Глава 12 Циклы газотурбинных установок (1062512), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

которое называется степенью повышения давления.

151

Работа цикла

Тогда к. п. д. цикла можно выразить через степень повышения давления:

Для характеристики цикла часто пользуются отношением

объемов

то выражение к. п. д. цикла можно представить как

которое, как и прежде, назы­вают степенью сжатия. Так как

Как следует из уравнений (223) и (224), термический к. п. д. цикла зависит только от степени повышения давления  или сте­пени сжатия . На рис. 96 показана зависимость  _t от .

Подставив значения q₁ и q₂ в формулу термического к. п. д., получим

но

поэтому

Для характеристики цикла с подводом теплоты при v = const также удобно пользоваться степенью повышения давления [урав­нение (220)] и степенью сжатия [уравнение (198)] и отношением температур

Цикл с подводом теплоты при v = const. Этот цикл представлен в координатах р — v на рис. 97 и в координатах Т — s на рис. 98. Подводимая теплота представлена площадью а23Ъ и вычисляется по уравнению

Отводимая теплота определится по уравнению (217)

153

она эквивалентна площадке b41а (рис. 98).

которое называется степенью повышения температуры. Для адиабаты 1—2 имеем

отсюда

Из уравнения (225), а также используя уравнение (226), полу­чаем

Для адиабаты, 4—3

отсюда

поэтому

Имея это в виду, упрощаем уравнение (228):

тогда выражение для к. п. д. цикла

После упрощений получаем окончательно

Так как для изохоры 2—3

Между степенью повышения давления и степенью сжатия мож­но установить следующую связь из уравнения адиабаты:

то вместо степени повышения температур можно ввести равную ей

величину степени дополнитель­ного повышения давления [ура­внение (199)]:

Тогда, используя также уравнение (229), подучим к. п. д. цикла

На рис. 99 приведена зависимость к. п. д. цикла от  и  с под­водом теплоты при v = const.

§ 65. Пути повышения экономичности идеальных циклов газотурбинных установок

Повышение экономичности идеальных циклов газотурбинных установок (ГТУ) имеет большой практический смысл. Так как к настоящему времени распространение имеют только установки, для которых идеальным циклом является цикл с подводом тепло­ты при р — const, то ниже будут рассматриваться методы повыше­ния экономичности только этого идеального цикла.

Увеличение степени сжатия или степени повышения давления. Из уравнений (223) и (224), а также графиков, приведенных на рис. 96 и 99, следует, что термиче­ский к. п д. идеального цикла уста­новки с подводом теплоты при р=const резко возрастает при увели­чении степени повышения давления (степени сжатия). Поэтому выгодно работать при больших степенях сжа­тия. Однако при этом в установках, работающих с выпуском в атмосферу (начальные параметры сжатия по­стоянны и не могут быть изменены), повышается и температура рабочего тела (T₃' > Т₃) (рис. 100). Современ­ные материалы, которыми распола­гает газотурбостроепие, не позво­ляют работать с газом, имеющим температуру выше 650—700° С (редко, для турбин, с температурой 800° С и выше). При больших температурах газа металл лопаток теряет свою проч­ность. Такие значения максимальных температур определяют для турбин, работающих с выпуском в атмосферу, максимальную сте­пень повышения давления, равную 6—8. Дальнейшее повышение этой величины или, что то же самое, степени сжатия требует при­менения новых, более жаропрочных материалов или организа­ции охлаждения лопаток. Эти две проблемы являются главней­шими в современном турбостроении.

В этой связи следует отметить, что в установках, работающих по замкнутому циклу, имеется больше возможностей для повыше­ния степени сжатия, чем в установках с разомкнутым циклом: в таких установках можно не только повышать конечные значения давления и температуры сжатия, но и снижать начальные, что достигается организацией вакуума в холодильнике.

Осуществление в цикле регенерации. Температура газов, ухо­дящих из современных установок, достигает 450—500° С. Эти газы можно использовать для подогрева воздуха перед поступлением его

155

Для цикла без регенерации

Для цикла с регенерацией

в камеру сгорания, т. е. после компрессора. В результате полу­чается простейшая схема установки с регенерацией (рис. 101). В идеальном цикле регенерация представляет собой процесс подвода теплоты к рабочему телу на участке 2—3' вследствие от­вода теплоты от того же рабочего тела на участке 4—4'. В резуль­тате для осуществления цикла с регенерацией от внешнего источ­ника требуется подводить теп­лоты меньше, чем для того же цикла без регенерации.

Применение в цикле ступенчатого подвода теплоты (ГТУ с не­сколькими камерами сгорания). Экономичность установки можно увеличить применением промежуточных камер сгорания. В этом случае рабочее тело после расширения в группе ступеней турбины направляется в промежуточную камеру, куда подается также и топливо. Такая же промежуточная камера может быть и после второй группы ступени турбины, и после третьей. На рис. 102 показана схема установки с одной промежуточной камерой сгора­ния ПKС. Так как в камеры сгорания установки воздух, необхо­димый для горения топлива, подается с большим избытком (трех- и пятикратное количество по отношению к теоретически необходи­мому), то горение топлива оказывается возможным не только в главной камере сгорания, но и в промежуточных.

Идеальным циклом установки с промежуточной камерой сгора­ния явится цикл с дополнительным подводом теплоты по изобаре

4—5. Количество теплоты, выделяющейся в промежуточной камере сгорания, будет равно количеству теплоты, подводимой к рабочему телу в идеальном цикле в течение процесса 4—5, и представится площадкой b45с.

Применение ступенчатого сжатия рабочего тела с промежуточ­ным охлаждением. При рассмотрении рабочих процессов ком­прессоров было установлено, что наиболее экономич-

ным является изотермическое сжатие. На этом основании можно сделать вывод, что для повышения экономичности идеаль­ного цикла установки входящий в него процесс сжатия следует проводить при Т = const или применить процесс, который воз­можно ближе подходит к нему.

Как известно, изотермическое сжатие практически неосущест­вимо и может рассматриваться лишь как предельный процесс, ко-

157

торый можно осуществить в компрессоре при бесконечно большом числе ступеней сжатия и промежуточных холодильников. Но при­менение даже двухступенчатого сжатия с одним промежуточным

холодильником заметно увели­чивает экономичность установ­ки. На рис. 103 показана схема установки с двухступенчатым компрессором при одном про­межуточном холодильнике. Иде­альный цикл этой установ­ки представляется контуром 1234561. Еще заметнее увеличи­вается экономичность установки при применении многоступенча­того сжатия с промежуточным охлаждением.

На рис. 104 показан идеаль­ный цикл установки с регене­рацией и одновременным при­менением многоступенчатого сжатия и ступенчатого подвода теп­лоты.

Нетрудно видеть, что в пределе при бесконечно большом числе ступеней сжатия и бесконечно большом числе промежуточных сту­пеней подвода теплоты цикл такой ГТУ превращается в цикл, который по своей экономичности тождествен обобщенному (реге­неративному) циклу Карно.

§ 66. Циклы воздушно-реактивных двигателей

Газовые турбины получили большое применение в системах, из­вестных под названием «воздушно-реактивные двигатели». В этих системах газовая турбина не является основным двигателем, т. е. двигателем, отдающим свою работу внешнему потребителю, а ис­пользуется лишь для приведения в действие компрессора, необ­ходимого для работы реактивного двигателя; другими словами, турбина служит вспомогательным двигателем.

Так как в таких системах воздух сжимается в компрессоре, а приводом последнего является турбина, то они получили назва­ние турбокомпрессорных воздушно-реактивных двигателей.

Характеристики

Список файлов книги