Конфигурации газовых турбин с применением промежуточных теплообменников и характеристики их циклов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.438

КОНФИГУРАЦИИ ГАЗОВЫХ ТУРБИН С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИХ ЦИКЛОВ

Филиппов Н.С.

Уфимский государственный авиационный технический университет

E-mail: ruslanofthering@rambler.ru

В статье рассматриваются несколько возможных механических компоновок для основного простого или открытого цикла газовых турбин. Приведена наиболее простая конфигурация газовой турбины. Приведены схемы различных промышленных газовых турбин. Приведена схема конвертированного авиационного двигателя, имеющего дополнительно газогенераторы и силовые турбины. Представлена HS-диаграмма газотурбинного цикла с охлаждением между ступенями компрессора.

Ключевые слова: газовая турбина, газогенератор, компрессор, авиационный двигатель.

газовый турбина конвертированный двигатель

ANALYSIS OF VARIOUS CONFIGURATION OF GAS TURBINES WITHOUT INTERMEDIATE HEAT EXCHANGERS AND CHARACTERISTICS OF THEIR CYCLES

Filippov N.S.

Several possible mechanical arrangements for the main simple or open cycle of gas turbines are considered in the article. The simplest configuration of a gas turbine is shown. Schemes of various industrial gas turbines are given. The scheme of the converted aircraft engine, which additionally has gas generators and power turbines, is given. The HS-diagram of the gas-turbine cycle with cooling between the compressor stages is presented.

Keywords: gas turbine, gas generator, compressor, aircraft engine.

Погоня за повышением КПД (коэффициент полезного действия) любых энергетических установок как нельзя более актуальна в настоящее время, ведь повышение КПД означает снижение удельного расхода топлива, стоимость которого неизменно растет, что означает снижение эксплуатационных затрат и снижение вредных выбросов в атмосферу. Использование промежуточных теплообменников призвано способствовать повышению КПД газотурбинных установок (ГТУ). Основные способы применения промежуточных теплообменников, циклы ГТУ с их применением и возможные преимущества от их использования будут рассмотрены в настоящей статье.

Турбина с промежуточным охлаждением показана схематически на рисунке 1. Изображена одновальная компоновка, для демонстрации основного принципа, хотя многовальная компоновка также может быть использована. Компрессор делится в некоторой точке, где воздух может быть отобран, охлажден и возвращен обратно в компрессор на оставшийся процесс сжатия.

Рисунок 1 - Схема одновальной турбины с охлаждением между ступенями компрессора. В этой компоновке оба компрессора закреплены на одном валу. Также возможны концентрическая, многовальная и последовательная компоновки.

Температура на выходе из компрессора в цикле с промежуточным охлаждением (точка d) ниже, чем в простом цикле (точка d'). Часто, воздух для охлаждения компонентов турбины и камеры сгорания берется на выходе из компрессора или около него. Часто приводимым преимуществом цикла с промежуточным охлаждением является меньший объем воздуха компрессора, который должен быть извлечен. Критики цикла отмечают, что понижение температуры только охлаждающего воздуха, а не всего потока машины, будут предполагать те же преимущества с меньшими теплообменниками. Этот вопрос может быть решен только после оценки деталей каждого конкретного применения [1].

HS - диаграмма для цикла с дожиганием или промежуточной камерой сгорания показана на рисунке 2.

Оценка эффективности цикла может быть проведена по температурам точек, соответствующим концам процессов цикла на рисунке 2. Разделив разность температурного перепада в турбине и компрессоре на сумму повышения температуры в камере сгорания, вычислена эффективность порядка 49%. Расчет, конечно, отображает идеальный КПД компрессора, камеры сгорания и турбины, а также чистый воздух в качестве рабочего тела. Реальная эффективность свойства и учет охлаждения турбины приводят к менее оптимистичным значениям [2].

Температуры сгорания произвольно приняты равными и на уровне 1250 оС. Отношение промежуточного перегрева принято 8:1, общее отношение давлений 32:1. Пунктирные линии использованы для иллюстрации сопоставимого простого цикла газовой турбины.

Рисунок 2 - НS-диаграмма для газовой турбины с промежуточным перегревом или промежуточной камерой сгорания.

Эффективность, рассчитанная для этого цикла, составляет примерно 38%, что значительно ниже, чем для цикла с дожиганием [3]. На самом деле это не совсем корректное сравнение, так как простой цикл имеет отношение давлений 8:1, в то время как цикл с дожигание работает при отношении 32:1. Турбина ALSTOM GT26, показанная на рисунке 3 и ее версия GT24 для частоты 60 Гц являются примером газовой турбины с дожиганием.

Рисунок 3 - Газовая турбина ALSTOM GT26.

Газовая турбина простого цикла с той же степенью сжатия и температурой сгорания может быть описана циклом abcd'a. Рассчитав эффективность, получим значение около 54%, более эффективное, чем сопоставимый цикл с дожиганием. Тем не менее, должен быть рассмотрен еще один фактор. Температура выхлопных газов с дожиганием составляет 270 0С, что выше, чем в простом цикле газовой турбины [4]. При применении на электростанциях с комбинированным циклом (который будет рассмотрен позднее) эта разница достаточна для того, чтобы позволить более эффективно оптимизировать станции, основанные на цикле с дожиганием, нежели станции на простом цикле, при одинаковых соотношениях давления и температуры сгорания. Рисунок 4 показывает компоновку одновальной газовой турбины с дожиганием.

