1. Газотурбинные установки с изобарным подводом тепла.
Принципиальная схема газотурбинной установки показана на рис.22.
Рис. 22. Принципиальная схема газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении.
Компрессор 1, турбина 8, топливный насос 2 и электрогенератор 7 имеют общий вал. Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух до требуемого давления и направляет его в камеру сгорания 3. Топливо в камеру сгорания подается топливным насосом 2. Сгорание топлива происходит в камере сгорания при постоянном давлении. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате 4 и частично на лопатках 5 газовой турбины, производят там работу и через выпускной патрубок 6 поступают в атмосферу.
Термодинамический цикл газотурбинной установки (рис. 23) состоит:
Рис.23. Термодинамический цикл газотурбинной установки при подводе тепла при постоянном давлении:
а - на PV-диаграмме, б – на TS-диаграмме.
1-2 – адиабатное сжатие. Компрессор 1 сжимает воздух и подаёт его в камеру сгорания. При сжатии возрастет температура воздуха и его давление. Степень сжатия воздуха выбирается таким образом, чтобы температура подаваемого в камеру сгорания воздуха была выше температуры воспламенения используемого топлива.
2-3 – изобарное расширение. Подвод тепла осуществляется за счёт сгорания топлива, подаваемого в камеру сгорания. Сгорание топлива происходит при постоянном давлении, т.к. камера сгорания соединена с сопловым аппаратом и расширяющиеся газы выводятся из зоны горения.
3-4 – адиабатное расширение. Попадающий из камеры сгорания в сопловой аппарат газ адиабатно расширяется, ускоряется и подаётся на лопасти турбины, вращая её. В турбине газ продолжает расширяться, давление падает до атмосферного.
4-1 - процесс выброса продуктов сгорания в атмосферу. На диаграмме т.1 и т. 4 соединены отрезком. Условно считается, что на этом участке часть тепла передаётся холодильнику.
Основными параметрами цикла являются:
- b = P2/P1 – степень повышения давления при адиабатическом сжатии;
- r = v3/v2 – степень предварительного расширения.
Термический к.п.д. определяется как
Из выражения к.п.д видно, что он определяется только степенью повышения давления и показателем адиабаты.
Газотурбинные установки с изохорным подводом тепла
Рис. 24. Принципиальная схема газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном объёме.
Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном объеме показана на рис.24. Газовая турбина 1, компрессор 2 и электрогенератор 12 имеют общий вал.
Компрессор 2 подает сжатый воздух через рессивер и управляющий клапан 4 в камеру сгорания 8. Топливо подается в камеру сгорания насосом 3 через форсунку (клапан) 5. Электрическая свеча 6 используется для воспламенения топлива. Для осуществления, сгорания при v = const в камере сгорания устанавливаются три клапана: топливный 5, воздушный 4 и сопловой 7. При сгорании топлива клапаны 4, 5 и 7 закрыты, то есть сгорание происходит при постоянном объеме. После сгорания топлива давление повышается, клапан 7 открывается и продукты сгорания направляются в сопловой канал 9 и на лопатки турбины 10, где расширяются до конечного давления и через выпускной патрубок 11 выбрасываются в окружающую среду.
Рис. 25. Термодинамический цикл газотурбинной установки при подводе тепла при постоянном объёме:
а - на PV-диаграмме
б – на TS-диаграмме.
Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при V = const (Рис.25) состоит из процессов:
1-2 -адиабатное сжатие. Воздух в компрессоре сжимается и подаётся в камеру сгорания. Повышается давление и температура воздуха. Степень сжатия выбирается таким образом, чтобы температура сжатого воздуха была меньше температуры воспламенения топлива.
2-3 – изохорный подвод тепла. От свечи воспламеняется топливно-воздушная смесь и происходит сгорание топлива в камере сгорания. Резко повышается температура и давление.
3-4 – адиабатное расширение. После сжигания топлива в камере сгорания открывается сопловой клапан и газ через сопловой канал (где он разгоняется до больших скоростей) попадает на лопатки турбины, вращая её. Газ расширяется до тех пор, пока его давление не станет равным атмосферному давлению.
4-1 - процесс выброса продуктов сгорания в атмосферу. На диаграмме т.1 и т.4 соединены отрезком. Условно считается, что на этом участке часть тепла передаётся холодильнику.
Основными параметрами цикла являются
- l = p3/p2 – степень изохорного давления;
- b = p2/p1 – степень повышения давления при адиабатическом сжатии.
Термический к.п.д. определяется как
Т.о. к.п.д. цикла зависит от степени повышения давления в компрессоре, степени повышения давления при сжигании топлива и от показателя адиабаты.