CC BY
20
УДК 621.438
А.К. Чередниченко, М.Р. Ткач
Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Украина
К ВЫБОРУ ПАРАМЕТРОВ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Приведены результаты исследования характеристик газотурбинной установки, оснащенной теплообменником — регенератором с промежуточным жидкометаллическим теплоносителем. Предложено выбирать относительный температурный напор из диапазона 0,35...0,5для обеспечения заданных постоянных значений коэффициентов восстановления полного давления в теплообменниках при условии минимизации габаритов теплообменников. Показано, что варьирование относительного температурного напора в этом диапазоне позволяет изменять отношение площадей теплообменников в диапазоне 1,0.3,0 при практически постоянной суммарной площади.
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, регенерация тепла, промежуточный теплоноситель, теплообменник, коэффициент теплопередачи, температурный напор.
Постановка проблемы
Акценты нефтегазодобычи неуклонно смещаются в сторону запасов, скрытых толщей Мирового океана. Большие потребности в электрической и тепловой энергии процесса добычи углеводородов обуславливают применение газотурбинных установок на объектах океанотехники в качестве основного источника энергии. Несмотря на полувековой опыт успешной эксплуатации газотурбинных установок в военно-морских флотах ведущих стран, использование газотурбинных двигателей в коммерческом транспортном судостроении и при строительстве объектов океанотехники оправдано далеко не во всех случаях. Основными сдерживающими факторами являются высокие расходы на топливо, связанные с повышенными требованиями к его качеству и сравнительно высокий удельный расход топлива. Повышение эффективности ГТД за счет роста температуры газа перед турбиной исчерпало свой потенциал. Резервы повышения КПД узлов ГТД также практически исчерпаны [1]. В этих условиях, реализация требования проектирования современных газотурбинных энергетических установок — высокие показатели топливной эффективности обеспечивается за счет усложнения циклов ГТУ (бинарные, контактные, когенерационные технологии и т.д.) [2].
Анализ исследований и публикаций
В практике проектирования ГТД сложных циклов наибольшее распространение получили регенеративные схемы. Регенерация тепла отходящих газов путем введения в схему теплообменника-регенератора позволяет при умеренных
температурах газа перед турбиной Т3 = 1300...1400Ки степени повышения давления рк=6...10 обеспечить значение КПД ГТД не менее 40.41% [3], а при более высоких значениях Т3 и до 45%.
Традиционная реализация регенеративной схемы ГТД приводит к нарушению прямоточности газовоздушного тракта, появлению неравномер-ностей потоков рабочих сред, вызывающих рост потерь полного давления и утечек рабочих сред. Достижение высоких значений степени регенерации связано со снижением температурных напоров в теплообменнике и приводит к существенному увеличению площади теплопередающей поверхности. Применение компактных регенераторов пластинчатого типа сдерживается сложностями решения вопросов прочности вследствие больших температурных напряжений. Непрерывное повышение массы установки WR21 свидетельствует в пользу этого. Теплообменники трубчатого типа свободны от этих проблем, но характеризуются недостаточной компактностью [4]. Реализация поперечного обтекания и эффективного оребрения поверхностей в них затруднена.
Применение регенератора ГТД с промежуточным теплоносителем (ПТН) — комплекса из двух теплообменников трубчатого типа (с возможностью оребрения), передача энергии между которыми осуществляется ПТН, позволяет минимизировать габариты теплообменников, снизить потери полного давления, но усложняет схему [5, 6]. Перенос тепла может осуществляться промежуточным «тяжелым» жидкометаллическим теплоносителем [7,8]. Высокая молекулярная теплопроводность жидкометаллических теплоноси-
© А.К. Чередниченко, М.Р. Ткач, 2011
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
телей РЪ-Ы, РЬ [9] позволяет за счет небольшого объема теплоносителя обеспечить малую величину проходных сечений каналов. Технологии использования «тяжелого» жидкометаллическо-го теплоносителя успешно отработаны на опытных и серийных транспортных реакторных установках, решены вопросы обеспечения чистоты теплоносителя и поверхностей циркуляционного контура, а также предотвращения коррозии и эрозии материалов [10].
