Материал: Техническая термодинамика. Булыгин Ю.А., Кретинин А.В

135

Распределение полного теплоперепада между сопловым аппаратом и рабочим колесом принято характеризовать степенью реактивности , равной отношению

адиабатного теплоперепада H K , срабатываемого на рабочем колесе к располагаемому теплоперепаду ступени HT :

при 0,15 турбина реактивная. В турбинах современных ТРД на среднем диаметре рабочего колеса 0,2 0,35.

Основными элементами газотурбинных установок (ГТУ) являются газовая турбина, компрессор и камера сгорания.

ВГТУ для сжатия предназначен специальный компрессор, а для расширения - газовая турбина. Благодаря этому осуществляется непрерывность процесса.

ВГТУ из-за конструктивного оформления осуществляется полное расширение газа

втурбине, т.е. доводится давление в конце расширения до внешнего давления, в то время как в цилиндре ДВС это не удается осуществить из-за необходимости чрезмерно увеличить объем цилиндра. Кроме того, не нужны кривошипно-шатунный механизм и маховик и, следовательно, нет неизбежной в ДВС неравномерности работы.

К недостаткам следует отнести то, что роторы этих машин должны иметь высокие обороты, а, следовательно, высокоточную обработку и балансировку. ГТУ быстро выходит из строя в пыльных условиях работы, т.к. большие скорости потока воздуха с частицами пыли вызывают абразивный износ лопаток компрессора и турбины.

Принципиальное отличие ГТУ от поршневых ДВС состоит в том, что в последних часть внутренней энергии газов непосредственно превращается в механическую работу, а

вГТУ некоторая доля внутренней энергии газов сначала превращается во внешнюю кинетическую энергию потока газообразных продуктов сгорания, а затем внешняя кинетическая энергия потока - в механическую работу - в работу вращения ротора, а вместе с ним и вала турбин. Особенностью этих машин является превращение тепла в работу в непрерывном высокоскоростном потоке ТРТ, что обеспечивает большие расходы его через двигатель и позволяет получить большие мощности при сравнительно малых габаритах и достаточно высокой экономичности. Отсутствуют поступательно движущиеся части. Можно применять дешѐвые сорта топлива (керосин).

Цикл ГТУ с подводом теплоты при P=const

Иногда называется циклом Брайтона. Основной цикл ГТУ. Получил наибольшее практическое применение в авиации. Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении изображена на рис.

Первая судовая газовая турбина с изобарным подводом теплоты была построена в 1897 г. инженером-механиком русского флота П. Д. Кузьминским для катера.

136

Компрессор I, приводимый в движение газовой турбиной 2, подаѐт сжатый воздух в камеру сгорания 5, в которую через форсунку 6 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 7, находящимся на валу турбины. Если топливо газообразное, то применяется газовый компрессор. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате 4 и частично на рабочих лопатках 3 и выбрасываются в атмосферу. При сделанных допущениях (циклы обратимы, подвод теплоты происходит без изменения химического состава ТРТ, отвод теплоты

предполагается обратимым, гидравлические и тепловые потери отсутствуют, cP const ) термодинамический цикл изобразится на p и Ts - диаграммах в виде пл. 1234.

Работа цикла на p - диаграмме представляет собой разность площадей а43в и

a12в, соответственно равных, работе турбины и компрессора.

В этих диаграммах: 1-2- процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; 2-3- подвод теплоты в камеру сгорания при р =const; 3-4- адиабатное расширение газа в турбине (обычно CO2 и H2O); 4-1-изобарная отдача газом теплоты окружающему воздуху.

Параметрами цикла являются:

(степень сжатия 1 , причем K )2

p2 - степень повышения давления воздуха; p1

3 - степень предварительного расширения.4

Термический КПД определяют из общего выражения

t 1 q2 q1

где q1 cp (T3 T2 ) , а q2 cp (T4 T1 ) .

Параметры газа в узловых точках цикла находят по формулам, связывающим параметр газа в адиабатном и изобарном процессах

137

k

Выражение (1) показывает, что термический КПД ГТУ при данном рабочем теле (данном k) зависит только от степени повышения давления в компрессоре, причем с ростом термический КПД цикла увеличивается.

Таким образом, КПД этого цикла и КПД цикла поршневых двигателей с подводом

теплоты, отдаваемое газом в холодильник, а это приводит к увеличению термического КПД цикла.

Площади под линиями подвода тепла 2-3,

2’-3’, 2’’-3’’ одинаковы из условия q1 idem, но площадки под линиями отвода тепла 1-4, 1-4' и 1-4’’, эквивалентные отведѐнным теплотам, не одинаковы, тем меньше, чем выше степень сжатия (чем выше T2 при одинаковых T1 ). Ясной становится причина стремления иметь высоконапорные компрессоры в ГТУ.

Несмотря на то, что увеличение благоприятно сказывается на экономичности ГТУ, повышение этой величины приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Величины этой температуры лимитируются пропорциональностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 800-1000 градусов по Цельсию и дальнейшее повышение температуры может быть достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми лопатками.

Цикл ГТУ с подводом теплоты при =const

Здесь процесс сгорания идет в замкнутом объеме камеры, для этого она должна периодически отключаться от турбины и сгорание происходит при =const. В результате в турбину поступает пульсирующий поток газов. Компрессор 1, приводимый во вращение турбиной 2, подает

138

сжатый воздух в камеру сгорания 5 через управляемый клапан 8. Второй клапан 4 находится в конце камеры сгорания и предназначен для выхода продуктов сгорания на турбину. Топливо в камеру сгорания подается насосом 9, находящимся на валу турбины, через форсунку 7. Подача топлива должна осуществляться периодически топливным клапаном 6.

В камере сгорания при закрытых клапанах 8 и 4 происходит процесс горения топлива в постоянном объеме.

При увеличении давления клапан 4 открывается, и продукты сгорания поступают в сопловой аппарат 3 и на лопатки турбины. При прохождении через лопатки турбины газ производит работу и выбрасывается в окружающую среду.

На p и Ts - диаграммах:

1-2- адиабатное сжатие в компрессоре (обычно воздуха); 2-3- подвод теплоты при=const; 3-4 - адиабатное расширение газа в турбине (обычно СО2 и пары H2O); 4-1 - изобарная отдача газом теплоты окружающему воздуху.

Основными параметрами цикла являются:

p2 - степень повышения давления, p1

p3 - степень изохорного повышения давления. p2

Для определения термического КПД, равного

найдѐм температуру газа в узловых точках цикла:

Поставляя значения этих температур в формулу термического КПД, получим