Газотурбинные установки. 
Паровые турбины

По принципу действия ГТ аналогична ПТ, с тем отличием, что рабочим теплом является не пар, а газообразные продукты сгорания топлива в смеси с воздухом или нагретые до высоких температур газы (воздух и.т.д.).

В ее проточной части расширение рабочего тела (газа) также сопровождается превращением теплоты в кинетическую энергию газового потока, которая затем преобразуется в механическую работу на валу вращающегося ротора.

ГТУ имеет ряд достоинств по сравнению с ПТУ:

• 1) они более компактны, так как топливо сжигается не в громоздком котле, а в небольшой по размерам камере сгорания, кроме того в ГТУ нет конденсационной установки;
• 2) они более маневренны: обеспечивают быстрый запуск и нагружение (от 30 сек. До 30 мин.);
• 3) проще по конструкции и в обслуживании;
• 4) при одинаковой мощности с ПТ. ГТ менее емки в смысле затраты металла;
• 5) следовательно, имеют более низкую стоимость;
• 6) почти не требуют воды для охлаждения.

Недостатки ГТУ по сравнению с ПТУ:

• 1) меньше единичная мощность;
• 2) более низкий КПД (при сегодняшнем развитии);
• 3) менее долговечный в эксплуатации;
• 4) более требовательны к сортам и качеству топлива.

ГТУ обычно применяют в качестве пиковых, полупиковых и резервных установок из-за возможности быстрого запуска. Так как они имеют небольшие массогабаритные показатели и просты в обслуживании, то их устанавливают и на передвижных электрических станциях (энергопоезда, плавучие Эл. станции типа «северное сияние») и т. п.

Дальнейшее развитие ГТ направлено на повышение их единично мощности, экономичности, долговечности, надежности.

Компрессор засасывает из атмосферы воздух, сжимает его до заданного давления и подает в камеру сгорания. Туда же насосом подается топливо, которое впрыскивается через специальную форсунку и, смешиваясь с воздухом, сгорает. Продукт сгорания, смешиваясь с охлаждающим воздухом, поступают в ГТ. В зону горения подается (20−40)% от общего, нагнетаемого компрессором, воздуха, которое участвует в процессе горения, это так называемый первичный воздух. Остальные (60−80)% воздуха вводятся в поток уже после активной зоны горения. Смешиваясь с продуктами сгорания этот вторичный (охлаждающий) воздух понижает температуру газов перед ГТ до нужного значения.

Для обеспечения интенсивного и полного сгорания топлива температура в КС должна поддерживаться на уровне (1800−2300) К, а допустимая в настоящее время температура газов на входе в ГТ (900−1400)К — по условиям надежности и долговечности лопаточного аппарата.

Мощность, развиваемая ГТ, частично затрачивается на привод компрессора и других вспомогательных механизмов, а остальная часть преобразуется в эл. энергию на клеммах генератора. Запуск ГТУ производится пусковым эл. двигателем, а зажигание с помощью эл. свечи в КС.

р₄=р₁

р₃=р₂

Для термодинамического цикла ГТУ приняты следующие допущения:

• 1) цикл замкнутый и осуществляется с постоянным количеством идеального газа, имеющего постоянную теплоемкость и химический состав;
• 2) все процессы обратимы, так как они протекают без потерь;
• 3) сжатие в компрессоре и расширение в турбине происходят адиабатно (S=const).

На рисунке: 3−4' - адиабатное сжатие воздуха в (К) с повышением давления с Р₃ до Р₄ и температуры с Т₃ до Т'₄.

3−4 — процесс действительного сжатия (с учетом внутренних потерь в К).

Теплота в КС подводится по изобаре 4−1 (2−3) и по температуре возрастает до Т₁₍₃₎.

• 1−2' - изоэнтропное расширение газов в турбине,
• 1−2 — действительный процесс расширения в ГТ.
• 2'-3 — отвод теплоты с понижением температуры до начального значения Т₃. В действительности 2−3 условный замыкающий процесс с охлаждением газов за ГТ в атмосфере.

Термический КПД цикла ГТУ.

.

где — степень повышения давления в компрессоре;

— степень повышения температуры в цикле,.

.

Внутренний относительный КПД компрессора:

.

L_ok — работа изоэнтропного сжатия 1 кг. воздуха в термодинамическом цикле.

L_k — в действительном цикле.

Внутренний относительный КПД турбины:

В реальной ГТУ имеется целый ряд потерь, которые разделяются на внутренние и внешние.

Внутренние связаны с изменением состояния рабочего тела. К ним относят:

• 1) внутренние потери в компрессоре (учитываются з^к_oi);
• 2) внутренние потери в ГТ (з^ГТ_oi);
• 3) потери теплоты в КС, которые учитываются с помощью теплового КПД КС з^кс_т;
• 4) гидравлические потери в воздушном тракте ГТУ;
• 5) гидравлические потери в газовом тракте;
• 6) потери, связанные с расходом воздуха на охлаждение деталей ГТ (лопаток, дисков).

Внутренние потери в ГТУ оцениваются внутренним КПД установки:

.

где L_i — внутренняя полученная работа ГТУ [кДж/кг],.

q_k.c. — действительное количество теплоты на нагрев 1 кг. воздуха от Т₄₍₂₎ до Т₁₍₃₎, [кДж/кг].

.

Следовательно, внутреннее КПД ГТУ:

з^гту_i=f (в, ф, з^гт_oi, з^k_oi, з^kc_oi).

К настоящему времени достигнуто з^k_oi=0.83ч0.90, з^гт_oi0,85ч0,90.

Как видно из рисунка, увеличением ф — КПД непрерывно возрастает, увеличивать ф можно путем увеличения Т₁ или уменьшения Т₃. Допустимая температура в настоящее время Т₁=(1000:1400) К; (в форсированных ГТ авиационных Т₁= до 1600 К). Зависимость з_i=f (в) имеет более сложный характер, з_i-max при в=в_опт.

Внутренняя мощность ГТУ: Н_i= G_в^. L_i, [кВт] ,.

где G_в-расход воздуха ,.

L_i — внутренняя полезная работа .

L_i можно определить через разность теплоперепадов в ГТ и компрессоре: L_i=H_о^ГТ*з_oi^ГТ-H_o^k*з_oi^k,.

где H_o^гт=С_р(Т₁-Т₂?),.

Н_о^к=С_р(Т₄?-Т₃).

Удельный расход воздуха: d_i=3600*=.

чем он меньше, тем меньше размеры ГТУ.

Удельный размер теплоты: q_i=,.

Характеризует экономичность ГТУ.

Внешние потери в ГТУ:

• -потери на трение в подшипниках ГТ и К,
• -потери из-за утечек газа через концевые уплотнения,
• -затраты на привод вспомогательного механизма (масляный насос, т.п.).

Эти потери учитываются механическим КПД ГТУ: з_м^ГТУ=,.

где L_е— удельная эффективная работа ,.

L_е=L_i-L_м,.

L_м-сумма внешних потерь, отнесенная к 1 кг воздуха.

Способы повышения экономичности ГТУ:

• 1) повышение температуры газов перед ГТ,
• 2) применение регенерации теплоты отработавших газов,
• 3) ступенчатое сжатие воздуха с промежуточным охлаждением,
• 4) ступенчатое сгорание (с подогревом газа),
• 5) организация ПГ цикла,
• 6) утилизация теплоты уходящих газов для производства пара и горячей воды.