Схема и цикл простейшей ГТУ

Практическое занятие№2 Тема 1.6 Газотурбинные установки. Циклы ГТУ с подводом тепла при V-cons и P-cons.

Цель работы: ознакомиться с работой газотурбинной установки, циклами гту с подводом тепла при v-cons и p-cons.

Газотурбинные установки (ГТУ) как и двигатели внутреннего сгорания относятся к классу теплосиловых газовых установок. При этом ГТУ свободны от основных недостатков ДВС поршневого типа. Цикл ГТУ состоит из тех же процессов, что и цикл ДВС, но в ГТУ эти процессы проходят одновременно в различных элементах установки, а в ДВС они проходят последовательно в цилиндре, из-за чего возникают резко переменные значения температур и давлений. Средняя скорость течения рабочего тела в ДВС в сотни раз меньше, а кроме того необходимо преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное. Из-за чего возникает необходимость в громоздком кривошипно-шатунном механизме и маховике. Газовые турбины, будучи двигателями ротационного типа, выполняют очень быстроходными и поэтому они малогабаритны, что позволяет сосредотачивать большие мощности в единице объёма. ГТУ сочетают в себе положительные свойства ДВС и паротурбинных установок, но при этом в ГТУ отсутствуют котлы, конденсаторы и другие элементы конденсатно-питательной системы. ГТУ просты конструктивно, они имеют малый вес и высокую компактность. В ГТ установках можно использовать практически любое топливо. У них лучшая нагрузочно-скоростная характеристика, т.е. они обладают более высокими манёвренными качествами.

При этом в ДВС из-за ограниченности размеров цилиндров в них невозможно полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления окружающей среды. А как известно, полное расширение продуктов сгорания обеспечивает больший термический кпд двигателя при прочих равных условиях.

Такое полное адиабатное расширение возможно в газовых турбинах. Газовые турбины являются очень перспективными двигателями особенно в условиях, когда незначительные габариты имеют большое значение, т. е. для судов и самолётов. Однако в настоящее время применение газовых турбин ограничивается недостаточной жаропрочностью современных конструкционных материалов, из-за чего турбина надёжно работает в области температур, меньших, чем те, в которых работают ДВС. А это приводит к резкому снижению термического кпд, а кроме того камера сгорания потребляет большое количество воздуха высокого давления, на что расходуется значительная часть полезной мощности.

Газовые турбины классифицируются как и ДВС по способу сжигания топлива и разделяются на два основных типа:

ГТУ со сгоранием при p=const

ГТУ со сгоранием при V=const

Схема и цикл простейшей ГТУ

В современных установках процесс подвода тепла (процесс сгорания) проходит, как правило, при p=const.

На рис. 8.5 изображены схема и цикл простейшей судовой ГТУ. Со сгоранием топлива при p=const внешний воздух засасывается турбокомпрессором (в точке 1) и адиабатно сжимается до давления р₂, после чего нагнетается в камеру сгорания. Туда же впрыскивается жидкое топливо, которое сгорая в обогащённой воздухом среде образует (при р=const) продукты сгорания высокой температуры (процесс 2-3). Продукты сгорания поступают в турбину, расширяются (при ) с понижением давления до атмосферного (процесс 3-4) и выбрасываются во внешнюю среду. Работа производится при расширении продуктов сгорания в турбине. Термодинамический принцип преобразования тепловой энергии в механическую такой же как и в ДВС.

Рис. 8.5. Схема и цикл судовой ГТУ

Важными характеристиками цикла являются: степень повышения давления в компрессоре и степень изобарного расширения . В газовой турбине возможно полное расширение газа до атмосферного давления, что увеличивает термодинамический кпд .

Учитывая соотношения для адиабат 1-2 и 3-4 можно записать

и отсюда

Тогда значение термодинамического кпд

(8.11)

Анализируя зависимость (8.11) можно увидеть, что термодинамический кпд повышается при увеличении степени сжатия.

Для идеального цикла ГТУ с изобарным подводом тепла определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество отводимой теплоты, работу цикла и термический КПД цикла, если начальные параметры рабочего тела (воздуха) p1 = 0,1 МПа, t1 = 27°C, степень повышения давления в компрессоре b=6. Количество подводимой теплоты q1 = 210 кДж/кг.

Цикл ГТУ изображен на рис. 8.5. Из соотношения для адиабатного процесса 1-2 определяем температуру в точке 2

К.