Газотурбинная установка с промежуточными подогревом рабочего тела и охлаждением воздуха

Простые ГТУ наиболее распространены из-за несложности кон­струкции и надежности в эксплуатации. Однако их экономичность недостаточна/Одним из способов увеличения экономичности ГТУ является введение промежуточных подогрева газа и охлаждения воздуха.

Схема одновальной ГТУ с промежуточными подводом теплоты и охлаждением воздуха показана на рис. 64. Воздух из атмосферы направляется в компрессор низкого давления КНД, откуда по­ступает в охладитель О, где охлаждается от температуры Ты до температуры Т_а2[ а затем сжимается в компрессоре высокого дав­ления КВД. Из компрессора высокого давления воздух подается в регенератор Р, а затем — в камеру сгорания высокого давления КСВД. При сжигании топлива газ нагревается до температуры Т_с и направляется в турбину высокого давления ТВД, а затем — в камеру сгорания низкого давления КСНД, где также сжигается

топливо. Нагретый до температуры Т_л газ направляется в.турби­ну низкого давления ТНД, затем —в регенератор И и далее —в

i

ВГ/в-диаграмме (рис. 65) сжатие воздуха в компрессорах низкого и высокого давления соответственно изображено линиями а и аф₂, а охлаждение воздуха в охладителе — линией bia₂.

Рис. 64. Схема одноваль­ной ГТУ с промежуточ­ным подводом теплоты н промежуточным ох­лаждением воздуха

Участок Ь₂е — нагрев воздуха в регенераторе, а участок ec_t —по­догрев его в камере сгорания высокого давления. Работе газа в турбинах высокого- и низкого давления соответствуют линии аа_х и c%d₂, подводу теплоты в камеру сгорания низкого давления — линия diC_Z, а охлаждению отработавшего газа в регенераторе — участок d₂f.

Используются и более сложные схемы ГТУ, позволяющие, на* пример, двукратно охлаждать воздух и размещать турбины и ком-

— щ

Рис. 65. Т, s-диаграмма теплового процесса ГТУ Рис. 66. Схема двух-с промежуточным сжиганием топлива и промежуточным охлаждением воздуха

вальной ГТУ

прессоры на разных валах. Такие ГТУ обладают большей экономичностью, чем простые, хорошими показателями на частичных нагрузках и широким диапазоном устойчивой работы.

Схема двухвальной газотурбинной установки с двукратным охлаждением воздуха и одним промежуточным подводом теплоты показана на рис. 66. Ротор турбины высокого давления ТВД вра­щает роторы компрессоров среднего КСД и низкого КНД давле­ния. Вал, состоящий из роторов этих агрегатов, называется сво­бодным. Турбина низкого давления ТНД вращает роторы ком­прессора высокого давления КВД и электрического генератора Г.. Этот вал называют силовым. Возможны также другие схемы рас­положения турбин и компрессоров на разных валах.

Если в ГТУ имеется s компрессоров с промежуточным охлаж­дением между ними и п турбин с камерой сгорания перед каждой, кпд и коэффициент полезной работы такой ГТУ можно рассчитать, по формулам:

где 2#_т, 2#к, 2<7i — суммы работы всех турбин, компрессоров и

расходов теплоты во всех камерах сгорания, входящих в ГТУ.

Промежуточное охлаждение воздуха приводит к уменьшению работы, затрачиваемой на привод компрессора высокого давления, и, как следствие, увеличивает полезную работу ГТУ. На рис. 67 сопоставлены удельные полезные работы Н ГТУ без охлаждения (кривая /) и с охлаждением (кривая 2). Вместе с тем охлаждение

Рис. 67. Зависимость удельной полезной рабо­ты от степени^ сжатия простой и сложной ГТУ без регенерации

е

Рис. '68. Зависимость кпд от степени сжатия прос­той и сложной ГТУ без регенерации

снижает температуру воздуха за компрессором. Поэтому в каме­ру сгорания ГТУ с промежуточным охлаждением воздуха прихо­дится подводить больше теплоты, чем в камеру сгорания простой

1 i У.

При наличии регенерации теплоты в ГТУ температура воздуха перед камерой сгорания практически постоянна и почти не зави­сит от того, есть промежуточное охлаждение воздуха или нет.

.-■■*

Применение промежуточного охлаждения воздуха в ГТУ с реге­нерацией всегда увеличивает ее кпд. Оптимальная степень сжатия при использовании охлаждения воздуха резко возрастает.

Зависимости кпд ГТУ без регенерации от степени сжатия при отсутствии (кривая 1) и наличии (кривая 2) охлаждения показа­ны на рис. 68.

Введение промежуточного охлаждения воздуха в компрессоре увеличивает степень сжатия и позволяет получить наибольший кпд.

Введение промежуточного подвода теплоты приводит к тем же последствиям, что и введение промежуточного охлаждения. Одно­временное промежуточное охлаждение воздуха и промежуточный подвод теплоты к газу позволяют значительно увеличить удель­ную полезную работу и кпд. Однако излишнее усложнение схемы снижает маневренность ГТУ, увеличивает ее размеры к массу. Чаще всего такие ГТУ выполняют двухвальными, а иногда — трехвальными.

Коэффициент полезного -действия многовальной ГТУ при лю­бом количестве компрессоров, турбин, охладителей и камер сго­рания зависит только от общей степени сжатия всех компрессоров *е, степени сжатия любого отдельного компрессора в» .и степени расширения любой отдельной турбины б_п- Значения е, е« и б_п должны быть выбраны так, чтобы кпд ГТУ был наибольшим.

Рис. 69. Т, s-диаграмма теплового процесса сложной ГТУ с регенера­цией теплоты

Рис. 70. Т, s-диаграмма теплового процесса сложной ГТУ без регенера­ции теплоты

В газотурбинных установках с большой степенью регенерации (рис. 69) степени, сжатия всех компрессоров должны быть почти одинаковыми и Приближенно их можно рассчитать по формуле

_Sl=_e>= ... =е_я~е¹/*.

Степени расширения всех турбин также должны быть пример­но равны и рассчитываются по формуле

5₁ = 8₂= ... =\~(eX).i/«.

В газотурбинных установках без регенерации (рис. 70) степень сжатия в компрессоре высокого давления должна быть боль­ше, чем в других компрессорах, что приводит к увеличению тем­пературы воздуха за ним и позволяет уменьшить подвод теплоты в камеру сгорания. Степень расширения в турбине низкого давле­ния также должна быть больше, чем -в других турбинах, так как при этом снижается температура газа за турбиной и уменьшаются потери теплоты с уходящими газами.

При определении оптимальных степеней сжатия многовальных ГТУ обязательно учитывают балансы мощностей на отдельных валах. Это накладывает дополнительное ограничение на соотноше­ние степеней сжатия в компрессорах и расширения в турбинах, расположенных на одном валу. В результате оказывается, что при расчетном режиме работы кпд многовальных ГТУ меньше, чем одновальных. Однако на частичных нагрузках кпд многовальных ГТУ оказывается больше, чем одновальных.