Министерство образования Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА _____________________________________________________________________ К.Х.ШОТИДИ, М.М.ШПОТАКОВСКИЙ, А.Н. НАЗАРОВ ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК И ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Методические указания к лабораторным работам по курсам Термодинамика и Теплотехника для студентов специальностей: 090600, 090700, 090800, 120100, 120500, 170200, 170500, 250400, 320700, 330500, 553600 Под редакцией проф. Б.П.Поршакова Москва 2004 2 УДК 621.438 (075) + 536 (075) Циклы газотурбинных установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания: Методические указания к лабораторным работам. М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2004 64 с. Рассматриваются термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок, а также конструкция основных узлов этих двигателей на примере газотурбинной установки ГТ-700-5 и поршневого двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-236. Указаны основные способы повышения энергетической эффективности тепловых двигателей. Приводятся основные технические характеристики отечественных и зарубежных газотурбинных установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания, используемых в газовой и нефтяной отраслях промышленности. Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов специальностей 090600, 090700, 090800, 120100, 120500, 170200, 170500, 250400, 320700, 330500, 553600, изучающих дисциплины: теплотехника, техническая термодинамика и теплотехника. Рецензент Калинин А.Ф., кандидат технических наук, доцент кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина Российский государственный университет нефти и газа им. И.М.Губкина, 2003 3 ВВЕДЕНИЕ Теория круговых термодинамических процессов (циклов) тепловых машин является одним из основных разделов курсов ″Термодинамика″ и ″Теплотехника″. Тепловые машины делятся на две большие группы: тепловые двигатели и холодильные машины. В свою очередь, тепловые двигатели подразделяются на поршневые двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели, называемые также газотурбинными установками, и паротурбинные двигатели, которые в настоящей работе не рассматриваются. В методических указаниях к лабораторным работам по изучению тепловых двигателей рассмотрены основные положения теории круговых термодинамических процессов (циклов) тепловых двигателей. Рассмотрены также термодинамические циклы, рабочие процессы и элементы конструкции двух тепловых двигателей: газотурбинной установки ГТ-700-5 и поршневого двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-236. Настоящие методические указания написаны в соответствии с новыми учебными программы по курсам Термодинамика и Теплотехника и являются дальнейшим развитием работы В.И. Кочергина и К.Х. Шотиди Термодинамические циклы, рабочий процесс, элементы конструкции газотурбинных установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания [6]. 4 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Основные положения теории круговых процессов (циклов) тепловых двигателей Круговым процессом называется замкнутый процесс, в котором рабочее тело возвращается в исходное состояние. Поэтому итоговое изменение параметров и функций состояния рабочего тела в круговом процессе равно нулю dz 0 , (1) где z p, v, u, h (p – абсолютное давление; v– удельный объем; u – удельная внутренняя энергия; h – удельная энтальпия). Периодически повторяющиеся круговые процессы, называемые также циклами, реализуются в тепловых машинах, к которым относятся тепловые двигатели и холодильные установки. В теории циклов рассматриваются только элементы внешнего баланса – внешние термодинамическая L* и потенциальная W* работы, а также внешний теплообмен Q*. Поэтому после интегрирования по замкнутому контуру первого начала термодинамики по внешнему балансу теплоты и работы Q* = dU + L* , (2) получим Q * = dU + L * = L * , * Q1* Q2* Lц . (3) 5 В тепловом двигателе (ТД) теплота Q1* (Q1* > 0) подводится от внешнего горячего источника (нагревателя) с абсолютной температурой T1 к рабочему телу, от которого меньшее количество теплоты Q2* (Q2* < 0) передается внешнему холодному