3.3.3 Цикли газотурбінних установок (гту)

Основним недоліком поршневих двигунів внутрішнього згорання є обмеженість їх потужності і неможливість адіабатного розширення робочого тіла до атмосферного тиску. Ці недоліки відсутні в газотурбінних установках, де робочим тілом є продукти згорання рідкого чи газоподібного палива. Робоче тіло, що має високі температуру і тиск, з камери згорання направляється до сопла, у якому воно розширюється і з великою швидкістю надходить на лопатки газової турбіни, де використовується його кінетична енергія для одержання механічної роботи.

ГТУ мають багато важливих переваг перед поршневими двигунами. Газові турбіни мають відносно малу вагу і невеликі габарити, у них немає деталей зі зворотно-поступальним рухом, вони можуть виробляться з високою кылькыстю оборотів і з великими одиничними потужностями.

Однак при створенні великих стаціонарних ГТУ ще потрібно вирішити низку важливих задач. Насамперед, необхідно істотно підвищити початкову температуру газу перед турбіною, щоб збільшити термічний ККД циклу установки. Це вимагає створення нових жароміцних сталей, здатних стійко і довгостроково працювати при максимальних температурах. Застосовуване в даний час водяне чи газове охолодження елементів газової турбіни, що працюють в області високих температур, є недостатньо надійним і конструктивно складним.

Необхідно також вирішити проблему створення компактного регенеративного газоповітряного теплообмінника, який повинен бути невід'ємною частиною сучасної економічної ГТУ.

Велике значення для економічності ГТУ має підвищення ефективного ККД компресора, що входить до схеми установки. Справа в тім, що приблизно 75% потужності газової турбіни витрачається на привід компресора, і тому загальний ефективний ККД ГТУ головним чином визначається досконалістю роботи компресора.

ГТУ можуть працювати зі згоранням палива при постійному тиску і при постійному об’ємі. Відповідні йому ідеальні цикли поділяються на цикли з підведенням теплоти у процесі при постійному тиску і постійному об’ємі.

Цикл ГТУ з підведенням теплоти при постійному тиску На рисунку 3.16 наведено схему найпростішої ГТУ зі згоранням палива при Р=const. До камери згорання 1 через форсунки 6 і 7 безупинно надходить повітря з турбокомпресора 4 і паливо з паливного насоса 5. З камери продукти згорання направляються до комбінованих сопел 2, в котрих робоче тіло розширюється до тиску, близького до атмосферного. Із сопел продукти згорання надходять на лопатки газової турбіни 3, а потім викидаються в атмосферу через вихлопний патрубок.

Рисунок 3.16 – Схема ГТУ з підводом теплоти при Р=const

На рисунку 3.17 подано ідеальний цикл ГТУ в Pv-и Ts-діаграмах з підведенням теплоти при Р=const. У цьому циклі відвід теплоти від робочого тіла виконується не за ізохорою, як це має місце в двигунах внутрішнього згорання, а за ізобарою. У поршневих двигунах об’єм газів при розширенні обмежений об’ємом циліндра. У газових турбінах такого обмеження немає і гази можуть розширюватися до атмосферного тиску.

а б

Рисунок 3.17 – Цикл ГТУ з підводом теплоти при постійному тиску в Pv- (а) і Тs- (б) діаграмах

Робоче тіло з початковими параметрами Р1, v1, Т1 стискується за адіабатою 1-2 до точки 2. Від точки 2 до робочого тіла підводиться деяка кількість теплоти q₁ за ізобарою 2-3. Потім робоче тіло розширюється за адіабатою 3-4 до початкового тиску і повертається за ізобарою 4-1 у початковий стан, при цьому відводиться теплота q2.

