Рабенко В.С. Термодинамические циклы газотурбинных установок

Подождите немного. Документ загружается.

компрессор, на силовом валу – вторая ступень расширения и нагнета-

тель.

Температура газа перед турбинами t

= 750

C; степень повышения

давления воздуха в компрессоре ε

= 4,6; степень регенерации σ = 0,7;

ГТУ

= 27,0 %.

2. ГТК– 10 мощностью 10 МВт мало отличается от ГТ– 750– 6.

ГТУ выполнена с одноступенчатым сжатием (z = 1) и двухступенча-

тым расширением (n = 2) рабочего тела. На свободном валу – одна сту-

пень расширения и компрессор, на силовом валу – вторая ступень

расширения и нагнетатель.

Температура газа перед турбинами t

= 780

C; степень регенера-

ции σ = 0,7; η

ГТУ

= 28,0 %.

Выводы.

1. Применение регенерации теплоты уходящих газов приводит

к увеличению КПД установки, но приводит и к усложнению конст-

рукции.

2. Недостаточно высокий КПД таких установок затрудняет

их использование в качестве энергетических установок для выра-

ботки электроэнергии.

Глава 5. ГТУ ОТКРЫТОГО ТИПА

С ГОРЕНИЕМ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ (υ =const)

5.1. Принцип действия ГТУ открытого типа

(простая ГТУ) с горением при постоянном объеме

Схема установки с изохорным подводом теплоты прерывистого

горения (со сгоранием при постоянном объеме) такая же, что и для

установки непрерывного горения с изобарным подводом теплоты. Эта

ГТУ отличается от установки непрерывного горения только устройст-

вом камеры сгорания (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Камера прерывистого горения: 1– воздушный клапан; 2 – топливный

клапан; 3 – свеча зажигания; 4 – сопловой (газовый) клапан

Компрессор засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до оп-

ределенного давления и подает в камеру сгорания. Камера сгорания

ГТУ прерывистого горения имеет клапаны 1, 2 и 4,

которые управля-

ются особым распределительным механизмом.

Представим себе, что в некоторый момент времени все клапаны

закрыты и камера заполнена смесью воздуха и топлива. При помощи

свечи зажигания 3 смесь воспламеняется и давление в камере повыша-

ется, так как сгорание происходит при постоянном объеме. При дос-

тижении определенного давления открывается клапан 4 и продукты

сгорания поступают к соплам турбины, в которых происходит расши-

рение газа. Давление в камере сгорания падает. После того, как давле-

ние в камере упадет до определенной величины, автоматически откры-

вается воздушный клапан 1 и происходит продувка камеры свежим

воздухом. Этот воздух проходит также через турбину и охлаждает её

лопаточный аппарат. В конце продувки сопловой клапан 4 закрывается

и камера сгорания заполняется сжатым воздухом из компрессора. При

работе на газообразном топливе в это же время через клапан 2 подает-

ся горючий газ. Этот процесс называется зарядкой камеры. По оконча-

нии зарядки закрываются все клапаны и происходит вспышка. Далее

цикл повторяется.

Сгорание топлива при таком принципе работы КС происходит

циклически (прерывисто), при постоянном объеме КС, поэтому такие

ГТУ называются газотурбинными установками прерывистого сгорания

или ГТУ со сгоранием при постоянном объеме.

Процесс изменения с течением времени давления в камере за весь

цикл показан на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Изменение давления в зависимости от времени в камере сгорания:

АВ – вспышка; ВС – расширение; СД –продувка и ДА – зарядка.

Примечание. По данным Хольцварта весь цикл совершается приблизительно за 1,5

с. В этих опытах давление в начале вспышки (т. А) было равно (3...4) · 105 Па, а в конце

вспышки (т. В) оно возрастало приблизительно до 15 · 105 Па.

5.2. Обратимый цикл ГТУ со сгоранием при υ = const

Осуществляемый в ГТУ обратимый цикл представлен на рис.

5.3 в p,υ-диаграмме и на рис. 5.4 в T,s-диаграмме. Данный цикл от-

личается от цикла ГТУ со сгоранием при постоянном давлении

только характером подвода теплоты.Воздух из атмосферы (окисли-

тель), имеющий давление р

и температуру Т

, поступает на вход

компрессора, где подвергается адиабатному сжатию в процессе 1–

2t (рис. 5.3 и 5.4) до давления р

, при котором подается в камеру

сгорания КС, куда периодически (рис. 5.1 и 5.2) поступает газооб-

разное или жидкое топливо.

В камере сгорания в изохорном процессе 2t– 3 (р

= р

) осуще-

ствляется подвод теплоты (q

) к рабочему телу.

Рис. 5.3. Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты в p, υ - диаграмме

Рис. 5.4. Термодинамический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты

в Т, s-диаграмме

В адиабатном процессе 3– 4t (без теплообмена с внешней сре-

дой) в газовой турбине происходит последовательное преобразова-

ние потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую, а кине-

тической в механическую работу на валу.

В процессе 4t– 1 осуществляется условный изобарный отвод

теплоты из цикла простой ГТУ в окружающую среду – выброс про-

дуктов сгорания в атмосферу. Изобарный процесс 4t– 1 является

процессом отдачи теплоты (q

) холодному источнику (окружающей

среде). В компрессор забирается из атмосферы новый воздух.

