Общее устройство и принцип действия ГТУ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ ГТУ

Газотурбинным двигателем называется такой двигатель, в ко­тором в качестве рабочего тела используется неконденсирующийся газ (воздух и продукты сгорания топлива или нейтральные газы), а в качестве тягового двигателя применяется газовая турбина.

Термин турбина происходит от латинских слов turbineus – вихреобразный, или turbo – волчок. Турбина и есть двигатель, в котором механическая работа на валу машины получается за счет преобразования кинетической энергии газовой струи, которая, в свою очередь, получается в результате преобразования потенциаль­ной энергии – энергии сгоревшего топлива в потоке воздуха. В ос­нове современных представлений о превращении теплоты в работу лежат два важнейших положения термодинамики: невозможность создания вечного двигателя первого рода (следствие первого на­чала термодинамики) и невозможность создания вечного двига­теля второго рода, в котором бы теплота полностью превращалась в работу (следствие второго начала термодинамики).

Непременным условием создания любого теплового двигателя является наличие материальной среды – рабочего тела и, по мень­шей мере, двух тепловых источников – источника высокой темпе­ратуры (нагреватель), от которого получаем теплоту для преобра­зования части ее в работу, и источника низкой температуры, кото­рому отдаем часть неиспользованной в двигателе теплоты.

Следовательно, всякий тепловой двигатель должен состоять из «нагревателя, расширительной машины, холодильника и компрес­сорной машины. Причем, если мы хотим непрерывно превращать теплоту в работу, то должны непрерывно наряду с расширением, непрерывно и сжимать рабочее тело, причем при таких условиях, чтобы работа сжатия была меньше работы расширения, т. е. ра­бочее тело должно совершать круговой процесс. Получаемая в теп­ловом двигателе работа определяется как разность работ расшире­ния и сжатия рабочего тела, а с другой стороны (по закону сохра­нения энергии), как разность абсолютных количеств подведенной и отведенной теплоты.

Основным термодинамическим признаком различия поршневых и турбинных двигателей внутреннего сгорания являются особен­ности осуществления круговых процессов: в поршневых двигате­лях основные процессы цикла (сжатие, подвод теплоты, расшире­ние) последовательно сменяют друг друга в одном и том же зам­кнутом пространстве (система цилиндр – поршень), а в турбин­ных двигателях те же процессы непрерывно осуществляются в не­зависимых элементах двигателя, последовательно расположен­ных в общем потоке рабочего тела (например, компрессор – ка­мера сгорания – турбина в простейшем газотурбинном двигате­ле).

Принципиальная схема простейшей ГТУ приведена на рис. 1.1.

Рис 1.1 Принципиальная схема простейшей ГТУ.

1 – осевой компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – турбина;

4 – полезная нагрузка.

Принцип действия установки сводится к следующему.

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до определенного давления и подает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результате сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в атмосферу.

Рассмотрим цикл такой ГТУ в T-S диаграмме (рис. 1.2).

Атмосферный воздух (P=P_a, T=T_a) через входное устройство поступает к компрессор (изотерма 0-1); его давление и температуры становятся равными P₁ и T₁.

Далее в компрессоре воздух сжимается до давления P₂ его температура при этом повышается до T₂ (адиабата 1-2). Отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению на его входе называется степенью сжатия в компрессоре (1.1).

Рис 1.2 T-S диаграмма цикла простейшей ГТУ

, (1.1)

где π_к – степень повышения давления в компрессоре; Р₂ – давление воздуха за компрессором; Р₁ – давление перед компрессором.

В камере сгорания (изобара 2-3) температура рабочего тела повышается до T₃ при постоянном давлении (P₂ = P₃).

Затем в турбине смесь воздуха и газа расширяется (адиабата 3-4), ее давление снижается до P₄, а температура до T₄ . Отношение давления газа на входе в турбину к давлению газа на ее выходе называется степенью расширения в турбине (1.2).

, (1.2)

где π_т – степень расширения в турбине; Р₃ – давление воздуха перед турбиной; Р₄ – давление за турбиной.

После расширения в турбине отработавшие газы выбрасываются в атмосферу (изотерма 4-5).

Далее цикл условно замыкается по изобаре 5-0.

Рассмотренный выше цикл является обратимым, так как в нем не учитываются какие-либо потери в процессах сжатия, расширения, подвода теплоты и т.д. В реальных условиях процессы во всех узлах установки отличаются от обратимых, поэтому определение показателей ГТУ на основе обратимых эталонных циклов не представляет практического интереса и может быть оправдано только при сравнительном анализе циклов различных установок. Поэтому на практике оперируют полными параметрами (параметрами заторможенного потока).

Полная температура:

, (1.3)

где Т* – полная температура; Т – статическая температура; с - абсолютная скорость потока; с_р – удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Полное давление

Рис 1.3. T-S диаграмма реального цикла простейшей ГТУ.

, (1.4)

где Р* – полное давление; Р – статическое давление; Т* – полная температура; Т – статическая температура; k – показатель адиабаты.

При параметрах торможения потока получим диаграмму реального цикла ГТУ (рис. 1.3).

Аналогично (1.1) и (1.2) для реального цикла:

и . (1.5)

Давления в других узлах рассчитываются как:

, (1.6)

где Р*_вых – давление на выходе узла; Р*_вх – давление на входе в узел, σ –коэффициент потерь для данного узла.

Значения коэффициентов потерь для различных узлов ГТУ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Значения коэффициентов потерь для различных узлов ГТУ

№ п/п	Величина	Обозначение	Ориентировочные значения
	Коэффициент потерь давления во входном устройстве.	σвх	0,98÷0,99
	Коэффициент потерь давления в камере сгорания.	σкс	0,96÷0,97
	Коэффициент потерь давления в выхлопном устройстве.	σвых	0,99÷0,995
	Коэффициент потерь давления в регенераторе (по воздушной стороне).	σрв	0,97÷0,99
	Коэффициент потерь давления в регенераторе (по газовой стороне).	σрг	0,95÷0,98

Дата добавления: 2014-10-22