Создание высокоэффективных микротурбин с независимыми частотами вращения компрессора и турбины

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 62-18

Создание высокоэффективных микротурбин с независимыми частотами вращения компрессора и турбины

В.В. Барсков, В.А. Рассохин,

С.Н. Беседин, А.В. Осипов

Рассмотрена возникающая при проектировании малоразмерных турбогенераторов проблема выбора оптимальной тепловой схемы и компоновки для получения максимального КПД установки. Описан опыт работы по созданию малоразмерных турбомашин. Указаны особенности разработанной установки и эффективность ее использования. Приведены основные способы повышения КПД установки и ограничения при его оптимизации. Даны рекомендации по выбору схемы и компоновки малоразмерного турбогенератора.

Ключевые слова: тепловая схема, компоновка, турбогенератор, малоразмерные турбомашины, раздельный привод, синхронный генератор, МГТГ.

Опыт использования импортных газотурбинных генераторов, выпускаемых компаниями «Elliott», «Capstone» и «Turbec», позволяет утверждать, что малогабаритные газотурбинные генераторы (МГТГ) востребованы в нашей стране. Это объясняется тем, что такие установки имеют длительный ресурс, низкий уровень NO_х, возможность работы на различных видах энергоносителей, относительно высокий КПД и могут эффективно использоваться в различных условиях [7; 8].

Многообразие потребителей энергии и требований к виду и качеству энергообеспечения заставляет по-новому взглянуть на роль автономных энергетических агрегатов малой мощности (от десятков киловатт до нескольких мегаватт) в общей структуре энергетики. В условиях современной государственной политики и курса экономики на импортозамещение в ближайшей перспективе серьезное внимание следует уделить сооружению отечественных, относительно дешевых автономных энергетических установок (АЭУ) малой мощности, различного назначения, финансирование которых возможно как из местных бюджетов, так и за счет инвестиций частного капитала.

В 2007-2013 гг. в ООО «НТЦ «Микротурбинные технологии» совместно с кафедрой «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели» СПбПУ были проведены работы по созданию высокоэффективной микротурбинной установки с регенерацией МТГ-100 электрической мощностью 100 кВт (рис. 1).

Особенности МТГ-100:

· высокоэффективные радиально-осевые турбина и компрессор;

· высокооборотный синхронный генератор на постоянных магнитах;

· лепестковые газодинамические подшипники;

· силовой электронный преобразователь;

· автоматическая система управления;

· отсутствие передаточного редуктора.

Технические характеристики МТГ-100:

· номинальная электрическая мощность ? 100 кВт;

· тепловая мощность ? 172 кВт;

· КПД электрический ? не менее 31%;

· скорость вращения ротора ? 60000 об/мин;

· назначенный срок службы ? 20 лет.

Эффективность использования МГТГ малой мощности определяется:

· сравнительно низкой себестоимостью производства электроэнергии;

· относительно высоким КПД;

· высокой надежностью энергоснабжения;

· независимостью режима работы от загруженности энергосистемы;

· уменьшением отчуждения территории под крупное энергетическое строительство;

· применением перспективных современных технологий и технических решений при создании новой техники;

· мобильностью использования;

· быстрым временем развертывания, от возникновения потребности до ввода в эксплуатацию;

· длительной работой на холостом ходу, без выработки ресурса;

· простотой эксплуатацией (по сравнению с дизель-генераторами [1]).

Рис. 1. 3D-модель МТГ-100 с регенерацией: 1 - синхронный генератор на постоянных магнитах; 2 - колесо компрессора; 3 - улитка компрессора; 4 - газосборник турбины; 5 - выходной диффузор турбины; 6 - колесо турбины; 7 - подшипниковый узел; 8 - всасывающий патрубок компрессора

Особенности проектирования МГТГ. При проектировании малогабаритных газотурбогенераторов открытого типа возникает противоречие двух параметров: с одной стороны, стремление получить высокий КПД, с другой - малогабаритность.

