16.4. Цикл с многоступенчатым сжатием воздуха и промежуточным охлаждением

Термический КПД ГТУ можно также повысить, введя ступенчатый подогрев рабочего тела и ступенчатое сжатие воздуха в компрессоре с охлаждением между ступенями.

Схема газотурбинной установки, имеющей регенерацию, представлен на рис. 68, а цикл ГТУ с регенерацией, промежуточным охлаждением, подогревом рабочего тела и изобарным подводом теплоты на рис. 69.

Рисунок 68 – Схема газотурбинной установки со ступенчатым сгоранием, ступенчатым сжатием в компрессоре и с регенерацией: 1 – топливный насос; 2 – камера сгорания; 3 – первая ступень газовой турбины; 4 – вторая ступень газовой турбины; 5 – камера сгорания; 6 – теплообменник-регенератор; 7 – компрессор второй ступени; 8 – компрессор первой ступени 9 – теплообменник-холодильник; 10 – потребитель энергии.

Воздух, всасываемый из атмосферы, сжимается адиабатно 1–1’ в первой ступени компрессора. Затем он попадает в теплообменник-холодильник, где охлаждается при постоянном давлении 1–1” до первоначальной температуры и далее по адиабате 1”–2 сжимается во второй ступени компрессора.

Сжатый воздух поступает в теплообменник регенератор, где подогревается по изобаре 2–8. Подогретый в регенераторе воздух попадает в камеру сгорания, в которой подогревается дополнительно за счет подвода теплоты по изобаре 8–4, от горячего источника теплоты (за счет сгорания топлива, поданного насосом).

Рабочее тело с параметрами точки 4 подается в первую ступень газовой турбины, где происходит адиабатный процесс расширения 4–4’. Отработавшее в первой ступени рабочее тело вновь подается в камеру сгорания и по изобаре 4’–4” подогревается до температуры в точке 4 за счет подвода теплоты . Далее на вторую ступень газовой турбины, где расширяется по адиабате 4”–5.

Отработавшее в турбине рабочее тело поступает в теплообменник-регенератор, где отдает теплоту проходящему по змеевику воздуху по изобаре 5–7, выбрасывается в атмосферу и охлаждается по изобаре 7–1. Выработанная установкой энергия используется потребителем.

Чем больше промежуточных ступеней подогрева и охлаждения, тем выше термический КПД цикла. Действительно, если представить, что в цикле показанном на рис. 70 в процессе 2–3 теплота подводится к рабочему телу только за счет охлаждения рабочего тела в процессе 4–1, то в силу эквидистантности процессов эти теплоты не должны учитываться при определении термического КПД цикла.

υ

Рисунок 69 – Цикл ГТУ с регенерацией, промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, промежуточным подогревом рабочего тела, с подводом теплоты при постоянном давлении.

Для определения КПД цикла ГТУ с большим числом ступеней сжатия и сгорания представим приближенно теплоты (теплота, подведенная к рабочему телу в процессе 3–4) и (теплота, отведенная от рабочего тела в процессе 1–2) в виде

где , –изменение энтропии в соответствующих процессах.

Рисунок 70 – Цикл ГТУ с большим количеством промежуточных ступеней подогрева и охлаждения рабочего тела с изобарным подводом теплоты.

Тогда термический КПД такого цикла будет равен

.

Ввиду эквидистантности кривых 2 – 3 и 4 – 1 , отсюда