источнику (холодильнику) с меньшей абсолютной температурой T2. В результате этого часть теплоты Qц* превращается в работу Lц* (Lц* > 0) – рис. 1: Lц* = Qц* = |Q1*| – |Q2*| . (4) Если цикл состоит только из обратимых процессов, то его называют идеальным или термодинамическим [1, 8, 9]. Совершенство цикла оценивается термическим коэффициентом полезного действия (КПД) t, представляющим собой отношение эффективной работы, полученной в цикле L*ц , к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу в этом цикле Q1* , t L*ö Q1* Q1* Q2* Q1* 1 Q2* Q1* . (5) Обратимые (термодинамические) циклы ТД практически неосуществимы. Однако, введение понятия таких циклов является необходимым и важным при исследовании различных реальных циклов и сравнении их между собой. В соответствии со следствием II второго начала термостатики КПД термодинамического цикла t не зависит от вида цикла и природы рабочего тела (РТ), а определяется только средними абсолютными температурами в процессах подвода Тm,1 и отвода Тm,2 теплоты [8] t = 1 (Тm,2 / Тm,1) . (7) 6 7 При увеличении Тm,1 или уменьшении Тm,2 КПД теплового двигателя увеличивается. Одним из важнейших следствий постулата второго начала термодинамики является утверждение о невозможности полного превращения теплоты в работу, а значит, о невозможности создания вечного двигателя второго рода: любой ТД должен иметь два тепловых источника с различными температурами нагреватель и холодильник. Диаграмма реального цикла ТД отличается от диаграммы обратимого цикла, во-первых, наличием разностей между температурами РТ и внешних источников теплоты (нагревателя и холодильника) (T 0) и, во-вторых, существованием необратимых потерь в процессах расширения и сжатия РТ. Поэтому площадь диаграммы реального цикла ТД, изображенного на рис. 1 пунктирной линией, меньше площади диаграммы обратимого цикла на величину заштрихованной площади, характеризующей необратимые потери энергии в цикле. 1.2. Цикл Карно В 1824 г. С. Карно предложил цикл, получивший впоследствии его имя. Введение цикла Карно стало важным этапом в разработке теории циклов тепловых двигателей. Цикл Карно представляет собой обратимый цикл тепловых машин (Q* = = Q, L* = L, т.к. L** = Q** = 0), осуществляемый между двумя источниками постоянных температур – горячим (нагревателем) с температурой T1 и холодным (холодильником) с температурой T2: T1 T2. Рабочим телом в цикле Карно является идеальный газ, называемый в дальнейшем просто газ. Цикл Карно состоит из четырех термодинамических процессов: двух изотерм (T = idem) и двух адиабат: Q = Q* = 0 [8, 9]. 8 Цикл Карно теплового двигателя осуществляется следующим образом – см. рис. 2а. В процессе 1-2 происходит начальное изотермическое (при постоянной температуре T1) расширение газа за счет сообщения ему теплоты Q1 при температуре T1. В точке 2 подвод теплоты к газу заканчивается и далее в процессе 2-3 газ продолжает расширяться, но уже адиабатически, т.е. без теплообмена с окружающей средой. При этом температура газа уменьшается до T2. Газ, расширяясь в процессах 1-2 и 2-3, совершает полезную работу. В процессе 3-4 происходит изотермическое (при постоянной температуре T2) сжатие газа за счет отвода от него теплоты Q2 при температуре T2. В точке 4 отвод теплоты заканчивается и далее в процессе 4-1 газ продолжает сжиматься, но уже адиабатически, возвращаясь в исходное состояние – точка 1. Затем все процессы повторяются в описанной последовательности. Цикл Карно можно изобразить также в универсальных координатах приведенного теплообмена T-S (рис. 2б) [1, 8, 9]. Формула для расчета термического КПД цикла Карно t,К выводится следующим образом. Количества теплоты, подводимой к газу Q1 и отводимой от него Q2, определяются соотношениями 2 2 |Q1| = | TdS | = T1| dS | = T1|S2 – S1| = T1(S2 – S1) , 1 (8) 1 4 4 3 3 |Q1| = | TdS | = T2 | dS | = T2|S4 – S3| = T2(S3 – S4) . (9) Из соотношения (1) следует, что абсолютная величина изменения энтропии газа в процессе подвода к нему теплоты |S1| равна абсолютной величине изменения энтропии газа в процессе отвода от него теплоты |S2|: 9 |S1| = |S2| = |S| . (10) С учетом соотношений (8) и (9) формула (6) для цикла Карно принимает вид t,К = 1 – (|Q2*| / |Q1*|) = 1 – (T2|S| / T1|S|) = 1 – (T2 / T1) , (11) т.