68. Газотурбинные установки. Схемы и циклы простейших гту.

Газовой турбиной называется тепловой двигатель ротационного типа, в котором рабочим телом являются продукты сгорания топлива в смеси с воздухом, а также могут быть нагретый до высокой температуры воздух либо другое газообразное вещество, обладающее определёнными физическими свойствами. Конструктивно и по принципу действия газовая турбина аналогична паровой.

Преимущества ГТУ по сравнению с ПТУ:

1.ГТУ значительно более компактна. Вместо громоздкого и сложного парового котла, топливо сжигается в маленькой камере сгорания, расположенной вблизи ГТ. Кроме того в ГТУ нет конденсационной установки.

2.ГТУ проще по конструкции и тех. Обслуживанию.

3. Менее ёмки с точки зрения затрат металла и др. материалов при одинаковой мощности.

4.ГТУ дешевле.

5.Почти не требует воды для охлаждения.

Недостатки:

1.Мощность ГТУ составляет 800 тыс. кВт, а мощность ГТУ – 100 тыс кВт.

2.Срок службы

3.ГТУ более требовательны к качеству топлива.

Принципиальная схема ГТУ с открытой камерой сгорания.

Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух до определённого давления и подаёт в открытую камеру сгорания 4. Туда же с помощью топливного насоса 3 непрерывно впрыскивается через форсунку 5 топливо, которое смешивается с воздухом и сгорает. Образовавшиеся газообразные продукты сгорания направляются в ГТ – 8. Только 20-40% воздуха подаваемого компрессором вводится в активную зону горения 6 и участвует в процессе сгорания. Это так называемый первичный воздух. Остальные 60-80% воздуха добавляются уже потом после активной зоны. Смешиваясь с продуктами сгорания эта часть воздуха даёт возможность выровнять и понизить температуру газа перед турбиной до заданной величины. Это сделано из-за того, что для полного сгорания топлива температура в активной зоне 1800-2300к. А температура на вводе в турбину по требования надёжности 900-1100к. Запуск ГТУ производится пусковыми электродвигателями, а зажигание топлива осуществляется обычно только при запуске с помощью установленной в камере сгорания электро свечи.

На рис. показаны в PV и TS диаграммах совмещённые термодинамические и действительные циклы ГТУ со сгоранием при P=const. Линия 3-4’ изображает изоэнтропийное сжатие воздуха в компрессоре с повышением его P и T от P₃ и T₃ до P₄ и T₄’. В действительном цикле сжатие сопровождается внутренними потерями, которые сдвигают этот процесс в сторону увеличения энтропии (3-4). Тепло в камеру сгорания подводится по изобаре 4-1, за счёт чего температура возрастает от T₄ до T₁. Линия 1-2’ изображает изоэнтропийное расширение рабочего тела в турбине. В действительном цикле этот процесс происходит по линии 1-2. Отвод тепла в теплоприёмник в ТД цикле изображается изобарой 2’-3. В действительном цикле линия 2-3 выражает собой условный замыкающий процесс, соотв. Охлаждению газа при выходе их из турбины в атмосферу.

69Гту со сгоранием при постоянном давление. Гту со сгоранием при постоянном объёме.

На рис.7.6 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении. Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3.

Газотурбинные установки относятся к числу двигателей внутреннего сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется на турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу.

ГТУ по сравнению с поршневыми двигателями обладают целым рядом преимуществ: 1) простота силовой установки; 2) отсутствие поступательно движущихся частей, что позволяет повысить механический к.п.д.; 3) получение больших чисел оборотов, что позволяет существенно снизить вес и габариты установки; 4) осуществление цикла с полным расширением и тем самым большим термическим к.п.д.

Схема и цикл ГТУ с подводом теплоты при p=const - цикл Брайтона

(1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре; 2-3 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках газовой турбины; 4-1 – изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в атмосферу).

Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины и технической работой, затраченной на привод компрессора. Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины и технической работой, затраченной на привод компрессора. Цикл газовой турбины с изобарным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления в цикле .

Термический к. п. д. цикла ГТУ: То есть термический к. п. д. цикла ГТУ с подводом тепла при p=const увеличивается с увеличением степени повышения давления.

Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты

Теоретический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты состоит из процесса адиабатного сжатия воздуха 1—2 в компрессоре, процесса изохорного подвода теплоты 2—3 в камере сгорания и процесса адиабатного расширения 3—4 продуктов сгорания в соплах газовой турбины. После преобразования кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках и процесса отвода теплоты 4—1 от газа в окружающую среду при постоянном давлении р1 цикл завершается.

Цикл газовой турбины с изохорным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления при сжатии и степенью повышения давления при подводе теплоты . Можно показать, что . Исследование последнего выражения показывает, что термический к. п. д. ГТУ с изохорным подводом теплоты возрастает с увеличением β и λ.

Цикл ГТУ с подводом теплоты при v=const не получил широкого распространения из-за сложности конструкции камеры сгорания и ухудшения условий работы турбины в пульсирующем потоке продуктов сгорания.

Способы повышения КПД ГТУ.

Несмотря на то, что увеличение P_к благоприятно сказывается на экономичности газотурбинной установки, повышение этой величины приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Величины этой температуры лимитируются жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 800 - 1000°С и дальнейшее повышение температуры может быть достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми лопатками. С целью повышения термического КПД часть теплоты, выбрасываемую в атмосферу, можно использовать повторно - регенерация теплоты, а так же ступенчатое сжатие и расширение рабочего тела.