10. ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. Циклы газотурбинных установок (ГТУ). Цикл Брайтона. Сравнение циклов.

• Газотурбинные установки — разновидность тепловых двигателей.  

• Основные определения: сжатие и нагрев газа, преобразование энергии в механическую работу.  

• Непрерывное и прерывистое сгорание топлива.  

• Применение в авиации и стационарные двигатели.  

• Примеры использования: танки Т-80 и Абрамс.  

• Совмещение газотурбинного двигателя с электрогенератором и другими системами.  

• Реже — совокупность двигателя и компрессора.  

• Сжатие воздуха компрессором и подача в камеру сгорания.  

• Воспламенение топлива и преобразование энергии в механическую работу.  

• Выработка электроэнергии и использование утилизатора.  

• Высокая удельная мощность до 6 кВт/кг.  

• Высокая частота вращения вала турбины.  

• Виды топлива: керосин, дизельное топливо, газообразное топливо, твёрдое топливо.  

• Преимущества: отсутствие кривошипно-шатунного механизма, большие мощности, высокий термический КПД, использование дешёвых видов топлива.  

• Недостатки: низкая экономичность, высокий расход топлива.  

• Малая энергетика, военная техника, нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия.  

• Быстрый запуск и высокая степень автоматизации.  

• Три основных цикла: Брайтона, с подводом теплоты при постоянном объёме, с регенерацией теплоты.  

• Электрогенератор, топливный бак, топливный насос, форсунка, камера сгорания, турбина, компрессор, утилизатор.  

• Процесс сжатия воздуха, нагрев в утилизаторе, воспламенение горючей смеси, раскручивание турбины.  

• Рабочая диаграмма в координатах PV и тепловая диаграмма в координатах TS.  

• Четыре процесса цикла: сжатие воздуха, подвод теплоты, сгорание топлива, расширение газов.  

• Процесс ЗБ: дебатное расширение продуктов сгорания на лопатках турбины, преобразование тепловой энергии в механическую.  

• Процесс Б: изобарный отвод теплоты в атмосферу, замыкание цикла.  

• Исходные характеристики цикла Брайтона: степень повышения давления в компрессоре и степень предварительного расширения.  

• Параметры в характерных точках цикла: давление, температура, удельный объём.  

• Показатель адиабаты k выбирается из таблиц для каждого газа, обычно k = 1,4 для двухатомных газов.  

• Термический КПД рассчитывается через подведённую и отведённую теплоту.  

• Термический КПД зависит от степени повышения давления в компрессоре и показателя адиабаты.  

• Увеличение p ограничивает жаропрочность материала лопаток.  

• Снижение температуры горения топлива за счёт подачи излишнего количества воздуха.  

• Схема работы: общий вал, электрогенератор, ступень турбины, компрессор, бак для топлива, топливный насос, камера сгорания с клапанами.  

• Особенности камеры сгорания: общий клапан для подачи выхлопных газов, два клапана для подачи воздуха и топлива.  

• Работа установки: раскручивание вала турбины, сжатие воздуха, подача топлива, сгорание смеси, импульсная работа турбины.  

• Импульсный режим работы снижает ресурс лопаток турбины.  

• Современные ГТУ предпочитают цикл Брайтона из-за большего ресурса.  

• Цикл с подводом теплоты при постоянной температуре имеет более высокий термический КПД.  

• Четыре процесса цикла: адиабатное сжатие воздуха, сгорание в закрытой камере, дебатное расширение в сопловом аппарате, изобарный отвод теплоты в атмосферу.  

• Исходные характеристики: степень повышения давления в компрессоре p и камере сгорания λ.  

• Параметры в характерных точках: давление, температура, удельный объём.  

• Сравнение циклов Брайтона и с подводом теплоты при постоянной температуре на тепловой диаграмме.  

• Цикл с подводом теплоты при постоянной температуре имеет большую площадь и является более эффективным.  

• Ограничения цикла с подводом теплоты при постоянной температуре: сложность конструкции камеры сгорания и снижение надёжности рабочего колеса с пульсирующим потоком.  

• Регенератор повышает эффективность и экономичность ГТУ.  

• Регенератор нагревает воздух за счёт теплоты отработавших газов.  

• Схема ГТУ с регенератором включает теплообменник, через который проходят воздух и отработавшие газы.  

• Процесс АЦ: адиабатное сжатие воздуха в компрессоре.  

• Процесс Ц1: изобарный подогрев воздуха в регенераторе.  

• Процесс 1З: изобарный подвод теплоты в камеру сгорания.  

• Процесс ЗБ: адиабатное расширение в сопловом аппарате.  

• Процесс Б2: изобарное охлаждение газа в регенераторе.  

• Процесс 2А: изобарный отвод теплоты.  

• Часть теплоты, которая могла бы уйти с отработавшими газами, возвращается в цикл, повышая эффективность.  

• Схема не применима на авиационных ГТУ из-за больших размеров регенератора.  

• При идеальной регенерации воздух можно нагреть до температуры, равной температуре отработавших газов, а продукты сгорания охладить до температуры, равной температуре воздуха.  

• Рекомендация ознакомиться с дополнительной литературой по устройству и циклам работы ГТУ.