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы
Известны рекомендации по выбору параметров регенератора ГТД с промежуточным теплоносителем. Так, для определения оптимальных условий работы теплообменников с ПТН предложено следующее соотношение площадей поверхностей теплообмена [6]
0,75
"< Р <Ь
2,00
42
42
зировано влияние относительного температурного напора — р. Параметр р может быть определен из соотношения
АХв =-Р-АТг
(1 -Р) '
где
АТГ = АТ1Г — АТ2г
1п-
АТ-
1г
и
дХ _АТ1в — АТ2в ахв _"
1п
АТ АТ2
1в
АТ2г АХ2в
среднелогарифмические температурные напоры по газовой и воздушной стороне соответственно (рис. 2).
где р1 , р2 и ки и к12 — площади поверхностей и коэффициенты теплопередачи по «холодной» и «горячей» сторонам.
При допущении о постоянстве коэффициентов теплопередачи в теплообменном аппарате регенеративного ГТД с ПТН, составленного из двух теплообменников с площадями поверхностей ?! и рекомендовано следующее соотношение их площадей [11]
Р.
Р2
В реальных условиях проектирования регенеративного ГТД с заданной величиной эффективности данные подходы могут быть не всегда корректными, поскольку не учитывают взаимосвязь гидравлических потерь в теплообменниках и эффективности ГТД.
Цель работы
Целью исследования является выявление влияния параметров промежуточного теплоносителя на габариты регенеративного ГТД заданной эффективности.
Изложение основного материала
На рис. 1 приведена расчетная схема теплооб-менного аппарата регенеративной ГТУ с переносом тепла промежуточным теплоносителем (ПТН) между теплообменником газоотвода (ТГО) и теплообменником компрессора (ТКО).
Для оценки влияния параметров ПТН на мас-согабаритные показатели регенератора проанали-
Температура ПТН в ТГО
на входе на выходе
Т2 + (Т4Р — Т2) -Р Т2Р + (Т4 — Т2Р ) -Р
Температура ПТН в ТКО
на входе на выходе
Т2р + (Т4 — Т2р ) -Р Т2 + (Т4р — Т2) -Р
Рис. 1. Расчетная схема регенератора ГТД с ПТН
Рис. 2. Графическое представление относительного температурного напора ПТН в Т-Б координатах (для параметров ГТД, указанных в табл. 1)
Из уравнения теплового баланса в теплообменнике
д г _ д в к г • Рг • АТг _ к в • Гв -АТв .
Предположив, что к в и к г линейные функции вида к г _ к1 — а1 -р ; к в _ к2 + а2 -р , исследуем функцию
к
^кьа1;к2,а2,Р) =
1
1
Р(к2 + а2Р) (1 -Р) • (к1 -Е1Р)
Таблица 1
Характеристики регенеративного ГТД с ПТН
Параметры цикла Значение
степень регенерации, К 0,85
число компрессоров, пк 1
число турбин, пт 2
температура газов перед ТВД, Т3 1223 К
степень повышения давления в цикле, Рк 4,8.5,0
расход воздуха через компрессор ГТД, Ок ~ 80 кг/с
мощность ГТД, № ~ 16000 кВт
эффективный КПД ~ 0,4
В случае постоянства коэффициентов теплопередачи введем комплексы
А = -
Рi
(ДТ4 -ДТ2) • к в к в
• 1п
ДТ4 ДТ2
к = -
(ДТ4 -ДТ2) • к I
и исследуем влияние относительного температурного напора Р на величину суммарной площади теплообменников
Б = + БВ = А
в
к
+1
(1 -Р) Р,
В диапазоне 0 < Р < 1 минимум функции Б определяется аналитическими зависимостями
' л/к -О
к-1 1
л/к +1
. Это соответствует известным услови-
ям минимума суммарной площади теплообменника в[11].