МГТГ, как любая другая газовая турбина, - ротационная тепловая машина, в которой внутренняя энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию ротора. Таким образом, необходимым условием осуществления процесса преобразования энергии в турбине является разность давлений газа между входом в турбину (Р₃) и за ней (Р₄). Это степень понижения давления в турбине р_т = P₃/P₄ >1. Часть механической энергии, получаемой в турбине, затрачивается на повышение давления рабочего тела в компрессоре. При этом полезная работа в МГТГ может быть представлена как разность между работой, полученной при расширении газа в турбине, Н_т и работой, затраченной при его сжатии в компрессоре, Н_к:

Н= Н_т Н_к .

Отношение полезной работы МГТГ к работе турбины - коэффициент полезной работы:

= = 1 .

В качестве источника теплоты используется химическая энергия топлива, превращающаяся в теплоту при его окислении кислородом, входящим в состав воздуха, который используется в качестве рабочего тела. Процесс окисления происходит в камере сгорания.

Анализ тепловых схем. Совокупность оборудования, входящего в состав МГТГ, образует тепловую схему [3; 5].

Задачей исследования тепловых схем МГТГ является определение показателей МГТГ в зависимости от параметров оборудования:

· степени повышения давления в компрессоре р_к;

· температуры газа перед турбиной Т₃;

· степени возврата тепла в рекуператоре .

Первые два параметра описываются циклом, в котором подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении, - циклом Брайтона.

Цикл Брайтона состоит из процесса обратимого адиабатического сжатия газа в компрессоре. В камере сгорания осуществляется подвод теплоты к газу при постоянном давлении, вследствие чего удельный объем и температура газа возрастают. Далее идет процесс обратимого адиабатического расширения газа в турбине с последующим отводом теплоты к холодному источнику (в окружающую среду) [2].

Расширяясь в газовой турбине, рабочее тело развивает механическую работу, достаточную как для обеспечения процесса сжатия газа в компрессоре, так и для получения полезной механической работы, передаваемой потребителю в виде электроэнергии.

В зависимости от степени повышения давления в цикле р_к возрастают давление и плотность газа перед турбиной. Поэтому габаритные размеры компрессора и газовой турбины при одной и той же полезной мощности будут значительно меньше (по мере увеличения р_к) [4].

Вследствие гидравлических потерь во входном устройстве давление воздуха перед компрессором ниже давления окружающей среды. Сопротивление тракта между компрессором и турбиной понижает давление перед турбиной. Сопротивление тракта за турбиной повышает давление за турбиной. Как следствие, степень понижения давления в турбине меньше степени повышения давления в компрессоре [4].

Способы повышения КПД МГТГ. Первый способ - это применение регенеративного подогрева воздуха перед его поступлением в камеру сгорания. Повышение температуры воздуха осуществляется в специальном теплообменнике - рекуперативном воздухоподогревателе (РВ) за счет теплоты газов, покидающих МГТГ (рис. 2).

Количество теплоты, передаваемой воздуху в РВ, характеризуется степенью регенерации , которая определяется как отношение действительной величины повышения энтальпии воздуха в РВ к максимальной величине энтальпии, при которой температура воздуха за РВ становится равной температуре газа за турбиной [5].

При сжатии воздуха в компрессоре температура воздуха за компрессором повышается, что накладывает ограничение на степень сжатия в компрессоре, так как температура воздуха за компрессором должна быть меньше температуры газа за турбиной в пропорции от степени регенерации.

Ограничение р_к является ограничением КПД компрессора. Кроме того, степень регенерации напрямую зависит от площади соприкосновения потоков воздуха и отходящих газов. Площадь соприкосновения напрямую связана с габаритами РВ, и если на габариты компрессора и турбины можно повлиять, например путем увеличения р_к или температуры перед турбиной, то РВ не подлежит уменьшению размеров. К тому же кроме площади теплообменника следует учитывать размеры теплоизоляции, которая уменьшает тепловые потери в окружающую среду. Таким образом, использование РВ в малогабаритном газотурбогенераторе ведет к отказу от самой идеи малогабаритности [2; 4].

Включение РВ в схему МГТГ вызывает дополнительные потери давления, которые изменяются пропорционально величине теплопередающей поверхности. Степень понижения давления в турбине падает, что вызывает снижение полезной работы МГТГ. Однако в каждом конкретном случае вопрос о применении регенерации должен решаться с учетом результатов технико-экономического анализа [2].

