Газотурбинные установки

По принципу действия ГТ аналогична ПТ, с тем отличием, что рабочим теплом является не пар, а газообразные продукты сгорания топлива в смеси с воздухом или нагретые до высоких температур газы (воздух и.т.д.).

В ее проточной части расширение рабочего тела(газа) также сопровождается превращением теплоты в кинетическую энергию газового потока, которая затем преобразуется в механическую работу на валу вращающегося ротора.

ГТУ имеет ряд достоинств по сравнению с ПТУ:

1) они более компактны, так как топливо сжигается не в громоздком котле, а в небольшой по размерам камере сгорания, кроме того в ГТУ нет конденсационной установки;

2) они более маневренны: обеспечивают быстрый запуск и нагружение(от 30 сек. До 30 мин.);

3) проще по конструкции и в обслуживании;

4) при одинаковой мощности с ПТ. ГТ менее емки в смысле затраты металла;

5) следовательно, имеют более низкую стоимость;

6) почти не требуют воды для охлаждения.

Недостатки ГТУ по сравнению с ПТУ:

1) меньше единичная мощность;

2) более низкий КПД (при сегодняшнем развитии);

3) менее долговечный в эксплуатации;

4) более требовательны к сортам и качеству топлива.

ГТУ обычно применяют в качестве пиковых, полупиковых и резервных установок из-за возможности быстрого запуска. Так как они имеют небольшие массогабаритные показатели и просты в обслуживании, то их устанавливают и на передвижных электрических станциях (энергопоезда, плавучие Эл. станции типа «северное сияние») и т.п.

Дальнейшее развитие ГТ направлено на повышение их единично мощности, экономичности, долговечности, надежности.

Вопрос№51 Компрессор засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до заданного давления и подает в камеру сгорания. Туда же насосом подается топливо, которое впрыскивается через специальную форсунку и, смешиваясь с воздухом, сгорает. Продукт сгорания, смешиваясь с охлаждающим воздухом, поступают в ГТ. В зону горения подается (20-40)% от общего, нагнетаемого компрессором, воздуха, которое участвует в процессе горения, это так называемый первичный воздух. Остальные(60-80)% воздуха вводятся в поток уже после активной зоны горения. Смешиваясь с продуктами сгорания этот вторичный (охлаждающий) воздух понижает температуру газов перед ГТ до нужного значения.

Для обеспечения интенсивного и полного сгорания топлива температура в КС должна поддерживаться на уровне (1800-2300) К, а допустимая в настоящее время температура газов на входе в ГТ (900-1400)К – по условиям надежности и долговечности лопаточного аппарата.

Мощность, развиваемая ГТ, частично затрачивается на привод компрессора и других вспомогательных механизмов, а остальная часть преобразуется в эл. энергию на клеммах генератора. Запуск ГТУ производится пусковым эл. двигателем, а зажигание с помощью эл. свечи в КС.

р₄=р₁

р₃=р₂

Для термодинамического цикла ГТУ приняты следующие допущения:

1) цикл замкнутый и осуществляется с постоянным количеством идеального газа, имеющего постоянную теплоемкость и химический состав;

2) все процессы обратимы, так как они протекают без потерь;

3) сжатие в компрессоре и расширение в турбине происходят адиабатно (S=const).

На рисунке: 3-4’ – адиабатное сжатие воздуха в (К) с повышением давления с Р₃ до Р₄ и температуры с Т₃ до Т’₄.

3-4 – процесс действительного сжатия (с учетом внутренних потерь в К).

Теплота в КС подводится по изобаре 4-1 (2-3) и по температуре возрастает до Т₁₍₃₎.

1-2’ – изоэнтропное расширение газов в турбине,

1-2 – действительный процесс расширения в ГТ.

2’-3 – отвод теплоты с понижением температуры до начального значения Т₃. В действительности 2-3 условный замыкающий процесс с охлаждением газов за ГТ в атмосфере.

Термический КПД цикла ГТУ.

,

где - степень повышения давления в компрессоре;

- степень повышения температуры в цикле,

.

Внутренний относительный КПД компрессора:

,

L_ok – работа изоэнтропного сжатия 1 кг. воздуха в термодинамическом цикле.

L_k – в действительном цикле.

Внутренний относительный КПД турбины:

В реальной ГТУ имеется целый ряд потерь, которые разделяются на внутренние и внешние.

Внутренние связаны с изменением состояния рабочего тела. К ним относят:

1) внутренние потери в компрессоре (учитываются η^к_oi);

2) внутренние потери в ГТ (η^ГТ_oi);

3) потери теплоты в КС, которые учитываются с помощью теплового КПД КС η^кс_т;

4) гидравлические потери в воздушном тракте ГТУ;

5) гидравлические потери в газовом тракте;

6) потери, связанные с расходом воздуха на охлаждение деталей ГТ (лопаток, дисков).

Внутренние потери в ГТУ оцениваются внутренним КПД установки:

,

где L_i – внутренняя полученная работа ГТУ [кДж/кг],

q_k.c. – действительное количество теплоты на нагрев 1 кг. воздуха от Т₄₍₂₎ до Т₁₍₃₎, [кДж/кг].

.

η^гту_i

T₁=1273 K(τ=4,42) η^гт_ОI=0,87

0,42 η^K_OI=0,88

при η^KC_T=0,97

T₃=288K=const

0,24 923

0,16

β_ОПТ

773К(τ=2,68)

1 2 3 4 5 10 15

Следовательно, внутреннее КПД ГТУ:

η^гту_i=f(β,τ, η^гт_oi, η^k_oi, η^kc_oi).

К настоящему времени достигнуто η^k_oi=0.83÷0.90, η^гт_oi0,85÷0,90.

Как видно из рисунка, увеличением τ - КПД непрерывно возрастает, увеличивать τ можно путем увеличения Т₁ или уменьшения Т₃. Допустимая температура в настоящее время Т₁=(1000:1400) К; (в форсированных ГТ авиационных Т₁= до 1600 К). Зависимость η_i=f(β) имеет более сложный характер, η_i-max при β=β_опт.

Внутренняя мощность ГТУ: Ν_i= G_в^. L_i, [кВт],

где G_в-расход воздуха ,

L_i - внутренняя полезная работа .

L_i можно определить через разность теплоперепадов в ГТ и компрессоре: L_i=H_о^ГТ•η_oi^ГТ-H_o^k•η_oi^k,

где H_o^гт=С_р(Т₁-Т₂′),

Н_о^к=С_р(Т₄′-Т₃).

Удельный расход воздуха:d_i=3600• =

чем он меньше, тем меньше размеры ГТУ.

Удельный размер теплоты:q_i= ,

Характеризует экономичность ГТУ.

Внешние потери в ГТУ:

-потери на трение в подшипниках ГТ и К,

-потери из-за утечек газа через концевые уплотнения,

-затраты на привод вспомогательного механизма (масляный насос, т.п.).

Эти потери учитываются механическим КПД ГТУ: η_м^ГТУ= ,

где L_е- удельная эффективная работа ,

L_е=L_i-L_м,

L_м-сумма внешних потерь, отнесенная к 1 кг воздуха.