Промежуточный подогрев газа в цикле ГТУ (ППГ)
|
|
Увеличение полезной работы цикла может быть достигнуто не только за счет уменьшения работы, затрачиваемой на сжатие воздуха, но и за счет увеличения работы расширения в газовой турбине. Работа расширения будет максимальной, если процесс будет осуществлен изотермически. Увеличение полезной работы цикла ГТУ при изотермическом расширении газа показано на рис. 61.
| Рис. 61. Цикл ГТУ с изотермическим расширением газа в газовой турбине. |
Но изотермическое расширение, как и изотермическое сжатие, в реальных установках осуществить технически сложно, поэтому его заменяют процессом ступенчатого сжигания топлива в камерах сгорания, последовательно расположенных по ходу движения газа между турбинами (цикл с промежуточным подогревом газа – ППГ).
Схема ГТУ с трехступенчатым сжиганием топлива показана на рис. 62, а термодинамический цикл такой установки – на рис. 63.
|
Рис. 62. Схема ГТУ с трехступенчатым промежуточным подогревом газа (ППГ) в камерах сгорания. |
Воздух, сжатый в компрессоре до параметров 
, поступает в камеру сгорания высокого давления – КСВД. Из нее образовавшаяся смесь продуктов сгорания и избыточного воздуха поступает в ТВД, совершает полезную работу расширения и направляется в камеру сгорания среднего давления – КССД. Вследствие большого коэффициента избытка воздуха топливо в КССД сгорает без дополнительной подачи воздуха. Из КССД горячие газы поступают в ТСД, расширяются в ней и направляются в камеру сгорания низкого давления – КСНД, где осуществляется еще одна ступень подогрева газа. После последнего подогрева в КСНД горячие газы окончательно расширяются в ТНД и выбрасываются в атмосферу.
Рабочий цикл ГТУ, построенной по схеме ППГ, состоит из следующих термодинамических процессов:
| – | сжатие воздуха в компрессоре; |
| – | изобарный подвод теплоты (сгорание топлива) в КСВД; |
| – | расширение газов в ТВД; |
| – | изобарный подвод теплоты в КССД (повторное сгорания топлива); |
| – | расширение газов в ТСД; |
| – | изобарный подвод теплоты в КСНД; |
| – | окончательное расширение газов в ТНД; |
| – | изобарное охлаждение газов в атмосфере (условный замыкающий процесс. |
|
|
При рассмотрении цикла ППГ видно: увеличение числа ступеней подогрева (камер сгорания и турбин) до бесконечности приближает процесс расширения газа к изотермическому. Однако для судовых ГТУ число ступеней промежуточного подогрева газа редко делают более двух из-за значительного усложне-ния и удорожания установки. Дальнейшее увеличение числа промежуточных ступеней подогрева дает менее существенное повышение КПД из-за роста гидравли-ческих сопротивлений по ходу движения газа.
| Рис. 63. Термодинамический цикл ГТУ с трехкратным промежуточным подогревом газа. |
Промежуточный подогрев газа оказывает примерно такое же влияние на КПД цикла ГТУ без регенерации, как и ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением воздуха. Однако при наличии в цикле регенерации применение схемы ППГ дает более ощутимый экономический эффект, чем схема с ПОВ.
В практике газотурбостроения при создании мощных ГТУ нередко применяют сочетание циклов ПОВ и ППГ в одной установке. Такая комбинация схем, несмотря на усложнение установки, позволяет не только значительно повысить КПД, но и еще в большей степени увеличить оптимальную степень повышения давления и, в итоге, резко увеличить единичную мощность ГТУ. Схема такой установки и ее термодинамический цикл показаны на рис. 64.
|
Рис. 64. Схема и термодинамический цикл ГТУ с двухступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха и двухступенчатым подогревом газа. |
При рассмотрении цикла установки с комбинацией ПОВ и ППГ нетрудно заметить, что общий сложный цикл состоит из трех простых: основного цикла и присоединенных к нему циклов ПОВ и ППГ. Так как КПД идеального цикла ГТУ зависит только от степени сжатия воздуха в компрессоре – 
, то КПД основного цикла всегда выше, чем каждого из присоединенных. Таким образом, присоединенные циклы понижают общую степень сжатия сложного цикла и в чистом виде, без применения регенерации теплоты, несколько снижают общий КПД установки. Однако использование регенерации в совокупности с циклами ПОВ и ППГ позволяет значительно повысить КПД и экономичность ГТУ.