С изобарным сгоранием топлива

Цикл простого газотурбинного привода

СХЕМЫ И РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННОГО ПРИВОДА

Наиболее распространённым типом газотурбинного привода являются установки, в камере сгорания которых сжигание топлива происходит при постоянном давлении (изобарное сжигание), а их рабочий цикл характеризуется разомкнутым процессом. В них сжигается жидкое или газообразное топливо. Принципиальная схема газотурбинного привода с изобарным сгоранием топлива и разомкнутым процессом представлена на рис.1.

3 Топливо

P_c, T_c P_b, T_b

4 1 2

P_d, T_d P_a, T_a

Воздух

Рис.1 . Принципиальная схема газотурбинного привода

1 – компрессор, 2 – потребитель, 3 – камера сгорания

4 – турбина

В компрессор поступает атмосферный воздух, который сжимается и подается в камеру сгорания. В камеру сгорания нагнетается также топливо. Газы, образующиеся в результате изобарного сгорания топлива, поступают в газовую турбину. В турбине происходит их расширение с производством механической работы. Расширившиеся газы удаляются после турбины в атмосферу.

Газы после камеры сгорания имеют высокую температуру. Для её снижения до заданной величины они смешиваются с воздухом, поступающим от компрессора.

Работа, производимая турбиной, за вычетом затрат энергии на привод компрессора и нагнетатель топлива, передается потребителю (электрогенератору, компрессору и пр.).

Идеальный цикл установки графически представлен на рис.2 в координатах PV и TS- диаграмм.

Р Т

b c c

d

b

a d a

V S=Q/T

Рис. 2. Идеальный цикл газотурбинного привода

с изобарным сгоранием топлива

Р– давление, Па; V – объем, м³; Т – температура, К; S – энтропия, Дж/К; Q - количество тепловой энергии, Дж.

Линия a – bизображает изоэнтропное (адиабатическое) сжатие идеального газа в компрессоре. Линия b – cотражает изобарный подвод тепловой энергии в камере сгорания. Линией c – dпоказывается изоэнтропное расширение газа в турбине. Линией d – a представлен процесс отвода тепловой энергии при постоянном давлении. Этот процесс заменяет охлаждение газов в атмосфере.

Термический КПД цикла представляется формулой

(1)

в которой при теплоемкости идеального газа значения величин тепловой энергии, подводимой к газу в камере сгорания , и тепловой энергии, сбрасываемой в атмосферу , выражаются в виде

(2)

(3)

Степень изоэнтропного сжатия газа выражается отношением величины исходного объема газа (точка а) к величине объема сжатого газа (точка b)

(4)

Степень повышения давления газа - отношением величины давления сжатого газа (точка b) к величине давления исходного газа (точка a)

(5)

Степень изоэнтропного расширения газа - отношением величины давления сжатого и нагретого газа (точка с) к величине давления сбрасываемого газа (точка d)

(6)

Связь между степенями повышения давления газа и его расширением выражается уравнением

, (7)

в котором коэффициент общих потерь давленияявляется произведением

(8)

в котором:

0,97 – 0,98 коэффициента потерь давления в воздушном тракте;

0,96 – 0,98 коэффициента потерь давления в системе всасывания перед компрессором.

Для изоэнтропного процесса сжатия газа, выражаемого линией a – b,зависимости между степенью сжатия , степенью повышения давления , величинами температур исходного газа (воздуха) и сжатого газа выражаются в виде уравнений

(9)

(10)

Для изоэнтропного процесса расширения газа, выражаемого линией c – d,

(11)

В связи с тем, что , из сопоставления уравнений (9) –(11) имеем:

(12)

(13)

Сопоставив уравнения (1) – (6) и (9) – (13) и выполнив соответствующие алгебраические преобразования, термический коэффициент полезного действия установки выражается формулами:

(14)

(15)

(16)

Из выражений (15) и (16) следует, что КПД рассматриваемого цикла зависит только от показателя адиабаты k степени сжатия и степени повышения давления . Внутренний КПД установки увеличивается с ростом величины степени повышения давления только до некоторого значения, дальнейший её рост ведет к уменьшению величины внутреннего КПД установки.