Как следует из полученных зависимостей, изменение необходимости достижения постоянной эффективности ГТД (что соответствует постоянному гидравлическому сопротивлению теплообменников) приводит к увеличению суммарной площади теплообменников при значениях относительного температурного напора Р, отличных от оптимального (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость относительной площади теплообменно-го аппарата от относительного температурного напора ПТН
С целью проверки допустимости приведенных предположений выполнено математическое моделирование процессов в регенеративной ГТУ (рис. 4) с двухсекционным ТГО, размещенным на выхлопе ГТД и двухсекционным ТКО с переносом тепла жидкометаллическим теплоносителем, параметры которого приведены в табл. 1. Прокачка промежуточного теплоносителя осуществляется последовательно через каждый теплообменник циркуляционным насосом. В качестве базового двигателя принимался ГТД четвертого поколения разработки НПКГ «Зоря-Машпроект» [12].
Рис. 4. Конструктивная схема и характеристики регенеративного ГТД мощностью 16 МВт с жидкометалличес-ким промежуточным теплоносителем:
1 — секции теплообменника газоотвода; 2 — ГТД;
3 — секции теплообменника компрессора;
4 — циркуляционный насос ПТН
Обеспечение заданных постоянных значений коэффициентов восстановления полного давления в теплообменниках газоотвода и компрессора (пг=0,975; пв = 0,970) потребовало изменения величины скорости в расчетных сечениях ТГО и ТКО. Это привело к изменению значений коэффициентов теплопередачи при изменении относительного температурного напора. Влияние относительного температурного напора на коэффициенты теплопередачи в верхней и нижней секции теплообменников газоотвода и компрессора показаны на рис. 5. В воздушной и газовой секции теплообменника наблюдается устойчивое турбулентное течение потока ^е > 104).
Влияние относительного температурного напора в диапазоне 0,25.0,8 на площади теплопе-редающих поверхностей ТГО и ТКО показано на рис. 6.
1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 103 -
Полученные результаты с достаточной для инженерной практики точностью совпадают с рекомендациями [6,11]. Следует учесть, что в соответствии с рекомендациями [11] суммарная площадь теплообменника может быть уменьшена еще на ~30%, но это приведет к изменениям значений коэффициентов восстановления полного давления V в теплообменниках газоотвода и компрессора. В итоге эффективный КПД газотурбинной установки ц в диапазоне значений Р 0,2...0,5 уменьшится на 1...1,5 % (рис. 7).
к
Вт/(м2К) 400
200
ТКО ---
L 7
V ТГО
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Рис. 5. Зависимость коэффициентов теплопередачи
секций ТГО и ТКО от Р: 1, 2 — верхняя и нижняя секция соответственно
Рис. 6. Зависимость относительных площадей теплообменников ТГО и ТКО от относительного температурного напора ПТН
Рис. 7. Влияние КВПД в ТГО и ТКО на энергетическую эффективность регенеративной ГТУ
Выводы
1. Перенос тепла в регенеративной ГТУ жид-кометаллическим промежуточным теплоносителем позволяет применять надежные и высокоресурсные теплообменники трубчатого типа.
2. Для обеспечения заданных постоянных значений коэффициентов восстановления полного давления в теплообменниках газоотвода и компрессора при условии минимизации габаритов теп-
лообменников относительный температурный напор выбирается из диапазона 0,35...0,5.
3. Показано, что варьирование относительным температурным напором в диапазоне 0,35.0,5 позволяет при практически постоянной суммарной площади изменять отношение площадей теплообменников в диапазоне 1,0.3,0.
4. Проектирование регенеративного ГТД с промежуточным теплоносителем в условиях постоянного коэффициента теплоотдачи приводит к снижению КПД ГТД до 2% в зависимости от величины относительного температурного напора.
Перечень ссылок
1. Исаков Б.В. Состояние и перспективы развития корабельной газотурбинной энергетики / Б.В.Исаков, В.Н. Чобенко, Р.В. Палиенко // Механика, энергетика, экология. Вестник СевНТУ. Вып. 87 - Севастополь. - 2008. - С. 5661.
2. Korobitsyn M.A. New and Advanced Energy Conversion Technologies. Analysis of Cogeneration, Combined and Integrated Cycles / M.A. Korobitsyn.
- Printed by Febodruk BV, Enschede, 1998.155 р.
