину, компрессор и полезную нагрузку 5, например электрогенератор, нагнетатель и т.д.
|
|
На Рис. 7.5приведена принципиальная схема ГТУ разомкнутого цикла с подводом теплоты при постоянном давлении двухзальной конструкции с выделенной силовой турбиной: 1 – воздушный компрессор, 2 – камера сгорания, 3 – турбина высокого давления; 4 – турбина низкого давления; 5 - вал ТВД; 6 – вал ТНД; 7 - полезная нагрузка.
Рис. 7.5 Принципиальная схема ГТУ разомкнутого цикла с подводом теплоты при постоянном давлении двухзальной конструкции с выделенной силовой турбиной
На Рис. 7.6.приведен термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении ; 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты в КС при постоянном давлении ; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгораниям турбине; 4-1 – изобарный отвод теплоты, выхлоп продуктов сгорания в атмосферу.
КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении определится как: .
Рис. 7.6. Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении
Принципиальная схема простейшей ГТУ открытого цикла с подводом теплоты при постоянном объеме приведена на Рис. 7.7. Данный цикл носит название цикла Гемфри.
Рис. 7.7. Принципиальная схема простейшей ГТУ открытого цикла с подводом теплоты при постоянном объеме
|
|
Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 и подается в КС 2 через клапан 4. Топливо В подается в КС через клапан 3. При закрытых клапанах 3, 4, 5 осуществляется воспламенение топливовоздушной смеси, например с помощью электрической свечи. Топливо сгорает очень быстро, чем объясняется практически постоянный объем, при котором подводится теплота. Давление и температура повышается, открывается клапан 5 и продукты сгорания попадают в турбину 6, где, расширяясь на лопатках турбины, совершают работу и выбрасываются в атмосферу. После достижения в КС определенного давлении осуществляется ее продувка и цикл повторяется.
Рис. 7.8. Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме
На термодинамической диаграмме цикла Рис. 7.8. линия 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты в КС при постоянном объеме ; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгораниям турбине; 4-1 – изобарный отвод теплоты, выхлоп продуктов сгорания в атмосферу
КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме определится как: .
Сравнение идеальных циклов ГТУ при одинаковых значениях давления сажания в компрессоре и температурах пред турбиной показывает, что термодинамический КПД цикла ГТУ при несколько выше, чем у цикла при . Однако в реальных установках, наоборот, из-за неравномерности подачи продуктов сгорания по времени. Из-за приведенного сопоставления и сложности конструкции КС цикла при , ГТУ данного цикла не имеют широкого применения.
Повысить эффективность ГТУ простейшей схемы при возможно осуществив регенеративный подогрев воздуха.
На Рис. 7.9 приведена схема ГТУ с подводом теплоты при и с регенерацией теплоты.
Атмосферный воздух после сжатия в компрессоре 1 поступает в регенератор 2, где нагревается встречным потоком продуктов сгорания, выходящим из турбины 4. Затем воздух поступает в камеру сгорания 3, туда же поступает топливо B.
Рис. 7.9. Схема ГТУ с подводом теплоты при и с регенерацией теплоты
На Рис. 7.10 приведен термодинамический цикл ГТУ с регенерацией теплоты в р-v (а) и T-S (б) координатах.
Рис. 7.10 Термодинамический цикл ГТУ с регенерацией теплоты в р-v (а) и T-S (б) координатах
Линия 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 – подвод теплоты к воздуху при ;
Линия 5-3 – подвод теплоты в камере сгорания при за счет сжигания топлива;
Линия 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине;
Линия 4-1 – передача теплоты воздуху в регенераторе и отвод теплоты при выходе продуктов сгорания в атмосферу.
Таким образом, при прочих равных условиях регенерация уменьшает расход топлива, т.е. увеличивается КПД ГТУ. В реальных установках термический КПД выше, однако, за счет введения регенератора увеличивается масса и габариты, схема установки усложняется, поэтому данные схему работы применяют только на стационарных ГТУ.