3.2 Гту со ступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением и со ступенчатым расширением и промежуточным подводом теплоты

Основная идея – уменьшение затрачиваемой работы на сжатие воздуха в компрессоре и увеличение работы, получаемой при расширении рабочего газа в турбине.

Из термодинамики известно, что затрачиваемая работа на сжатие газа при прочих равных условиях будут наименьшей, если процесс осуществляется изотермически (процесс 3-4’, рис. З.4). Но для этого необходимо интенсивно и непрерывно подводить теплоту q от воздуха на протяжении всего процесса сжатия, что конструктивно, т.е. практически, невозможно осуществить.

Рис 3.4 Процессы изотермического (3-4') и адиабатного (3-4) сжатия

На практике процесс сжатия в компрессоре приближается к адиабатическому (процесс 3-4), поскольку процесс осуществляется очень быстро. На рис. 3.4 площадь ав4’3 пока­зывает работу L₁, затрачиваемую на изотермическое сжатие в изотерми­ческом компрессоре, а площадь ав43 - на адиабатическое сжатие L_ab, причем L_ab > L₁. Чтобы приблизить процесс к изотермическому и тем са­мым уменьшить затрачиваемую работу, применяется ступенчатое сжатие

с охлаждением воздуха после каждой ступени в промежуточных холо­дильниках (рис. 3.5).

Очевидно, что, чем больше таких ступеней с холо­дильниками, тем ближе к изотермическому станет и процесс сжатия.

На рис. 3.5 заштрихованные площади соответствуют уменьше­нию работы сжатия при ступенчатом сжатия и промежуточном охлаж­дении по сравнению с процессами сжатия без охлаждения. Они соответствуют

увеличению полезной работы ГТУ в целом, что наглядно видно из рис. 3.6.

Рис. 3.5 Процессы ступенчатого сжатия с промежуточным

охлаждением

а, б, в - соответственно двухступенчатое, трехступен­чатое и четырехступенчатое сжатие о проме­жуточным охлаждением после каждой ступени

Рис. 3.6 Цикл ГТУ со ступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением

Конструктивно ступенчатое сжатие с про­межуточным охлаждением можно осуществить в двухкомпрессорном дви­гателе (рис. 3.7). Воз­дух после первой ступе­ни сжатия в компрессоре низкого давления (КНД) (процесс 3-4) направ­ляется в промежуточный холодильник и охлаждается там (процесс 4 -3').

Затем воздух поступает в компрессор высокого давления (КВД) и происходит вторая ступень сжатия (процесс 3’-4). Однако, ус­тановки при использовании ступенчатого сжатия с промежуточным

охлаждением будут все более дорогими и сложными по мере увели­чения числа ступеней, кроме того, будут возрастать потери за счет дополнительных гидравлических сопротивлений, т.к. при этом воздух на выходе из компрессора имеет более низкую температуру, то в камеру сгорания надо подводить большее количество топлива для достижения максимальной температуры цикла Т₁.

На рис. 3.7 представлена схема и на рис. 3.8 - цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием воздуха и регенерацией в ТS-диаграмме.

Рис. 3.7 Цикл ГТУ о двухсту­пенчатым сжатием и промежуточ­ным охлаждением и регенерацией:

1 - КНД; 2 – КВД; 3 - холо­дильник; 4 - газовая турбина; 5 - камера сгорания; 6 - ре­генератор

Рис. 3.8 Цикл ГТУ с двухсту­пенчатым сжатием и промежуточ­ным охлаждением и регенерацией в ТS-диаграмме

На диаграммах (рис. 3.6 и 3.8) показаны следующие процессы: 3-4’ - сжатие воздуха в КНД; 4’-3’ - изобарное охлаждение возду­ха в холодильнике; З’-4 - сжатие воздуха в КВД; 4-4р - изобар­ный нагрев воздуха в регенераторе; 4р-1 - изобарный подвод теп­лоты в камере сгорания; 1-2 - расширение рабочего газа в газо­вой турбине; 2-2р - изобарное охлаждение отработавших газов в регенераторе; 2p-3 - изобарный отвод теплоты с уходящими газа­ми в атмосферу (условный замыкающий цикл процесс).

Внутренний к.п.д. ГТУ с промежуточным охлаждением

(3.4)

где: L_i - полезная внутренняя работа ГТУ, равная разности между работой турбины 4 и работой компрессоров 1 и 2 (рис. 3.7);

q_KC - удельный расход теплоты в камере сгорания;

L_K1 и L_K2 - работа изоэнтропного сжатия компрессоров 1 и 2;

L_T - работа изоэнтропного расширения в турбине 4.

С выводом и анализом выражения для внутреннего к.п.д. рас­сматриваемой установки можно ознакомиться в специальной литера­туре, например в / 8, 13 /. Отметим лишь, что к.п.д. немного выше, чем к.п.д. простой ГТУ. Главным здесь является повышение полезной работы 1 кг рабочего газа ГТУ, что приводит к тому, что заданную мощность двигателя можно получить при меньшем об­щем количестве воздуха в цикле ГТУ, а это, в свою очередь, приводит к снижению веса, стоимости и габаритов установки в целом.

