18. Циклы газотурбинных установок

Газовая турбина - –то лопаточная машина, предназначенная для преобразования энергии газового потока в механическую энергию, снимаемой с ее вала. Таким образом, в газовой турбине протекает процесс, обратный процессу в компрессоре, и обе машины (компрессор и турбина) в принципе обратимы. В реактивных двигателях газовая турбина используется для привода компрессора насосов и вспомогательных агрегатов.

Основными элементами турбины являются сопловой (направляющий) аппарат, образуемый неподвижными сопловыми лопатками, закрепленными в неподвижном корпусе турбины, и рабочее колесо, сочлененное с валом турбины, которое состоит из диска и лопаток. Все вращающиеся части турбины составляют ее ротор.

Совокупность неподвижного соплового аппарата и следующего за ним рабочего колеса называется ступенью турбины (их может быть несколько), а ее газовый тракт - –роточной частью.

Газовые турбины классифицируются по тому же признаку, что и поршневые ДВС, - по способу сжигания топлива.

Если внутренняя энергия преобразуется в кинетическую энер­гию газового потока в результате расширения только в сопловом аппарате, а в каналах между рабочими лопатками расширения газа не происходит, то такая турбина называется активной. Межлопаточное пространство рабочего колеса такой турбины представляет собой канал постоянного сечения.

Если преобразование внутренней энергии газа в кинетическую происходит не только в сопловом аппарате, но и на рабочих лопатках, то турбина называется реактивной. Здесь расширение газа происходит и на рабочем колесе, а межлопаточное пространство рабочего колеса выполняется в виде сужающегося канала (сопла).

Распределение полного теплоперепада между сопловым аппаратом и рабочим колесом принято характеризовать степенью реактивности , равной отношению адиабатного теплоперепада , срабатываемого на рабочем колесе к располагаемому теплоперепаду ступени : .

Очевидно, что для реактивной турбины , а для активной, поскольку , . Практически принято считать, что если , то турбина является активной, а при турбина реактивная. В турбинах современных ТРД на среднем диаметре рабочего колеса .

Основными элементами газотурбинных установок (ГТУ) являются газовая турбина, компрессор и камера сгорания.

В ГТУ для сжатия предназначен специальный компрессор, а для расширения - –азовая турбина. Благодаря этому осуществляется непрерывность процесса.

В ГТУ из-за конструктивного оформления осуществляется полное расширение газа в турбине, т.е. доводится давление в конце расширения до внешнего давления, в то время как в цилиндре ДВС это не удается осуществить из-за необходимости чрезмерно увеличить объем цилиндра. Кроме того, не нужны кривошипно-шатунный механизм и маховик и, следовательно, нет неизбежной в ДВС неравномерности работы.

К недостаткам следует отнести то, что роторы этих машин должны иметь высокие обороты, а, следовательно, высокоточную обработку и балансировку. ГТУ быстро выходит из строя в пыльных условиях работы, т.к. большие скорости потока воздуха с частицами пыли вызывают абразивный износ лопаток компрессора и турбины.

Принципиальное отличие ГТУ от поршневых ДВС состоит в том, что в последних часть внутренней энергии газов непосредственно превращается в механическую работу, а в ГТУ некоторая доля внут­ренней энергии газов сначала превращается во внешнюю кинетическую энергию потока газообразных продуктов сгорания, а затем внешняя кинетическая энергия потока - – механическую работу - – работу вращения ротора, а вместе с ним и вала турбин. Особенностью этих машин является превращение тепла в работу в непрерывном высокоскоростном потоке ТРТ, что обеспечивает большие расходы его через двигатель и позволяет получить большие мощности при сравнительно малых габаритах и достаточно высокой экономичности. Отсутствуют поступательно движущиеся части. Можно применять дешевые сорта топлива (керосин).

Цикл ГТУ с подводом теплоты при P=const

Иногда называется циклом Брайтона. Основной цикл ГТУ. Получил наибольшее практическое применение в авиации. Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении изображена на рис.18.1.

Рис. 18.1. Схема ГТУ

Первая судовая газовая турбина с изобарным подводом теплоты была построена в 1897 г. инженером-механиком русско­го флота П. Д. Кузьминским для катера.

Компрессор I, приводимый в движение газовой турбиной 2, подает сжатый воздух в камеру сгорания 5, в которую через форсунку 6 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 7, находящимся на валу турбины. Если топливо газообразное, то приме­няется газовый компрессор. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате 4 и частично на рабочих лопат­ках 3 и выбрасываются в атмосферу. При сделанных допущениях (циклы обратимы, подвод теплоты происходит без изменения химического состава ТРТ, отвод теплоты предполагается обратимым, гидравлические и тепловые потери отсутствуют, ) термодинамический цикл изобразится на и - диаграммах (рис. 18.2) в виде пл. 1234.

Работа цикла на - диаграмме представляет собой разность площадей а43в и a12в, соответственно равных, работе турбины и компрессора.

