Промежуточное охлаждение воздуха в цикле ГТУ

Работа, затраченная на сжатие воздуха в компрессоре, согласно уравнениям (2.11) и (2.12) находится по выражению:

 .                          (2.36)

Понижение температуры Т₁ на входе в компрессор уменьшает L_k и повышает эффективный КПД ГТУ. Однако температура Т ₁ определяется температурой атмосферного воздуха Т₀.

Компрессоры судовых ГТУ выполняются, как правило, многоступенчатыми. В процессе повышения давления увеличивается температура воздуха, поэтому каждая последующая компрессорная ступень, по сравнению с предыдущей, будет работать с повышенной начальной температурой, потребляя большую затраченную работу на ее привод при равных степенях повышения давления.

Если после каждой компрессорной ступени проводить охлаждение воздуха до начальной температуры, то процесс повышения давления в компрессоре будет приблизительно изотермическим, что существенно повышает эффективный КПД. Однако реализовать такой процесс повышения давления практически невозможно по причине большого усложнения установки.

Для судовых ГТУ наиболее целесообразным следует считать применение двухступенчатого повышения давления в двух последовательно работающих компрессорах с промежуточным охладителем между ними. Трех- и четырехступенчатое сжатие воздуха в судовых установках практически не применяют, так как уменьшение общей работы, затрачиваемой на сжатие воздуха в цикле, с введением последующей ступени сжатия становится все менее заметным в отношении экономичности.

Принципиальная схема и цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением представлены на рисунках 2.10 и 2.11. Схема ГТУ включает два блока: блок низкого давления и блок высокого давления. В первом блоке турбина низкого давления (ТНД) приводит во вращение компрессор низкого давления (КНД) и потребитель механической энергии (П). Во втором блоке турбина высокого давления (ТВД) приводит во вращение компрессор высокого давления (КВД). Между КНД и КВД установлен промежуточный воздухоохладитель (ВО), который в судовых ГТУ прокачивается забортной водой.

Рисунок 2.10 – Принципиальная схема ГТУ с двухступенчатым

 сжатием и однократным промежуточным охлаждением воздуха

    В цикле ГТУ (рис. 2.11) 1-2¢ – процесс повышения давления в компрессоре   низкого   давления,  2¢-1¢ – процесс   охлаждения   воздуха в

промежуточном воздухоохладителе, если пренебречь потерями давления

Рисунок 2.11 – Цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием

и промежуточным охлаждением

воздуха в воздухоохладителе, то это процесс – изобарический, 1^/-2 – процесс повышения давления в компрессоре высокого давления.

При двухступенчатом сжатии суммарная работа, потребляемая компрессором, определяется по выражению

,            (2.37)

где  –КПД компрессоров, соответственно, низкого и высокого давления.

Если общую степень повышения давления в цикле обозначить , то , тогда выражение (2.37) можно переписать

.   (2.38)

Минимальное значение  определяется из условия

.                                  (2.39)

Из условия (2.39) следует, что

    .             (2.40)

Полученный результат указывает на то, что в компрессоре, всасывающем воздух более высокой температуры, степень повышения давления целесообразно выбирать более низкой, чем в компрессоре, всасывающем более холодный воздух. При этом в компрессоре, имеющем более высокий КПД степень повышения давления целесообразно принимать более высокой. Так, если при входе в компрессор низкого давления температура воздуха Т₁ =293К (20°С), а при входе в компрессор высокого давления Т₁ ^/ =313К (40°С), то при одинаковых КПД компрессоров степени повышения давления воздуха в них должны быть: ; .

Следует заметить, что распределение степеней повышения давления воздуха между двумя последовательно работающими компрессорами не всегда соответствует условию получения минимальной работы сжатия в цикле. Часто, по ряду обстоятельств, приходится назначать степень повышения давления воздуха в компрессорах, исходя из других требований (например, учитывая условия работы установки на частичных нагрузках). Кроме того, в реальных условиях проектирования ГТУ степени повышения давления воздуха в компрессорах часто выбирают в соответствии с характеристиками компрессоров, используемых в качестве прототипов.

Эффективный КПД цикла ГТУ с промежуточным охлаждением воздуха можно определить по выражению

(2.41)

Исследование ГТД с промежуточным охлаждением воздуха показали, что эффективность таких двигателей будет тем выше, чем больше отношение Т₁/Т₃, т. е. в циклах с более низкими температурами Т₃.

Таким образом, можно сделать следующие выводы о влиянии промежуточного охлаждения воздуха на показатели цикла ГТУ:

1. Промежуточное охлаждение воздуха в процессе сжатия во всех случаях следует рассматривать, прежде всего, как средство уменьшения расхода воздуха в цикле и соответствующего сокращения размеров турбомашин и теплообменных аппаратов;

2. Промежуточное охлаждение воздуха дает экономический эффект (увеличивает КПД цикла) особенно заметный в тех случаях, когда КПД процесса сжатия невысок, температура газа при выходе из камеры сгорания также невелика, а степень повышения давления воздуха в цикле достаточно высока;

3. Экономический эффект от промежуточного охлаждения воздуха повышается при введении в цикл регенерации (при отсутствии регенерации применение промежуточного охлаждения воздуха может снизить КПД цикла).