Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.
В газотурбинной установке воздух сжимается компрессором от атмосфернного давления p1 до давления р2, при этом его температура возрастает от Т1 до Т2, после сжатия воздух подается в камеру сгорания, в которую также подается жидкое или газообразное топливо. Продукты сгорания выходят из камеры с температурой Т3 и практически с тем же давлением р2. В газовой турбине продукты сгорания расширяются до давления р4=р1, при этом температура снижается до Т4.
Часть работы, полученной в турбине, расходуется на привод компрессора, а оставшаяся используется для получения электрической энергии в электрогенераторе или на другие цели.
Максимальная температура газов ограничивается жаропрочностью материалов, из которых изготовляются элементы турбины. В стационарных установках температура газов за турбиной составляет 1050-1100оС, а в авиационных двигателях 1400-1500оС.
Рис. Принципиальная схема ГТД с подводом тепла при p = const: 1 – топливный насос; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – газовая турбина
P — v диаграмма цикла Брайтона T - S диаграмма цикла Брайтона
Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов
1—2 Изоэнтропическое сжатие.
2—3 Изобарический подвод теплоты.
3—4 Изоэнтропическое расширение.
4—1 Изобарический отвод теплоты.
Количество подведенной теплоты в изобарном процессе 2-3
;
Отведенная теплота в процессе 4-1 .
Сжатие воздуха в компрессоре и расширение продуктов сгорания в турбине происходят в адиабатных условиях, термический кпд газотурбинной установки определяется по формукле:
Для адиабатических процессов 1-2 и 3-4 можно записать:
и
Но , - подставляя эти значения в формулу для кпд получим:
, (7.1)
где k – показатель адиабаты,
степень повышения давления в компрессоре.
Термический к.п.д возрастает с увеличением .
Поскольку термический КПД цикла ГТУ зависит от величины степени повышения давления воздуха в компрессоре (p), проведем анализ влияния величины p на тепловую экономичность идеального цикла ГТУ.
Рассмотрим зависимость работы цикла от p (от давления р2). Для рассмотрения влияния p примем постоянными температуру и давление воздуха на входе в компрессор (Т1=const, р1=const) и температуру газов на выходе из камеры сгорания (Т3=const). При этих условиях рассмотрим обратимые циклы отличающиеся р2. Величина p изменяется от 1 до pmax. Когда р2=р1 p=1, а р2=р2max (когда в результате адиабатного сжатия температура воздуха за компрессором достигает максимально-возможного значения Т2=Т3) p=pmax (см.рис.). Так как работа обратимого цикла равна площади цикла в T-s диаграмме, то из рисунка видно, что работа цикла вначале растет, а потом уменьшается.
При p=1работа цикла ГТУ равна нулю, а подведенная к рабочему телу теплота q1 равна отведенной теплоте q2, следовательно, термический кпд цикла равен нулю. При p=pmax термический кпд цикла ГТУ имеет максимальное значение, т.к. Т2=Т3, и определяется выражением
.
Получается, что кпд цикла имеет максимальное значение при отсутствии работы цикла (lц=0). Объяснение такого явления заключается в равенстве работ компрессора и газовой турбины, т.е. вся работа газовой турбины затрачивается на привод компрессора. Следовательно, экономичность обратимого цикла ГТУ не может оцениваться только термическим кпд, а необходимо учитывать и полезную работу цикла. Графические зависимости изменения работа идеального цикла ГТУ от степени повышения давления p показаны на рис.
Рис.
В соответствии с этими зависимостями, видно, что оптимальное значение степени повышения давления воздуха в компрессоре необходимо выбирать по максимальному значению работы цикла ГТУ.
Из сравнения циклов, имеющих одинаковые р2, но разные температуры газов перед тербиной Т3, что работа цикла тем больше, чем больше температура газов Т3.
Энергетические характеристики цикла
Количество подведенной за цикл теплоты:
q1=cp(Tг- Tк);
Количество отведенной за цикл теплоты:
=cP(TH- TT);
Работа цикла:
Термический кпд цикла:
Кроме степени повышения давления воздуха в компрессоре на тепловую экономичность идеального цикла ГТУ оказывают влияние температура газов за камерой сгорания Т3 и температура воздуха на в ходе в компрессор Т1. При увеличении температуры Т3 увеличиваются значения р2 и pmax , соответственно происходит увеличение максимального значения термического КПД и p ОПТ. Графики зависимости изменения термического КПД идеального цикла ГТУ и работы цикла от степени повышения давления p при двух значениях Т3 показаны на рис..