Вторым способом повышения КПД МГТГ является повышение температуры газа перед турбиной (рис. 3).

Рис. 2. Зависимость КПД от степени повышения давления воздуха в компрессоре реального МГТГ с регенерацией при

Следует учитывать, что турбина в подобных МГТГ работает с запасом прочности k 1,5. Поэтому повышение температуры газа перед турбиной требует снижения частоты вращения, что в одновальной конструкции приводит к снижению _к, и новых конструктивных и технологических решений, таких как:

· применение более жаростойких и жаропрочных материалов;

· применение керамики;

· охлаждение соплового аппарата турбины;

· охлаждение рабочих лопаток.

Основными требованиями к новым материалам для МГТГ являются:

· предсказуемость поведения при высоких уровнях нагрузки;

· высокая прочность и жесткость;

· высокая жаростойкость и жаропрочность;

· низкая плотность;

· низкая себестоимость.

К перечисленным требованиям следует добавить:

· технологичность при изготовлении деталей;

· сопротивляемость к образованию ТПУ-фаз;

· низкий технологический разброс свойств;

· управляемость коэффициентом термического расширения;

· унифицированность по температуре применения.

Кроме того, повышение температуры газа перед турбиной ведет:

· к увеличению расхода воздуха на охлаждение статора и ротора турбины;

· применению более сложной камеры сгорания;

· усложнению конструкции, компенсирующей большие температурные расширения деталей;

· снижению надежности;

· снижению ресурса;

· повышению стоимости изготовления [9].

Малоразмерные ГТГ выделяют в особый класс благодаря существенному влиянию размеров двигателя (дополнительно отягощенному технологическими ограничениями) на выбор параметров и конструкцию двигателя. В этом типе ГТГ чрезвычайно существенно влияние вторичных потерь, всевозможных утечек, уступов и т.п. факторов, в значительной степени определяющих экономическую эффективность. Именно поэтому лопатки МГТГ первых поколений выполнялись неохлаждаемыми.

В настоящее время применение доступных материалов типа ЖС30М, ЖС32, ЖС32У, ЖС36 и ЖС40 позволяет иметь температуру газа перед турбиной до 1373К [10].

Применительно к малоразмерным газотурбогенераторам все перечисленные проблемы значительно усложняют конструкцию. Как и вопрос с регенерацией, вопрос о повышении температуры газа перед турбиной должен решаться с учетом результатов технико-экономического анализа.

Рис. 3. Зависимость КПД от степени повышения давления воздуха в компрессоре реального МГТГ без регенерации при разных



Третьим способом является достижение оптимальной степени повышения давления в компрессоре р_к при увеличении частоты вращения компрессора (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость КПД от степени повышения давления воздуха в компрессоре реального МГТГ без регенерации с приводом компрессора от отдельного электродвигателя при разных значениях КПД компрессора

Рассматриваемые МГТГ работают по циклу Брайтона, термический КПД которого определяется выражением

з_t = 1= 1 , (1)

где Т₁ - температура перед компрессором; Т₂ - температура на выходе из компрессора;

р_к - степень повышения давления в компрессоре; к - показатель адиабаты воздуха.

Из уравнения (1) следует, что термический КПД цикла МГТГ зависит только от степени повышения давления воздуха в компрессоре. При этом чем выше степень повышения давления в компрессоре, тем больше термический КПД цикла.

Ограничения при оптимизации КПД. Работа МГТГ связана с потерями энергии в компрессоре и турбине. Для оценки эффективности работы МГТГ рассмотрим влияние этих потерь через внутренний КПД МГТГ:

Введем отношение работы компрессора к работе турбины:

Тогда после преобразования

где з_к - внутренний КПД компрессора; з_т - внутренний КПД турбины; - коэффициент отношения работы компрессора к работе турбины [2].

На рис. 5 приведен график зависимости от _к. Из графика видно, что при увеличении _к коэффициент полезной работы уменьшается.