е. термический КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, зависит только от абсолютных температур T1 и T2. Цикл Карно имеет большое значение в теории циклов ТД, т.к. его КПД является максимальным по сравнению с КПД любого обратимого цикла, реализуемого в том же диапазоне температур T1 и T2, что и цикл Карно. Это следует из сравнения произвольного цикла a-b-c-d-a с циклом Карно 1-2-3-4-1– рис. 3. Подвод теплоты к РТ в цикле a-b-c-d-a происходит при средней абсолютной температуре Tm,1, которая меньше температуры T1 (Tm,1 T1), а отвод теплоты – при средней абсолютной температуре Tm,2, которая больше температуры T2: Tm,2 T2. Поэтому КПД цикла a-b-c-d-a t,abcda, определяемый по формуле t,abcda = 1 – (Tm,2 / Tm,1) , (12) меньше, чем КПД цикла Карно t,К: t,К t,abcda. Графической интерпретацией этого неравенства является то, что площадь фигуры 1-2-3-4-1 больше площади фигуры a-b-c-d-a. Несмотря на то, что циклу Карно следовало бы отдать предпочтение, реализация его в ТД практически невозможна, т.к. диапазоны изменения давления и объема в цикле Карно велики и поэтому диаграмма цикла Карно в координатах p-v сильно растянута – рис. 4. Например, при параметрах РТ на входе в поршневые двигатели внутреннего сгорания pа = 0,1 МПа, Tа = 288 K (точка а на рис. 4) и при температуре в кон- 10 11 це сгорания топлива Tc = 2073 K давление РТ в точке c цикла Карно достигает 280300 МПа, в то время как в реальных двигателях это давление не превышает 10 МПа, исходя из условия обеспечения прочности элементов двигателя. При этом изменение объема РТ в цикле Карно (va / vc) составляет примерно 400. 1.3. Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания При исследовании термодинамических (теоретических) циклов тепловых двигателей предполагается, что: 1) рабочим телом является идеальный газ; 2) количество рабочего тела на всех стадиях цикла не изменяется ; 3) теплоемкость рабочего тела постоянна; 4) на всех стадиях цикла рабочее тело химически не изменяется; 5) процессы наполнения и выпуска рабочего тела отсутствуют; 6) процесс горения топлива заменяется подводом теплоты к рабочему телу от нагревателя, а процесс охлаждения продуктов сгорания отводом теплоты от рабочего тела к холодильнику, причем L** = Q** = 0. По способу подвода теплоты, циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС) делятся на три группы: 1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = idem), называемый циклом Отто; 2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (p = idem), называемый циклом Дизеля; 3) цикл со смешанным подводом теплоты (v = idem, p = idem), называемый циклом Тринклера или Сабатэ. 12 1.3.1. Термодинамический цикл с подводом теплоты при v = idem (цикл Отто) На рис. 5а изображена принципиальная схема ПДВС, работающего по циклу Отто. Горючая смесь, состоящая из паров бензина и атмосферного воздуха, заполняет цилиндр двигателя Ц через открытый впускной клапан 1 при закрытом клапане 2, когда поршень П двигается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) такт всасывания. Затем клапан 1 закрывается и поршень П, двигающийся от НМТ к ВМТ, сжимает смесь (такт сжатия), которая воспламеняется от электрической свечи ЭС. Образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, перемещают поршень П от ВМТ к НМТ такт рабочего хода поршня. После этого открывается выпускной клапан 2 и поршень П, двигающийся от НМТ к ВМТ (при закрытом клапане 1), выталкивает продукты сгорания из цилиндра Ц в атмосферу такт выхлопа. Затем все процессы повторяются в описанной последовательности. С помощью кривошипно-шатунного механизма КШМ возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, с которого снимается полезная нагрузка. На рис. 5б изображен термодинамический цикл Отто в координатах p-v. Цикл Отто состоит из двух адиабат (q = 0) и двух изохор v = idem. Линия a-c изображает адиабатическое сжатие газа; c-f – изохорический подвод теплоты q1,v к газу от нагревателя; f-r – адиабатическое расширение газа; r-a – изохорический отвод теплоты q2,v от газа к холодильнику. На рис. 5в изображен термодинамический цикл Отто в координатах T-s (s – удельная энтропия газа). Площадь фигуры