2015-02-14
3925
Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из воздушного компрессора К, камеры сгорания КС, газовой турбины ГТ (см. рис. 2.1). На одном валу с газовой турбиной находится также топливный насос ТН для подачи мазута или топливный компрессор ТК для подачи природного газа и электрогенератор ЭГ (если ГТУ используется для выработки электроэнергии) или другая нагрузка. Сжатый в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо. Сгорание происходит при p = const. Из камеры сгорания газы поступают через сопла на рабочие лопатки газовой турбины и приводят во вращение ее ротор. Отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.
Рис. 2.1. Схема ГТУ с подводом теплоты при p = const
На рис. 2.2 представлен теоретический цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const. Цикл состоит из двух адиабат и двух изобар и характеризуется степенью повышения давления 
.
Рис. 2.2. Цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const:
1–2 – адиабатное сжатие рабочего тела;
2–3 – изобарный подвод теплоты (горение топлива);
|
|
|
3–4 – адиабатное расширение;
4–1 – изобарный отвод теплоты (с выхлопом продуктов сгорания в окружающую среду)
Количество подведенной в процессе 2–3 удельной теплоты (см. рис. 2.2) находится как
, (2.1)
а количество отведенной в процессе 4–1 удельной теплоты –
. (2.2)
Удельная работа, производимая турбиной:
. (2.3)
Удельная работа, затрачиваемая на привод компрессора:
. (2.4)
Удельная полезная работа цикла
. (2.5)
Термический КПД цикла можно найти по определению, рассчитав долю подводимой теплоты, преобразованной в полезную работу:
, (2.6)
или по характеристикам цикла:
(2.7)
Зная мощность установки N и теплотворность топлива 
, можно найти расходы рабочего тела 
и топлива В т:
; (2.8)
. (2.9)
Одним из способов увеличения термического КПД газотурбинной установки является регенерация теплоты, при которой часть теплоты, отводимой с продуктами сгорания, используется в регенераторе (теплообменном аппарате ТА) для нагрева воздуха перед камерой сгорания (см. рис. 2.3).
Эффективность передачи теплоты от продуктов сгорания к воздуху оценивается степенью регенерации σ
. (2.10)
При 
степень регенерации σ = 1, то есть вся теплота без потерь передается от газов к воздуху, и температура воздуха на выходе из регенератора достигает максимального значения. В этом случае удельные количества подводимой и отводимой теплоты будут определяться выражениями
; (2.11)
. (2.12)
Рис. 2.3. Схема установки и цикл ГТУ с подводом теплоты
при p = const и с регенерацией теплоты
Реальные (действительные) процессы в турбине и компрессоре являются необратимыми и, в соответствии со вторым законом термодинамики, идут с возрастанием энтропии (рис. 2.4).
|
|
|
Рис. 2.4. Действительный цикл ГТУ
Потери из-за необратимости процессов сжатия в компрессоре и расширения в турбине оцениваются значениями внутренних относительных КПД компрессора
(2.13)
и турбины
, (2.14)
где действительные работы турбины и компрессора
; (2.15)
, (2.16)
а теоретические работы компрессора l к и турбины l т рассчитываются по формулам (2.3) и (2.4). Зная значения 
и 
, можно найти температуры Т 2д и Т 4д.
При расчете циклов ГТУ считаем, что рабочее тело обладает свойствами воздуха. Теплоемкости находятся по молекулярно-кинетической теории.
Задачи
2.1. Найти параметры в характерных точках цикла и термический КПД цикла ГТУ с подводом тепла при p = const, если параметры воздуха на входе в компрессор р 1 = 1,05 бар и t 1 = 17 оС, степень повышения давления в компрессоре β = 6. Максимальная температура газов в цикле t 3 = 750 оС.
Определить расход рабочего тела через ГТУ и расход сжигаемого топлива, если мощность установки N = 20 МВт, а теплотворность топлива 
.
