Что такое коэффициент полезной работы гту

В циклах ДВС рабочее тело выбра­сывается из цилиндра с температурой и давлением , которые превышают соответствующие параметры окружаю­щей среды р0, То, практически совпадаю­щие с Поэтому циклам ДВС при­сущи потери эксергии из-за «недорасширения» газов до параметров окружаю­щей среды. Их удается значительно сократить в циклах газотурбинных уста­новок.

Рисунок 8.4 — Схема газотурбинной установки

Воздушный компрессор К сжи­мает атмосферный воздух, повышая его давление от р1до р2 и непрерывно подает его в камеру сгорания КС. Туда же спе­циальным нагнетателем Н непрерывно подается необходимое количество жид­кого или газообразного топлива. Образу­ющиеся в камере продукты сгорания вы­ходят из нее с температурой и практи­чески с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), что и на вы­ходе из компрессора ()- следова­тельно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении.

В газовой турбине Т продукты сгора­ния адиабатно расширяются, в результа­те чего их температура снижается до Т4, а давление уменьшается до атмосферно­го. Весь перепад давлений используется для получения технической работы в турбине . Большая часть этой работы lк расходуется на привод компрессора; разность является полезной и используется, например, на производство электроэнергии в электри­ческом генераторе ЭГ или на другие цели (при использовании жидкого топлива расход энергии на привод топливного насоса невелик, и в первом приближении его можно не учитывать).

Рисунок 8.5 — Цикл газотурбинной установки:

а — в p,v-координатах;

б — в T,s-координатах

Заменив сгорание топлива изобар­ным подводом теплоты (линия 2-3 на рисунке), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изо­барным отводом теплоты (линия 4-1), получим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4.

Полезная работа lц изображается площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 6.5, а видно, что полезная работа равна разно­сти между технической работой, полу­ченной в турбине (площадь 6-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-5). Площадь цикла 1-2-3-4 в Т,s-диаграмме эквивалента этой же полезной работе (рис. б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной (площадь 8-2-3-7) и отведенной (площадь 1-4-7-8) теплоты. Коэффициент полезного дей­ствия идеального цикла ГТУ

При этом теплоемкость српринята для простоты постоянной. Одной из основных характеристик цикла газотурбинной установки является степень повышения давле­ния в компрессоре , равная отношению давления воздуха после компрессо­ра р2к давлению перед ним. Тогда коэффициент полезного дей­ствия идеального цикла ГТУ

Коэффициент полезного действия идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением . Это связано с увеличе­нием температуры в конце процесса сжа­тия и соответственно температуры га­зов перед турбиной .На рис. б от­четливо видно, что цикл 1-2′-3′-4, в кото­ром больше, экономичнее цикла 1-2-3-4, ибо по линии 2′-3′ подводится больше теплоты , чем по линии 2-3, при том же количестве отведенной в процессе 4-1 теплоты . При этом и больше, чем соответственно и .

Дело в том, что с увеличением возрастает эксергия рабочего тела перед турбиной, т. е. уменьшаются потери эксергии при сгорании, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и уве­личивает КПД цикла.

Максимальная температура газов пе­ред турбиной ограничивается жаропроч­ностью металла, из которого делают ее •элементы. Применение охлаждаемых ло­паток из специальных материалов позво­лило повысить ее до 1400—1500°С в авиации (особенно на самолетах-пере­хватчиках, где ресурс двигателя мал) и до 1050—1090°С в стационарных тур­бинах, предназначенных для длительной работы. Непрерывно разрабатываются более надежные схемы охлаждения, обеспечивающие дальнейшее повышение температуры. Поскольку она все же ни­же предельно достижимой при горении, приходится сознательно идти на сниже­ние температуры горения топлива (за cчет подачи излишнего количества воз­духа). Это увеличивает эксергетические потери от сгорания в ГТУ иногда до 40 %.

Газы выбрасывают из турбины с тем­пературой . Следовательно, эксергия рабочего тела, которой мы располагаем перед турбиной, использу­ется также не полностью: потери эксер­гии с уходящими газами могут доходить до 10 %. Поэтому КПД ГТУ оказывается пока еще ниже, чем ДВС.

Не имея деталей с возвратно-посту­пательным движением, газовые турбины могут развивать значительно большие мощности, чем ДВС. Предельные мощно­сти ГТУ сегодня составляют 100—200 МВт. Они определяются высотой ло­паток, прочность которых должна выдер­жать напряжения от центробежных уси­лий, возрастающих с увеличением их высоты и частоты вращения вала. Поэто­му газовые турбины применяются пре­жде всего в качестве мощных двигателей в авиации и на морском флоте, а также в маневренных стационарных энергети­ческих установках.

