Лекци@21-Циклы_газотурбинных_установок_и_реактивных_двигателей (Сборник электронных лекций)

Лекции по термодинамике
доцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.
Э6
нергомашиностроение.
Лекция №21
Циклы газотурбинных установок и
реактивных двигателей
•Схема рабочего процесса газовой турбины. Газотурбинная установка.
•Идеальные циклы газотурбинной установки.
•Пути повышения экономичности идеальных циклов газотурбинных
установок.
•Циклы воздушно-реактивных двигателей.
•Циклы жидкостных реактивных двигателей.

Схема рабочего процесса газовой турбины. Газотурбинная
Газотурбинная установка
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. 1), называемых соплами. В
результате расширения газ приобретает
большую скорость.
Газотурбинная установка, работающая
по циклу со сгоранием топлива при
постоянном давлении (рис 1).
3 – сопло
4 – вывод в атмосферу
5 – рабочие лопатки
6 – диск
7 – вал
1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре
2-3 – сгорание топливо при P=const, газ
расширяется в специальных каналах 3
(сопла)
3-4 – адиабатное расширение; в т.4
удаляется из установки в атмосферу
Рис. 1. Схема газотурбинной установки
со сгоранием при p=const и её рабочий цикл
К – компрессор
КС – камера сгорания
2
Т - турбина

Газотурбинная установка, работающая по циклу со сгоранием топлива при постоянном
объеме.
Рис. 2. Схема газотурбинной установки со сгоранием при const и её цикл
К – компрессор
КС – камера сгорания
Т - турбина
3

Газотурбинная установка, работающая по замкнутой схеме.
Рис. 3. Схема газотурбинной установки, работающей по замкнутому циклу
К – компрессор, КС – камера сгорания, ГК – газовый котел
Х – холодильник, Т – турбина
4

Идеальные циклы газотурбинной установки
Цикл с подводом теплоты при р = const.
Рис. 4. Идеальный цикл газотурбинной
установки с подводом теплоты при
p=const
Рис. 5. Изображение цикла
газотурбиной установки с подводом
5
теплоты при p=const

q1 c p (T3  T2 )
(1)
q2 c p (T4  T1 )
(2)
l q1  q2 c p (T3  T2 )  c p (T4  T1 )
l c p [(T3  T2 )  (T4  T1 )]
(3)
q2
 t 1 
q1
T4
T1 (  1)
c p (T4  T1 )
T1
t 1 

c p (T3  T2 ) T ( T3  1)
2
T2
(4)
k1
2 k
T2
p
( )
T1
p1
6

T3
p3
( )
T4
p4
k 1
k
p2 p3

p1 p4
T2 T3

T1 T4
T4 T3

T1 T2
T1
t 1 
T2
Степень повышения давления
p2

p1
(5)
7

T2
p2
( )
T1
p1
k1
k

k 1
k
T1
1
 k 1
T2
k

1
t 1  k  1
k

Степень сжатия
(6)
(7)
(8)
1

2
Рис. 6. Зависимость к.п.д. цикла с подводом
теплоты при p=const от степени
повышения давления 
T2
1 k  1
k1
( ) 
T1
2
t 1 
1
 k1
(9)
8

Цикл с подводом теплоты при υ = const.
Рис.7. Идеальный цикл газотурбинной
Установки с подводом теплоты при
Постоянном объёме
Рис. 8. Изображение цикла газотурбиной
установки с подводом теплоты при
постоянном объёме
9

q1 c (T3  T2 )
q2 c p (T4  T1 )
l q1  q2 c (T3  T2 )  c p (T4  T1 )
t 1 
c p (T4  T1 )
c (T3  T2 )
cp
c
k
T4
T1 (  1)
T4  T1
T1
t 1  k (
) 1  k
T3
T3  T2
T2 (  1)
T2
10

T3

T2
Степень повышения температуры
(10)
k1
T2
1 k  1
( ) 
T1
2
T2 T1
k1
(11)
k 1
(12)
T3 T2 T1 
T4
p1
( )
T3
p2
p4
T4 T3 ( )
p3
k 1
k
k1
k
k 1
T1 
p2 p2
 
p4 p1
1
p2
( )
p1
1
k 1
k
p3
( )
p2
p3 T3
 
p2 T2
k 1
k
11

T4 T1 k  1
1
1
k1
k
k 1
k

 k  1 

(14)
k1
k
T4 T1
T1 (
t 1  k
T1 k  1 (
1
k
(15)
1
k
T1
 1)
T1
1
k1 k
T1 
 1)
k1
T1
1
k
 1
 k  1 (  1)
T3 p3

