Циклы газотурбинных установок

Цикл со смешанным подводом тепла.

Этот цикл является комбинацией двух предыдущих. В нем тепло сначала сообщается по изохоре, а затем по изобаре. Цикл состоит из следующих термодинамических процессов:

1-2 – адиабата сжатия;

2-3 – изохорный подвод тепла;

3-4 – изобарный подвод тепла;

4-5 – адиабата расширения;

5-1 – изохорный отвод тепла.

Характеристиками цикла являются:

· Степень сжатия ;

· Степень предварительного расширения ;

 

 

Определение параметров в характерных точках.

Для точки 1 неизвестен удельный объем, который определяем из уравнения состояния идеального газа.

.

Для точки 2:

Для точки 3:

Для точки 4:

.

Для точки 5:

Теплоты в цикле определяются:

Подведенная теплота +

Отведенная теплота:

Полезноиспользованная теплота: .

Термический КПД цикла определяется из выражения:

 

Термический КПД зависит от трех параметров цикла. С увеличением степени сжатия и степени повышения давления термический КПД увеличивается, а с увеличением степени предварительного расширения КПД уменьшается. Работа в цикле определяется из выражений:

Работа сжатия: ;

Работа расширения: .

Полезная работа: = .

В системе координат T-S цикл изображается следующим образом.

Для построения графика определяем:

;

;

;

.

 

Поскольку кривые 2-3, 3-4, и 5-1 являются логарифмическими, то задаемся промежуточными точками в интервале температур , и определяем:

 

 

;

;

.

Сравнение циклов с подводом теплоты при и .

При равенстве работ, будут равны и использованные теплоты в циклах. Рассмотрим оба цикла в системе T-S.

1) При одинаковых степенях сжатия точка 2 (конца сжатия) будет совпадать. Так как в T-S изобара располагается над изохорой, то линия 2-3 должна располагаться под линией 2- . А ввиду равенства теплот и равенства площадей 1-2-3-4 и 1-2- - , точка 3 должна лежать правее отсюда можно сделать вывод, что в цикле при отвод тепла больше, чем при . А это говорит, что при одинаковых степенях сжатия цикл с экономичнее цикла при .

2) При одинаковых максимальных давлениях будем рассматривать оба цикла при условии получения в них равных работ, что приведет к равенству полезных теплот. Точка лежит выше точки 2, так как в цикле с степень сжатия больше. Равенство площадей 1234 и 1 будет возможно при расположении точки 3 вправо от линии b. Но при таком расположении циклов площадь a1 b будет меньше площади a14c. Следовательно, при рассматриваемых условиях цикл с экономичнее цикла с .

Циклы газотурбинных установок

Газотурбинной установкой (ГТУ) называется теплоэнергетическое устройство, в котором рабочим теплом служат продукты сгорания топлива, а рабочим двигателем является газовая турбина.

Схема газотурбинной установки представлена на рисунке 1.

 

1 – насос для подачи топлива;

2 – воздушный компрессор;

3 – камера сгорания;

4 – газовая турбина;

5 – электрогенератор.

Воздушный компрессор 2 сжимает воздух до требуемого давления и направляет его в камеру сгорания 3, туда же топливным насосом 1 подается топливо. Сгорание топлива происходит при . Образующиеся продукты сгорания топлива поступают на лопатки турбины, где совершают работу, приводя во вращение вал турбины. Турбина является приводом электрогенератора 5, вырабатывающего электрический ток, а также приводом компрессора 2 и насоса 1.

Отработавшие газы в турбине при давлении, несколько превышающие атмосферное, выбрасываются в окружающую среду.

К числу возможных идеальных цикло ГТУ относят:

1. Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении;

2. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме;

3. Цикл с регенерацией теплоты.

Цикл ГТУ с подводом теплоты при .

В системе координат – изображается:

1-2 – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре;

2-3 –подвод теплоты в камеру сгорания при ;

3-4 – адиабатное расширение газа в турбине;

4-1 – изобарная отдача теплоты окружающему воздуху.

Характеристиками цикла являются:

· Степень сжатия ;

· Степень предварительного расширения .

1. Параметры газа в характерных точках находим:

Для точки 1

;

 

 

Для точки 2

;

 

Для точки 3

;

Для точки 4

.

2. Подведенная теплота

Отведенная теплота:

Полезноиспользованная теплота: .

 

3. Термический КПД цикла:

.

Выражение показывает, что термический КПД ГТУ при данном рабочем теле (данном зависит только от степени сжатия в компрессоре, причем с ростом КПД цикла увеличивается. 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 прочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустима температура газов перед турбиной составляет 800-1000 и дальнейшее повышение может быть достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внутренних турбин с охлажденными компонентами.

4. Работа сжатия: .

Работа расширения: .

Полезная работа:

5. В системе координат T-S цикл изображается

Для построения цикла определяем изменение энтропии в каждом процессе:

;

;

.

 

 

Цикл ГТУ с подводом теплоты при .

Отличительной особенностью от предыдущего цикла является установка в рабочей камере клапана, обеспечивающего сгорание топлива при постоянном объеме.

В системе координат – изображается:

1-2 – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре;

2-3 –подвод теплоты в камеру сгорания при ;

3-4 – адиабатное расширение газа в турбине;

4-1 – изобарная отдача теплоты окружающему воздуху.

Характеристиками цикла являются:

· Степень сжатия ;

· Степень предварительного расширения .

1. Параметры газа в характерных точках находим:

Для точки 1

;

Для точки 2

;

Для точки 3

Для точки 4

.

2. Подведенная теплота

Отведенная теплота:

Полезноиспользованная теплота: .

 

3. Термический КПД цикла:

= .

Выражение показывает, что термический КПД цикла зависит степени сжатия и степени повышения давления. При одинаковых степенях сжатия и одинаковом количестве отведенной теплоты, при выгоднее цикла при . Несмотря на это преимущество, цикл с подводом теплоты при широко применения в практике не нашел в связи с усложнением конструкции камеры сгорания и ухудшением работы турбины в пульсирующем потоке газа.

4. Работа сжатия: .

Работа расширения: .

Полезная работа:

5. В системе координат T-S цикл изображается

Для построения цикла определяем изменение энтропии в каждом процессе:

;

;

.

Регенеративные циклы.

Одной из мер повышения совершенства перехода теплоты в работу в газотурбинной установке является применение регенерации теплоты. Регенерация теплоты заключается в использовании теплоты отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.

В системе координат P-V цикл изображается.

AC –адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

C1 –изобарный подогрев воздуха в регенераторе;

1Z –подвод тепла при в камере сгорания;

ZL –адиабатное расширение газа в турбине;

L2 –отдача теплоты при в регенераторе;

2A –отдача теплоты при в окружающую среду.

Подведенная теплота

Отведенная теплота:

Тогда:

При принятых параметров цикла:

;