Глава 12 Циклы газотурбинных установок (Головинцов А.Г., Юдаев Б.Н., Федотов Е.И. - Техническая термодинамика и теплопередача 1970)

Глава XII. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК И РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 63. Схема рабочего процесса газовой турбины. Газотурбинная установка

Газовая турбина относится к классу так называемых лопаточ­ных машин. В ней рабочее тело — газ, имеющий высокую темпера­туру и давление, расширяется в специальных каналах 3 (рис. 91), называемых соплами. В результате расширения газ приобретает большую скорость.

Поток из сопел направляется к лопаткам 5, которые укреплены на диске 6, жестко соединенном с валом 7. Проходя через каналы, образованные лопатками, газовый поток меняет свое направление и заставляет вал с диском и лопатками вращаться. На вращение вала затрачивается часть кинетической энергии струи. К валу газовой турбины присоединен вал генератора и турбокомпрес­сора. Компрессор служит для предварительного сжатия рабочего тела.

Рабочим телом в газовой турбине могут быть продукты сгора­ния жидкого или газообразного топлива, а также нагретый газ, получаемый в результате осуществления какого-либо технологи­ческого процесса, например крекинг-процесса на нефтеперераба­тывающих заводах.

Газовые турбины имеют ряд преимуществ перед поршневыми двигателями. В них отсутствуют элементы с поступательно-воз­вратным движением (поршень, кривошипно-шатунный механизм), процесс преобразования энтальпии рабочего тела в работу проис­ходит непрерывно. В газовой турбине могут быть осуществлены большие скорости вращения. Все это позволяет в сравнительно малых габаритах создать двигатель большой мощности.

В газовой турбине осуществляется только один процесс — преобразование энтальпии рабочего тела в работу. Поэтому в от­личие от поршневых двигателей внутреннего сгорания, в которых все процессы протекают в полости цилиндра двигателя, для работы газовой турбины необходимы дополнительные механизмы: компрес­сор, в котором сжимается рабочее тело, и камера сгорания, в ко-

торой вследствие сгорания топлива возрастает внутренняя энер­гия рабочего тела и его энтальпия (растет температура).

Совокупность механизмов, в которых происходит подготовка рабочего тела (компрессора, камеры сгорания), газовой турбины и различных вспомогательных механизмов (систем топливоподачи и др.), представляет собой газотурбинную установку.

Газотурбинная установка, работающая по циклу со сгоранием топлива при постоянном давлении. На рис. 91 показаны схема газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном , давлении и график ее теоретического рабочего цикла, т. е. цикла, протекающего при идеальных условиях работы всех элементов турбины (адиабатность процессов в компрессоре и турбине, полное регу­лируемое сгорание топлива, отсут­ствие гидравлических сопротивлений в газовых и воздушных трактах установки).

Газотурбинная установка рабо­тает следующим образом: в ком­прессоре воздух 1 сжимается по адиа­бате 1—2 и с параметрами точки 2 поступает в камеру сгорания; подача воздуха и топлива в камеру сгора­ния, а также выход из нее продук­тов сгорания регулируются так, что на- лопатки турбины газ входит с па­раметрами точки 3, а давление в камере сгорания сохраняет свое по­стоянное значение; в турбине газ, расширяясь по адиабате 3—4, про­изводит работу, затрачиваемую на

привод компрессора и генератора, и с параметрами точки 4 уда­ляется из установки в атмосферу.

Газотурбинная установка, работающая по циклу со сгоранием топлива при постоянном объеме. Такая установка отличается от рассмотренной выше устройством камеры сгорания (рис. 92), ко­торая имеет три клапана: воздушный, топливный (форсунка) и клапан, сообщающий камеру сгорания с сопловым аппаратом тур­бины. Все три клапана действуют в строгом соответствии с проте­канием отдельных фаз рабочего цикла установки. Работу клапа­нов турбины регулирует специальное устройство.

Рабочий цикл газотурбинной установки со сгоранием топлива при v = const протекает следующим образом. После впуска в ка­меру сгорания определенного количества сжатого воздуха воз­душный клапан закрывается. Через топливный клапан в камеру сгорания подается в распыленном виде порция топлива. Образо­вавшаяся в камере сгорания смесь топлива с воздухом поджигается

147

электросвечей. Сгорание (процесс 2—3 на рис. 92) происходит при плотно закрытых клапанах и неизменном количестве смеси. По­этому объем рабочего тела в процессе горения (общий и удельный) остается постоянным. Это приводит к резкому и быстрому увели­чению давления в камере сгорания. К концу сгорания открывается сообщающий клапан, и рабочее тело начинает поступать на ло­патки турбины. Отработавший газ с параметрами точки 4 удаляется

в атмосферу.

