Эффективность гтд с паровым теплоизоляционным контуром Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГТД С ПАРОВЫМ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННЫМ КОНТУРОМ

Б.И. МАМАЕВ*, Ю.И. МИТЮШКИН**, Ч.К. НГУЕН**

НТЦ ИМ. А. Люльки ОАО «Сатурн»* СПбГМТУ**

Оценивается эффективность ГТД с паровым теплоутилизационным контуром при атмосферной конденсации пара и определяются рациональные параметры цикла двигателя и пара на выходе из утилизационного парогенератора.

Для повышения эффективности многорежимного газотурбинного двигателя энергетического и транспортного назначения применяется паровой теплоутилизационный контур (ПТУК) [1], где посредством использования теплоты выпускного газа в утилизационном парогенераторе образуется водяной пар, который в паровой турбине (ПТ) вырабатывает дополнительную мощность. Функциональная схема ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации отработавшего в ПТ пара показана на рис. 1.

Рис. 1. ГТД с однороторным газогенератором и ПТУК: ПД - пусковой двигатель; ВЗУ -воздухозаборное устройство; К - компрессор; КТА - командно-топливный агрегат; КС - камера сгорания; ТК - турбина компрессора; СТ - силовая турбина; ГВУ - газо-выпускное устройство; Р1, Р2, Р3 - редукторы; ПМЭ - потребитель механической энергии; УПГ - утилизационный парогенератор; ПТ - паровая турбина; Н - насос; ВО - вентилятор охлаждения; ВПТО - воздушно-паровой теплообменник (конденсатор)

- - газ;

■ перегретый газ; —<— —отработавший пар;-----вода

Для транспортных ГТД с ПТУК, с целью упрощения системы конденсации отработавшего в ПТ пара, конденсация осуществляется в воздушно-паровом теплообменнике (ВПТО) путем охлаждения пара воздухом, подаваемым вентилятором охлаждения (ВО) [2, 3].

© Б.И. Мамаев, Ю.И. Митюшкин, Ч.К. Нгуен Проблемы энергетики, 2006, № 9-10

Параметры пара на выходе из утилизационного парогенератора (УПГ) определяются, в основном, эффективностью ПТ и давлением pкп при конденсации пара. Применение УПГ уменьшает мощность силовой турбины ГТД, но позволяет получить дополнительную мощность в ПТ:

^пт = GпН s Лпт'Лм'Пред Вт, (1)

* _ где Hs = Iопт - is - располагаемый теплоперепад; ппт - КПД паровой турбины; Пм - ее механический КПД и Пред - КПД редуктора ПТ (Лред^ 0,97 [1]).

Задача настоящей работы - оценить эффективность ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации пара и определить рациональные параметры рабочих

*

сред: температуру газа Тг на выходе из камеры сгорания и повышение давления

воздуха п к в компрессоре ГТД; давление pпг и температуру Тпг пара на выходе из УПГ. Расчет эффективности ГТД выполнял по методике [4].

На рис. 2 приведены результаты расчета парового отношения [2]

Gп сргст [(Тгст — АТпп) — (ТЬ + АТшш)] (2)

(2)

Gгст [с водАТ подогр.вод + гп + (id 1с)

**

в зависимости от пк и Тг (с учетом гидравлических потерь по газу в УПГ,

* кг кг

зависящих от давления пара рпг). Здесь: Gп - расход пара в ПТ, —; Огст— и

с с

* кг

Тгст - расход, —, и температура, К, газа на выходе из силовой турбины ГТД; с

своди АТпод0гр.вод - теплоемкость воды и ее подогрев в УПГ; ДТпп = 50К; ( ТЬ + АТшш ) ^ 393К - температура газа на выходе из УПГ, Ть - температура

кДж

парообразования, ДТ ш}п = 20 К [1, 5]; гп = 1800---------теплота парообразования

кг

[2] (принята для давления пара в процессе парообразования рпо = 2,5...5Мпа); 1С и id - энтальпия насыщенного и перегретого пара (при заданном давлении

*

перегретого пара рпп его температура определяется как сопряженный параметр по значению ппт, которое в расчете линейно возрастает от 0,8 до 0,84 при

*

снижении р пп от 9 до 1,5МПа).