Рис. 5. Зависимость коэффициента полезной работы цикла простой тепловой схемы МГТГ без рекуперации от _к при

Рекомендации по проектированию. Повышение р_к наиболее перспективно осуществить в простой тепловой схеме, когда вал компрессора МГТГ не будет механически связан с валом турбины и может иметь любую частоту вращения. Поэтому есть возможность раздельной оптимизации турбины и компрессора, где основным объединяющим критерием будет массовый расход воздуха.

Следует учитывать, что с повышением р_к увеличивается плотность воздуха, что при всех прочих равных условиях ведет к уменьшению геометрических размеров проточных частей турбомашин. В малоразмерных ГТГ явным преимуществом обладают центробежные компрессоры [4].

Важным параметром рабочего колеса компрессора является втулочное отношение:

· Увеличение диаметра входа в РК приводит к повышению относительной скорости на входе в РК (потери в РК пропорциональны кинетической энергии h_w = 0,5 щ²).

· Понижение высоты лопаток на входе приводит к потерям на трение и потерям в зазоре на торце лопаток.

Рис. 6. Цикл предлагаемого МГТГ простого типа с приводом компрессора от отдельного электродвигателя (?к = 20): Н - 1 ? изотермический процесс течения рабочего тела во входном устройстве; 1 - 2t ? адиабатный процесс сжатия в компрессоре; 1 - 2 ? политропный процесс сжатия в компрессоре; 2 - 3 ? процесс подвода тепла в камере сгорания; 3 - 4t ? адиабатный процесс расширения в турбине; 3 - 4 ? политропный процесс расширения в турбине; 4 - Н1 ? изотермический процесс течения рабочего тела в выходном устройстве; Н-Н1 ? изобарный процесс отвода тепла

Рис. 7. Предлагаемая тепловая схема газотурбогенератора: 1 - комплексное воздухоочистительное устройство; 2 - компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - турбина; 5 - генератор; 6 - электродвигатель; 7 - блок силовой электроники генератора; 8 - блок силовой электроники электродвигателя (пусковое устройство); 9 - аккумуляторы

Отсюда следует, что с точки зрения компрессора желательна компоновка с консольным расположением РК компрессора. В этом случае исключается одна из проблем проточной части компрессора.

За рабочим колесом расположен безлопаточный диффузор. Стенки его гладкие, радиальная и тангенциальная составляющие скорости изменяются приблизительно обратно пропорционально радиусу. В безлопаточном диффузоре значительная часть кинетической энергии преобразуется во внутреннюю и потенциальную, уменьшая скорость потока. Если вместо лопаточного диффузора использовать улитку, то снизятся потери энергии, характерные для больших положительных или отрицательных углов атаки на лопатки диффузора [2; 4].

Напряжение от аккумулятора поступает на трехфазный широтно-импульсный генератор, с которого подается напряжение на электродвигатель привода компрессора. Обороты последнего повышаются, выводя компрессор на нужный режим. Если бы это происходило на одновальном роторе, то пришлось бы тратить значительную часть мощности на раскручивание рабочего колеса турбины [1].

Для нормальной работы компрессора воздух очищается в комплексном воздухоочистительном устройстве. Для работы газодинамических лепестковых подшипников необходимо сделать отбор из основного тракта перед компрессором. Отработанный воздух из газодинамических подшипников поступает к обмоткам электродвигателя и охлаждает их [6].

В случае использования газодинамических лепестковых подшипников для ротора турбины необходимо применить воздушный фильтр и вентилятор. Далее отработанный воздух возможно использовать для охлаждения обмоток генератора.

Преимущества МГТГ с приводом компрессора от отдельного электродвигателя и повышенным р_к:

· повышение термического КПД цикла;

· отсутствие зон помпажа за счет широтно-импульсного управления компрессором;

· упрощение ротора (замена одного длинного гибкого ротора на два коротких жестких ротора);

· уменьшение размеров как компрессора, так и турбины (при увеличении р_к повышается плотность рабочего тела);

· уменьшение перепада температур по длине роторов;

· оптимизация компоновки МГТГ за счет пространственного расположения компрессора и турбины (из-за отсутствия общей оси вращения);

· упрощение ремонта МГТГ, так как компрессор или турбину можно заменять независимо друг от друга;

· упрощение конструкции;

· снижение металлоемкости за счет исключения общего условного корпуса;

· использование оптимальных по температуре и прочности металлов для корпусов;

· применение газодинамических лепестковых подшипников;

· упрощение запуска МГТГ, алгоритм которого отличается в лучшую сторону от запуска одновального МГТГ [7].