В этих диаграммах: 1-2- процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; 2-3- подвод теплоты в камеру сгора­ния при р =const; 3-4- адиабатное расширение газа в турбине (обычно CO2 и H2O); 4-1-изобарная отдача газом теплоты окружающему воздуху.

Рис. 18.2. Термодинамический цикл

Параметрами цикла являются: (степень сжатия , причем ), - степень повышения давления воздуха; - степень предварительного расширения.

Термический КПД определяют из общего выражения , где , а .

Параметры газа в узловых точках цикла находят по формулам, связывающим параметр газа в адиабатном и изобарном процессах:

- точка 2 ,

- точка 3 ,

- точка 4 .

Найдем выражение для термического КПД цикла

. (18.1)

Работа цикла равна

. (18.2)

Рис. 18.3. Зависимость при k=1,35

Выражение (18.1) показывает, что термический КПД ГТУ при данном рабочем теле (данном k) зависит только от степени повышения давления в компрессоре, причем с ростом термический КПД цикла увеличивается.

Таким образом, КПД этого цикла и КПД цикла поршневых двигателей с подводом теплоты при = const при одинаковых степенях сжатия равны ( ). Это результат полного расширения ТРТ в турбине.

Рис. 18.4. Цикл при различных степенях повышения давления

и одинаковом количестве подводимой теплоты

На рисунке 18.4 изображен рассматриваемый цикл при различных степенях повышения давления и одинаковом количестве подводимой теплоты . Из рассмотрения этого графика следует, что при и повышении уменьшается количество теплоты, отдаваемое газом в холодильник, а это приводит к увеличению термического КПД цикла.

Площади под линиями подвода тепла 2-3, 2`-3`, 2``-3`` одинаковы из условия , но площадки под линиями отвода тепла 1-4, 1-4` и 1-4``, эквивалентные отведенным теплотам, не одинаковы, тем меньше, чем выше степень сжатия (чем выше при одинаковых ). Ясной становится причина стремления иметь высоконапорные компрессоры в ГТУ.

Несмотря на то, что увеличение благоприятно сказывается на экономичности ГТУ, повышение этой величины приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Величины этой температуры лимитируются паропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 800-1000 градусов по Цельсию, и дальнейшее повышение температуры может быть достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми лопатками.

Цикл ГТУ с подводом теплоты при =const

Рис. 18.5. Цикл ГТУ с подводом теплоты при =const

Здесь процесс сгорания идет в замкнутом объеме камеры, для этого она должна периодически отключаться от турбины и сгорание происходит при =const. В результате в турби­ну поступает пульсирующий поток газов. Компрессор 1, приводимый во вращение турбиной 2, подает сжатый воздух в камеру сгорания 5 через управляемый клапан 8. Второй клапан 4 находится в конце камеры сгорания и предназначен для выхода продуктов сгорания на турбину. Топливо в камеру сгорания подается насосом 9, находящимся на валу турбины, через форсунку 7. Подача топлива должна осуществляться периодически топливным клапаном 6.

В камере сгорания при закрытых клапанах 8 и 4 происходит процесс горения топлива в постоянном объеме.

Рис. 18.6. и - диаграммы

При увеличении давления клапан 4 открывается, и продукты сгорания поступают в сопловой аппарат 3 и на лопатки турбины. При прохождении через лопатки турбины газ производит работу и выбрасывается в окружающую среду.

На и - диаграммах: 1-2- адиабатное сжатие в компрессоре (обычно воздуха); 2-3- подвод теплоты при =const; 3-4 - –диабатное расширение газа в турбине (обычно СО2 и пары H2O); 4-1 - –зобарная отдача газом теплоты окружающему воздуху.

Основными параметрами цикла являются: - степень повышения давления, - степень изохорного повышения давления.

Для определения термического КПД, равного , найдем температуру газа в узловых точках цикла:

- точка 2 ,

- точка 3 ,

- точка 4 .

Рис. 18.7. - диаграмма

Поставляя значения этих температур в формулу термического КПД, получим

. (18.3)

Работа цикла

. (18.4)

Ф ормула (18.3) показывает, что термический КПД цикла зависит от степени повышения давления, определяемый повышением давления воздуха в компрессоре, и от величины , характеризующей количество подведенной в цикле теплоты (рис. 18.8). Изменение аналогично изменению этой величины в цикле с подводом теплоты при p=const.

Рис. 18.8. и - диаграммы

Из сравнения между собой циклов с подводом теплоты при p=const и =const на и - диаграммах видно, что при одной и той же величине степени повышения давления и одинаковом количестве отведенной теплоты цикл при =const выгоднее цикла при p=const.

Это объясняется большей степенью расширения, которая будет в цикле =const, а, следовательно, и большими значениями . Несмотря на это преимущество, цикл с подводом теплоты при =const широкого применения в практике не нашел в связи с усложнением конструкции камеры сгорания (клапаны горят) и ухудшением работы турбины в пульсирующем потоке газа, что приводит к меньшим значениям абсолютного эффективного КПД такой установки.