Повышение давления в ВО ПТУК определяется, в основном, гидравлическим сопротивлением ВПТО по воздуху (на входе, при обтекании

*

теплообменных элементов и на выходе) [3, 6] и принято равным пво = 1,04. Работа, потребляемая вентилятором для конденсации пара

Н = с Т 11 во рв вх

к в -1

(п вх ) кв -

1 Вт м2

Ле

1

где Твх = Тн + АТв. впто при расположении ВО на выходе из ВПТО, и Твх = Тн при расположении ВО на входе в ВПТО; ДТв. впто - повышение температуры охлаждающего воздуха при конденсации пара; Т н - наружная температура.

Рис. 2. Зависимость парового отношения от повышения давления воздуха в компрессоре як: -----------------------при Тг = 1623 К ;--------при Тг = 1523 К

Относительный расход воздуха для охлаждения отработавшего пара (конденсационное отношение) определяется из уравнения баланса тепла в ВПТО:

(4)

Гп срв [(Тконд АТконд) Твкп]

где Овкп = О вво -расход воздуха при атмосферной конденсации пара, —; гк -

с

тепло, выделяемое при конденсации пара; Тконд - температура конденсации;

* *

Твкп = Т вх - температура воздуха, поступающего в ВПТО для конденсации пара; АТконд - превышение температуры воздуха в конденсаторе над температурой

Твх. При гк = 2256

кДж

конд

=373К, Т вкп =288К, АТ конд =20К

значение т к =34,16

кг в

кг п

Мощность, потребляемая ВО отработавшего пара,

N во =

кВт,

'Лмво'Прво

где пмво , Прво , - механический КПД и КПД редуктора ВО. © Проблемы энергетики, 2006, № 9-10

г

к

тк =

кг

Расчет эффективности ГТД с ПТУК сводится к оценке суммарного эффективного КПД:

N + N - N

1* гтд “ 1* пт ^ во

топл Н ст'Лмст'Прст

йс

топл

+ т п [Н пт 'Пм'Пр Н во т к/('Лмво'Лрво ) ]

£

1 + ттопл(1 тохл.в2 )

тт

(1 - то

[.в 2

)

и удельного расхода топлива

G топл 3600 кг топл

йе„ =3600

е2 N.

е 2

2Л е2 кВт. ч

(7)

(8)

где Nеу - суммарная эффективная мощность ГТД, ПТ и ВО; Стопл и Ц - расход

1 С,

и теплотворная способность топлива; т т

а/0 С в

", Свкс - расход

'охл.в у

стехиометрическое число топлива; тохлву =——---------------- - суммарные затраты

воздуха в камере сгорания ГТД; а - коэффициент избытка воздуха в ней и I о -

С о

[в у = С

в

сжатого в компрессоре ГТД воздуха для охлаждения сопловых и рабочих лопаток и дисков турбин, вв - расход воздуха на входе в компрессор и Нст - работа силовой турбины ГТД.

Результаты расчета эффективности ГТД с ПТУК приведены в табл. 1, 2 и представлены графически на рис. 3 и 4 (для дизельного топлива и при потерях давления воздуха в ВЗУ 2,5 кПа и газа в ГВУ 1,0 кПа).

Рис. 3. Влияние давления пара на суммарный КПД ГТД с ПТУК: --------------при як =12;------------при як =14

х

Рис. 4. Влияние потери давления в УПГ на эффективность ГТД:

* ■ Арупр =0, а " ^Рупр =1?5кПа, - АруПр = 4,5кПа

Таблица 1

Суммарный КПД П еу ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации отработавшего пара

Давление пара на * входе в ПТ рпп , МПа Начальная температура газа Тг , К * Повышение давления воздуха в компрессоре як у

16 14 12 10 8 6

1,5 1423 0,375 0,378 0,376 0,370 0,357 0,334

1523 0,387 0,388 0,385 0,378 0,364 0,340

1623 0,396 0,396 0,393 0,385 0,370 0,346

3 1423 0,382 0,385 0,385 0,380 0,369 0,348

1523 0,396 0,398 0,397 0,391 0,378 0,357

1623 0,407 0,409 0,406 0,400 0,387 0,364

4,5 1423 0,381 0,386 0,386 0,382 0,372 0,353

1523 0,397 0,400 0,399 0,394 0,383 0,363

1623 0,411 0,412 0,411 0,404 0,392 0,371

6 1423 0,379 0,384 0,385 0,382 0,372 0,353

1523 0,396 0,400 0,399 0,395 0,384 0,364

1623 0,411 0,413 0,411 0,406 0,394 0,374

9 1423 0,373 0,378 0,380 0,377 0,368 0,350

1523 0,391 0,395 0,395 0,391 0,381 0,362

1623 0,407 0,409 0,408 0,403 0,392 0,372

Таблица 2

Относительная мощность паровой турбины в ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации

N

Г 1У пт

отработавшего пара --------

N гтд

Давление пара на * входе в ПТ рпп , МПа Начальная температура газа Тг , К * Повышение давления воздуха в компрессоре як ^

16 14 12 10 8 6

1,5 1423 0,138 0,144 0,153 0,168 0,191 0,233

1523 0,151 0,157 0,167 0,182 0,206 0,249

1623 0,163 0,169 0,179 0,195 0,220 0,265

3 1423 0,171 0,179 0,193 0,214 0,246 0,303

1523 0,191 0,200 0,214 0,235 0,268 0,328

1623 0,209 0,218 0,233 0,254 0,289 0,351

4,5 1423 0,179 0,190 0,206 0,229 0,266 0,331

1523 0,204 0,215 0,231 0,255 0,294 0,361

1623 0,226 0,237 0,254 0,279 0,319 0,389

6 1423 0,179 0,191 0,209 0,234 0,274 0,343

1523 0,208 0,219 0,237 0,263 0,304 0,377

1623 0,233 0,245 0,263 0,290 0,332 0,408

9 1423 0,168 0,182 0,202 0,230 0,272 0,345

1523 0,202 0,215 0,235 0,263 0,307 0,383

1623 0,231 0,244 0,264 0,293 0,338 0,418

Анализ результатов расчетного исследования позволяет сделать следующие выводы:

1. Наибольшая экономичность ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации

*

пара достигается при повышении давления воздуха в компрессоре пк = 12...14

*

при начальной температуре газа Тг = 1373...1623 К соответственно и различном

*

давлении пара на выходе из утилизационного парогенератора рпп = 1,5...9 МПа. Этот результат позволяет упростить конструкцию газогенератора ГТД при использовании ПТУК, сделав его однороторным. Для повышения эффективности высоконапорного компрессора можно использовать промежуточное охлаждение воздуха при его сжатии, разделив компрессор на части низкого и высокого давления в однороторном генераторе газа.

2. Наибольший КПД ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации отработавшего пара (ркп = 0,1 МПа) достигается при давлении пара на выходе

из УПГ рпп * (рпп)опт = 3...6 МПа (рис.3): (рпп)опт = 3...4,5 МПа при

Тг = 1373 К и (р пп) опт = 4,5...6 МПа при Тг = 1623 К. Этот результат подтверждается реализованной в США комбинированной газопаротурбинной установкой фирмы Дженерал Электрик на базе легких ГТД ЬМ2500 [5].

3. В ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации отработавшего пара можно получить высокую экономичность (обеспечить Пе2 - 0,40) при

Тг* = 1523...1623 К, пк = 12...14 и рпп = 4...6 МПа.

4. Наличие ПТУК несколько снижает эффективность ГТД (рис. 4) из-за увеличения потери давления в газовом тракте, но позволяет получить дополнительную мощность в ПТ, относительная величина которой

N N - N

пт пт во

, где Nпт - эффективная мощность паровой турбины; Nв

N N

1 ’ гтд 1 ’ гтд

мощность, потребляемая вентилятором охлаждения пара; Nгтд - эффективная мощность ГТД.

Summary

The efficiency of GTE with waste-gas heat recovery is estimated at atmosphere steam condensation. Rational parameters of an engine cycle and steam at the outlet of a heat-recovery steam generator are determined.

Литература

1. Баженов Г. В., Романов В. И., Лисов В. Т. Судовая газотурбинная установка М-25 / Морской флот. - 1976. - №9. - С.43-46.

2. Емин О. Н., Кузнецов В. И. Комбинированные газопаротурбинные установки на базе авиационных ГТД. - М.: МАИ, 1994.

3. Берман С. С. Теплообменные аппараты и конденсационные устройства турбоустановок. - М.: Машиностроение, 1959.

4. Митюшкин Ю. И., Разгуляев А. В., Чу Хонг Ха. Оценка эффективности газотурбинного двигателя с учетом изменения теплоемкостей воздуха и газа в процессах сжатия и расширения / Турбины и компрессоры. - СПб. - 2003. - Вып. 22-23. - № 1-2. - С. 41-44.

5. Тихонов А. М. Регенерация тепла в авиационных газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1977.

6. Гартвиг В. В., Ковешников Б.М., Киселева Ц. П. и др. Газотурбинные установки зарубежных кораблей. Зарубежное кораблестроение. - Л.: ЦНИИ «Румб», 1986.

Поступила 02.05.2006