|
|
Газотурбинная
установка (ГТУ) (рис.
23.12, а—в) состоит из собственно
газовой турбины, имеющей две основные
части: вращающийся диск с радиальными
лопатками 11, называемый ротором, и
корпус 2, называемый статором. На общем
валу с ротором располагаются потребитель
энергии 1 и турбокомпрессор 3,
сжимающий воздух и подающий его по
трубопроводу 8 в камеру сгорания 9. В
эту же камеру по трубопроводу 6
топливным насосом 5 из бака 4 подается
топливо, которое через форсунку (клапан)
7 впрыскивается в камеру сгорания 9.
Газ, образующийся в результате сгорания
топлива в камере 9, подается в сопловый
аппарат 10, в котором скорость его
движения увеличивается. После соплового
аппарата газ, имеющий высокую
кинетическую энергию, попадает в канал
между лопатками ротора, где и
совершается работа вследствие
образующегося давления газа на вогнутую
поверхность лопаток (рис. 23.12, в).
Давление создает силу, вращающую ротор.
Отработавшие газы
выпускаются через патрубок 12.
Цикл ГТУ состоит из
термодинамических процессов, проходящих
в турбокомпрессоре 3, камере сгорания 9
и в самой турбине 11.
Имеются два основных типа ГТУ: с
подводом теплоты при постоянном давлении
и с регенерацией.
ГТУ
с подводом теплоты при постоянном
давлении.
В ГТУ этого типа сгорание рабочей смеси
(подвод теплоты к рабочему телу)
происходит при постоянном давлении (р =
const) (рис.
23.12).
На рис.
23.13, а, б изображен
термодинамический цикл газотурбинной
установки, показанной на рис.
23.12, на νp- и sT-диаграммах.
Рабочее тело вначале сжимается в
компрессоре по адиабате 1-2, затем к
нему подводится теплота q1
при постоянном давлении (изобара 3-4),
после чего рабочее тело расширяется без
теплообмена с внешней средой (адиабата
4-5) до давления окружающей среды.
Изобарный процесс 6-1 является
процессом отдачи теплоты холодному
источнику теплоты
(окружающей среде).
Сравнение циклов, изображенных на рис.
23.1 и 23.13,
показывает, что в рассматриваемом цикле
Формула
в этом случае получает вид
Но параметр
может быть преобразован. Действительно,
Так, как
Таким образом, для
рассматриваемого цикла термический кпд
определяется формулой (23.17):
При рассмотрении термодинамических
циклов газовых турбин часто вместо
степени сжатия ε пользуются
параметром ω=p1/p2
показывающим увеличение давления воздуха
при сжатии в компрессоре.
Так как
Следовательно, термический кпд цикла
ГТУ с изобарным подводом теплоты при
равных значениях ε
и κ совпадает с
термическим кпд цикла ДВС с изохорным
подводом теплоты.
Формула (23.17)
показывает, что
термический кпд рассматриваемого
цикла зависит от работы
компрессора, сжимаемого воздуха и
природы рабочего тела (показателя
адиабаты κ
). Чем
выше показатель адиабаты κ
и чем
больше сжимается воздух
компрессором, чем выше ε
(или ω),
тем выше ηt,
(см. рис. 23.6).
Термический кпд цикла можно также
определить по sT-диаграмме в виде
отношения площади 1245 к площади под
процессом 2-4 (рис.
23.13).
При
изменении нагрузки ГТУ, т. е. при
изменении подводимого количества теплоты
к рабочему телу (например, при
уменьшении), процесс расширения новых
циклов показан пунктирными кривыми на
рис. 23.13,
а, б. Степень сжатия и показатель
адиабаты при этом не изменяются. Это
свидетельствует о том, что изменение
нагрузки на термический кпд цикла
не влияет.
В соответствии с формулой (23.13)
при
удельная работа рассматриваемого
цикла может быть подсчитана по формуле
(23.19)
где ηt
определяется формулой (23.17):
ГТУ с
регенерацией.
Газ, прошедший
через рабочие органы турбины и
отведенный в окружающую среду, имеет
более высокую температуру, чем воздух,
поступающий в камеру сгорания после
сжатия в компрессоре. Это дает
возможность усовершенствовать работу
установки путем использования теплоты
уходящих газов для предварительного
подогрева воздуха перед подачей его в
камеру сгорания. Процесс этот
называется регенерацией.
В схеме ГТУ с
регенерацией (рис.
23.14) воздух, сжатый в
компрессоре 1, подается в теплообменник
10, где подогревается газами,
отработавшими на лопатках турбины 9 и
уходящими через патрубок 11. Подогретый
в теплообменнике воздух по трубопроводу
7 поступает в камеру сгорания 8. В эту
же камеру через форсунку в насосом 4
подается топливо по трубопроводу 5 из
топливного бака 2. Выработанная
установкой энергия используется
потребителем 3.
--
Цикл ГТУ с регенерацией и изобарным
подводом теплоты (рис.
23.15) состоит из следующих
термодинамических процессов: в
компрессоре воздух сжимается адиабатно
(процесс 1-2), после чего поступает в
теплообменник, где подогревается
уходящими газами при постоянном давлении
(изобара 2-8). Подогретый воздух
подается в камеру сгорания, где подогрев
рабочего тела продолжается при
постоянном давлении за счет теплоты q1.
поступающей от горячего источника
теплоты, т. е. за счет теплоты,
выделяющейся при сгорании топлива
(изобара 8-4). Затем газ расширяется
адиабатно в газовой турбине (процесс
4-5), попадает в теплообменник и отдает
теплоту воздуху при постоянном давлении
в изобарном процессе 5-7. Дальнейшее
изобарное охлаждение 7-1 происходит вне
установки за счет передачи теплоты
окружающей среде.
--
При полной регенерации теплоты T3=T7
и Т5=Т8
(пунктирными линиями на рис.
23.15 показаны изотермы), поэтому
Т5 — Т7 =
T8 — T2
Удельная теплота, подведенная при
наличии регенерации к рабочему телу в
камере сгорания, равна
отданная холодному источнику
теплоты
поэтому термический кпд цикла с полной
регенерацией
Так, как
|
|
