книги / Основы технической термодинамики, термохимии и анализ циклов газотурбинных установок

Из рис. 3.16. следует, что в точках л' дк(/п) = к^ ((^) имеют место

приведенные выше неравенства (3.85). Однако цикл с промежуточ­ ным теплоподводом в принципе может иметь некоторое преимуще­ ство и в КПД и в работе (на З...6%), если переход к этому циклу от цикла с промежуточным охлаждением осуществить, как показано стрелкой на рис. 3.16.

Вместе с тем следует заметить, что практически реализовать цикл с промежуточным теплоподводом при оптимальных параметрах го­ раздо сложнее, чем цикл с промежуточным охлаждением. Это обу­ словлено очень большими потребными значениями n"(r( )t которые

должны осуществляться в одном компрессоре. (Как отмечалось,

цикл с промежуточным теплоподводом весьма неэкономичен. Это является основной причиной того, что цикл только с промежуточ­ ным теплоподводом в наземной энергетике не получил распростра­ нения. Но в авиационных воздушно-реактивных двигателях, особен­ но при больших сверхзвуковых скоростях полета, этот цикл успешно применяется благодаря очень высокой общей степени повышения давления за счет скоростного напора.

Рис. 3.17. Оптимальный идеальный цикл с изотермическим расширением

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900

Л , кДж/кг

Рис. 3.18. Сопоставление термодинамических показателей циклов с одним промежуточным теплоподводом и с изотермическим расширением:

— изменение показателей цикла с одним промежуточным теплоподводом при Ту/7] =4,94; -* —*----- изменение показателей цикла с изотермическим расширением при

значение Кк (пии цикла с зотермическим расширением соответствующее максимальной рабо-

Наибольшее применение в настоящее время имеет простейшая тепловая схема, работающая по циклу Брайтона. Достаточно распро­ странена также схема с регенерацией теплоты Р, что отмечалось ра­ нее. Известны ГТУ, выполненные по схемам с одним промежуточ­ ным охлаждением ПО, с одним промежуточным охлаждением и ре­ генерацией ПО+Р, с одним промежуточным охлаждением и одним промежуточным теплоподводом ПО+ПТ. Была изготовлена также ГТУ по наиболее сложной тепловой схеме — с тремя промежуточ­ ными охлаждениями, с двумя промежуточными теплоподводами и регенерацией (ЗПО+2ПТ+Р).

Циклы двух тепловых схем из числа показанных на рис. 2.19 мо­ гут быть близки к циклу Карно. Это схемы пПО+тПТ и пПО+тПТ+Р, т.е. с многократными (ш- и п- кратными) промежу­ точными охлаждениями и теплоподводами, а вторая из них дополни­ тельно с регенерацией.

Цикл тепловой схемы пПО+тПТ, приведенный на рис. 3.20, со­ стоит из двух процессов сжатия — с многократным промежуточным охлаждением 1-Г и обратимого адиабатного Г-2, а также из двух процессов расширения — с многократным промежуточным тепло­ подводом 2-3 и обратимого адиабатного 3-4.

Процессы сжатия 1-Г и расширения 2-3 приближаются к изотер­ мам при температурах соответственно Т и Т , как показано на

рис. 3.20. Поэтому термический КПД этого цикла близок к КПД об­ ратимого цикла Карно

1Ч>

Однако реализация подобного цикла встречает большие трудно­ сти, связанные с необходимостью иметь очень большую степень по­

вышения давления пкг = Рг/ )'" в процессе адиабатного

сжатия 1-2, а также выполнить по крайней мере трехкратные проме­ жуточные охлаждения и теплоподводы.

При TjTt = const работа данного цикла зависит только от степени

повышения давления nt = Р'/Р1, от которой согласно уравнению (3.99)

КПД цикла не зависит. Предположим, что работа цикла пПО+тПТ

должна быть не меньше максимальной работы простейшего цикла Брайтона / |ш11 , которая определяется уравнением (3.14), т.е.

S

Рис. 3.20. Цикл с многократным промежуточным и охлаждением итеплоподводом, близкий к циклу Карно

Используя уравнение (1.53), после не сложных преобразований получим

(3.101)

При принятых значениях TjTx получаются вполне умеренные

степени повышения давления в процессе 1-Г с многократным охла­ ждением (см. рис. 3.20), а именно: при Г3/7]=4,94 л4| â3,8; при

TjTx = 5,98 лы > 6,3. Но общая степень повышения давления в цикле

получается очень большой из-за большого значения ли , что отмеча­

ntî =853 и л, >5374. В реальных условиях с учетом различных видов

потерь в элементах тепловой схемы потребные значения пк намного

ниже, но все же остаются неприемлемо высокими.

