На полезную работу и на КПД цикла

Механизмы, входящие в состав газотурбинной установки, соединяются между собой трубопроводами, в которых рабочее тело движется от одного механизма к другому, проходя через теплообменные аппараты, камеры сгорания, регулирующие и запорные органы.

Течение вязких сжимаемых сред по трубопроводам сопровождается потерями полного давления, обусловленными наличием в трубопроводах местных сопротивлений, а также трением о стенки. Аналогичные потери давления возникают при прохождении воздуха и газа через теплообменные аппараты и камеры сгорания.

Процесс течения сжимаемой среды по трубопроводам с местными сопротивлениями, сопровождаемый потерями давления при постоянной полной энтальпии, называется дросселированием. Если полное давление в начале рассматриваемого участка р₁^*, а потери давления Δр₁, величина

                            (2.45)

может рассматриваться как степень расширения среды при дросселировании на этом участке. Потеря полного давления газа или воздуха на любом участке газовоздушного тракта ГТУ определяется выражением

,     (2.46)

где  – статическое давление, плотность и скорость среды во входном сечении рассматриваемого участка;  – то же в выходном сечении;  – безразмерный коэффициент потери полного давления, определяемый в данном случае как отношение полного давления к скоростному напору при входе в рассматриваемый участок.

Потеря статического давления на рассматриваемом участке

   .         (2.47)

Принимая во внимание ,

находим относительную потерю давления

,                     (2.48)

где  – площади сечений входа и выхода рассматриваемого участка;  – температура сред в этих сечениях.

Кроме того, учитывая

после преобразований получаем

,                        (2.49)

где  – скорость звука при параметрах среды на входе в рассматриваемый участок тракта;  – соответственно показатель адиабаты и удельная газовая постоянная рабочего тела.

Выражение (2.49) показывает, что при движении среды через рассматриваемый участок тракта, сопровождающемся ее нагреванием (воздух в регенераторе, воздух в камере сгорания) относительная потеря статического давления возрастает (Т₂> T ₁) и определяется не только коэффициентом гидравлического сопротивления x этого участка, но и отношением температуры Т₂/Т₁.

В случае, если при движении по какому-либо участку тракта, среда охлаждается (воздух в воздухоохладителе, газ в регенераторе), относительная потеря давления среды на этом участке будет меньше того значения, которое определяется безразмерным коэффициентом x.

Оба приведенных случая можно рассматривать как условное дросселирование, так как процесс дросселирования характерен для теплоизолированных систем при сохранении энтальпии.

Общая степень расширения при дросселировании в газовоздушном тракте установки может быть найдена как произведение степеней расширения при дросселировании на всех участках.

                                (2.50)

При наличии потерь давления газа и воздуха в газовоздушном тракте общая степень дросселирования  должна войти сомножителем в выражение, определяющее условие равенства общей степени повышения давления воздуха в цикле общей степени расширения газа и воздуха, которая учитывает как процессы расширения газа в турбинах, так и процессы дросселирования газа и воздуха в газовоздушном тракте. Это условие может быть представлено в следующем виде.

,                                        (2.51)

где  – произведение степеней повышения давления воздуха во всех последовательно работающих компрессорах;  – произведение степеней расширения газа во всех последовательно работающих турбинах.

В число сомножителей величины общей степени расширения при дросселировании следует включить величину ,

где W _вых и Т_вых – соответственно скорость и температура газа на срезе дымовой трубы.

Наличие дросселирования в газовоздушном тракте уменьшает величину общей работы расширения газа в турбинах, которая может быть получена при данной степени повышения давления в цикле.

Полезная работа в цикле составляет лишь часть общей работы расширения газа, тогда как другая (в некоторых ГТУ большая) часть работы расширения должна быть затрачена на сжатие воздуха. Следовательно, влияние дросселирования на полезную работу в цикле тем значительнее, чем меньше отношение полезной работы к полной работе расширения. Это обстоятельство указывает на необходимость стремиться к максимальному уменьшению степеней расширения при дросселировании в тракте ГТУ.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Назовите основные элементы газотурбинного двигателя;

2. В каком термодинамическом процессе происходит отвод теплоты в цикле ГТУ?

3. Какой процесс подвода теплоты в цикле ГТУ позволяет получить больший термический КПД?

4. Как влияет температура газа перед турбиной на термический КПД цикла?

5. Запишите главные уравнения газотурбинной установки;

6. Как влияют относительные потери давления в элементах ГТУ на степень понижения давления в турбине?

7. Объясните причину увеличения КПД ГТУ при регенерации теплоты в цикле;

8. Что такое степень регенерации теплоты в цикле ГТУ?

9. В каком термодинамическом процессе цикла ГТУ реализуется промежуточное охлаждение?

10. Как влияет промежуточное охлаждение на показатели цикла ГТУ?

11. Как влияет промежуточный подогрев рабочего тела на показатели цикла ГТУ?

12. Как влияют потери давления в тракте ГТУ на ее полезную работу?