ГТУ называются теплоэнергетические устройства, в которых рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива (или другие газы, нагретые тем или иным способом), а рабочим двигателем является газовая турбина.
ГТУ могут работать по циклам со сгоранием топлива при постоянных объёме и давлении.
Первая ГТ была построена П. Д. Кузьминским в 1897 г., затем ГТ со сгоранием топлива при постоянном объеме была построена В. В. Караводиным в 1906 г.
На рис. 25.1 изображена принципиальная схема работы ГТУ, состоящей из объединенных общим валом ГТ (1), нагнетателя (компрессора) 2, электрического генератора 3 и пускового электродвигателя 4, камеры сгорания 5, насоса 6 и топливного бака 7 (для жидкого топлива).
В идеализированном виде рабочие процессы ГТУ происходят следующим образом. Воздух из окру-
Рис. 25.1 жающей среды засасывается нагнетателем, сжимается до требуемого давления и подается в камеру сгорания, в неё же подается жидкое или газообразное топливо, которое там и сгорает.
Продукты сгорания при требуемой температуре, регулируемой количеством подаваемого воздуха (который подается с большим избытком, чтобы обеспечить приемлемые температуры продуктов сгорания), поступают в сопла ГТ, где их энергия в процессе адиабатного истечения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопасти турбины, где кинетическая энергия газа расходуется на вращение вала установки и передается электрическому генератору, здесь механическая энергия – энергия вращения вала преобразуется в электрическую.
На основании изложенного можно написать для ГТУ следующий баланс мощности: Nг.т. = Nк + Nэ.г. + Nн откуда Nэ.р.= Nг.т. – Nк –Nн , (25.1)
где Nг.т. – мощность ГТУ; Nк – мощность компрессора; Nэ.г. – мощность электрического генератора; Nн – мощность насоса.
25.2. Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const
Этот цикл в p,v- и T,S-диаграммах изображен на рис. 25.2
Цикл состоит из следующих процессов:
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в нагнетателе;
2-3 – изобарный подвод теплоты q1 в количестве cp(T3 – T2), которая на T,S-диаграмме выражается пл. 2-3-5-6-2; 3-4 – ади-
Рис. 25.2 абатное расширение продуктов сгорания в соплах газовой турбины;
4-1 – изобарный процесс, в котором от рабочего тела отводится теплота в
количестве cp(T4 – T1), выражаемое на T,S-диаграмме пл. 4-1-6-5-4.
Параметры цикла:
b = р2/р1 –степень повышения давления при адиабатном сжатии в компрессоре; r = v3/v2 – степень предварительного расширения в камере сгорания.
e = v1/v2 – степень адиабатного сжатия в компрессоре.
Термический К.П.Д. определяется следующим образом:
ht = 1 – q2/q1, (25.2)
Как известно, ht будет различной в зависимости от процесса сжатия воздуха в компрессоре, который может быть адиабатным, изотермическим и политропным.
Рассмотрим цикл ГТУ со сгорание при p = const для случая адиабатного сжатия воздуха в компрессоре.
Количество теплоты, отводимое в изобарном процессе 4-1
q2 = cp(T4 – T1), (25.3)
Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в изобарном процессе 2-3
q1 = cp(T3 – T2) , (25.4)
Подставляя значения q1 и q2 в уравнение (25.2), получаем
, (25.5)
Выразим температуры Т2, Т3 и Т4 через начальную температуру Т1 и параметры цикла b и r.
Для адиабаты 1-2: и , (25.6)
Для изобары 2-3, учитывая что р3 = р2 и р4 = р1, получаем:
, (25.7)
Для адиабаты 3-4:
(25.8)
Подставляя выражения (25.6) – (25.8) в выражения (25.2) – (25.4), находим:
, (25.9) , (25.10)
, (25.11)
где e = v1/v2 – степень адиабатного сжатия в компрессоре.
Из выражения (25.11) видно, что ht ГТУ с подводом теплоты при p = const и адиабатном сжатии воздуха в компрессоре определяется степенью повышения давления при адиабатном сжатии b и показателем адиабаты k продуктов сгорания, т.е. ht зависит от работы компрессора. Чем выше показатель адиабаты k и чем больше значение b, тем выше ht.