Рисунок 4 - Схематическое изображение газовой турбины с промежуточным перегревом или промежуточной камерой сгорания.

Эта компоновка показывает обе турбины, соединенные валом. Изменения включают компоновку с несколькими валами и независимыми компонентами или группами компонентов, установленных последовательно.

Регенераторы или рекуператоры - это устройства, используемые для передачи тепла от уходящих газов газовой турбины к рабочему телу после его выхода из компрессора, но прежде чем оно будет нагрето в камере сгорания. Рисунок 5 показывает схематическую компоновку газовой турбины с регенератором. Такие газовые турбины экстенсивно использовались для компрессорных двигателей на трубопроводах природного газа, и были опробованы в применении для приведения в движение колесных транспортных средств. Регенерация предполагает выгоду в виде высокой эффективности от простой газовой турбины с низким давлением, в которой не предусматривается объединение газовой, паровой турбины и котла для целей использования высокой температуры уходящих газов. Регенеративные газовые турбины с низкой температурой сгорания и отношением давления имеют эффективность, сопоставимую с продвинутыми конвертированными газовыми турбинами с простым циклом [5].

Рисунок 5 - Многовальная турбина с регенерацией

HS-диаграмма для идеальной регенеративной газовой турбины представлена на рисунке 10. Без регенерации с отношением давлений 8:1 и температурой сгорания 10000С, газовая турбина имеет эффективность равную [(1000 - 480) - (240 - 15)]/(1000 - 240)=38,8%, рассчитанную методом неоднократно использованным выше. Регенерация, в случае ее идеальной эффективности, повысила бы температуру на выходе из компрессора до температуры уходящих газов турбины в 4800С. Это уменьшило бы необходимый подвод тепла в камере сгорания, уменьшая знаменатель последнего уравнения от 760 до 5200С, и, таким образом, увеличивая эффективность до 56,7%. Такие уровни эффективности не реализуются на практике из-за реальных КПД компонентов и эффективности теплопередачи в реальных регенераторах. Относительное увеличение эффективности между простым и регенеративным циклом происходит, как указано в примере.

Рисунок 6 показывает выгоду от регенерации в низкодавленческих газовых турбинах. Поскольку отношение давлений увеличено, уменьшается температура выхлопных газов, а температура на выходе из компрессора увеличивается. Выделенная пунктиром линия ab'cd'a показывает эффект от увеличения отношения давления до 24:1. Отметим, что температура выхлопа d' ниже, чем температура на выходе из компрессора b'. Здесь регенерация невозможна. Таким образом, при повышении отношения давлений (при постоянной температуре сгорания) от 8:1 до почти 24:1, выигрыш от регенерации уменьшается и, в конечном счете, исчезает. Конечно, есть возможность для промежуточного охлаждения в компрессоре при высоком отношении давлений, тем самым уменьшая температуру на выходе из него до области, где регенерация снова возможна. Экономический анализ и подробные анализы термодинамического цикла с реальными эффективностями компонентов обязаны оценивать выгоду от добавленных затрат на оборудование теплообмена и обработки воздуха.

Рисунок 6 - HS-диаграмма, сравнивающая идеальный цикл при отношении давлений 8:1 и цикл с регенерацией с отношением давлений 24:1 при одинаковой температуре 1000 оС

Таким образом, рассмотренные в статье компоновки ГТУ с промежуточными теплообменниками способны способствовать увеличению КПД ГТУ в различной степени, при этом для каждого конкретного случая необходим детальные расчет технико-экономических показателей, так как большинство из рассмотренных схем предполагает различную степень усложнения конструкции по сравнению с «классической» компоновкой.

Список литературы

1. Ф.Г.Бакиров, И.З. Полещук, А.Р. Хабиров. Расширение Зауральской ТЭЦ: энергетический и эксергетический анализ установленного и вводимого оборудования. // IV Слет молодых энергетиков Республики Башкортостан: Сборник докладов молодежной научнотехнической конференции - Уфа, Скиф, 2010

2. Фалалеев, С.В. Современные проблемы создания двигателей летательных аппаратов [Электронный ресурс]: электронное учебное пособие /С.В.Фалалеев; Минобрнауки России, Самара. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П.Королева (Нац. исслед. ун-т) - Самара, 2012.

3. Перспективы и проблемы развития авиационного двигателестроения в России [Электронный ресурс]. URL: http://engine.aviaport.ru/issues/01/page40.html (дата обращения 14.08.2017)

4. Кулагин, В. В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: учебник для студентов вузов / В. В. Кулагин. -- Москва : Машиностроение, 2002

5. Ю.С. Елисеев, В.Е. Беляев. ПГУ смешения: проблемы и перспективы. // Газотурбинные технологии. Специализированный информационно-аналитический журнал -2006 - №6.

Размещено на Allbest.ru