Материал: Лекция 7
ГТУ имеют относительно малую массу и небольшие габариты. У них нет деталей, совершающих возвратно-поступательные движения, и они могут выполняться с большой единичной мощностью.
Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const
Рабочее тело − 1 кг идеального газа с начальными параметрами p1, v1, T1 – сжимается по адиабате 1-2 (рис. 7.6). В точке 2 подключается горячий источник, и к рабочему телу по изобаре 2-3 подводится теплота q1. В точке 3 источник отключается, и рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до давления окружающей среды.
В точке 4 подключается холодный источник, и от рабочего тела по изобаре 4-1 отводится теплота q2.
Характеристики
цикла: степень повышения давления
и степень изобарного расширения
.
а б Рис. 7.6. Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const
|
,
где
q1 = сp(T3 T2 ), q2 = сp(T4 T1 ),
.
В точке 1 параметры, в том числе и Т1, заданы. Выразим температуры в остальных точках цикла через известные характеристики и параметры:
-
в адиабатном процессе 1-2
;
;
-
в изобарном процессе 2-3
;
-
в адиабатном процессе 3-4
;
;
;
.
С увеличением β и к КПД увеличивается.
В
реальных ГТУ процесс сжатия воздуха в
компрессоре необратимый, протекает с
трением, по условно необратимой адиабате
1-2
(рис. 7.7). Это приводит к увеличению
работы сжатия. Теоретическая удельная
работа сжатия
,
а
действительная –
.
Отношение
|
называется
адиабатным КПД компрессора. В настоящее
время
Процесс расширения рабочего тела (газов) в газовой турбине также является необратимым и протекает по условно-необратимой адиабате 3-4.
Теоретическая
удельная работа расширения в турбине
Отношение
|
достигает 0,80,85.
,
а действительная –
.
называется внутренним относительным КПД газовой турбины. В настоящее время турб. = 0,8 0,9.
Действительная полезная удельная работа газотурбинной установки
.
Отношение lд к количеству затраченной теплоты q1д называется эффективным КПД газотурбинной установки:
.
Методы повышения КПД ГТУ
Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при p = const растет с увеличением степени повышения давления . Но при этом увеличивается и температура в конце сгорания топлива:
.
Это приводит к разрушению лопаток турбины и соплового аппарата, охлаждение которых затруднено. Поэтому можно увеличивать только до определенного предела. С целью повышения КПД установки используют теплоту уходящих газов для предварительного подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания (рис. 7.8), так как
Рис. 7.8. Схема ГТУ с регенерацией теплоты
|
отработавший в турбине газ имеет более высокую температуру, чем воздух. Этот процесс называется регенерацией. Сжатый в компрессоре 1 воздух подается в теплообменник 2, где подогревается отходящими газами и по трубопроводу 3 подается в камеру сгорания 4. Туда же насосом 5 подается топливо из топливного бака 6. |
Идеальный цикл ГТУ с регенерацией теплоты показан на рис. 7.9, где 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 – изобарный подвод теплоты в регенераторе; 5-3 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в соплах турбины; 4-6 – изобарный отвод теплоты от отработанных газов в регенераторе; 6-1 – изобарный отвод теплоты от газов после выхода из регенератора.
Если
охлаждение отработанных газов в
регенераторе происходит до температуры
воздуха, поступающего в него, то есть
от Т4
до Т6 = Т2,
то регенерация полная. Из общего выражения
термического КПД
,
Рис. 7.9. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты |
где
q1 = сp(T3 T5) = сp(T3 T4),
q2 = сp(T6 T1) = сp(T2 T1),
из условий полной регенерации имеем
.
При
этом
;
;
,
а
.
Термический КПД в случае полной регенерации зависит от начальной температуры газа Т1 и температуры в конце адиабатного расширения Т4. Практически осуществить полную регенерацию невозможно, поэтому термический КПД зависит от степени регенерации, которая определяется из выражения
При неполной регенерации < 1, а термический КПД
оказывается выше КПД ГТУ без регенерации.