Цикл турбопоршневого двигателя

Стремление увеличить термический КПД циклов и удельную мощность двигателей привело к созданию различных комбинаций поршневых двигателей с турбинами (рис. 2.26, а). Наиболее широко известен поршневой двигатель с турбокомпрессорным наддувом (т.е. с предварительным повышением давления воздуха, поступающего в цилиндр двигателя), позволяющим существенно повысить удельную мощность.

а	б
Рис. 2.26. Схема турбопоршневого двигателя (а) и его теоретический цикл (б): 1 – камера сгорания; 2 – форсунка топливная; 3 – газовая турбина; 4 - компрессор

В установке одновременно используется как основное преимущество поршневых двигателей – высокая максимальная температура цикла, так и основное преимущество газотурбинных двигателей – полное расширение газа.

Теоретический цикл обычного турбопоршневого двигателя представлен на рис. 2.26, б. Здесь 1-2-3-4-5-1 является циклом поршневого двигателя, а 6-7-8-1-6 – циклом газотурбинного двигателя.

Процесс 5-1 – отвод теплоты в поршневом двигателе, а 1-6 – подвод его в турбинном; 6-7 – расширение продуктов сгорания (отработавших в поршневом двигателе) в турбине; 7-8 – отвод теплоты в газотурбинном двигателе; 8-1 – адиабатное сжатие воздуха перед вводом его в поршневой двигатель.

В реальных условиях не удается осуществить подвод теплоты к рабочему веществу в турбине по изохоре (процесс 5-1), он происходит по изобаре (процесс 1-6), в результате чего выигрыш в величине термического КПД уменьшается, но все же остается заметным.

Выражение термического КПД цикла 8-2-3-4-7-8 имеет вид

Здесь e_О – обобщенная степень сжатия, равная произведению степени сжатия в компрессоре e_К на степень сжатия e поршневого двигателя: e_О = = e_К e.

Комбинированные силовые установки

Парогазовая установка

На рис. 2.27 представлена принципиальная схема (а) и теоретический цикл (б) комбинированной энергоустановки, созданной на базе газотурбинного (ГТД) и паротурбинного (ПТД) двигателей, применяемых на электростанциях.

а	б
Рис. 2.27. Принципиальная схема (а) и цикл (б) комбинированной установки: 1 – воздушный компрессор; 2 – парогазогенератор; 3 – газовая турбина; 4 – регенератор; 5 – пароперегреватель; 6 – электрогенератор; 7 – паровая турбина; 8 – конденсатор; 9 – насос конденсатный

Принцип работы установки следующий. Атмосферный воздух сжимается адиабатически в компрессоре 1 (процесс 1-2) и подается в парогенератор 2, где осуществляется подвод теплоты (процесс 2-3-4). Продукты сгорания высокой температуры и давления адиабатически расширяются в газовой турбине 3 (процесс 4-5), совершая работу. Часть работы расходуется на привод компрессора 1, а другая часть на привод электрогенератора 6. Продукты сгорания относительно высокой температуры направляются в регенеративный воздухоподогреватель (на схеме он отсутствует) и далее в регенератор 4 котла-парогенератора 2. Процессы 5-6 – отдача теплоты воздуху в регенеративном воздухоподогревателе; 6-7 – отдача теплоты воде в регенераторе котла-парогенератора; 7-1 – отвод теплоты к холодному источнику (с продуктами сгорания, выбрасываемыми в атмосферу). Процессы цикла паросиловой установки известны.

Использование комбинированной установки, созданной на базе ГТД и ПТД, позволяет увеличить интервал между экстремальными температурами цикла (для ГТД t_MAX = 800–1000 ^ОС, для ПТД t_MIN = 20–30 ^ОС), а также получить ряд других выгод от соединения достоинств и исключения недостатков этих двигателей (уменьшить расход воды, обеспечить прочность турбин и т.д.).

Увеличение термического КПД такой комбинированной установки по сравнению с отдельными ГТД и ПТД происходит за счет уменьшения количества теплоты, затрачиваемой на образование пара в котле. Полезная же работа остается неизменной, т.е. равной сумме работ, совершаемых в обоих циклах в отдельности. Тогда КПД комбинированного цикла выразится отношением

где w^Г и w^П – работа соответственно в ГТД и ПТД; q^Г₁ и q^П₁ – теплота, подводимая в циклах от постороннего источника.

КПД комбинированных циклов ГТД–ПТД достигает 50–55 %.