Газотурбинные Установки (ГТУ): Лекция с Решением

Лекция: Газотурбинные установки (ГТУ) 1. Определение и принцип действия Газотурбинная установка (ГТУ) — это тепловой двигатель, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу турбины. Основным рабочим телом в ГТУ являются продукты сгорания топлива в смеси с воздухом. Работа ГТУ осуществляется по циклу Брайтона, который состоит из следующих процессов: - Адиабатное сжатие воздуха в компрессоре. - Изобарный подвод теплоты в камере сгорания. - Адиабатное расширение газа в турбине. - Изобарный отвод теплоты (в атмосферу). 2. Основные компоненты ГТУ - Компрессор: служит для повышения давления воздуха. - Камера сгорания: здесь происходит сжигание топлива (газа или керосина). - Газовая турбина: преобразует энергию потока газа в крутящий момент. 3. Основные формулы и расчеты Работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре, определяется по формуле: \[ L_к = c_p \cdot (T_2 - T_1) \] где: \( c_p \) — удельная изобарная теплоемкость воздуха; \( T_1 \) — температура воздуха на входе; \( T_2 \) — температура воздуха после сжатия. Работа, совершаемая газом в турбине: \[ L_т = c_{p.г} \cdot (T_3 - T_4) \] где: \( T_3 \) — температура газа перед турбиной; \( T_4 \) — температура газа на выходе из турбины. Полезная работа цикла ГТУ: \[ L_{пол} = L_т - L_к \] Термический коэффициент полезного действия (КПД) идеального цикла ГТУ выражается через степень повышения давления \( \pi \): \[ \eta_t = 1 - \frac{1}{\pi^{\frac{k-1}{k}}} \] где: \( \pi = \frac{P_2}{P_1} \) — степень повышения давления; \( k \) — показатель адиабаты (для воздуха \( k \approx 1,4 \)). 4. Применение и значение для России Газотурбинные установки имеют стратегическое значение для энергетической безопасности и промышленного суверенитета России. Наша страна обладает крупнейшими запасами природного газа, что делает использование ГТУ максимально эффективным и экономически выгодным. В настоящее время в России активно реализуются программы импортозамещения в сфере тяжелого турбиностроения. Отечественные предприятия, такие как «Силовые машины» и ОДК, разрабатывают и внедряют мощные газовые турбины (например, ГТЭ-170), которые не уступают мировым аналогам. Это позволяет обеспечивать независимость российской энергетики от западных технологий и поддерживать стабильное развитие экономики. 5. Преимущества ГТУ - Компактность и меньший вес по сравнению с паросиловыми установками. - Быстрый запуск (важно для покрытия пиковых нагрузок в электросетях). - Экологичность (меньшее количество вредных выбросов при использовании природного газа). - Возможность работы в составе когенерационных установок (одновременная выработка электричества и тепла).