 |
Термодинамические и конструктивные расчеты ГТУ
|
|
|
|
Термодинамические и конструктивные расчеты ГТУ
Основные определения
Общепринятые методы термодинамических исследований и расчетов газотурбинных установок построены на основе адиабатических эталонов.
Адиабатические процессы в качестве эталонных приняты на том основании, что из всех термодинамических процессов они являются наиболее близкими к реальным процессам, а расчетные соотношения при этом получаются наиболее простыми
Круговой процесс газотурбинной установки состоит из отдельных термодинамических процессов: сжатия и расширения рабочего тела подвода и, отвода теплоты. Принимая во внимание, что подвод и отвод теплоты осуществляются изобарно (при Р = idem), что в наибольшей степени соответствует принципу работы современных газотурбинных двигателей.
В общем случае, потенциальная работа является политропической. При введении в расчеты параметров адиабатического теплоперепада в процессах расширения и сжатия, необратимость процесса учитывается соответствующим внутренним относительным КПД процессов сжатия и расширения ( 
:
для процесса расширения:
(2 )
для процесса сжатия:
, ( 3 )
где pк – соотношение граничных давлений процесса сжатия; tр, 
- соответственно соотношение граничных абсолютных температур адиабатического процесса расширения и сжатия; hi – соответствующий относительный КПД преобразующей машины (компрессора 
и газовой турбины, 
). Т1 и Т2 - соответственно начальная (Т1 ) и конечная (Т2 ) температуры адиабатического процессов сжатия ( расширения ).
|
|
|
Подвод тепла к рабочему телу в газотурбинных двигателях может осуществляться либо через теплопередающую поверхность (регенераторы, воздушные котлы), либо путем непосредственного сжигания топлива в воздушной или газовоздушной среде.
В первом случае изменяется только температура рабочего тела и несколько давление (за счет гидравлических сопротивлений), во втором – наличие продуктов сгорания топлива изменяет массовое количество и физические свойства газовой смеси.
Важнейшим в теории тепловых двигателей является понятие коэффициента полезного действия ( КПД ), под которым понимается отношение полученной эффективной работы, отдаваемой внешнему потребителю, к подведенному с топливом теплу:
(5)
Наряду с этой характеристикой газотурбинного двигателя, важное значение имеет и величина (l), определяемая как отношение работы, затрачиваемой на сжатие рабочего тела к работе расширения, т. е. соотношение работы осевого компрессора ГТУ и работы газовой турбины, а также величина n = 1 - l, характеризующая в долях единицы работу, отдаваемую газовой турбиной нагнетателю:
; n = 1 - l (6)
Следует отметить, что коэффициент полезной работы (n) является и термодинамической и, в известной степени, конструктивной характеристикой газотурбинной установки. Малые численные значения коэффициента (n) свидетельствуют о значительной доле энергии, затрачиваемой на процессы сжатия рабочего тела в цикле ГТУ, т. е. на работу осевого компрессора. В этих условиях установка особенно чувствительна к внутренним потерям и переменному режиму работы, а также к изменению температуры наружного воздуха.
|
|
|
Рис. 3. Теоретический цикл газотурбинного двигателя.
1-2 - сжатие; 2-3 – подвод тепла; 3-4 – расширение; 4-1 - отвод тепла
Рассмотрим теоретический цикл газотурбинной установки с изобарическим подводом и отводом тепла и адиабатическим сжатием и расширением рабочего тела в цикле (Рис. 3). И хотя показатели реальных процессов ГТУ значительно отличаются от показателей идеальных процессов, тем не менее рассмотрение и анализ теоретического цикла полезно, так как позволяет наглядно определять какие параметры цикла в основном и определяют его характеристики.
Коэффициент полезного действия обратимого цикла, как было сказано выше, определяется отношением разности между работой газовой турбины и осевого компрессора, к количеству подведенного тепла, (m = (k-1)/k):
(7)
Учитывая, что в обратимом термодинамическом цикле Т2 = Т4 можно преобразовать к виду:
(8)
(8а)
Из соотношения (8) следует, что КПД термодинамического цикла ГТУ зависит только соотношения давлений сжатия компрессора ( 
). Отсюда непосредственно следует, что КПД цикла ГТУ монотонно возрастает по мере увеличения соотношения давлений сжатия pк.
В действительном цикле, КПД ГТУ возрастая достигает определенной величины, после чего начинает интенсивно снижаться из-за необратимых потерь в процессах сжатия, расширения и т. п.
|
|
|
