Термодинамический цикл и анализ газотурбинной установки

В циклах ДВС рабочее тело выбрасывается из цилиндра с температурой и давлением , которые превышают соответствующие параметры окружающей среды р₀, T₀, практически совпадающие с первоначальными параметрами p₁, T₁. Поэтому циклам ДВС присущи потери эксергии из-за «недорасширения» газов до параметров окружающей среды. Их удается значительно сократить в циклах газотурбинных установок.

Рис. 7.9 Схема газотурбинной установки.

Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ) представлена на рис. 7.9. Воздушный 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 T₃ и практически с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), что и на выходе из компрессора (р₃ = p₂). Следовательно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении.

В газовой турбине Т продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Т₄, а давление уменьшается до атмосферного p₁. Весь перепад давлений р₃ — р₁, используется для получения технической работы в турбине . Большая часть этой работы расходуется на привод компрессора; разность является полезной и используется, например, на производство 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).

Рис. 7.10 Цикл газотурбинной установки: а) в р,u-координатах; б) в Т,s- кординатах

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 7.10), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом теплоты (линия 4-1), получим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4.

Полезная работа изображается площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 7.10, а 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 T , s-диаграмме эквивалента этой же полезной работе (рис.7.10, 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

При этом теплоемкость с_р принята для простоты постоянной.

Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давления в компрессоре p, равная отношению давления воздуха после компрессора p₂ к давлению перед ним р₁, т.е. . Выразим отношение температур в формуле для определения КПД через степень повышения давления из уравнения адиабаты:

;

;

поскольку p₄ = p₁ и p₃ = р₂, то . Тогда получим следующее

При k= 1,33 последняя формула дает следующие значения η_t для различных величин :

. . . . . . . . 2 3 4 5 6 7 8 9 10

η_t% . . . . . . . . 16 24 29 33 30 38,5 40,5 42 43,5

Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением p. Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия Т₂ и соответственно температуры газов перед турбиной Т₃. На рис. 7.10, б 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. При этом T'₂ и Т'₃ больше, чем соответственно T'₂ и Т'₃.

Дело в том, что с увеличением T₃ возрастает эксэргия рабочего тела перед турбиной , (из определения эксергии ), т. е. уменьшаются потери эксергии при сгорании, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и увеличивает КПД цикла.

Газы выбрасывают из турбины с температурой . Следовательно, эксергия рабочего тела e₃, которая располагается перед турбиной, используется также не полностью: потери эксергии с уходящими газами могут доходить до 10 %. 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.

Ряд технологических процессов, особенно химической промышленности, связан с потоками нагретых сжатых газов. Расширение этих газов в газовой турбине позволяет получить энергию, которая обычно используется в этом же процессе, например для нагнетания тех же газов. В этом случае вал турбины непосредственно соединяется с валом турбокомпрессора. Такое комбинирование позволяет существенно снизить потребление энергии в технологическом процессе. К сожалению, оно используется еще недостаточно широко, во-первых, из-за косности мышления технологов, а во-вторых, из-за отсутствия турбин на нужные параметры. Часто используют авиационные двигатели, выработавшие свой ресурс.

В энергетике газовые турбины иногда используют для привода воздуходувок, нагнетающих воздух в топку котла, работающую под давлением. Для этого продукты сгорания, охлажденные в котле до необходимой температуры, направляются в турбину, сидящую на одном валу с воздуходувкой, и расширяются в ней до атмосферного давления, совершая работу.