При расширении газа в рабочих органах турбины (сопловом аппарате и рабочих лопатках) падает давление и в камере сгора­ния. При достижении некоторой величины давления открывается воздушный клапан и начинается продувка камеры сгорания све­жей порцией воздуха. Во время продувки некоторое количество воздуха, проходя через открытый сообщающий клапан, попадает на рабочие органы турбины, охла­ждая наиболее нагретые детали. К концу продувки сообщающий клапан закрывается и камера сго­рания заполняется новой порцией сжатого воздуха для повторения цикла. Поэтому в отличие от газо­турбинной установки со сгора­нием при р = const работа камеры сгорания рассматриваемой уста­новки характеризуется периодич­ностью.

Следует указать, что, несмо­тря на ряд существенных термо­динамических преимуществ, газо­турбинные установки со сгора­нием при v = const не получили

до сих пор распространения. Все применяемые в настоящее время установки работают по циклу со сгоранием топлива при р = const. Такое положение объясняется конструктивно-технологическими трудностями, которые возникают при проектировании и постройке установок с камерами сгорания при v = const. Однако во всех странах мира не прекращаются работы по исследованию практи­ческих путей осуществления газотурбинных установок со сгора­нием топлива при v = const.

Газотурбинные установки, работающие по замкнутой схеме. Рассмотренные выше установки отличаются тем, что во время их работы происходит непрерывная смена рабочего тела и изменение его химического состава: компрессор непрерывно забирает из

атмосферы свежий воздух, в камере сгорания в результате химиче­ской реакции образуются продукты сгорания, из выпускного патрубка в атмосферу непрерывно удаляются отработавшие газы. При этом, естественно, параметры и состав уходящих газов резко отличаются от параметров и состава всасываемого воздуха. В силу всех этих причин рабочий цикл рассмотренных установок будет разомкнутым.

В отличие от них известны установки, работающие по замкну­тому циклу.

Схема такой установки показана на рис. 93. В специальном газовом котле ГК к рабочему телу, сжатому в компрессоре К, подводится теплота, выделяющаяся в результате сгорания топли­ва. Рабочее тело и продукты сгора­ния топлива отделены один от дру­гого так называемой поверхностью нагрева, которая состоит из стенок барабанов и трубок. Из газового котла рабочее тело поступает в тур­бину Т, где производит работу точно так же, как и в турбинах, работаю­щих по разомкнутому процессу. После турбины отработавший газ не удаляется в атмосферу, а направ­ляется в холодильник X, где он также отделен от охлаждающего тела поверхностью охлаждения (стенки трубок). В холодильнике от рабоче­го тела отводится теплота, тело приобретает те же параметры, с ко­торыми поступало в компрессор, и процесс начинается снова.

Такие установки отличаются следующими свойствами: в них может быть использовано любое топливо, в том числе и твердое; рабочим телом может явиться любой газ; в холодильнике можно установить любое давление, даже ниже атмосферного.

Эти особенности установок, работающих по замкнутой схеме, определяют целый ряд их положительных качеств. В частности только такие схемы являются перспективными для использования в установке ядерного горючего. Известно, что экономичность уста­новки во многом зависит от свойства рабочего тела. Если в уста­новках, работающих по разомкнутой схеме, рабочее тело имеет вполне определенные свойства, определяемые процессом горения и не могущие быть изменяемыми в желательном направлении, то в установках с замкнутым процессом подбором рабочего тела мож­но оказать существенное влияние на экономичность газотурбин­ной установки.

Существенным недостатком установок, работающих по замкну­той схеме, является наличие газового котла. Те материалы, ко-

149

торыми располагает современное машиностроение, не позволяют сделать этот котел компактным и надежным, поэтому такие уста­новки пока не получили широкого распространения.

§ 64. Идеальные циклы газотурбинной установки

При определении экономичности газотурбинной установки, так же как и любой другой теплосиловой установки, большое зна­чение имеет исследование их идеальных циклов. Для этих устано­вок можно в качестве идеального цикла использовать идеальный рабочий цикл газотурбинной установки, работающей по замкнутой схеме. В этом случае считают, что количества подводимой и отво-

димой теплоты в идеальном цикле равны теплоте, выделяющейся при сгорании топлива, и теплоте, которую газ, выйдя в атмосферу, отдает при постоянном давлении окружающему воздуху.

Ниже приводится исследование идеальных циклов газотурбин­ной установки. При этом принимается, что рабочее тело подчи­няется уравнению состояния газа.

Цикл с подводом теплоты при р = const. Цикл показан в коор­динатах р — и на рис. 94 и в координатах Т — s на рис. 95. Под­водимой теплоте q_l соответствует площадка а23b. Численно эта теплота определяется, если теплоемкость считать постоянной:

тогда

Термический к. п. д. цикла

Подставляя в это выражение значения q₁ и q₂ из формул (216)
и (217), получаем

Таким образом, уравнение (219) упрощается:

Важной характеристикой цикла является отношение давлений

отводимая теплота эквивалентна площадке b41а

Работа за цикл