Повышение экономичности, снижение удельного расхода возду­ха и газа, а, следовательно, увеличение единичкой мощности могут быть достигнуть также при помощи ступенчатого расширения с промежуточным подводом теплоты в камерах сгорания, расположенных последовательно по ходу газа между турбинами. В этом случае процесс расширения приближается к изотермическому, а это приво­дит к увеличению (заштрихованная площадь) располагаемой работы турбины (рис. 3.9).

Рис. 3.9 Цикл ГТУ с двухступенчатым расширением и промежуточным подогревом рабочего газа

Схема ГТУ с двухступен­чатым расширением и про­межуточным подогревом ра­бочего газа представлена на рис. 3.10.

Воздух из компрессо­ра 1, пройдя регенератор 6, поступает в КСВД 5, после которой рабочий газ с температурой t₁ направ­ляется в ТВД 2. Здесь происходит частичное рас­ширение газа. После ТВД

Рис. 3.10 Схема ГТУ с двухсту­пенчатым расширением и промежу­точным подогревом рабочего газа:

1-компрессор; 2-турбина высо­кого давления (ТВД); 3-камера сгорания низкого давления (КСНД); 4-турбина низкого да­вления (ТНД); 5-камера сгора­ния высокою давления (КСВД); 6-регенератор

Рис. З.11 Цикл ГТУ с двухступенча­тым расширением и промежуточ­ным подогревом рабо­чего газа

рабочий газ отводится в КСНД 3, в которой за счет дополни­тельного сжигания топлива его температура повышается до t₁. В виду большого коэффициента избытка воздуха после КСВД сжигание топлива в КСНД происходит интенсивно без дополни­тельной подачи воздуха. Из КСНД 3 рабочий газ поступает в ТНД 4, после которой прохо­дят через регенератор 6, где отдает часть своей теплоты воздуху.

Цикл ГТУ с двухступенча­тым расширением и промежуточ­ным подогревом и регенерацией изображен на рис. З.11. Здесь показаны следующие процессы: 3-4 - сжатие воздуха в комп­рессоре 1; 4-4р - подогрев воздуха в регенераторе 6; 4р-1 – подвод теплоты в КСВД 5; 1-2’ - расширение рабоче­го газа в ТВД 2; 2'-1’ - под­вод теплоты в КСНД 3; 1’-2 - расширение рабочего газа в ТНД 4; 2-2р - охлаждение рабочего газа в регене­раторе 6; 2р-3 - отдача теплоты в окружающую среда (условный, замыкающий цикл процесс).

Внутренний к.п.д. ГТУ с двухступенча­тым расширением и промежуточ­ным подогревом рабо­чего газа

Выражение внутреннего к.п.д. данного типа ГТУ через харак­теристики цикла и его анализ читатель найдет, например, в / 8, 13 /. Отметим, что только при больших ( > 5) степенях повышения давления имеет место увеличение внутреннего к.п.д. ГТУ со ступенчатым подводом тепла.

Например, схема о двухступенчатым подводом теплоты (расши­рением) и одноступенчатым сжатием без регенерации теплоты прак­тически убыточна, так как в этом случае для достижения наивыгод­нейшего режима необходимо обеспечить высокую степень повышения давления, что трудно осуществить и термодинамически невыгодно в условиях одноступенчатого сжатия.

Рис. 3.12. Принципиальная схе­ма ГТУ с двухступенчатым сжати­ем и промежуточным охлаждением и двухступенчатым расширением о промежуточным подводом теплоты:

1-КНД; 2 - холодильник; 3 -КВД: 4-регенератор: 5-КСВД; 6-ТВД; 7-КСНД; 8-ТНД; 9-нагрузка

Наибольший эффект дает комплексное использование сту­пенчатого сжатия о промежуточ­ным охлаждением, ступенчатого расширения с промежуточным под­водом тепла и регенерации теплоты уходящих газов для по­догрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Принципи­альная схема такой установки приведена на рис. 3.12.

Такие двигатели, как правило, выполняются двух- или трехвальными.

Цикл в PV- и TS-диа­граммах приведен на рис. 3.13. В этих диаграммах показаны следующие процессы: 3-4’ - сжа­тие воздуха в КНД-2; 4’-3’ - охлаждение воздуха в холодиль­нике 2; 3’-4 - сжатие воздуха в КВД-3; 4-4р - подгорев во­здуха в регенераторе 4;

Рис. 3.13 Цикл ГТУ с регенерацией теплоты промежуточным

охлаждением при сжатии и промежуточным подо­гревом

при расширении в PV- и TS-диаграм­мах

4р-1 - подвод теплоты в КСВД 5; 1-2 - расширение рабочего газа в ТВД 6; 2’-1’ - подвод теплоты в КСНД 7; 1’-2 - расширение рабо­чего газа в ТНД 8; 2-2р - отвод теплоты в регенераторе 4; 2р-3 - отвод теплоты в окружающую среду (условно замыкающий цикл процесс),

Преимущество ГТУ, работающей по рассмотренной схеме (рис. 3.12), по сравнению с простой заключается, во-первых, в значитель­ном увеличение удельной работы и, во-вторых, в повышении к.п.д. двигателя до 32...36 %.