Циклы газотурбинных установок

Рассмотрим несколько недостатков, присущих поршневым двигателям внутреннего сгорания:

• • неравномерность работы двигателя во времени, в результате которой в течение цикла температура и давление в цилиндре резко меняются;
• • для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное необходимо использовать кривошипно-шатунный механизм;
• • средняя скорость рабочего тела относительно двигателя невелика.

Эти обстоятельства не позволяют сосредоточить большую мощность в поршневом двигателе внутреннего сгорания. От рассмотренных недостатков свободны силовые машины другого типа — газотурбинные установки.

Цикл газотурбинной установки состоит из тех же процессов, что и цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания, но в поршневом двигателе отдельные процессы происходят последовательно в одном элементе двигателя — в цилиндре, а в газотурбинной установке эти процессы происходят в различных элементах данной установки. Поэтому условия работы элементов газотурбинной установки являются более равномерными.

Средняя скорость рабочего тела в газотурбинной установке в 50—100 раз выше, чем в поршневых двигателях. Термический КПД газотурбинных установок сравнительно высок. Все это позволяет сосредоточить в малогабаритных газотурбинных установках большие мощности. В настоящее время газотурбинные двигатели применяются в авиации, на колесных и гусеничных машинах, на тепловых электростанциях, как силовые установки кораблей, катеров, подводных лодок и т. д.

Недостатком газотурбинных установок является то, что температура рабочего тела на входе в турбину примерно постоянна, поэтому вследствие ограниченной жаростойкости и жаропрочности материалов, из которых изготовлены элементы турбины, эту температуру нужно искусственно ограничивать. Напомним, что в двигателях внутреннего сгорания температура в цилиндре быстро меняется в течение цикла.

Циклы газотурбинных установок разделяются на две группы: со сгоранием при постоянном давлении и со сгоранием при постоянном объеме. Более широкое распространение получили установки со сгоранием при постоянном давлении, поэтому рассмотрим работу установок именно такого типа.

Поскольку одним из компонентов топлива газотурбинных установок является воздух, в технике часто применяются установки, работающие по открытой схеме (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Схема газотурбинной установки открытого типа Воздух непрерывно нагнетается компрессором в камеру сгорания, где организуется процесс горения. Горячие продукты сгорания поступают в турбину, где, расширяясь, совершают работу. Отработанные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Менее распространены газотурбинные установки, работающие по закрытой схеме (рис. 8.13).

В такой установке энергия к рабочему телу подводится посредством теплообмена от внешнего источника. Газ из турбины охлаждается в теплообменнике и снова поступает в компрессор.

При моделировании рабочих процессов в газотурбинной установке принято использовать следующие допущения, которые существенно упрощают анализ:

• • рабочим телом является воздух в состоянии идеального газа;
• • нагрев рабочего тела происходит за счет внешнего источника теплоты.

Рис. 8.13. Схема газотурбинной установки закрытого типа Однако результаты, полученные с использованием таких допущений, являются очень приближенными.