Повышение эффективности охлаждения лопаток газотурбинного двигателя путем испарительного охлаждения

Размещено на http://www.allbest.ru/

КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

Повышение эффективности охлаждения лопаток ГТД путем испарительного охлаждения

Я.В. Афанасов

Н.В. Гридчин

Основная особенность газотурбинных установок - интенсивное охлаждение проточной части турбины с целью максимального повышения начальной температуры газа. Для охлаждения газовых турбин обычно используется цикловой воздух ГТУ, который отбирается после компрессора или из его проточной части. Такие системы отличаются относительной простотой, но отборы воздуха на охлаждение отрицательно сказываются на показателях ГТУ. Исследования показывают, что отбор 1% воздуха после компрессора на охлаждение турбины уменьшает полезную работу ГТУ на 1,3...1,5 % . В случае отбора 12...14 % воздуха (при температуре газа 1400...1500 К) потери составят 18...20 % . Отбор 1 % воздуха после компрессора на 0,4...0,6% повышает расход топлива, что составит почти 10 % при начальной температуре газа 1400...1500 К. Эти цифры приводят к выводу, что при температуре газа на уровне 1500 К рост начальной температуры вызывает лишь незначительное повышение термической эффективности ГТУ, имеющих воздушное охлаждение турбины [1,2].

Осуществление охлаждения турбины является дорогостоящей вынужденной мерой, приводящей не только к усложнению ее конструкции, но и к затратам энергии на функционирование системы. Использование жаропрочных материалов и повышение эффективности процесса охлаждения лопаток способствуют уменьшению потребного расхода воздуха для охлаждения турбины. Но есть и конструктивные пути снижения этого расхода:

1. Охлаждение воздуха, отбираемого из компрессора, может быть произведено в специальном теплообменнике, устанавливаемом в наружном контуре. Такое конструктивное решение реализуется в конструкции авиационного турбореактивного двигателя АЛ-31Ф и разработанного на его базе стационарного двигателя АЛ-31СТ (рисунок 1). Поскольку величина температуры воздуха в наружном контуре ТРДД на несколько сотен градусов меньше чем за компрессором, то в таких теплообменниках удается понизить температуру отбираемого воздуха на 100…150К. Предпочтение отдают теплообменникам трубчатого типа, состоящим из множества трубок, равномерно расположенных по окружности. При этом к каждой лопатке должна быть предусмотрена своя трубка для подвода воздуха.

Рис. 1. Схема охлаждения турбины АЛ-31Ф (АЛ-31СТ)

2. Испарительное охлаждение воздуха, отбираемого из компрессора путем впрыска в него воды. Снижение температуры воздуха при впрыске воды происходит за счет ее испарения (у воды высокая теплоемкость и скрытая теплота парообразования). Воздух можно охладить не менее чем на 25...30 °С на каждый процент впрыскиваемой воды относительно расхода охлаждающего воздуха [3].

Впрыск воды в поток воздуха, подаваемого в систему охлаждения газовой турбины, осуществляется с целью интенсификации теплоотдачи к воздуху от охлаждаемых элементов турбины: при впрыске происходит, во-первых, испарение жидкости и снижение благодаря этому температуры охлаждающего воздуха; во-вторых, турбулизация потока частицами впрыскиваемой жидкости; в-третьих, увеличение массового расхода охлаждающего воздуха.

Впрыск воды позволяет в широких пределах изменять значение исходной относительной глубины охлаждения лопатки [3,4]:

где - температура торможения газа, омывающего лопатку; - температура лопатки; - начальная температура охлаждающего воздуха.

Наряду с общепринятым понятием глубины охлаждения лопаток, можно использовать также понятие эквивалентной глубины охлаждения , которое удобно применять для сравнения одних и тех же конструкций лопаток в составе различных систем охлаждения:

,

где - понижение температуры смеси при впрыске 1% воды в охлаждающий воздух с исходной температурой ; - расход впрыскиваемой воды, отнесенный к расходу охлаждающего воздуха.

Рис. 2. Зависимость температуры охлаждающего воздуха от степени повышения давления в компрессоре: 1 - температура охлаждающего воздуха ГТУ простого цикла; 2 - температура охлаждающего воздуха при впрыске воды в систему охлаждения; 3 - относительный расход воды, впрыскиваемой в охлаждающий воздух

Выполненные расчеты (рисунок 2) показали, что впрыск 1 охлаждает воздух на 1,5…3 градуса (в зависимости от параметров воды и охлаждающего воздуха).

Подача воды в охлаждающий воздух позволяет в широких пределах изменять значение исходной глубины охлаждения (рисунок 3). Например, для исходной относительной глубины охлаждения при относительном расходе впрыскиваемой воды g = 0…0,10 значение возрастает от 0,45 до 0,625. Такая глубина охлаждения обеспечивает возможность повышения температуры газа перед турбиной на 150…200 К при той же степени повышения давления в цикле, напряжении в рабочих лопатках и ресурсе. охлаждение турбина температура газ

Рис. 3. Повышение эффективности охлаждения лопатки турбины в результате впрыска воды в охлаждающий воздух

Снижение температуры лопатки при впрыске воды в количестве до 10% от расхода охлаждающего воздуха составляет 135…150 К в зависимости от исходной эффективности охлаждения , что позволит снизить расход отбираемого воздуха в систему охлаждения на 50% при неизменном ресурсе.

Для оценки эффективности внедрения испарительного охлаждения в ситеме охлаждения газотурбинного двигателя, проведен сравнительный анализ тепловой схемы газотурбинной установки для привода нагнетателя природного газа АЛ-31СТ с воздухо-воздушным теплообменным аппаратом (ВВТ) с установкой на базе двигателя АЛ-31СТ с альтернативной схемой установки на базе двигателя АЛ-31СТ с применением впрыска воды в охлаждающий воздух.

При расчете впрыск воды в охлаждающий воздух производился до состояния насыщения. В случае с впрыском воды расход охлаждающего воздуха изменялся эквивалентно изменению глубины охлаждения, чтобы обеспечить равный ресурс и температуру материала лопаток относительно исходной схемы.

Результаты сравнительного анализа представлены в Таблице1.

Таблица 1. - Результаты расчёта

Таким образом, охлаждение воздуха, отбираемого за компрессором путем впрыска в него воды позволит значительно повысить эффективность охлаждения элементов высокотемпературных газотурбинных двигателей. Это делает такую схему охлаждения конкурентоспособной на фоне использования воздухо-воздушных теплообменных аппаратов в системе охлаждения ГТД. Однако, необходимы дальнейшие исследования вопросов влияния изменения свойств хладагента на коэффициенты теплоотдачи охлаждаемых лопаток, а также влияние данной системы на структуру потока обтекающего лопатку, то есть на её аэродинамические качества.

Список литературы

[1] Особенности конструкции узлов и систем авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. пособие / А.Е. Трянов.- Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. - 202 с.

[2] Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов / В.Л. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов; под ред. А.И. Леонтьева. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 592 с.

[3] Лукачев В.П., Данильченко В.П., Резник В.Е. Выбор параметров и инженерные основы проектирования систем охлаждения высокотемпературных турбин авиационных ГТД. - Куйбышев: КуАИ, 1983 г. - 120 с.

[4] Гридчин Н.В., Землянский А.В., Жинов А.А. Исследование испарительного охлаждения рабочего тела в проточной части когенерационной газотурбинной установки. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2012, №1, с. 81-87.

Размещено на Allbest.ru