Ряд технологических процессов, осо­бенно химической промышленности, свя­зан с потоками нагретых сжатых газов. Расширение этих газов в газовой турбине позволяет получить энергию, которая обычно используется в этом же процессе, например для нагнетания тех же газов. В этом случае вал турбины непосред­ственно соединяется с валом турбоком­прессора. Такое комбинирование позво­ляет существенно снизить потребление энергии в технологическом процессе. К сожалению, оно используется еще не­достаточно широко, во-первых, из-за кос­ности мышления технологов, а во-вторых, из-за отсутствия турбин на нужные пара­метры, Часто используют авиационные двигатели, выработавшие свой ресурс.

В энергетике газовые турбины иног­да используют для привода воздуходу­вок, нагнетающих воздух в топку котла, работающую под давлением. Для этого продукты сгорания, охлажденные в кот­ле до необходимой температуры, направ­ляются в турбину, сидящую на одном валу с воздуходувкой, и расширяются в ней до атмосферного давления, совер­шая работу.

Энергетические ГТУ разомкнутого цикла получили наиболее широкое применение. Их конструктивные схемы приведены выше (см. рис. 1.1). Преобразование химической энергии подводимого органического топлива в электрическую осуществляется в пределах одной компактной установки в отличие от более сложных паросиловых установок (рис. 1.8).

Особенностью ГТУ является использование в качестве рабочего тела атмосферного воздуха, поступающего в осевой компрессор ОК. Засасываемый компрессором воздух сжимается в нем (процесс /—2 на рис. 1.9) и вводится при соответствующих температуре Тк к и давлении ркк в камеру сгорания КС ГТУ. Сюда же подводится органическое топливо (природный газ или жидкое газотурбинное топливо). Давление природного газа в подающей магистрали рм повышается дожимным компрессором ДК до необходимого давления рг в топливной системе установки (если такая необходимость существует). Одновременно возможен подогрев топлива в подогревателе ПТл до температуры Тт для повышения эффективности процесса. Через топливные клапаны ТК системы топливоподачи топливо вводится в камеру сгорания ГТУ, где сжигается в среде сжатого воздуха (про-

Рис. 1.8. Принципиальная тепловая схема одновальной энергетической ГТУ разомкнутого цикла:

ТК — топливный клапан; ПТл — подогреватель топлива; ДК — дожимной компрессор топлива; Д — двигатель привода ДК (электрический, механический); КВОУ — комплексное воздухоочистительное устройство; остальные обозначения те же, что и на рис. В.2

Рис. 1.9. Термодинамический цикл Брайтона в Г, 5-диаграмме:

начальные параметры газа перед ГТ: рнт = 1,5-=-3,0 МПа; Тнт = 1000-ь 1500 °С; конечные параметры газа: рктк 0,105 МПа > />атм; Гкт = 400-ь630 °С в зависимости от типа ГТУ; параметры воздуха за OK: ркк = 1,5 -ьЗ.О МПа; Ткк = 300-ь350 °С

цесс 2—3). Там же формируется начальная температура газов перед газовой турбиной Тн т, обеспечиваемая повышенным избытком воздуха в газах за камерой сгорания ак с.

Начальное давление газов рн т зависит от давления воздуха за компрессором и является величиной переменной (см. гл. 2 и 4). В газовой турбине (в тепловом двигателе установки) газы расширяются до конечного давления ркт (процесс 3—4), чуть большего, чем атмосферное, и удаляются через дымовую грубу.

Вследствие расхождения изобар в Т, .v-диаграмме с возрастанием температуры и энтропии средняя разность температур газов при расширении ДГр = Гз — Т4 заметно выше средней разности температур сжимаемого в компрессоре воздуха ДГСЖ= Т2 — Т (рис. 1.10). Следовательно, мощность, развиваемая ГТ, выше, чем потребляемая компрессором. Эта разница обеспечивает полезную работу ГТУ в виде электрической мощности на

з

выводах электрогенератора ЭГ Ny .

Цикл ГТУ со сжиганием топлива при р = const — термодинамический цикл Брайтона для реального процесса — и тепловая схема энергетической ГТУ приведены на рис. 1.8 и 1.9. Рассмотрим основные характеристики и показатели этого цикла в идеальных и реальных условиях.

Рис. 1.10. Особенность сжатия и расширения рабочего тела в технологическом процессе ГТУ

Степень повышения давления воздуха в компрессоре и степень уменьшения давления газов можно обозначить как

где рн к и рк к — давления воздуха на входе в компрессор и выходе из него; рн т и рк т — давления газа на входе в турбину и выходе из нее.

При адиабатном сжатии степень повышения давления связана со степенью сжатия
соотношением
, где к — показатель

изоэнтропы (адиабаты). При практическом анализе термодинамических циклов пользуются соотношением давлений рабочего тела. Некоторое снижение давления воздуха в камере сгорания из-за аэродинамических потерь в тракте компрессор — газовая турбина оценивается коэффициентом

а соответствующие потери давления в системах всасывания воздуха перед компрессором и на выходе из ГТ — коэффициентом к.-, = 0,96-ь0,98. Если обозначить X = Х]Л2, то в итоге будем иметь

Сопротивления на входе воздуха в компрессор и выходе газов из ГТУ при ее работе в автономном режиме обычно составляют Д/;вх ~ Д/?ВЬ|Х

Определение параметров рабочего тела и анализ циклов ГТУ выполняются по параметрам адиабатного торможения (обозначаются верхним индексом «*») при скорости газа с = 0:

где Т* и Т выражаются в кельвинах.