По опыту создания МГТГ и проведенным расчетам наиболее перспективен вариант установки без рекуперации с отдельным приводом компрессора от электрического двигателя, широтно-импульсным управлением и применением газодинамических лепестковых подшипников. Это позволит получить оптимальную компоновку МГТГ, максимальный КПД установки, а также избежать зон помпажа на всех режимах работы МГТГ, так как при диапазоне регулирования частот вращения компрессора от 10000 до 100000 об/мин возможно оперативное изменение рабочей точки компрессора, когда развиваемое им давление равно противодавлению сети при одинаковых расходах G_t = G_k.

Таким образом, малоразмерный газотурбинный генератор с приводом компрессора от отдельного электродвигателя и повышенным р_к может иметь полный КПД до 0,35. Кроме того, такой МГТГ будет иметь оптимальные массогабаритные показатели.

турбогенератор тепловой проектирование

Список литературы

1. Кириллов, И.И. Теория турбомашин/ И.И. Кириллов. - 2-е изд, перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1972. - 533 с.

2. Галеркин, Ю.Б. Турбокомпрессоры: учеб. пособие / Ю. Б. Галеркин, Л. И. Козаченко. - СПб.: СПбГПУ, 2008.

3. Рассохин, В.А. Основные направления развития микротурбинных технологий в России и за рубежом / В.А. Рассохин, Н.А. Забелин, Ю.В. Матвеев//Научно-технические ведомости СПбГПУ. -- 2011 .-- № 4(135). -- С. 41-51.

4. Беседин, С.Н. Микротурбинный генератор электрической мощности 100 кВт (МТГ 100)/ С.Н. Беседин, В.А. Рассохин, Е.И. Окунев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2010. - №3(106). - С.57-61.

5. Беседин, С.Н. Научно-техническое обоснование и практическая реализация создания микротурбинного генератора мощностью 100 кВт на основе современных расчетно-экспериментальных методов :дис. …канд. техн. наук/С.Н. Беседин. -- СПб., 2011 .-- 298 с.

6. Беседин, С.Н. Разработка и создание автономных энергетических установок малой мощности на базе газотурбинного цикла простой схемы с сильно развитой системой регенерации тепла /С.Н. Беседин, H.A. Забелин, С.Ю. Олейников, В.Г. Полищук, В.А. Рассохин, Г.Л. Раков, Г.А. Фокин// Инновационная политика и изобретатели (Россия - начало XXI века) : материалы Межрегион. науч.-техн. конф. изобретателей и каталог Городской выставки изобретений (28-29 апр. 2009 г.) / Творческий союз изобретателей Санкт-Петербурга; С.-Петерб. гос. политехн. ун-т.

7. Андреев, К.Д. Энергетические машины: Теплообмен в системах охлаждения газовых турбин : учеб.пособие для вузов/К.Д. Андреев [и др.]; под ред. В.А. Рассохина, В.Г. Полищука .-- СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2008. - 294 с.

8. Соколов, Н. П. Энергетические машины: Определение величины погрешности при экспериментальных исследованиях : учеб. пособие/Н.П. Соколов [и др.]; под ред. В. А. Рассохина, В. Г. Полищука .-- СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2008 .-- 207 с.

9. Электрическая машина: пат. 2279174 РФ / Сеньков А.А. - Бюл. №18. - 2006. - 3 c.

10. Электрическая машина: пат. 2348098 РФ / Сеньков А. П., Калмыков А. Н., Михайлов В. М., Сеньков А. А. - Бюл. №6. - 2009. - 5 c.

11. Многослойный торцевой моментный электродвигатель: пат. 2356158 РФ / Сеньков А. П., Калмыков А. Н., Михайлов В. М., Сеньков А. А. - Бюл. №14. - 2009. - 5 c.

Размещено на Allbest.ru

...