а1-c-f-r1-а1 представляет собой теплоту q1,v, подведенную в цикле к газу, площадь фигуры а1-a-r-r1-а1 – теплоту 13 q2,v, отведенную в цикле от газа, а площадь фигур a-c-f-r-a на рис. 5б, в – работу цикла 14 Термический КПД цикла Отто t,О определяется по формуле t,о = 1 (k1) , (13) где = (va / vc) = (Va / Vc) степень сжатия газа, представляющая собой отношение удельных v (или полных V) объемов газа в процессе a-c – см. рис. 5б; k показатель адиабаты. Термический КПД цикла Отто возрастает с увеличением степени сжатия и показателя адиабаты k рис. 6. Термический КПД цикла Отто обычно не превышает 50%. В двигателях рабочим телом является реальный газ, свойства которого отличаются от свойств идеального газа, процессы сжатия и расширения РТ не являются адиабатическими, подвод теплоты происходит в течение конечных промежутков времени, условия изохорического или изобарического подвода теплоты не выполняются, имею место механические потери и т.д. Поэтому для перехода от термодинамических циклов к реальным необходимо вводить соответствующие поправки. По циклу Отто работают карбюраторные двигатели. Поскольку температура в точке с меньше температуры самовоспламенения горючей смеси, воспламенение этой смеси осуществляется от постороннего источника (электрической свечи ЭС) – см. рис. 5а. С точки зрения роста термического КПД ПДВС выгодно увеличивать степень сжатия РТ . Однако, осуществлять сжатие до слишком высоких значений ( > 12) не удается, т.к. по достижении определенного значения температуры РТ оно самовоспламеняется еще до прихода поршня в ВМТ. Это приводит к детонации, разрушающей элементы двигателя. Поэтому степень сжатия РТ в 15 0,7 0,6 k=1,4 k=1,35 0,5 k=1,3 k=1,25 0,4 0,3 0,2 0,1 0 4 5 6 7 8 9 10 Рис.6. Зависимость термического КПД цикла Отто ηt,O от степени сжатия ε и показателя адиабаты для рабочего тела k обычных карбюраторных двигателях не превышает 512: величина зависит от качества топлива. Степень сжатия РТ в цикле можно увеличить, если сжимать не горючую смесь, а воздух, в который вводится топливо. На этом принципе основан цикл Дизеля. 1.3.2. Термодинамический цикл с подводом теплоты при p = idem (цикл Дизеля) На рис. 7а изображена принципиальная схема ПДВС, работающего по циклу Дизеля. При движении поршня П от ВМТ к НМТ (такт всасывания) атмосферный воздух через открытый впускной клапан 1 при закрытом клапане 2 заполняет цилиндр двигателя Ц. Затем клапан 1 закрывается и поршень П, двигающийся от НМТ к ВМТ, сжимает (такт сжатия) воздух настолько, что в конце сжатия температура воздуха превышает температуру самовоспламенения дизельного топлива. Поэтому после впрыскивания дизельного топлива через фор- 16 сунку Ф в цилиндр Ц оно самовоспламеняется. Образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, перемещают поршень П от ВМТ к НМТ такт рабочего хода поршня. И наконец, открывается выпускной клапан 2 (при закрытом клапане 1) и поршень П, двигающийся от НМТ к ВМТ, выталкивает продукты сгорания из цилиндра Ц в атмосферу такт выхлопа. Затем все процессы повторяются в описанной последовательности. На рис 7б изображен термодинамический цикл Дизеля в координатах p-v. Этот цикл состоит из двух адиабат (q = 0), изобары (p = idem) и изохоры (v = idem). Изображение термодинамического цикла Дизеля в координатах p-v аналогично изображению термодинамического цикла Отто, за исключением процесса c-f, в котором к газу подводится теплота q1,p при p = idem. 17 На рис. 7в изображен термодинамический цикл Дизеля в координатах T-s. Отметим, что в этих координатах изохора располагается более круто по отношению к оси s, чем изобара. Термический КПД цикла Дизеля t,Д определяется по формуле 1 k 1 t,Д = 1 k 1 , k ( 1) (14) где = (vf / vc) степень предварительного расширения газа в процессе c-z (при p = idem) . см. рис. 7б; k показатель адиабаты. Термический КПД цикла Дизеля возрастает с увеличением степени сжатия газа и с уменьшением степени предварительного расширения газа рис.8. Термический КПД цикла Дизеля достигает 55 %. Из сопоставления термических КПД циклов Отто t,О (с подводом теплоты при v = idem) и Дизеля t,Д (с подводом теплоты при p = idem) (см. рис. 6в) следует, что в этих циклах: при одинаковой степени сжатия газа ( = (va / vc)) t,О t,Д , (15) а при одинаковой наивысшей температуре Tf t,Д t,О . (16) Параметры состояния газа в начальной точке (pа, Та) при сравнении этих циклов принимаются одинаковыми. Степень сжатия РТ в дизельных двигателях составляет 1222. 