Таким образом осуществляется цикл простой ГТУ со сгорани-

ем при υ =const.

Основным показателем любого идеального цикла, характери-

зующим его экономичность, является термический КПД.

Термический КПД рассматриваемого обратимого цикла

ГТУ

= 1 – [c

4 t

– T

)] / [c

– T

2 t

)] =

= 1 – k (T

2 t

) [(T

– 1) /(T

– 1) ] .

Отношение температур T

можно заменить отношением

давлений:

π = p

/ p

– степень изохорного повышения давления.

Используя уравнения термодинамических процессов, можно

получить

ГТУ

= 1 – [k (π

1 / k

– 1)] / [ε

(π

– 1)] .

Выводы.

1. Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при υ =const

зависит от k , ε

и π .

2. Из формулы следует, что с увеличением степени повышения

давления (τ = T

2 t

/ T

= (p

/ p

)

(k – 1) / k

= ε

) и отношения абсолют-

ных температур конца и начала подвода теплоты (T

) терми-

ческий КПД цикла ГТУ с изохорным подводом теплоты увеличива-

ется.

Зависимость η

ГТУ

= f(ε

, T

) при k = 1,4 = const показана на

рис. 5.5.

Примечание. Термический КПД цикла можно определить, если

воспользоваться изображением цикла на T,s-диаграмме в виде отно-

шения площади 1– 2t– 3– 4t– 1 (внутри цикла) к площади под процес-

сом 2t– 3 (см. рис. 4).

Рис. 5.5. Зависимость термического КПД цикла ГТУ с изохорным подводом

теплоты от степени повышения давления и отношения абсолютных температур

конца и начала подвода теплоты при k =1,4

5.3. Сравнительный анализ термодинамических циклов

простых ГТУ с p = const и υ = const

При анализе и сопоставлении различных термодинамических

циклов наибольший интерес представляют их экономичность и

значение термического КПД. Чем выше значение η

, тем более бла-

гоприятны исходные условия для обеспечения высокой экономич-

ности соответствующего реального теплового двигателя.

Эталонным циклом для всех тепловых двигателей является

цикл Карно, имеющий тот же температурный перепад, что и срав-

ниваемый цикл. Так как термический КПД цикла Карно является

наибольшим при выбранных температурах холодного и горячего

источников теплоты, то качество любого другого цикла, проте-

кающего в этом же интервале температур, будет тем большим, чем

ближе значение термического КПД исследуемого цикла к циклу

Карно.

Вместе с тем во многих случаях возникает необходимость

сравнивать различные цикли между собой (а не с циклом Карно).

Для того чтобы провести это сравнение, необходимо выбрать усло-

вия, при которых оно проводится. Такими условиями могут быть

равенства подведенных количеств теплоты, степеней повышения

давления и т.п. Циклы в этом случае изображаются на T,s-

диаграмме, и проводится сравнение их площадей. Изложенный ме-

тод сравнения циклов применим для циклов ГТУ.

Пусть циклы ГТУ с подводом теплоты при р = const и υ = const

имеют одинаковые степени повышения давления ε

и количества

подведённый теплоты q

(рис. 5.6). Отсюда следует, что подведен-

ная теплота

1 p

= q

1 υ

= F(3

– c – a – 2t – 3

) = F(3

– b – a – 2t – 3

) .

Отведенная теплота в циклах разная:

2 υ

= F(4t

– b – a – 1 – 4t

) < F(4t

– b – a – 1 – 4t

) .

Здесь F – площадь.

Рис. 5.6. Сравнение циклов ГТУ с изобарным и изохорным подводами теп-

лоты при одинаковых ε

и q

В силу этого при одинаковых условиях термический КПД цик-

ла ГТУ с изохорным подводом теплоты выше термического КПД

цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты.

На рис. 5.7 показано изменение термического КПД циклов ГТУ

в зависимости от степени повышения давления при одинаковых

значениях показателя адиабаты и степени повышения температуры

в цикле. Из сравнения ясно, что термический КПД ГТУ с подводом

теплоты при постоянном объеме существенно выше, чем КПД ГТУ

с подводом теплоты при постоянном давлении. Это различие уси-

ливается в области малых значений степени повышения давления

Рис. 5.7. Зависимость термического КПД от степени повышения давления

(k = 1,38): 1 – КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при p = const; 2 – то же при

υ = const

Однако термодинамические преимущества цикла ГТУ с изо-

хорным подводом теплоты в значительной степени снижаются за

счёт уменьшения КПД турбины η

. В процессе работы данной

ГТУ давление газа в камере сгорания периодически изменяется, а

следовательно, меняется и скорость истечения газа из сопел турби-

ны. Это обстоятельство в значительной степени снижает КПД тур-

бины, влияние которого на экономичность ГТУ весьма велико. По-

этому нельзя ожидать заметной разницы внутренних КПД сравни-

ваемых циклов (с учетом потерь в турбине и компрессоре). Кроме

того, практическое распространение ГТУ с изохорным подводом

теплоты сдерживается из-за сложности конструкции и ненадёжной

работы клапанов при высокой температуре в камере сгорания.