Цикл газотрубинной установки

В циклах ДВС рабочее тело выбрасывается из цилиндра с температурой Т₄ и давлением р₄, которые превышают соответствующие параметры окружающей среды р₀, Т₀, практически совпадающие с р₁, Т₁. Поэтому циклам ДВС присущи потери из-за «недорасширения» газов до параметров окружающей среды. Их удается значительно сократить в циклах газотурбинных установок.

Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ) представлена на рис. 6.5. Компрессор К сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от р₁ до р₂ и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же специальным нагнетателем Н непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой Т₃ и практически с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), что и на выходе из компрессора (р₃=р₂). Следовательно, горение топлива (т.е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении.

Рис. 6.5. Схема газотурбинной установки

В газовой турбине Т продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Т₄, а давление уменьшается до атмосферного р₁. Весь перепад давлений р₃ – р₁ используется для получения технической работы в турбине l_тех. Большая часть этой работы l_к расходуется на привод компрессора; разность l_тех – l_к является полезной и используется, например, в производстве электроэнергии в электрическом генераторе ЭГ или на другие цели (при использовании жидкого топлива расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать).

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2–3 на рис. 6.6), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты (линия 4–1), получим цикл газотурбинной установки.

Рис. 6.6. Цикл газотурбинной установки: а – в р, v – координатах; б – в Т, s – координатах

Полезная работа l_ц изображается площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1–2–3–4). На рис. 6.6 видно, что полезная работа равна разности между технической работой, полученной в турбине (площадь 6–3–4–5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6–2–1–5). Площадь цикла 1–2–3–4 в Т, s – диаграмме эквивалентна этой же полезной работе (рис. 6.6,б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной q₁ (площадь 8–2–3–7) и отведенной q₂ (площадь 1–4–7–8) теплоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ

. (6.5)

При этом теплоемкость с_р принята для простоты постоянной.

Если поршневые ДВС нагляднее характеризовать степенью сжатия, то для газотурбинных установок более удобной является степень повышения давления в компрессоре p, равная отношению давления воздуха после компрессора р₂ к давлению перед ним р₁, т.е. . Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением p. На рис. 6.6б отчетливо видно, что цикл 1–2¢–3¢–4, в котором p больше, экономичнее цикла 1–2–3–4, ибо по линии 2¢–3¢ подводится больше теплоты q₁, чем по линии 2–3, при том же количестве отведенной в процессе 4–1 теплоты q₂.

Максимальная температура газов перед турбиной ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают ее элементы. Применение охлаждаемых лопаток из специальных материалов позволило повысить ее до 1400 – 1500 °С (особенно на самолетах перехватчиках, где ресурс двигателя мал). Непрерывно разрабатываются более надежные схемы охлаждения, обеспечивающие дальнейшее повышение температуры. Поскольку она все же ниже предельно достижимой при горении, приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за счет подачи излишнего количества воздуха). Это увеличивает потери. Поэтому КПД ГТУ оказывается пока еще ниже, чем ДВС.

Не имея деталей с возвратно-поступательным движением, газовые турбины могут развивать значительно большие мощности, чем ДВС. Предельные мощности ГТУ сегодня составляют 100 – 200 МВт. Они определяются высотой лопаток, прочность которых должна выдержать напряжения от центробежных усилий, возрастающих с увеличением их высоты и частоты вращения вала. Поэтому газовые турбины применяются прежде всего в качестве мощных двигателей в авиации и на морском флоте, а также в маневренных стационарных энергетических установках.