Характеристиками циклу є ступінь підвищення тиску в компресорі

β=Р₂/Р₁, (3.42)

і ступінь ізобарного розширення

ρ = v₃ / v₂. (3.43)

Якщо вважати, що теплоємність С_р і величина k є постійними, то термічний ККД цього циклу можна визначити за рівнянням (1.94)

t  q¹ - q²  1_ q² . q1 q1

Кількість підведеної теплоти при постійному тиску згідно з рівнянням (1.72) дорівнює

q₁=C_p(T₃–T₂), (3.44)

а кількість відведеної теплоти

q₂=C_р(T₄–T₁). (3.45)

Тоді термічний ККД циклу дорівнює

_t  1_ C^{p(T4 T1 )} _ 1_ ^{T4 T1} . (3.46)

Cp(T3 T2 ) T3 T2

Якщо значення температур виразити через β і k, то рівняння (3.46) набуде виду

1

_t  1 _k1 . (3.47)

 k

Таким чином, термічний ККД газотурбінної установки з підведенням теплоти при постійному тиску залежить від ступеня підвищення тиску β і показника адіабати k і зі збільшенням цих величин він зростає.

Цикл ГТУ з підведенням теплоти при постійному об’ємі

На рисунку 3.18 наведено схему ГТУ зі згоранням палива при постійному об’ємі. У цій установці стиснуте у турбокомпресорі 6 повітря надходить з ресивера (судини великої ємності для вирівнювання тиску) 7 через повітряний клапан 8 у камеру згорання 1. Сюди ж паливним насосом 5 через паливний клапан 9 подається рідке паливо. Продукти згорання після проходження через сопловий клапан 2 розширюються в соплі 3 і приводять в обертання ротор газової турбіни 4.

Для здійснення періодичного процесу горіння необхідно подавати повітря і паливо через керовані клапани 8 і 9 у визначені періоди часу. Процес горіння проводиться при закритих клапанах 2 і 8. Запалення палива походить від електричної іскри. Після згорання палива тиск у камері 1 підвищується, відкривається сопловий клапан 2 і продукти горіння направляються в сопло 3, де і розширюються до кінцевого тиску.

Рисунок 3.18 – Схема ГТУ з підводом теплоти при v=const

На рисунку 3.19 на Pv- і Тs-діаграмах зображено ідеальний цикл ГТУ з підводом теплоти при v=const. Робоче тіло з початковими параметрами Р1, v₁ і Т1 стискується за адіабатою 1-2 до точки 2, тиск у якій визначається ступенем підвищення тиску. Далі за ізохорою 2-3 до робочого тіла підводиться деяка кількість теплоти q1, потім робоче тіло розширюється за адіабатою 3-4 до початкового тиску (точка 4) і повертається в початковий стан за ізобарою 4-1, при цьому відводиться теплота q₂.

а б

Рисунок 3.19 – Цикл ГТУ з підводом теплоти при постійному об’ємі в Pv- (а) і Тs- (б) діаграмах

Характеристиками циклу є ступінь підвищення тиску в компресорі (див. рівняння (3.42))

β=Р2/Р1,

і ступінь додаткового підвищення тиску

λ = Р₃ / Р₂. (3.48)

Якщо вважати, що теплоємності С_р, С_v і величина k є постійними, то термічний ККД цього циклу можна визначити за рівнянням (1.94)

t  q¹ - q²  1_ q² . q1 q1

Кількість підведеної теплоти при постійному об’ємі згідно з рівнянням (1.68) дорівнює

q₁=C_v(T₃–T₂), (3.49)

а кількість відведеної теплоти при постійному тиску згідно з рівнянням (1.72)

q₂=C_р(T₄–T₁). (3.50)

Тоді термічний ККД циклу дорівнює

t  1 Cp(T4 T1 )  1 k(T4 T1) . (3.51)

Cv(T3 T2 ) T3 T2

Якщо значення температур виразити через β, λ і k, то рівняння (3.51) набуде виду

1

k(^k - 1)

_t  1 _k₁ . (3.52)

 ^k (  1)

Таким чином, термічний ККД газотурбінної установки з підведенням теплоти при постійному об’ємі залежить від ступеня підвищення тиску β, ступінь додаткового підвищення тиску λ і показника адіабати k, і зі збільшенням цих величин він зростає.

Дійсний цикл ГТУ відрізняється від теоретичного наявністю втрат на тертя і вихроутворення в турбіні і компресорі. Ефективними методами підвищення економічності газотурбінних установок є регенерація теплоти, ступінчастий стиск і розширення робочого тіла.