Параметры движущегося потока приводятся без индекса «*». Зависимости (1.9) для температуры Т, давления р, энтальпии И и плотности р даны с использованием значений удельных изобарных и изохорных теплоемкостей ср и Су и газовой постоянной R. Измерительный прибор, помещенный в газовый поток, показывает температуру, близкую к температуре адиабатного (полного) торможения. На рис. 1.11 приведены зависимости рассматриваемых параметров рабочего тела от числа Маха (отношения скорости течения рабочего тела к местной скорости звука).

Термический КПД обратимого цикла Брайтона для идеального газа (рис. 1.12,6) при ср = const определяется в виде

где
— параметр повышения давления рабочего тела в компрессоре; т = (k- 1 )!к.

Рис. 1.11. Зависимости параметров рабочего тела от числа Маха

Рис. 1.12. Обратимый цикл Брайтона простой ГТУ для идеального газа (а) и зависимость термического К11Д цикла Брайтона от степени повышения давления в компрессоре (6)

Рис. 1.13. Изменение параметра У в зависимости от степени повышения давления в компрессоре лк

Изменение параметра Y приведено на рис. 1.13. Как видно из рис. 1.12, б и 1.13, термический КПД цикла Брайтона при адиабатном сжатии воздуха возрастает с увеличением степени повышения давления в компрессоре.

Следует отметить, что процесс сжатия воздуха в компрессоре ГТУ может быть изотермическим, адиабатным или политропным. Сравнение эффективности циклов ГТУ при р = const для случаев с различными процессами сжатия и при условии равенства подводимой теплоты q |, выполненное академиком Б.С. Стечкиным, показывает, что термические КПД этих циклов связаны между собой следующим образом:

Температурным коэффициентом (степенью повышения температуры) цикла принято называть отношение начальной температуры рабочего тела в ГТУ Тн т к температуре наружного воздуха Тн в, К:

Этот коэффициент оказывает существенное влияние на показатели работы установки.

Подводимая к ГТУ теплота затрачивается на работу расширения газов в ГТ, кДж/кг. При этом (см. рис. 1.12, а) удельная теоретическая работа расширения газов

удельная работа расширения с учетом потерь в проточной части ГТ

КПД газовой турбины, учитывающий потери располагаемой энергии при расширении газов в ее проточной части,

где Тк т и Тк т 1 — конечные температуры в ГТ в реальном и изоэнтронном процессах.

В компрессоре ГТУ затрачивается энергия на повышение давления воздуха (на работу сжатия), кДж/кг, при этом: удельная теоретическая работа сжатия

удельная работа расширения с учетом потерь в проточной части компрессора

изоэнтропный КПД компрессора, учитывающий отношение изоэнтроп- ной работы сжатия воздуха к полной работе, затрачиваемой на это сжатие:

где Гк к и Ткк1 — конечные температуры воздуха в компрессоре в реальном и изоэнтропном процессах.

Полезная удельная работа, кДж/кг, используемая в энергетической ГТУ для привода электрогенератора (с учетом расхода топлива),

где Ск — массовый расход воздуха на входе в компрессор; С,. — массовый расход газа на входе в ГТ;

— относительный расход топлива, кг/кг.

Полезную удельную работу энергетической ГТУ можно определить с учетом степени повышения давления рабочего тела и других приведенных выше величин:

где Тн т выражается в градусах Цельсия.

Важно проанализировать изменение полезной удельной работы ГТУ прежде всего в зависимости от степени повышения давления рабочего тела в компрессоре. При лк = 1 имеем /Угту = 0, так как работа газовой турбины Н[ т и удельная работа в компрессоре Нк также равны нулю. При

некотором предельном значении
значение //гту снова становится равным нулю (рис. 1.14).

Максимальное значение
имеет место при степени сжатия

Очевидно, что максимальные значения полезной удельной работы будут возрастать и сдвигаться в область, где степень повышения давления воздуха в компрессоре при увеличении температурного коэффициента т больше (рис. 1.15).

Отличие реальных процессов изменения состояния рабочего тела в ГТУ от теоретических применительно к установкам с разомкнутым циклом заключается в следующем: в компрессоре сжатие воздуха происходит с потерями на трение и процесс 1—2 (см. рис. 1.9) отклоняется от идеальной адиабаты в сторону увеличения энтропии. В перепускных газоходах и

Рис. 1.14. Характерные точки зависимости полезной работы простой ГТУ от степени повышения давления

Рис. 1.15. Зависимости полезной удельной работы ГТУ от степени повышения давления в компрессоре и начальн