2. Цикл газотурбінної встанови з підведенням тепла при постійному тиску з регенерацією тепла

Одним із заходів підвищення термодинамічного ККД ГТУ є застосування регенерації тепла. Регенерація тепла полягає у використанні тепла відпрацьованих газів для підігріву повітря, що надходить у камеру згоряння. Схема газотурбінної установки зі згорянням при Р = const з регенерацією тепла представлена на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Схема ГТУ зі згорянням при постійному тиску і з регенерацією тепла

Відмінність газотурбінної установки з регенерацією тепла від установки без регенерації полягає в тому, що стиснене повітря надходить із компресора 1 не відразу в камеру згоряння 2, а попередньо проходить через повітряний регенератор-теплообмінник 3, у якому він підігрівається за рахунок тепла відпрацьованих газів. Відповідно гази, що виходять із турбіни, перед виходом їх в атмосферу проходять через повітряний регенератор, де вони охолоджуються, підігріваючи стиснене повітря. Таким чином, певна частина тепла, що раніше уносилася відпрацьованими газами в атмосферу, тепер корисно використовується.

Зобразимо цикл газотурбінної установки з регенерацією й з ізобарним підведенням тепла в v-P і S-T діаграмах (рис. 2.23, 2.24).

Розглянутий цикл складається з адіабатного процесу стиску повітря в компресорі 1-2, процесу 2-5, що представляє собою ізобарний підігрів повітря в регенераторі, ізобарного процесу 5-3, що відповідає підведенню тепла в камері згоряння за рахунок згоряння палива, процесу адіабатного розширення газів 3-4 у турбіні, ізобарного охолодження вихлопних газів у регенераторі 4-6 і, нарешті, умовний замикаючий цикл ізобарного процесу 6-1, при цьому тепло передається навколишньому середовищу.

Якщо припустити, що охолодження газів у регенераторі відбувається до температури повітря, що надходить до нього, тобто від Т₄ до Т₆ = Т₂, а стиснене повітря буде нагріте у регенераторі до температури газів, тобто від Т₂ до Т₅ = Т₄, то регенерація буде повна.

Кількість тепла, що підводиться до робочого тіла в ізобарному процесі 5-3:

q₁ = C_p(T₃ - T₅) = C_p(T₃ - T₄),

а відводиться в ізобарному процесі 6-1:

q₂ =C_p(T₆ - T₁) = C_p(T₂ -T₁).

Рис. 2.23. Цикл ГТУ з підведенням тепла при Р = const і з регенерацією в v -Р діаграмі

Рис. 2.24. Цикл ГТУ з підведенням тепла при Р = const і з регенерацією в S-T діаграмі

^{Підставляючи q}₁ ^{і q}₂^{ у загальне співвідношення}

_{отримаємо}

Температури в основних точках циклу (див. 2.5.1):

.

Тоді

(2.15)

Термодинамічний ККД циклу ГТУ з підведенням тепла при Р = const і повною регенерацією залежить від початкової температури Т₁ і температури наприкінці адіабатного розширення Т₄.

Практично повну регенерацію здійснити не можна. Повітря, що нагрівається в регенераторі, буде мати температуру Т₇, трохи меншу Т₅, а охолоджувані гази - температуру Т₈, більше високу, чим Т₆ (рис. 2.24). Тому _t циклу буде залежати від ступеня регенерації.

Ступенем регенерації “r” назвемо відношення кількості тепла, отриманого стисненим повітрям у регенераторі, до тієї кількості тепла, що він міг би одержати, будучи нагрітим від Т₂ до Т₅ = Т₄ на виході з газової турбіни:

(2.16)

Термічний ККД циклу ГТУ з неповною регенерацією, тобто при r  1, визначається в такий спосіб

(2.17)

Величина ступеня регенерації залежить від конструкції теплообмінника.

Термодинамічний ККД ГТУ можна також підвищити введенням східчастого підігріву робочого тіла й східчастого стиску повітря в компресорі з охолодженням його між ступенями. У такий спосіб прагнуть наблизити процеси підведення й відводу тепла до ізотермічного - і тим самим наблизити цикл ГТУ до узагальненого (регенеративному) циклу Карно. Але застосування великої кількості камер згоряння й холодильників недоцільно, тому що це ускладнює конструкцію ГТУ.

Звичайно, виходячи з техніко-економічних міркувань, ГТУ роблять із двоступінчастим розширенням і триступінчастим стиском. Принципова схема газотурбінної установки із триступінчастим стиском, регенерацією тепла й проміжним підігрівом робочого тіла при розширенні в окремих ступенях турбіни наведена на рис. 2.25.

Рис. 2.25. Схема ГТУ із двоступінчастим розширенням

і триступінчастим стиском

Триступінчастий компресор К оснащений охолоджувачами 1 і 2; теплообмінник (регенератор) Р обігрівається вихлопними газами турбіни. Турбіна Т складається із двох ступенів, причому продукти згоряння, що надходять із камери згоряння 3 і розширюються в першому ступені турбіни, направляються в другу камеру згоряння 4, куди знову подається паливо, у результаті чого температура продуктів згоряння перед розширенням у другому ступені знову підвищується до початкової величини; рідке паливо подається в камеру згоряння насосом 5. Цикл розглянутої установки зображений у координатах S-T на рис. 2.26.

Лінії 1-2, 3-4 і 5-6 представляють процеси стиску в компресорі відповідно в ступенях низького, середнього й високого тисків із проміжним охолодженням у холодильниках.

Рис. 2.26. Цикл ГТУ із двоступінчастим розширенням і триступінчастим стиском в S - Т діаграмі

Лінії 8-9, 10-11 зображують розширення газоподібних продуктів згоряння в газовій турбіні відповідно в ступенях високого й низького тисків. Лінія 9-10 - проміжний підігрів робочого тіла до максимальної температури в камері згоряння низького тиску.

Цикл здійснюється з регенерацією тепла, тобто нагрівання робочого тіла в ізобарному процесі 6-7 відбувається за рахунок охолодження вихлопних газів турбіни ступеня низького тиску, причому в ідеальному випадку Т₆ = Т₁₂ і Т₇ = Т₁₁.