 |
10. Циклы газотурбинных установок
|
|
|
|
10. Циклы газотурбинных установок
Практическое применение нашли газотурбинные установки (ГТУ) со сгоранием топлива как при постоянном давлении так и постоянном объеме.
1. Цикл ГТУ со сгоранием топлива (подводом тепла) при постоянном давлении (цикл Брайтона)
Схема установки, реализующей этот цикл, представлена на рис. 10. 1. Соответствующие P-v- и Т-s-диаграммы идеального цикла приведены на рис 10. 2.
Рис. 10. 1. Схема ГТУ, реализующей цикл Брайтона:
OК – осевой компрессор; ТН – топливный насос; КС – камера сгорания; С – сопловой аппарат; ГТ – газовая турбина;
ЭГ – электрогенератор; 1 – 4 – характерные точки диаграмм цикла
Компрессор, расположенный на одном валу с газовой турбиной, всасывает воздух из атмосферы (P=P1) и сжимает его до заданного давления (P=P2). Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, туда же топливным насосом подается жидкое топливо. Сгорание (подвод тепла) происходит при постоянном давлении. Из камеры сгорания газ поступает в сопла, ускоряется и поступает на лопатки турбины, приводя во вращение ее ротор. Отработавший газ выпускается в атмосферу (P=P1).
Рис. 10. 2. P-v- и T-s- диаграммы идеального цикла Брайтона:
q1 – подведенное тепло; q2 – отведенное тепло; 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в ОК; 2-3 – изобарный подвод теплоты;
3-4 – адиабатное расширение в ГТ; 4-1 – условный изобарный процесс, замыкающий цикл
Полагая рабочее тело идеальным газом (PV=RT) с постоянными теплоемкостями Cp и Cv ( 
), для термического коэффициента полезного действия такого цикла нетрудно получить
а) 
б) 
,
отсюда следует
,
где 
– степень сжатия;
в) т. к. 
, то 
, 
– степень повышения давления.
2. Цикл ГТУ со сгоранием топлива (подводом тепла) при постоянном объеме (цикл Гемфри).
|
|
|
В отличие от ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении, где процесс сгорания осуществляется непрерывно, в ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме процесс горения является периодическим (пульсирующим).
Схема ГТУ, реализующей цикл Гемфри, представлена на рис. 10. 3. Соответствующие P-v- и Т-s- диаграммы идеального цикла приведены на рис. 10. 4.
Компрессор и топливный насос подают сжатый воздух и жидкое топливо через клапаны (воздушный и топливный) в КС. Для воспламенения топлива, как правило, используется электрическая свеча. Сопловой аппарат отделен от КС сопловым клапаном. При сгорании топлива все три клапана закрыты и горение происходит при постоянном объеме. После сгорания топлива давление в КС повышается, сопловой клапан открывается и газ через сопла поступает на лопатки турбины, приводя во вращение ее ротор. Отработавший газ выпускается в атмосферу.
Рис. 10. 3. Схема ГТУ, реализующей цикл Гемфри:
ЭС – электросвеча (остальные обозначения см. на рис. 10. 1)
Термический к. п. д. цикла для идеального газа при постоянных значениях Cp и Cv определяется по формуле
, .
Основными характеристиками для данного цикла являются 
– степень повышения давления в ОК; 
– степень повышения давления в КС. Используя эти величины, получим 
Рис. 10. 4. P-v и Т-s- диаграммы идеального цикла Гемфри:
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в ОК; 2-3 – подвод тепла при V=const; 3-4 – адиабатное расширение в ГТ; 4-1 – условный изобарный процесс отвода тепла в окружающую среду, замыкающий цикл
Пример решения задач
Задача. Для идеального цикла газовой турбины с подводом тепла при P=const (рис. 10. 2) найти параметры в характерных точках, полезную работу, термический к. п. д., количество подведенной и отведенной теплоты, если 
=100 кПа; 
=27°С; 
=700°С; 
=10; 
=1, 4 (µ=28, 96 
).
Рабочее тело – воздух. Теплоемкость принять постоянной.
|
|
|
Решение
Точка 1. 
( 
=300 К).
Точка 2. 
=( 
) 
; 
; 
=579 К; 
=306°С; 
= 
=1 МПа; 
=0, 166 
.
Точка 3. 
=973 К; 
= 
=1 МПа; 
=0, 279 
.
Точка 4. 
, 
=504 К; 
= =0, 1 МПа; 
; 
=1, 45 .
Количество теплоты. 
Так как для двухатомных газов 
=29, 31 
(табл. 4. 1), 
= 
; 
= 
;
.
Работа цикла 
Термический к. п. д. 
|
|
|
