Thermodynamical analysis of isothermal gas turbine cycles

Authors of the present paper propose a new gas turbine cycle which includes an isothermal process implemented by internal combustion turbine. It is possible to achieve an isothermal expansion of gases if heat released during the combustion of gas is equal to the mechanical work of expansion. The question is how to control the amount of heat released in combustion. According to authors' idea it is possible by continuous supply of fuel during the expansion process. It can be done for example by supplying gas through the channels inside the blades of turbine and, at the same time gas is the cooling medium for blades. In this paper basic thermodynamic calculations are described basing on the assumptions that gas can be treated as semi-ideal, the combustion of fuel in turbine is complete, the internal efficiency of gas compressor is equal to 0.8 and that methane is used as a fuel. Results of calculations of two different concepts of cycles with an isothermal gas turbine are presented. The conclusion is that maximal efficiency reaches the level of 55%, which is a high value compared with currently used in industrial practice. This proves that the presented idea is very promising but a lot of experimental and numerical work has to be done before industrial application.

---

Autorzy niniejszego artykułu przedstawili nową ideę obiegu termodynamicznego realizującego izotermiczne rozprężanie w turbinach gazowych. Możliwa jest realizacja przemiany izotermicznego rozprężania gazu, pod warunkiem, że praca wykonana przez gaz będzie równa energii dostarczanej z paliwem w trakcie całego procesu ekspansji w turbinie. Taka przemiana musiałaby zachodzić przy ciągłym dostarczaniu paliwa do rozprężanego gazu. W turbinie gazowej jest to możliwe na przykład przez łopatki wirnika; wtedy podawane paliwo mogłoby dodatkowo pełnić rolę czynnika chłodzącego. W celu utrzymania stałej temperatury podawane paliwo ulegałoby spaleniu w trakcie rozprężania w turbinie. W tym artykule zaprezentowano wyniki obliczeń termodynamicznych, dla zaproponiwanych przez autorów dwóch nowych koncepcji obiegów realizujących rozprężanie izotermiczne w turbinie gazowej. Obliczenia te były wykonane dla następujących założeń: gaz traktowany jest jako pół-doskonay, spalanie jest zupełne, sprawność wewnętrzna turbiny jest równa 0.8 a czysty metan jest użyty jako paliwo. Sprawność energetyczna proponowanych obiegów jest o ok. 10% wyższa niż sprawność aktualnie pracujących układów turbin gazowych, co pozwoliłoby na poważne oszczędności paliw. Prezentowane obiegi izotermicznej turbiny gazowej są jak na razie jedynie bardzo atrakcyjna ideą. Do jej zrealizowania konieczne byłoby podjęcie szczegółowych badań zarówno numerycznych jak i eksperymentalnych.