Преимущества и недостатки импульсных ГТУ.

Основными характеристиками такого цикла принято считать степень повышения давления в компрессоре λ = p_вых / p_вх и степень предварительного расширения в камере сгорания ρ = v₃ / v₂. Сравнительно низкий КПД простейших схем объясняется тем, что отработавшие газы покидают турбину при достаточно высокой температуре (350…450 °С) и уносят с собой большое количество теплоты. Чтобы полезно использовать часть этой теплоты, отработанные дымовые газы сначала направляют в специальный теплообменник, называемый регенератором Р, в котором часть тепла отработанных газов передаётся сжатому в компрессоре воздуху по пути его в камеру сгорания. Такой предварительный нагрев приводит к повышению температуры в камере сгорания, а значит и к повышению КПД установки (см. рис. 3.1, б смотри предыдущий вопрос). Чтобы уменьшить температурные и механические напряжения в основных деталях при большой единичной мощности турбины, а также чтобы приблизить термодинамический цикл ГТУ к циклу Карно, её делают многоагрегатной, как показано это на рис. 3.1, в. В простейшем случае сжатие воздуха организуют в нескольких последовательно установленных компрессорах низкого, среднего и высокого давлений, применяя промежуточное охлаждение между ними. Аналогично реализуется и другая часть схемы: топливо сжигается в отдельных камерах сгорания (КС1, КС2 и КС3) и после этого подаётся в отдельные турбины высокого, среднего и низкого давления. При этом в каждую из камер сгорания подаётся лишь часть от общего расхода топлива, необходимо- го для обеспечения общей мощности установки, в то время как расход воздуха через каждый компрессор определяется именно общим расходом топлива.

Недостатком одновальных схем является то, что при работе на привод электрогенератора на частичных режимах их эффективность значительно падает. Объясняется это просто: в такой ситуации число оборотов вала должно оставаться неизменным (чтобы сохранялась частота вырабатываемого тока), и поэтому расход

воздуха всегда остаётся таким же, как и при номинальном режиме. Одновременно количество сжигаемого топлива на частичном режиме заметно уменьшают, в результате большая часть воздуха не участвует в сжигании, на её нагрев тратится выделяемое тепло, что снижает температуру дымовых газов и КПД установки. Чтобы повысить эффективность на частичных режимах, многоагрегатную схему трансформируют в двухвальную. При этом на каждом из валов может быть свой компрессор и своя турбина, как это показано на рис. 3.1, г, или только один компрессор и две турбины.

Рабочие процессы проточных многоагрегатных ГТУ (с несколькими камерами сгорания). Рисунок 3.5– Т-s диаграмма цикла

Чтобы понять особенности рабочего процесса

многоагрегатных установок, рассмотрим последовательность термодинамических процессов в основных агрегатах ГТУ, приведённой на рис. 3.1, в, отображая их на T–s диаграмме (см. рис. 3.5).

Атмосферный воздух с давлением ра через фильтр попадает на вход компрессора низкого давления, преодолевая гидравлическое сопротивление фильтра ∆р_ф. Величина этого гидравлического сопротивления зависит от конструкции фильтра и скорости воздуха в нём и обычно определяется экспериментально. Процесс сжатия в первом компрессоре начинается при давлении р₁ = р_а – ∆р_ф (точка 1). Температура в начале сжатия Т1. С учётом потерь на трение процесс сжатия 1–2 идёт по политропе (n ≈ 1,35) и в соответствии со вторым законом термодинамики смещается вправо от изоэнтропы. Давление на выходе из компрессора будет р₂=р₁λ, где λ – степень повышения давления в первом компрессоре. В осевых компрессорах величина λ обычно лежит в пределах 3…5.

Охлаждение в охладителях происходит практически при р = const, но из-за гидравлических потерь давление в конце охлаждения (процесс 2–3, например) будет несколько меньшим, чем p₂ (на величину гидравлического сопротивления этого теплообменника ∆рох1). Расход и температура охлаждающей воды подбираются так, чтобы воздух охладился практически до температуры T1. Итак,

р₃ = р₂ – ∆р_ох1, Т₃ = Т₁. Аналогичные процессы (3–4 и 4–5) проходят и в компрессоре среднего давления и во втором охладителе.

Сжатие воздуха в компрессоре высокого давления отображается процессом 5–6. После этого компрессора сжатый воздух направляется в регенератор, где процесс нагрева воздуха протекает практически при р = const и он отражён отрезком изобары 6–7. В действительности на выходе из регенератора давление меньше, чем р6 на величину гидравлических потерь в этом теплообменнике:

р₇ = р₆ – ∆р_рег. Процесс сжигания топлива и подвод тепла в КС1 происходит также при p = const. Здесь тоже есть гидравлические потери, так что и точка 8 сдвигается немного вправо по отношению к предыдущей точке. Расширение в первой турбине отражается процессом 8–9. Изобара, соответствующая подводу тепла во второй КС тоже сдвигается вправо (процесс 9–10). Расход топлива здесь подбирают так, чтобы температура T10 равнялась T8. Далее всё повторяется во второй турбине, третьей КС и третьей турбине. Из неё газ направляется в регенератор, где отдаёт тепло воздуху (процесс 13–14). Процесс 14–1, проходящий при давлении р0, – это условный процесс отвода теплоты от рабочего тела, замыкающий цикл. В действительности все процессы протекают непрерывно, но для точных расчётов их условно разрывают, оттеняя потери напора в каждом агрегате. Заметим, что благодаря регенерации тепло qp, равное площади под кривой 13–14, возвращается в цикл (площадь под кривой 6–7), что повышает ηt цикла.

Т-s диаграмма рабочего процесса многоступенчатой газовой турбины с дожиганием топлива и регенерацией тепла отработанных газов. АНАЛОГ предыдущему вопросу!