18 0,7 0,65 2 2,5 1,5 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Рис.8. Зависимость термического КПД цикла Дизеля ηt,Д от степени сжатия ε и степени предварительного расширения рабочего тела ρ 1.3.3. Термодинамический цикл со смешанным подводом теплоты при v = idem и p = idem (цикл Тринклера) На рис. 9а изображена принципиальная схема ПДВС, работающего по циклу Тринклера. В отличие от дизельного в двигателе со смешанным подводом теплоты топливо подается через форсунку Ф в форкамеру ФК, расположенную в цилиндре Ц. Топливо в форкамере ФК самовоспламеняется. Горение топливно-воздушной смеси начинается в форкамере ФК и заканчивается в цилиндре Ц. На рис 9б изображен термодинамический цикл Тринклера в координатах p-v. Цикл Тринклера состоит из двух адиабат (q = 0), двух изохор (v = idem) и изобары (p = idem). Он отличается от цикла Дизеля только процессом подвода к газу теплоты q1: сначала теплота q1,v подводится при v = idem (линия c-f), а затем теплота q1,p подводится при p = idem (линия f-z), причем q1 = q1,v + q1,p. На рис. 9в изображен термодинамический цикл Тринклера в координатах T-s . Площадь фигуры а1-c-f-f1-a1 представляет собой теплоту q1,v, подведен- 19 ную к газу при v = idem. Площадь фигуры f1-f-z-r1-f1 представляет собой теплоту q1,p, подведенную к газу при p = idem. Площадь фигуры а1-c-f-z-r1-а1 представляет собой теплоту q1, подведенную к газу в цикле, т.е. q1 = q1,v + q1,p. Напомним, что в координатах T-s изохора располагается более круто по отношению к оси s, чем изобара. Термический КПД цикла Тринклера t,Т определяется по формуле 1 k 1 t,Т = 1 k 1 , 1 k 1 (17) где = (pz / pc) степень повышения давления газа см. рис. 9б; k показатель адиабаты. 20 Из сопоставления термических КПД циклов Тринклера t,Т (с подводом теплоты при v = idem и p = idem), Отто t,О (с подводом теплоты при v = idem) и Дизеля t,Д (с подводом теплоты при p = idem) (см. рис. 9в) следует, что в этих циклах: при одинаковой степени сжатия газа ( = (va / vc)) t,Д t,Т t,О , (18) а при одинаковой наивысшей температуре Tz t,Д t,Т t,О . (19) Степень сжатия воздуха в двигателях, работающих по циклу Тринклера, составляет 1222. 1.4. Термодинамические циклы газотурбинных двигателей Газотурбинным двигателем (ГТД) называется ТД, в котором процессы, образующие цикл, происходят в различных элементах двигателя: осевом компрессоре, одной или нескольких камерах сгорания и одной или нескольких газовых турбинах [3, 5, 7, 8]. Газотурбинные двигатели подразделяются на газотурбинные установки (ГТУ), используемые, в частности, в качестве энергопривода центробежных нагнетателей на компрессорных станциях магистральных газопроводов, и турбореактивные двигатели (ТРД), применяемые в авиации. По способу подвода теплоты циклы ГТУ делятся на две группы: 1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = idem) или цикл Гемфри; 2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (p = idem) или цикл Брайтона. 21 1.4.1. Термодинамический цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при v = idem (цикл Гемфри) На рис. 10а изображена принципиальная схема ГТУ, работающей по циклу Гемфри. Атмосферный воздух с начальными параметрами pa и ta сжимается в осевом компрессоре ОК до давления pc, что приводит к увеличению температуры воздуха до tc. Сжатый в осевом компрессоре ОК воздух поступает в камеры сгорания КСг через впускной клапан 1, а газообразное топливо через впускной клапан 2 (клапан 3 при этом закрыт). Горение топливно-воздушной смеси происходит при закрытых клапанах 1, 2 и 3, т.