Газотурбинный привод с промежуточным подводом тепла
Газотурбинный привод простой схемы (рис.2) получил наибольшее распространение благодаря простоте конструкции и достаточной надежности в эксплуатации. Однако экономичность простого газотурбинного привода сравнительно невелика.
Ценой усложнения схемы можно несколько улучшить основные характеристики газотурбинного привода: увеличить КПД и коэффициент полезной работы, снизить удельный расход газа и поднять удельную мощность установки.
Рассмотрим для примера одновальную газотурбинную установку (рис.6) с рекуперацией тепловой энергии, промежуточным подводом тепла и промежуточным охлаждением воздуха.
топливо
5 охлаждающая среда
7 Pd1,Td1
Pc2, Tc2
Pa2, Ta2 Pb1, Tb1
4 3 2 1 9
Pc1, Tc1 Pb2,Tb2
Топливо воздух
Ра1, Та1
8
Te
Pd2, Td2
6
Рис. 6. Схема одновальной газотурбинной установки
с промежуточным подводом тепла и охлаждением воздуха
1, 2 – компрессоры низкого и высокого давления 3, 4 – турбины высокого и низкого давления 5 – холодильник для воздуха 6 – регенератор 7, 8 – камеры сгорания низкого и высокого давления
Рабочий цикл данной газотурбинной установки представлен на рис.7
T
c1
c2
d1
e
d2
b2
b1 f
a2
a1
S
Рис.7
a1 – b1 – воздух сжимается в компрессоре низкого давления; b1 – a2 –воздух охлаждается в холодильнике; a2 – b2 -воздух сжимается в компрессоре высокого давления; b2 – e –воздух нагревается в регенераторе; е – с1 –воздух попадает в камеру сгорания высокого давления и нагревается;с1 – d1 –расширение рабочего газа в турбине высокого давления;d1 – c2 –газ нагревается в камере сгорания низкого давления;c2 – d2 –газ расширяется в турбине низкого давления; d2 – f – газ отдает тепловую энергию в регенераторе; f – a1 – газ охлаждается до температуры воздуха.
Для двухступенчатого газотурбинного привода КПД рассчитывается по формуле
(55)
Здесь , - степени расширения газа в турбинах высокого и низкого давлений; - КПД турбин высокого и низкого давлений;
- степени повышения давления воздуха в компрессорах низкого и высокого давлений; - КПД компрессоров низкого и высокого давлений.
Кроме одновальных газотурбинных приводов существуют двух, трех и многовальные газотурбинные установки, одна из которых представлена, например, на рис. 8 .
Продукты сгорания воздух
1 2 3
4 5
охлаждающая среда
6 7
Рис.8. Схема двухвального газотурбинного привода
1 – турбина низкого давления 2 – компрессор низкого давления 3 –потребитель 4 – камера сгорания низкого давления 5 – холодильник воздуха 6 – турбина высокого давления 7 – компрессор высокого давления 8 – камера сгорания высокого давления
Если газотурбинный привод имеет Х компрессоров с промежуточным охлаждением и Y турбин с камерой сгорания перед каждой, то КПД такого привода имеет вид
(56)
а коэффициент полезной работы рассчитывается по формуле
(57)
Для сравнения простая газотурбинная установка (рис.3) имеет КПД порядка 28,2%, установка с промежуточным охлаждением – 31%, установка с промежуточным подводом тепла – 31,8%, установка с промежуточным охлаждением и промежуточным подводом тепла – 36%. Дальнейшее увеличение числа ступеней охлаждения и подогрева ведет к возрастанию КПД. Однако усложнение схемы установки увеличивает капитальные затраты. Потому оптимальная схема установки выбирается на основе технико-экономического обоснования.