Анализ тепловой экономичности разомкнутого цикла ГТУ

Прежде чем приступить к анализу экономичности ГТУ, сделаем ряд допущений, позволяющих упростить этот анализ:

1. Свойства рабочего тела ГТУ во всех точках ее процесса будем считать аналогичными свойствам идеального двухатомного воздуха с постоянной изобарной теплоемкостью. Это допущение близко к истине, т.к. в продуктах сгорания топлива воздух составляет более 80 %, а свойства атмосферного воздуха близки к свойствам идеального газа.

2. Массовое количество рабочего тела во всех точках процесса будем считать одинаковым и равным количеству воздуха, поступающему в компрессор (G). Это допущение объясняется тем, что расход топлива в ГТУ по отношению к расходу воздуха несоизмеримо мал (для современной ГТУ G=600 кг/с, а В=12 кг/с) и составляет около 2 %.

3. Условно будем считать цикл ГТУ замкнутым между точками 4 и 1 (рис. 8.4) по изобарному процессу отвода теплоты от рабочего тела. Очевидно, что газы за ГТУ охлаждаются в окружающей среде при постоянном атмосферном давлении, а воздух в компрессор поступает при том же давлении, поэтому отвод теплоты соответствует изобарному процессу между точками 4 и 1.

В соответствии с вышепринятыми допущениями обратимый (идеальный) цикл ГТУ в P,v- и T,s- диаграммах будет представлен рис. 8.4.

Методика расчета тепловой экономичности

обратимого цикла ГТУ

Техническая работа обратимого адиабатного процесса сжатия воздуха в компрессоре 1-2 соответствует разности энтальпий этого процесса, а для воздуха со свойствами идеального газа – разности температур, умноженной на изобарную теплоемкость воздуха

. (8.1)

В P,v- диаграмме работа компрессора может быть представлена площадью под процессом 1-2 в проекции на ось давлений 1-2-а-в-1.

Теплота, подведенная к рабочему телу в камере сгорания, соответствует изобарному процессу 2-3 и рассчитывается как

. (8.2)

В T,s- диаграмме q₁ соответствует площадь под процессом 23.

Технической работе обратимого адиабатного процесса расширения газа в турбине 3-4 соответствует разность энтальпий этого процесса, а для продуктов сгорания топлива со свойствами идеального газа – разности температур, умноженную на изобарную теплоемкость воздуха . (8.3)

В P,v- диаграмме работа турбины может быть представлена площадью под процессом 3-4 в проекции на ось давлений 3-4-а-в-3.

Теплоте, отведенной от рабочего тела в окружающую среду, соответствует изобарный процесс 4-1 и рассчитывается как

. (8.4)

В T,s- диаграмме q₂ соответствует площадь под процессом 4-1.

Работа цикла ГТУ может определяться как разность работ турбины и компрессора или как разность подведенной к рабочему телу и отведенной от рабочего тела теплоты: . (8.5)

В ГТУ работа компрессора может составлять до 50 % от работы газовой турбины (рис. 8.4, а).

Термический КПД цикла ГТУ определяется выражением

, (8.6)

где , т.к. для адиабатных процессов 12 и 34, проходящих в интервале одинаковых давлений Р₁ и Р₂, справедливо соотношение . Отношение давлений называют степенью повышения давления в компрессоре. Выразив отношение температур в уравнении (8.6) через степень повышения давления , уравнение термического КПД цикла ГТУ: . (8.7)

Из уравнения (8.7) следует, что термический КПД цикла ГТУ зависит только от степени повышения давления воздуха в компрессоре, при этом, чем больше степень повышения давления в компрессоре, тем больше термический КПД цикла. Однако это не совсем так.