Рис. 3.21. Цикл с многократным промежуточным охлаждением и теплоподводами и с регенерацией теплоты, близкий к циклу Карно

Цикл второй тепловой схемы пПО+тПТ+Р, приведенный на рис. 3.2 1, также близок к циклу Карно. Сжатие рабочего тела здесь осуществляется только в процессе 1-2 с многократным промежуточ­ ным охлаждением, а затем следует изобарный теплоподвод 2-3. Да­ лее осуществляется процесс расширения 3-4 с многократным про­ межуточным теплоподводом. Замыкает цикл изобарный процесс те­ плоотвода 4-1.

Отводимая в этом процессе теплота q в теплообменнике-

регенераторе передается рабочему телу после сжатия, которое нагре­ вается при постоянном давлении от Т2 до Т} (процесс 2-3). Таким об­

разом, теплообмен в процессах 4-1 и 2-3 является внутренним и не связан с внешним теплообменом. Другими словами, как и в цикле на рис. 2.20, теплота от внешнего источника в цикле на рис. 3.21 подво­ дится только в процессе 3-4 при 7] =const, а отводится в окружаю­

щую среду только в процессе 1-2 при Т . Поэтому, как отмечалось

данный цикл с регенерацией теплоты близок к циклу Карно, и его КПД определяется уравнением (3.99).

Однако возможности реализации тепловых схем на рис. 3.20 и 3.21 существенно различны. В самом деле, общая степень повыше­ ния давления в цикле на рис. 3.21 определяется только процессом 1-2

с многократным охлаждением и равна степени повышения давления пк1 цикла на рис. 3.20, т.е. выражается неравенством (2.101). Как бы­

ло показано, степень повышения давления невелика и легко осуще­ ствима. Это существенное преимущество тепловой схемы регенера­ тивного цикла видно на рис. 3.21. Тепловая схема содержит допол­ нительный конструктивный элемент теплообменник-регенератор с очень большой потребной поверхностью теплообмена. Это обуслов­ лено тем, что количество теплоты, передаваемой горячим телом хо­ лодному qp= Ср(Tiep-Т 2ср)~ Cp(T3-T t), велико — в 2...3 раза превос­

ходит отводимую от цикла в окружающую среду теплоту q2. Поэто­ му теплообменник должен иметь большие массу и габариты и в ре­ альных условиях создает значительные потери давления рабочего тела как по холодному, так и по горячему трактам.

Таким образом, оба сравниваемых цикла на рис. 3.20 и 3.21 име­ ют и преимущества, и недостатки. Хотя и существует принципиаль­ ная возможность с помощью рассмотренных сложных тепловых схем пПО+тПТ и пПО+тПТ+Р осуществить циклы ГТУ прибли­ жающиеся к циклу Карно, но реализация этих схем сопряжена с большими конструктивными и технологическими трудностями.

Перейдем к рассмотрению другой сложной тепловой схемы из числа показанных на рис. 3.19 - схемы ПО+ПТ. Как увидим, термо­ динамический цикл этой схемы заметно уступает по экономичности циклу Карно, но зато тепловая схема оказывается вполне реализуе­ мой. По этой тепловой схеме и соответствующему термодинамиче­ скому циклу, который приведен на рис. 3.22 была разработана отече­ ственная энергетическая газотурбинная установка типа ГГ-100 ЛМЗ.

Рабочий процесс данной ГТУ состоит в следующем. Воздух из компрессора низкого давления КНД поступает в воздухоохладитель ВО, где охлаждается до температуры близкой к температуре окру­ жающей среды (процесс 2'-Г). В идеальном цикле принимается Г, = Т' Затем воздух после сжатия в компрессоре высокого давления КВД (процесс Г-2) поступает в первую камеру сгорания КС1, на вы­ ходе из которой температура продуктов сгорания Т2 достигает мак­

симальной в цикле (процесс 2-3). Продукты сгорания расширяются в турбине высокого давления ТВД (процесс 3-4'), откуда поступают во