Создание компактного регенеративного газовоздушного ТА.

4) Необходимость повышения эффективного КПД компрессора, т.к. примерно 75% мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора и поэтому общий эффективный КПД определяется совершенством работы компрессора.

ГТУ могут работать со сгоранием топлива при постоянном давлении и постоянном объеме.

3.2 Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе

На рис. 3.1 дана схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при .

Рисунок 3.1 Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при

В камеру сгорания 1 через форсунки 6 и 7 непрерывно поступает воздух из турбокомпрессора 4 и топливо из топливного насоса 5. Из камеры 1 продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где рабочее тело расширяется до давления, близкого к атмосферному.

Затем продукты сгорания поступают на лопатки газовой турбины 3.

На рис 3.2 приведен идеальный цикл ГТУ на pv- Ts-диаграммах с подводом теплоты при .

Рисунок 3.2 Идеальный цикл ГТУ на pv- Ts-диаграммах с подводом теплоты при

В этом цикле отвод теплоты от рабочего тела производится не по изохоре как в ДВС, а по изобаре.

В поршневых двигателях объем газов при расширении ограничен объемом двигателя, а в ГТУ такого ограничения нет и газы могут расширяться до атмосферного давления.

Основными характеристиками этого цикла ГТУ являются следующие безразмерные величины:

С т е п е н ь п о в ы ш е н и я д а в л е н и я в компрессоре:

                                       (3.1)

С т е п е н ь и з о б а р н о г о р а с ш и р е н и я:

                                       (3.2)

Количество подведенной теплоты:

 ,                               (3.3)

Количество отведенной теплоты:

                              (3.4)

Тогда термический КПД цикла:

      (3.5)

Выразим температуры , и  через начальную температуру рабочего тела .

Для адиабаты 1-2:

;

Для изобары 2-3:

;

Для адиабаты 3-4:

 ;

Откуда:

 .

 Подставляя полученные значения температур в уравнение (3.5):

           (3.6)

Или:

                                         (3.7)

Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при  зависит от степени повышения давления  и показателя адиабаты , возрастая с их увеличением.

Отработавший газ после газовой турбины целесообразно использовать либо в ТА для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, либо для получения горячей воды для отопления или ГВС.

Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при  на Ts-диаграмме:

 .

При рассмотрении работы реальных ГТУ следует учитывать потери на необратимость процессов в турбокомпрессоре и в газовой турбине.

Работа трения в компрессоре превращается в теплоту, что приводит к увеличению температуры рабочего тела и, как следствие, к увеличению работы, затраченной на сжатие воздуха (потери в окр. среду не учитываем).

На рис. 3.3 показано, что реальный цикл ГТУ с подводом теплоты при  на Ts-диаграмме изображается не пл. 12341, а пл. 12′34′1.

Линия 1-2′ - условная необратимая адиабата сжатия в компрессоре.

Линия 3-4′ - условная необратимая адиабата расширения в турбине.

Рис. 3.3 Реальный цикл ГТУ

Теоретическая работа сжатия в компрессоре равна:

                                        (3.8)

Действительная работа сжатия:

                                        (3.9)    

Адиабатный КПД турбокомпрессора:

                                            (3.10)

 достигает 0,8 – 0,85.

Расширение газа в турбине также сопровождается потерями на трение о стенки сопл и лопаток и на завихрения потока. Поэтому часть кинетической энергии рабочего тела превращается в теплоту – энтальпия газа на выходе из турбины будет больше энтальпии обратимого процесса расширения.

Теоретическая работа расширения в турбине равна:

                                        (3.11)

Действительная работа расширения:

                                        (3.12)

Отношение действительной работы расширения реальной турбины к теоретической работе идеальной турбины наз. внутренним относительным КПД газовой турбины:

.                         (3.13)

Чем меньше потери от трения газа и завихрений, тем выше .

У современных турбин:  .         

Действительная полезная работа , которая может быть получена в ГТУ, равна разности действительных работ расширения и сжатия:

           (3.14)

 – механический КПД.

Отношение полезной работы ГТУ к количеству затраченной теплоты наз Эффективным КПД газотурбинной установки:

                       (3.15)

3.3 Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе

На рис. 3.4 приведена схема Гту со сгоранием топлива при постоянном объеме.

Рис.3.4

Сжатый в турбокомпрессоре 6 воздух поступает из ресивера (сосуда большой емкости для выравнивания давления) 7 через воздушный клапан 8 в камеру сгорания 1.

Сюда же топливным насосом 6 через топливный клапан 9 подается жидкое топливо. Продукты сгорания, пройдя через сопловой клапан 2, расширяются в сопле 3 и приводят во вращение ротор газовой турбины 4.

Для осуществления периодического процесса горения необходимо подавать воздух и топливо через управляемые клапаны 8 и 9 в определенные периоды времени. Процесс горения проходит при закрытых клапанах 2 и 8.

Воспламенение топлива происходит от электрической искры. После сгорания топлива давление в камере 1 повышается, открывается сопловой клапан 2 и продукты сгорания направляются в сопло 3, где и расширяются до конечного давления.

На рис 3.5 приведен идеальный цикл ГТУ на pv- Ts-диаграммах с подводом теплоты при .

Рис. 3.5

Рабочее тело с начальными параметрами , ,  сжимается по адиабате 1-2 до давления , которое определяется степенью повышения давления .

Далее по изохоре 2-3, к рабочему телу подводится теплота , затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до начального давления  и возвращается в первоначальное состояние по изобаре 4-1 – при этом отводится теплота .

Основными характеристиками этого цикла ГТУ являются следующие безразмерные величины:

С т е п е н ь п о в ы ш е н и я д а в л е н и я в компрессоре:

                                       (3.16)

С т е п е нь д о б а в о ч н о г о п о в ы ш е н и я д а в л е н и я:

                                       (3.17)

Количество подведенной теплоты:

 ,                               (3.18)

Количество отведенной теплоты:

                              (3.19)

Тогда термический КПД цикла:

      (3.20)

Выразим температуры , и  через начальную температуру рабочего тела .

Для адиабаты 1-2:

;

Для изохоры 2-3:

Для адиабаты 3-4:

 ;

Откуда:

 .

 Подставляя полученные значения температур в уравнение (3.20):

                                     (3.21) 

Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при  зависит от  , ,  возрастая с их увеличением.

Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при  на Ts-диаграмме:

 .