Влияние степени понижения давления газа на облик проточной части микротурбины когенерационной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние степени понижения давления газа на облик проточной части микротурбины когенерационной установки

Е.Г. Липихин

Д.В. Шевелев

Когенерацией называется процесс совместной выработки тепловой и электрической энергии. Когенерационные установки включают в себя, как правило, двигатель - тепловую машину, преобразующую энергию топлива в механическую работу идущую на привод электрогенератора, и теплообменный аппарат, утилизирующий тепло выхлопных газов двигателя путем нагрева воды системы отопления или горячего водоснабжения. Использование когенерации позволяет повысить коэффициент полезного использования тепла топлива до 90…92%, что значительно выше КПД установок по выработке электрической энергии который не превышает 36…40%. когенерация энергия тепловой

Когенерационные установки представляют большой интерес для нужд обособленных потребителей, к которым относятся частные домохозяйства, малые торговые и производственные помещения, объекты спортивной инфраструктуры [1]. Использование газовых микротурбин (микроГТД) для привода электрогенератора в таких установках имеет ряд преимуществ, к которым, прежде всего, относятся их компактность, высокая экологичность, низкий уровень шума и вибраций, устойчивость к изменению нагрузки, надежность.

Особый интерес представляют когенерационные установки электрической мощностью 3…5 кВт (микро-ТЭЦ). В данном диапазоне изменения мощности, микроГТД может быть создан на основе отработанной технологии автомобильных турбокомпрессоров [2]. Основными недостатками микроГТД такой мощности являются высокие потребные обороты ротора, достигающие 200000 об/мин, трудности организации надежного и эффективного процесса сжигания топлива при высоком давлении в камере сгорания, низкий КПД основных элементов проточной части - компрессора и турбины. Указанных недостатков лишены микроГТД измененной очередности процессов.

Схема микро-ТЭЦ с микроГТД измененной очередности процессов представлена на Рис. 1.

Рис.1 - Схема микро-ТЭЦ с микротурбиной измененной очередности процессов и экономайзером: 1 - атмосферная горелка; 2 - турбина; 3 - электрогенератор; 4 - компрессор; 3 - электрогенератор; 5 - газо-водяной теплообменник; 6 -воздушный экономайзер;

Рис.1 - Когенерационная установка с микротурбиной измененной очередности процессов: 1 - атмосферная горелка; 2 - турбина; 3 - электрогенератор; 4 - компрессор; 3 - электрогенератор; 5 - газо-водяной теплообменник; 6 -воздушный экономайзер

Когенерационная установка работает следующим образом - атмосферный воздух подогревается в экономайзере 6 продуктами сгорания, выходящими из компрессора 4, и, далее, поступает в горелку 1, в которой сжигается топливо при атмосферном давлении. Продукты сгорания из горелки поступают в турбину 2, где расширяются до давления ниже атмосферного. Турбина передает крутящий момент электрогенератору 3 и компрессору 4. Выходящие из турбины продукты сгорания поступают в газо-водяной теплообменный аппарат 5, где нагревают теплоноситель системы отопления. Далее продукты сгорания поступают в компрессор 4, где повышается их давление до атмосферного. Часть теплоты уходящих газов возвращается в цикл за счет нагрева свежего воздуха в экономайзере 6, после которого продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Газовая микротурбина, в этой схеме является важным элементом, который определяет во многом параметры микро-ТЭЦ, в целом. К микроГТД, как элементу микро-ТЭЦ, предъявляются такие требования как надежность, компактность, эффективность, высокий ресурс, при этом она должна быть по возможности максимально простой по конструкции и дешевой.

Одним из ключевых вопросов при проектировании микротурбины измененной очередности процессов является выбор оптимальных значений степени понижения давления газа в турбине . Данный параметр во многом определяет конструктивный облик микротурбины в целом, а так же потребный расход воздуха, число оборотов ротора и коэффициент полезного использования тепла топлива.

Проведенный в работе [3] термодинамический расчет микро-ТЭЦ с газовой микротурбиной измененной очередности процессов мощностью Ne=3 кВт показал работоспособность предложенной схемы. Исследовалось влияние степени понижения давления газа на показатели микротурбины. Было определено, что эффективный КПД микротурбины имеет максимум при =2,2. Однако, так как для микро-ТЭЦ первостепенной является тепловая мощность, а электрическая энергия является побочным продуктом, то возможно выбирать значения , отличные от оптимального по КПД цикла. Например, можно руководствоваться получением минимальных габаритов проточной части, минимальным числом оборотов ротора или наибольшей тепловой мощностью.

Целью данной работы являлось определение влияния степени понижения давления газа в турбине на облик проточной части микроГТД и важнейший его кинематический показатель - частоту вращения ротора.

Для решения поставленной задачи были произведены вариантные термогазодинамические расчеты проточной части микротурбины по средней линии тока для диапазона изменения от 1,3 до 2,5. В качестве основных исходных данных были приняты: мощность микротурбины Ne=3 кВт, адиабатный КПД турбины и компрессора , которые характерны для серийных ТКР. Расход газа определялся по удельной работе установки, полученной в результате термодинамического расчета. График изменения потребного расхода газа от степени понижения давления в турбине приведен на Рис. 2.

