Циклы газотурбинных установок

Газотурбинные установки (ГТУ) по сравнению с ДВС имеют существенное преимущество – отсутствие в ГТУ механизмов с возвратно-поступательным движением позволяет строить их быстроходными, с малыми габаритными размерами, низкой металлоемкостью и большой мощностью в расчете на один агрегат. Поэтому эти установки в качестве энергетических нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. При исследовании циклов ГТУ (так же, как и при изучении циклов поршневых ДВС) реальные процессы заменяются теоретическими обратимыми процессами: горение топлива – изобарным или изохорным подводом теплоты, удаление отработавших в турбине газов – изобарным отводом теплоты к холодному источнику, масса рабочего тела остается постоянной, равной 1 кг.

В соответствии со способом подвода теплоты (сгорания топлива) ГТУ делят на два типа: с подводом теплоты в процессе при постоянном давлении (при r = const); с подводом теплоты в процессе при постоянном объеме (при J = const). Однако на практике ГТУ, как правило, строят с подводом теплоты при r = const, что объясняется сложной конструкцией камер сгорания и периодичностью работы установок с подводом теплоты при J = const. Поэтому в настоящей работе будет рассмотрен только цикл ГТУ с подводом теплоты при r = const.

Установка (рис. 16) работает следующим образом. После заполнения камеры сгорания 5 определенным количеством топлива, подаваемым насосом 2, и воздухом, нагнетаемым компрессором 1, клапаны 3 и 4 закрываются. Топливовоздушная смесь воспламеняется и сгорает при постоянном давлении. Образующиеся продукты сгорания проходит сопло 6 и с высокой скоростью поступают на расширение в газовую турбину 7, где кинетическая энергия газов переходит в энергию вращения вала газовой турбины. Отработавшие газы покидают турбину и удаляются в атмосферу.

Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при r = const представлен в rJ- и Ts-координатах на рисунке 17, а, б, где:

1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела в компрессоре 1;

2-3 – изобарный процесс подвода теплоты q₁, что соответствует количеству теплоты, образующейся при сгорании топлива в камере сгорания: q₁ = c_p (T₃ – T₂);

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела (продуктов сгорания в газовой турбине);

4-1 – изобарный процесс отвода теплоты q₂; q₂ = c_p (T₄ – T₁).

Рис. 16. Схема газотурбинной установки с подводом теплоты при r = const:

1 – компрессор: 2 – насос: 3, 4 – клапаны; 5 – камера; 6 – сопло; 7 – турбина; 8 – генератор.

Рис. 17. rJ(а)- и Ts(б)-диаграммы цикла ГТУ с подводом теплоты при r = const.

Как и ранее, степень сжатия воздуха в компрессоре (см. рис. 14) обозначается e = J₁/J₂. Термический КПД цикла ГТУ:

(109)

После несложных преобразований получим:

. (110)

Следовательно, термический КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении имеет такое же выражение, как и КПД цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме.