Принцип дії газотурбінних установок
Рис.1. Схема ГТУ з одновальним ВМД простого циклу
В компресор (1) газотурбінного силового агрегату подається чисте повітря. Під високим тиском повітря з компресора направляється в камеру згоряння (2), куди подається і основне паливо - газ. Суміш запалюється. При згорянні газоповітряної суміші утворюється енергія у вигляді потоку розжарених газів. Цей потік з високою швидкістю спрямовується на робоче колесо турбіни (3) і обертає його. Обертальна кінетична енергія через вал турбіни пускає в хід компресор і електричний генератор (4). З клем електрогенератора вироблене електрику, зазвичай через трансформатор, направляється в електромережу, до споживачів енергії.
Газові турбіни описуються термодинамічних циклом Брайтона Цикл Брайтона / Джоуля - термодинамічний цикл, що описує робочі процеси газотурбінного, турбореактивного і прямоточного повітряно-реактивного двигунів внутрішнього згоряння, а також газотурбінних двигунів зовнішнього згоряння із замкнутим контуром газоподібного (однофазного) робочого тіла.
Цикл названий на честь американського інженера Джорджа Брайтона, який винайшов поршневий двигун внутрішнього згоряння, який працював у цій циклу.
Іноді цей цикл називають також циклом Джоуля - на честь англійського фізика Джеймса Джоуля, який встановив механічний еквівалент тепла.
Рис.2. P, V діаграма циклу Брайтона
Ідеальний цикл Брайтона складається з процесів:
- 1-2 Ізоентропіческое стиснення.
- 2-3 изобарического підведення теплоти.
- 3-4 Ізоентропіческое розширення.
- 4-1 изобарического відведення теплоти.
З урахуванням відмінностей реальних адиабатических процесів розширення і стиснення від ізоентропіческіх, будується реальний цикл Брайтона (1-2p-3-4p-1 на T-S діаграмі) (рис.3)
Рис.3. T-S діаграма циклу Брайтона
Ідеального (1-2-3-4-1)
Реального (1-2p-3-4p-1)
Термічний ККД ідеального циклу Брайтона прийнято виражати формулою:
- де П = p2 / p1 - ступінь підвищення тиску в процесі ізоентропійного стиснення (1-2);
- k - показник адіабати (для повітря дорівнює 1,4)
Слід особливо відзначити, що цей загальноприйнятий спосіб обчислення ККД циклу затемнює суть того, що відбувається процесу. Граничний ККД термодинамічної циклу обчислюється через ставлення температур за формулою Карно:
- де T1 - температура холодильника;
- T2 - температура нагрівача.
Рівне це ж відношення температур можна виразити через величину застосовуваних в циклі відносин тисків і показник адіабати:
Таким чином ККД циклу Брайтона, залежить від початкової і кінцевої температур циклу рівно так само, як і ККД циклу Карно. При нескінченно малій величині нагріву робочого тіла по лінії (2-3) процес можна вважати ізотермічним і повністю еквівалентним циклу Карно. Величина нагріву робочого тіла T3 при ізобаріческом процесі визначає величину роботи віднесену до кількості використаного в циклі робоче тіло, але жодним чином не впливає на термічний ККД циклу. Однак при практичній реалізації циклу нагрів зазвичай проводиться до можливо великих величин обмежених жаростойкостью застосовуваних матеріалів з метою мінімізувати розміри механізмів здійснюють стиснення і розширення робочого тіла.
На практиці, тертя і турбулентність викликають:
- Неадіабатичних стиснення: для даного загального коефіцієнта тиску температура нагнітання компресора вище ідеальною.
- Неадіабатичних розширення: хоча температура турбіни падає до рівня, необхідного для роботи, на компресор це не впливає, коефіцієнт тиску вище, в результаті, розширення мало для забезпечення корисної роботи.
- Втрати тиску в воздухозаборнике, камері згоряння і на виході: в результаті, розширення мало для забезпечення корисної роботи.
Як і у всіх циклічних теплових двигунах, чим вище температура згоряння, тим вище ККД. Стримуючим фактором є здатність стали, нікелю, кераміки або інших матеріалів, з яких складається двигун, витримувати температуру і тиск. Значна частина інженерних розробок спрямована на те, щоб відводити тепло від частин турбіни. Більшість турбін також намагаються рекуперировать тепло вихлопних газів, які, в іншому випадку, втрачається даремно.
Рекуператори - це теплообмінники, які передають тепло вихлопних газів стисненого повітря перед згорянням. При комбінованому циклі тепло передається системам парових турбін. І при комбінованому виробництві тепла та електроенергії (когенерація) відпрацьоване тепло використовується для виробництва гарячої води.
Механічно газові турбіни можуть бути значно простіше, ніж поршневі двигуни внутрішнього згоряння. Прості турбіни можуть мати одну рухому частину: вал / компресор / турбіна / альтернативний ротор в зборі (див. Зображення нижче), не враховуючи паливну систему.
Рис.4. Ця машина має одноступінчатий радіальний компресор,
турбіну, рекуператор, і повітряні підшипники.
Більш складні турбіни (ті, які використовуються в сучасних реактивних двигунах), можуть мати кілька валів (котушок), сотні турбінних лопаток, що рухаються статорних лез, а також велику систему складних трубопроводів, камер згоряння і теплообмінників.
Як правило, чим менше двигун, тим вище повинна бути частота обертання валу (ів), необхідна для підтримки максимальної лінійної швидкості лопаток.
Максимальна швидкість турбінних лопаток визначає максимальний тиск, що може бути досягнуто, що призводить до отримання максимальної потужності, незалежно від розміру двигуна. Реактивний двигун обертається з частотою близько 10000 об / хв і мікро-турбіна - з частотою близько 100000 об / хв.