3. В.В. Романов. Особенности создания газотурбинной установки регенеративного цикла для ГПА / Романов В.В., Спицын В.Е., Боцула А.Е., Мовчан С.Н., Чобенко В.Н. // Восточно-европейский журнал передовых технологий - 2009.
- 4 (40). - С.1619.
4. Кузнецов В.В. Проектирование теплообмен-ных аппаратов для ГТУ сложных циклов / В.В. Кузнецов, Д.Н. Соломонюк / /Вестник Национального технического университета «ХПИ» Харьков. 2008. №35 С.78 - 88.
5. Тихонов A.M. Регенерация тепла в авиационных ГТД / A.M. Тихонов - М. : Машиностроение, 1977. - 108 с.
6. Кейс В.М. Компактные теплообменники: [пер. с англ.] / В.М. Кейс, А.Л. Лондон / - М. : Госэнергоиздат, 1962. - 158 с.
7. Patent 5287695 United States, F02B/43 Power plant system. / Karl-Uwe Schneider, RWE Energie Aktiengesellschaft.appl. № 979521; Nov 23, 1992; data of patent Feb 22, 1994.
8. Пат 93458 Украгна, МПК 6 F02C 6/20 Га-зотурбшна установка / Б.Г. Тимошевський, М.Р. Ткач, О.К. Чередшченко; заявник та влас-ник патенту Нащональний ушверситет корабле-будування 1м. адм. Макарова. - № а200912664; заявл. 07.12.2009; опубл. 10.02.2011, бюл. № 3.
9. Безносов А.В. Тяжелые жидкометалличес-кие теплоносители в атомной энергетике / А.В. Безносов, Ю.Г. Драгунов, В.И. Рачков М.: Издат, 2007. - 434 с.
10. Орлов Ю.И., Мартынов П.Н., Иванов К.Д. Технология свинцово-висмутового теплоносите-
ля на ЯЭУ первого и второго поколения. Доклад на конференции «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях», Обнинск, 2003г.
11. Теплообменные устройства газотурбинных и комбинированных установок / Н.Д. Грязнов,
В.М.Епифанов, В. Л. Иванов, Э. А. Манушин. — М. : Машиностроение, 1985. — 360 с.
12. Газотурбинные двигатели для энергетики и газотурбинные электростанции — Николаев: НПКГ «Зоря» — «Машпроект», 2004 — 20 с.
Поступила в редакцию 01.06.2011
O.K. Чередшченко, М.Р. Ткач. До виборов параметр1в пром1жного теплоносш регенеративного газотурбшного двигуна
Наведет результати досл^дження характеристик газотурбтно! установки, яка облад-нана теплообмтником-регенератором з пром^жним р^дкометалевим теплоноаем. Запро-поновано вибирати в1дносний температурний натр з диапазону 0,35...0,5 для забезпечення заданих сталих значень коефщент^в в^дновлення повного тиску в теплообменниках за умови мшшизацН габаритов теплообменников. Доведено те, що вартвання в1дносного температурного напору в цьому д1апазош дозволяе змнювати ствв1дношення площ теплообм-шник1в в д1апазош 1,0 ... 3,0 при практично постшнш сумарног площ1.
Ключов1 слова: газотурбнний двигун, регенерацш тепла, пром^жний теплоносш, тепло-обмнник, коефщент теплопередача, температурний натр.
A.K.Cherednichenko, M.R.Tkach. To the choice of the parameters of intermediate heat — carrier of regenerative gas turbine engine
Shown the results of the research of the descriptions of the gas-turbine unit, equipped by heat-exchanger regenerator with intermediate liquid-metal heat — carrier. It is suggested to choose relative temperature pressure from a range of 0,35...0,5 for providing of set permanent values of coefficients of renewal of complete pressure in heat-exchangers on condition of minimization of sizes of heat-exchangers. It is shown that varying of relative temperature pressure in this range allows to change the relation of areas of heat-exchangers in a range 1,0.3,0 at a practically permanent total area.
Key words: gas turbine engine, regeneration of heat, intermediate heat — carrier, heat-exchanger, coefficient of heat transfer, temperature pressure.
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 105 -