T2 p2
t 1  k
(13)
(16)
12

Степень дополнительного повышения давления — отношение давления в конце подвода
теплоты при = const к давлению в конце сжатия:
p3

p2
1
k
 1
t 1  k

Рис. 9. Зависимость к.п.д. цикла от степени
повышения давления и 
k1
k
(17)
(  1)
13

Пути повышения экономичности
экономичности идеальных
идеальных
циклов
циклов газотурбинных
газотурбинных установок
установок
1) Увеличение степени сжатия или степени повышения давления.
Рис. 10. Изменение цикла газотурбиной
установки с подводом теплоты при постоянном
давлении и изменении степени сжатия
14

2) Осуществление в цикле регенерации.
Рис. 11. Схема газотурбиной установки с концевым регенератором и идеальный цикл
с простейшей регенерацией
К – компрессор, КС – камера сгорания, Т – турбина
Для цикла без регенерацией
Для цикла с регенерацией
q1 пл. a 23b
q1 пл. a3'3b
'
q2 пл. b41
a
'
q2 пл. d 41
a
15

3)Применение в цикле ступенчатого подвода теплоты
Рис. 12. Схема газотурбинной установки с промежуточной камерой сгорания и
её идеальный цикл К – компрессор, КС – камера сгорания, Т – турбина
ПКС – промежуточная камера сгорания
16

4)Применение ступенчатого сжатия рабочего тела с промежуточным охлаждением.
Рис. 13. Схема газотурбинной установки, имеющий компрессор с промежуточным
холодильником, и её идеальный цикл
17
К – компрессор, ПХ – промежуточный холодильник, Т – турбина

Рис. 14. предельный случай цикла газотурбиной установки с применением
многоступенчатого сжатия и камер промежуточного сгорания
18

Циклы воздушно-реактивных
воздушно-реактивных двигателей
двигателей
На основании законов механики
известно, что при истечении газов
из сопла появляется реактивная
сила R, действующая на сопло в
направлении, обратном движению
газовой струи. Эта сила создает
тягу, вызывающую движение
сопла и тех устройств, с которыми
оно скреплено. В этом и состоит
принцип работы реактивных
двигателей.
t 1 
1
k1
k

1
t 1  k  1

Формула
КПД при
Р=const
Рис. 15. Схема устройства турбокомпрессорного
воздушно-реактивного двигателя
и его рабочий цикл. К – компрессор,
19
КС – камера сгорания, Д – диффузор, Т – турбина
С – сопло, R – реактивная сила

При рассмотрении схемы работы воздушно-реактивного двигателя было сказано, что сжатие
воздуха по адиабате 1—2 (рис. 15) происходит как в диффузоре, так и в компрессоре. Однако можно
представить себе следующий предельный случай: все сжатие от давления р1 до р2 происходит только
в диффузоре. Компрессор, а с ним и турбина отсутствуют. В этом случае мы получаем так называемый
прямоточный воздушно - реактивный двигатель. Схема такого двигателя показана на рис. 16. Эти
двигатели также применяют в авиации. Следует иметь в виду, что прямоточные двигатели со
сгоранием топлива при р = const могут эффективно работать только при весьма больших скоростях их
движения.
Рис. 16. Схема устройства воздушно-реактивного двигателя
КС – камера сгорания, Д – диффузор
20

Рис. 17. Схема воздушно-реактивного двигателя со сгоранием топлива
при постоянном объеме КС – камера сгорания, Д – диффузор,
С – сопло, R – реактивная сила
21

Особенностью рассматриваемой системы
воздушно-реактивного двигателя является прерывистость его рабочего процесса. На этом основании
такой двигатель называют пульсирующим.
1
k
 1
t 1  k

k 1
k
(  1)
Циклы
Циклы жидкостных
жидкостных реактивных двигателей
Воздушно-реактивные двигатели работают только в воздушной среде, откуда они получают
окислитель (кислород воздуха), необходимый для горения топлива. Однако от современной техники
требуется создание таких реактивных двигателей, которые могли бы работать в безвоздушном
пространстве. Особенно большое значение приобретают эти требования в настоящее время, в эпоху
космических полетов. Таким требованиям могут отвечать только двигатели, получающие топливо
и окислитель из специальных хранилищ, являющихся неотъемлемой частью тех систем, которые
они обслуживают (например, летательные аппараты).
h1  h2
t 
h1  hb
h1-h2 - работа за цикл, h1 – hb – теплота, подводимая к рабочему телу в идеальном цикле
22

Рис. 18. Схема жидкостного реактивного двигателя и его рабочий цикл.
КС – камера сгорания, ТБ – топливный бак, ОБ – бак окислителя, ТН – топливный насос,
ОН – насос окислителя, С – сопло, R – реактивная сила
23