Термодинамические циклы и принципиальные схемы газотурбинных установок

По термодинамическому признаку ГТУ подразделяют на две группы:

с подводом теплоты при постоянном давлении ;

с подводом теплоты при постоянном объеме .

По способу организации цикла различают:

ГТУ разомкнутого цикла – рабочее тело в круговом процессе подвергается замене, соприкасаясь с атмосферой;

ГТУ замкнутого цикла – рабочее тело не соприкасается с атмосферой.

По конструктивному выполнению ГТУ делят на типы:

1) одновальные; 2) двухвальные; 3) многовальные.

По назначению ГТУ подразделяют:

1) стационарные; 2) авиационные; 3) судовые.

Принципиальная схема простейшей ГТУ разомкнутого цикла с подводом теплоты при постоянном давлении приведена на Рис. 7.4. Данный цикл носит название цикла Брайтона.

Рис.7.4. Принципиальная схема простейшей ГТУ разомкнутого цикла с подводом теплоты при постоянном давлении

Атмосферный воздух сжимается в воздушном компрессоре 1 до давления 0,8-3,0 МПа. Затем воздух поступает в камеру сгорания 2, куда подается жидкое или газообразное топливо B. Процесс сгорания происходит при температурах 1800-2300°С; на выходе из КС температура газов достигает 1100-1500°С, ее снижают до требуемых значений. Продукты сгорания поступают в турбину 3, где при их расширении кинетическая энергия преобразуется в работу на лопатках турбины, соединенных с валом. Вал установки 4 соединяет турбину, компрессор и полезную нагрузку 5, например электрогенератор, нагнетатель и т.д.

На Рис. 7.5приведена принципиальная схема ГТУ разомкнутого цикла с подводом теплоты при постоянном давлении двухзальной конструкции с выделенной силовой турбиной: 1 – воздушный компрессор, 2 – камера сгорания, 3 – турбина высокого давления; 4 – турбина низкого давления; 5- вал ТВД; 6 – вал ТНД; 7 - полезная нагрузка.

Рис. 7.5Принципиальная схема ГТУ разомкнутого цикла с подводом теплоты при постоянном давлении двухзальной конструкции с выделенной силовой турбиной

 

На Рис. 7.6.приведен термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении ; 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты в КС при постоянном давлении ; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгораниям турбине; 4-1 – изобарный отвод теплоты, выхлоп продуктов сгорания в атмосферу.

КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении определится как: .

 

Рис. 7.6. Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении

Принципиальная схема простейшей ГТУ открытого цикла с подводом теплоты при постоянном объеме приведена на Рис. 7.7. Данный цикл носит название цикла Гемфри.

Рис. 7.7. Принципиальная схема простейшей ГТУ открытого цикла с подводом теплоты при постоянном объеме

 

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 и подается в КС 2 через клапан 4. Топливо В подается в КС через клапан 3. При закрытых клапанах 3, 4, 5 осуществляется воспламенение топливовоздушной смеси, например с помощью электрической свечи. Топливо сгорает очень быстро, чем объясняется практически постоянный объем, при котором подводится теплота. Давление и температура повышается, открывается клапан 5 и продукты сгорания попадают в турбину 6, где, расширяясь на лопатках турбины, совершают работу и выбрасываются в атмосферу. После достижения в КС определенного давлении осуществляется ее продувка и цикл повторяется.

Рис. 7.8. Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме

На термодинамической диаграмме цикла Рис. 7.8. линия 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты в КС при постоянном объеме ; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгораниям турбине; 4-1 – изобарный отвод теплоты, выхлоп продуктов сгорания в атмосферу

КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме определится как: .

Сравнение идеальных циклов ГТУ при одинаковых значениях давления сажания в компрессоре и температурах пред турбиной показывает, что термодинамический КПД цикла ГТУ при несколько выше, чем у цикла при . Однако в реальных установках, наоборот, из-за неравномерности подачи продуктов сгорания по времени. Из-за приведенного сопоставления и сложности конструкции КС цикла при , ГТУ данного цикла не имеют широкого применения.

Повысить эффективность ГТУ простейшей схемы при возможно осуществив регенеративный подогрев воздуха.

На Рис. 7.9 приведена схема ГТУ с подводом теплоты при и с регенерацией теплоты.

Атмосферный воздух после сжатия в компрессоре 1 поступает в регенератор 2, где нагревается встречным потоком продуктов сгорания, выходящим из турбины 4. Затем воздух поступает в камеру сгорания 3, туда же поступает топливо B.

 

Рис. 7.9. Схема ГТУ с подводом теплоты при и с регенерацией теплоты

На Рис. 7.10 приведен термодинамический цикл ГТУ с регенерацией теплоты в р-v (а) и T-S (б) координатах.

Рис. 7.10 Термодинамический цикл ГТУ с регенерацией теплоты в р-v (а) и T-S (б) координатах

Линия 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 – подвод теплоты к воздуху при ;

Линия 5-3 – подвод теплоты в камере сгорания при за счет сжигания топлива;

Линия 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине;

Линия 4-1 – передача теплоты воздуху в регенераторе и отвод теплоты при выходе продуктов сгорания в атмосферу.

Таким образом, при прочих равных условиях регенерация уменьшает расход топлива, т.е. увеличивается КПД ГТУ. В реальных установках термический КПД выше, однако, за счет введения регенератора увеличивается масса и габариты, схема установки усложняется, поэтому данные схему работы применяют только на стационарных ГТУ.