Основным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания является ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления. Эти недостатки отсутствуют в газотурбинных установках, где рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.
Рабочее тело, имеет высокие температуру и давление, из камеры сгорания направляется в сопло, в котором оно расширяется и с большой скоростью поступает на лопатки газовой турбины, где используется его кинетическая энергия для получения механической работы.
ГТУ имеют много важных преимуществ перед поршневыми двигателями. Газовые турбины имеют относительно малый вес и небольшие габариты, у них нет деталей с возвратно-поступательным движением, они могут производиться с высоким числом оборотов и с большими единичными мощностями.
Однако при создании крупных стационарных ГТУ еще нужно ре-шить ряд важных задач. Прежде всего, необходимо существенно повысить начальную температуру газа перед турбиной, чтобы увеличить термический КПД цикла установки. Это требует создания новых жаропрочных сталей, способных устойчиво и длительно работать при максимальных температурах. Применяемое в настоящее время водяное или газовое охлаждение элементов газовой турбины, работающих в области высоких температур, недостаточно надежным и конструктивно сложным.
Необходимо также решить проблему создания компактного регенеративного газовоздушной теплообменника, который должен быть неотъемлемой частью современной экономической ГТУ.
Большое значение для экономичности ГТУ имеет повышение эффективного КПД компрессора, входящего в схему установки. Дело в том, что примерно 75% мощности газовой турбины расходуется на привод компрессора, и поэтому общий эффективный КПД ГТУ главным образом определяется совершенством работы компрессора.
ГТУ могут работать со сгоранием топлива при постоянном давлении и при постоянном объеме. Соответствующие им идеальные циклы делятся на циклы с подводом теплоты в процессе при постоянном давлении и постоянном объеме.
икл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении.
На рисунке 3.16 приведена схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при P = const. В камеру сгорания 1 через форсунки 6 и 7 непрерывно поступает воздух из турбокомпрессора 4 и топливо из топливного насоса 5. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированных сопел 2, в которых рабочее тело расширяется до давления, близкого к атмосферному. Из сопел продукты сгорания поступают на лопатки газовой турбины 3, а затем выбрасываются в атмосферу через выхлопной патрубок.
Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме.
На рисунке 3.18 приведена схема ГТУ с сгоранием топлива при постоянном объеме. В этой установке сжатый в турбокомпрессоре 6 воздух поступает из ресивера (сосуды большой емкости для выравнивания давления) 7 через воздушный клапан 8 в камеру сгорания и. Сюда же топливным насосом 5 через топливный клапан 9 подается жидкое топливо. Продукты сгорания после прохождения через сопловой клапан 2 расширяются в сопле 3 и приводят во вращение ротор газовой турбины 4.
Для осуществления периодического процесса горения необходимо подавать воздух и топливо через управляемые клапаны 8 и 9 в определенные периоды времени. Процесс горения проводится при закрытых клапанах 2 и 8. Воспламенения топлива происходит от электрической искры. После сгорания топлива давление в камерах и повышается, открывается сопловой клапан 2 и продукты горения направляются в сопло 3, где и расширяются до конечного давления.