Циклы газотурбинных установок

Газотурбинная установка (ГТУ) представляет собой тепловой двигатель, основным элементом которого является газовая турбина. Кроме того, в схему простейшей ГТУ (рис. 6.7) входят камера сгорания и воздушный компрессор.

Рис. 6.7. Схема простейшей ГТУ

Принцип работы такого теплового двигателя состоит в следующем. Наружный воздух сжимается в компрессоре и подается в камеру сгорания, куда одновременно подается и топливо. Образующиеся продукты сгорания направляются в газовую турбину, где, расширяясь до давления окружающей среды, производят работу и выбрасываются наружу. Механическая энергия, выработанная в газовой турбине, с помощью генератора превращается в электрическую.

Процесс горения в камере сгорания может быть организован двумя различными путями: при постоянном давлении (p=const) и постоянном объеме
(v=const).

В первом типе ГТУ процессы подачи топлива и воздуха, а также горения и истечения осуществляются непрерывно.

Для осуществления сгорания топлива при v=const во втором типе установок камеру сгорания после наполнения ее горючей смесью необходимо отключать, закрывая впускные и выпускные клапаны.

Затем производится зажигание рабочей смеси искровым электрическим разрядом, ее горение при постоянном объеме, после чего продукты сгорания выпускаются из камеры в газовую турбину. Для снижения пульсации давления ставят несколько камер сгорания на одну турбину.

Рассмотрим идеализированные термодинамические циклы газотурбинных установок. Цикл с подводом тепла при р=const (рис. 6.8) состоит из адиабаты 1–2 сжатия воздуха в компрессоре, процесса 2–3 изобарного подвода тепла q₁, адиабаты 3–4 расширения газов в проточной части турбины и изобары 4–1 отвода тепла q₂.

Рис. 6.8. Цикл ГТУ с подводом тепла при р=const

Термический КПД цикла определяется по общей формуле:

                       .                           

Поскольку

                                            ,

то T₄ / T₂ = T₃ / T₂, и получаем

                                                                .                                                      

Обозначив степень повышения давления в компрессоре p₂/p₁=p, а степень сжатия, как и прежде, v₁/v₂=e, получаем окончательное выражение для термического КПД цикла ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении:

                                                     .                                              

Термический цикл газотурбинной установки с подводом тепла при v=const отличается от предыдущего лишь процессом 2–3 (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Цикл ГТУ с подводом тепла при v=const

Найдем термический КПД этого цикла:

                      .                          

Для изохоры 2–3 T₃ / T₂ = p₃ / p₂ = λ.

Для изобары 4–1, используя уравнение адиабат: ; ,

                                       .                                           

В итоге получим

                             .                                 

Проведем сравнение циклов ГТУ с помощью Т, s- диаграммы (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Сравнение циклов ГТУ с помощью Т, s- диаграммы

Если принять одинаковыми степени сжатия, то точка 2 будет общей для обоих циклов. Т. к. процесс v = const протекает круче, чем р=const, то при изохорном подводе тепла работа цикла будет больше, поэтому η_{t v} > η_{t p}.

Если же сравнить циклы из условия равенства максимальной температуры конца процесса горения T₃, тогда совместятся точки 3. Как видно из диаграммы (рис. 6.11), в этом случае КПД цикла с изобарным подводом тепла будет больше, т.е. η_{t p} > η_{t v}.

Рис. 6.11. Диаграмма сравнения циклов ГТУ

В силу особенностей работы газовых турбин, проточная часть которых находится непрерывно в потоке горячих газов (в отличие от ДВС, где цилиндры наполняются холодным воздухом), температура продуктов сгорания T₃, направляемых в турбину, лимитируется термостойкостью материала лопаток. Поэтому второй случай сравнения имеет решающее значение. Учитывая и то, что осуществление процесса горения при v=const требует более сложного конструктивного исполнения установки, в настоящее время предпочтение отдается ГТУ с подводом тепла при р=const.

В заключение отметим преимущества и недостатки газотурбинных установок в сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

1. Цикл ГТУ более совершенен, так как в нем осуществляется полное расширение газов до давления окружающей среды, тогда как в циклах ДВС происходит изохорный отвод тепла, приводящий к потере работы расширения.

2. ГТУ имеют η_t ниже, чем ДВС, так как достижимая температура подвода тепла у них много меньше, чем у ДВС (примерно на 1000 °С).

3. ГТУ могут достигать единичной мощности 100–200 МВт, в то время как мощность ДВС обычно не превышает 3 МВт.

4. ГТУ имеют хорошую динамическую уравновешенность, поскольку не имеют масс, движущихся возвратно-поступательно, как у ДВС.

5. ГТУ при необходимости могут иметь скорость вращения до 10000–15000 мин^-1, а тяжелые ДВС – примерно в 10 раз меньше.

6. В ГТУ возможно применение более дешевых видов топлива, чем в ДВС, поэтому, несмотря на более низкий эффективный КПД, их эксплуатация оказывается более экономичной, чем ДВС.