е. в камерах сгорания КСг осуществляется изохорический (v = idem) подвод теплоты. Поскольку процесс сгорания топливно-воздушной смеси в камерах сгорания КСг происходит периодически, такая ГТУ имеет несколько камер сгорания, работающих со сдвигом во времени происходящих в них процессов. Давление и температура образовавшихся продуктов сгорания увеличиваются до pz и tz. Затем открывается выпускной клапан 3 (клапаны 1 и 2 при этом закрыты) и продукты сгорания (ПС) поступают в газовую турбину ГТ, где они, расширяясь на лопатках, совершают работу. Тепловая энергия ПС преобразуется в газовой турбине ГТ в работу в два этапа. На первом этапе потенциальная энергия, которой обладают ПС на входе в газовую турбину ГТ, преобразуется в кинетическую энергию потока ПС, расширяющегося и ускоряющегося на рабочих лопатках газовой турбины. На втором этапе кинетическая энергия потока ПС при изменении направления его движения на лопатках газовой турбины ГТ преобразуется в механическую энергию вращения силового вала СВ, приводящего в действие нагрузку Н центробежный нагнетатель ЦБН или электрогенератор ЭГ. После расширения в газовой турбине ГТ продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Рабочим телом в цикле ГТУ, применяющихся в газовой промышленности, 22 23 в зависимости от стадии реализации цикла являются атмосферный воздух или смесь его с продуктами сгорания топлива. На рис 10б изображен термодинамический цикл Гемфри в координатах p-v. Линия a-c изображает процесс адиабатического (q = 0) сжатия газа в осевом компрессоре, линия c-z процесс изохорического (v = idem) подвода теплоты q1,v в камере сгорания, линия z-s процесс адиабатического расширения газа в турбине и линия s-a – процесс изобарического (p = idem) отвода теплоты q2,p в атмосферу. Значение температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину tz ограничивается условиями прочности и охлаждения элементов турбины. На рис. 10в изображен термодинамический цикл Гемфри в координатах T-s. Площадь фигуры а1-c-z-s1-а1 представляет собой теплоту q1,v, подводимую к газу при v = idem, площадь фигуры а1-a-s-s1-а1 теплоту q2,p, отводимую от газа при p = idem, а площадь фигуры а-c-z-s-а на рис. 8б и 8в работу, совершаемую в цикле Гемфри. Термический КПД цикла Гемфри, определяемый по формуле t,Г = 1 1 k 1 / k k 1 1 1/ k , (20) зависит от степени повышения давления газа в осевом компрессоре = (pc / pa), соотношения давлений газа в процессе подвода теплоты q1,v в камере сгорания = (pz / pc) и от показателя адиабаты k. Термический КПД цикла Гемфри возрастает с увеличением степени повышения давления газа в осевом компрессоре и соотношения давлений газа в процессе подвода теплоты в камере сгорания . 24 1.4.2. Термодинамический цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при p = idem (цикл Брайтона) На рис. 11а изображена принципиальная схема ГТУ, работающей по циклу Брайтона. Она аналогична рассмотренной схеме ГТУ, работающей по циклу Гемфри, за исключением того, что горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания КСг этой ГТУ происходит непрерывно. Поэтому камера сгорания КСг ГТУ, работающей по циклу Брайтона, в отличие от ГТУ, работающей по циклу Гемфри, не имеющей клапанов. На рис 11в, г изображен термодинамического цикла Брайтона в координатах соответственно p-v и T-s. Формула для расчета термического КПД цикла Брайтона t,Б выводится с использованием уравнения первого начала термостатики для потока 1 кг газа [6] q dh w dh dp , (21) поскольку процессы, происходящие в осевом компрессоре и газовой турбине ГТУ, являются процессами перемещения РТ из области одного давления в область другого. Работы адиабатических процессов сжатия 1 кг газа в компрессоре wa-c и расширения его в газовой турбине wz-s определяются следующим образом: |wa-c| hc ha C p ,m Tc Ta C p ,mTc 1 С , (22) wz s hz hs C p ,m Tz Ts C p ,mTz 1 С , (23) а теплота qc-z, подведенная к газу в камере сгорания, – из соотношения qc z hz hc C p ,m Tz Tc , (24) 25 26 где = (pc / pa) = (pz / ps) – степень повышения давления газа в компрессоре; C = [(k 1) /k]; k показатель адиабаты. С учетом соотношений (21)(24), а также того, что при анализе теоретических циклов предполагается, что значения Cp,m и k одинаковы для процессов а-с, с-z, z-s и s-а, формула для расчета термического КПД цикла Брайтона t,Б принимает вид t,Б = 1 C . (25) Термический КПД цикла Брайтона возрастает с увеличением степени повышения давления газа в осевом компрессоре и показателя адиабаты k. Из сопоставления термических КПД циклов Гемфри t,Г (с подводом теплоты при v = idem) и Брайтона t,Б (с подводом теплоты при p = idem) (см. рис. 