Рис. 2 - Зависимость потребного расхода газа через турбину микроГТД мощностью 3 кВт от степени понижения давления

При расчете турбины дополнительно задавались термодинамические параметры: температура и давление газа на входе в турбину - =950 К и =98300 Па соответственно; геометрические параметры: степень радиальности рабочего колеса турбины , угол потока в абсолютном движении на входе в рабочее колесо турбины , угол потока в относительном движении на выходе из рабочее колеса турбины .

Для расчета компрессора задавалась температура газа на входе -. Степень повышения давления компрессора определялась как функция степени понижения давления газа в турбине и коэффициентов характеризующих потери полного давления в газоводяном теплообменном аппарате и экономайзере:

,

где - коэффициент восстановления полного давления в газо-водяном теплообменном аппарате, - коэффициент восстановления полного давления в воздушном экономайзере.

Дополнительно, для компрессора, задавались геометрические параметры: лопаточный угол на выходе из рабочего колеса , отсутствие предварительной закрутки воздуха на входе в рабочее колесо компрессора.

Расчет ступени турбины выполнялся по методике, изложенной в [4]. Газодинамический расчет компрессора выполнялся в соответствии с методиками [5, 6].

Результаты расчета проточной части приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Результаты газодинамического расчета турбины

Таблица 2 - Результаты газодинамического расчета компрессора

На Рис. 3 показаны эскизы проточной части микротурбины выполненные в одном масштабе.

Рис. 2 - Эскизы проточной части микротурбины при рТ=1,3; 1,7; 2,2;

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что степень понижения давления газа в турбине оказывает значительное влияние на размеры проточной части микротурбины. Так, например, при переходе от =1,3 к =2,2 диаметральный габарит микротурбины уменьшается почти в 2 раза и, соответственно, масса рабочих колес. Уменьшение массы рабочих колес благоприятно сказывается на прочностных характеристиках ротора, что особенно важно при их консольном расположении. Однако, при этом число оборотов ротора увеличивается в 3 раза - с 16600 до 50900 об/мин, уменьшая ресурс и надежность опор ротора микротурбины. Также, к отрицательным моментам следует отнести уменьшение абсолютных размеров проточной части при высоких , что влечет за собой увеличение доли концевых потерь и, соответственно, снижение КПД компрессора и турбины.

С другой стороны, при низких , большой потребный расход газа, увеличивая размеры проточной части, позволяет сделать процесс расширения в турбине и компрессоре более эффективным, а низкая частота вращения дает основания предполагать работу ротора в докритической области.

Следует отметить и влияние на температуру газа на выходе из турбины . При фиксированной начальной температуре газа , будет тем меньше, чем выше , а это, при одновременно снижающемся расходе газа, снижает тепловую мощность микроТЭЦ.

Выводы

1) Степень понижения давления в турбине оказывает значительное влияние на размеры проточной части микротурбины;

2) Влияние степени повышения давления на прочностные характеристики ротора неоднозначно и требует проведения прочностных расчетов: определения напряженного состояния рабочих колес и вала микротурбины, расчет критических частот;

3) Малые значения приводят к увеличению расхода газа и размеров проточной части микротурбины. При этом ожидается повышение эффективности элементов компрессора и турбины, из-за уменьшения относительных зазоров между ротором и статором;

4) При фиксированной температуре газа перед турбиной, величина оказывает влияние на температуру и давление газа на выходе из турбины, что будет сказываться на характеристиках газо-водяного теплообменника, а именно на его тепловую мощность и габариты;

5) Для указанной мощности микротурбины, можно дать предварительную рекомендацию о выборе =1,7, при котором достигаются приемлемые габариты проточной части, сравнительно низкая частота вращения.

Дальнейшая оптимизация параметров микротурбины, для достижения оптимальных показателей работы микро-ТЭЦ и ее габаритных размеров, должна учитывать совместную работу теплообменников и двигателя.

Пристатейный библиографический список

1. Аметистов Е.В., Клименко А.В., Леонтьев А.И., Мильман О.О., Фаворский О.Н., Федоров В.А. и др. Приоритетные направления перехода муниципальных образований на самообеспечение тепловой и электрической энергией. М.: Наука, Известия РАН, Энергетика №1, 2003г. с. 107-117.

2. ГОСТ Р 53637-2009 Турбокомпрессоры автотракторные. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Стандартинформ., 2010.

3. Липихин Е.Г., Шевелёв Д.В., Когенерационная установка с газовой микротурбиной измененной очередности процессов // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы Всероссийской научно-технической конференции, 24-26 ноября 2015 г. Т. 1. - Калуга: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. с. 190-194.

4. Митрохин В.Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах / В.Т. Митрохин. - М.: Машиностроение, 1974.

5. Белоусов А.Н., Мусаткин Н.Ф., Радько В.М., Кузьмичёв B.C. Проектный термогазодинамический расчёт основных параметров авиационных лопаточных машин; Самар. гос. аэрокосм, ун-т. Самара, 2006. с. 316.

6. Ладошин А.М. Яковлев В.М. Расчет и проектирование центробежного компрессора ГТД. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию под ред. Землянского А.В. КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калуга, 2004, 26 с.

Размещено на Allbest.ru