11, г) следует, что в этих циклах: при одинаковой степени повышения давления газа ( = (pc / pa)) t,Б t,Г , (26) а при одинаковой наивысшей температуре Tz t,Б t,Г . (27) Мощность ГТУ без учета механических потерь работы в подшипниках на трение и потерь на преодоление гидравлических сопротивлений в элементах ГТУ G , передаваемая потребителю, определяется из соотношения N G(hz hc ) , где G расход воздуха через осевой компрессор. (28) 27 Реальные процессы сжатия рабочего тела в осевом компрессоре и расширения его в газовой турбине происходят с увеличением энтропии в связи с наличием необратимых превращений работы в теплоту внутреннего теплообме-на см. линии а-сд и z-sд на рис. 10в и рис. 11г. Кроме того, существуют потери давления в камере сгорания, в рекуператоре и в трубопроводах, а также потери полезной мощности ГТУ, что обусловлено наличием трения в подшипниках. Эти факторы снижают значения КПД ГТУ и мощности, передаваемой потребителю. Поэтому вводится понятие эффективного КПД ГТУ, представляющего собой отношение полезной работы ГТУ в реальном процессе к количеству теплоты, выделяемой при сгорании топливно-воздушной смеси. При одинаковых степени повышения давления газа в осевом компрессоре и температуре Тm,2 температура Тm,1 в цикле Гемфри (v=idem) больше, чем в цикле Брайтона (p=idem), т.к. изохора в координатах Т-s расположена круче по отношению к оси s, чем изобара. Однако, цикл Брайтона получил большее распространение в ГТУ, применяющихся в различных отраслях промышленности, по сравнению с циклом Гемфри, т.к. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, более просты в конструктивном отношении. Например, в цикле Гемфри для обеспечения непрерывности потока РТ через газовую турбину необходимо устанавливать несколько более сложных в конструктивном отношении клапанных камер сгорания, надежную работу которых трудно обеспечить в течение длительного срока эксплуатации ГТУ. Кроме того, пульсационный режим работы камер сгорания такой ГТУ снижает надежность и показатели эффективности адиабатические КПД осевого компрессора и газовой турбины ГТУ. В газовой промышленности применяются ГТУ только открытого цикла. Следует отметить, что существуют ГТУ закрытого цикла. В них РТ не выбрасывается в атмосферу, а после расширения в турбине и последующего охлаждения водой или наружные воздухом вновь поступает на вход осевого компрессора. 28 Преимуществами таких ГТУ являются, во-первых, возможность использования высокоэффективных рабочих тел (например, гелия) и, во-вторых, возможность существенного увеличения мощности ГТУ путем повышения давления рабочего тела перед компрессором. Однако, большим недостатком ГТУ закрытого цикла является необходимость применения громоздких и дорогих промежуточных теплообменников. 29 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В чем состоит принципиальная разница между тепловым двигателем и холодильной машиной ? 2. Почему КПД любого теплового двигателя всегда меньше единицы ? 3. В чем состоит различие циклов: а) Отто, Дизеля и Тринклера для поршневых двигателей внутреннего сгорания ? б) Брайтона и Гемфри для газотурбинных установок ? 4. Из каких термодинамических процессов состоит цикл: а) Отто; б) Дизеля; в) Тринклера; г) Брайтона; д) Гемфри ? 5. Изобразите циклы Отто, Дизеля и Тринклера в координатах p-v и T-s ? 6. Сравните эффективность циклов Отто, Дизеля и Тринклера при различных одинаковых исходных показателях в этих циклах ? 7. Чем отличаются идеальный и реальный циклы тепловых двигателей ? 8. Что такое термический и эффективный коэффициенты полезного действия теплового двигателя ? 9. Назовите основные пути повышения КПД поршневых ДВС. 10. Изобразите циклы Брайтона и Гемфри в координатах p-v и T-s ? 11. Сравните эффективность циклов Брайтона и Гемфри при различных одинаковых исходных показателях в этих циклах ? 12. Почему ГТУ, работающие по циклу Брайтона, получили наибольшее практическое применение ? 13. Назовите основные пути повышения КПД газотурбинных установок. 14. Изобразите цикл ГТУ с изотермическим сжатием рабочего тела в осевом компрессоре и подводом теплоты в камере сгорания при p = idem в координатах T-s и объясните причину увеличения КПД такого цикла.
