Применение парогазовой установки в качестве источника энергии активной системы охлаждения газотурбинного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.438: 621.11 ПРИМЕНЕНИЕ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ АКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

© 2014 А Н. Гришин, В.А. Слесарев

Уфимский государственный авиационный технический университет

Поступила в редакцию 29.11.2014

Предлагается активная система охлаждения высокотемпературного газотурбинного двигателя, в которой в качестве источника энергии используется парогазовая установка. Выполнено сопоставление расчетных значений термического КПД для двух аналогичных газотурбинных двигателей с активными системами охлаждения, но имеющих в качестве источника энергии системы охлаждения в первом случае газотурбинную установку, а во втором случае парогазовую установку. Доказано, что при использовании в качестве источника энергии парогазовой установки термический КПД газотурбинного двигателя имеет более высокое значение.

Ключевые слова: высокотемпературный газотурбинный двигатель, система охлаждения, газотурбинная установка, парогазовая установка, термический КПД, теплообменник-парогенератор, регенератор, холодильник, инжектор, теплота, удельная работа

В высокотемпературном газотурбинном двигателе (ГТД) с большой степенью повышения давления в компрессоре возникает проблема надежного и экономичного охлаждения горячих деталей проточной части. Эта проблема может быть решена в ГТД с активной системой охлаждения (СО) турбины [1]. Схема ГТД с такой СО приведена на рис. 1. Источником энергии в ней является газотурбинная установка (ГТУ), содержащая компрессор 4, камеру сгорания 5 и турбину 6. Воздух отбирается за компрессором 1 ГТД и охлаждается в теплообменнике-парогенераторе 8. Часть его поступает в компрессор 4, камеру сгорания 5 и турбину 6 ГТУ. Из ГТУ продукты сгорания подводятся в камеру сгорания 2 ГТД. Оставшаяся часть воздуха поступает в компрессор 7 системы охлаждения, сжимается в нем, а затем охлаждается в теплообменнике-парогенераторе 9. Из него воздух подается в каналы охлаждения 10 открытой СО турбины 3 ГТД. Благодаря повышению давления охлаждающего воздуха, существенно интенсифицируется процесс теплообмена в каналах охлаждения газовой турбины [1-7].

Теплота воздуха теплообменников-парогенераторов 8, 9 используется для генерации пара в паротурбинной установке (ПТУ), являющейся дополнительным источником энергии СО. Схема одного из вариантов ПТУ приведена на

Гришин Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент

Слесарев Виктор Алексеевич, кандидат технических наук, доцент. E-mail: [email protected]

рис. 2. В качестве рабочего тела в ней может использоваться органическое рабочее тело с положительным наклоном пограничной кривой пара в Т-8 координатах. В этом случае процесс расширения рабочего тела будет всегда заканчиваться в области перегретого пара, а, следовательно, будет отсутствовать проблема снижения КПД турбины и эрозии её лопаток из-за появления конденсата. Большинство таких рабочих тел имеет низкую температуру плавления и достаточно высокую температуру термического разложения. Например, для органического рабочего тела СР-25 и=-95°С, Тт.р=753К [8].

Рис. 1. Схема ГТД с активной системой охлаждения: 1, 2, 3 - компрессор, камера сгорания и турбина ГТД; 4, 5, 6 - компрессор, камера сгорания и турбина ГТУ; 7, 8, 9, 10 - компрессор, теплообменники-парогенераторы и каналы охлаждения СО

Конференция «Современные наукоемкие инновационные технологии», 2-4 декабря 2014 г.

ПТУ получает теплоту из теплообменников ГТУ и СО. Поэтому источником энергии СО становится парогазовая установка (111 У). Пар из теплообменников-парогенераторов 8, 9 поступает в ступень высокого давления 11 и ступень низкого давления 12 паровой турбины, охлаждаясь после расширения в них соответственно в регенераторах 14 и 15. После этого он подается в

конденсирующий инжектор 13. Одна часть полученного в нем конденсата с помощью насоса 17 подается через охлаждающие стороны регенераторов 15 и 14 в теплообменники-парогенераторы 8, 9. Другая часть насосом 18 прокачивается через холодильник 16 и поступает в конденсирующий инжектор 13.

Рис. 2. Схема ПТУ источника энергии активной системы охлаждения: 8, 9 - теплообменники-парогенераторы; 11, 12 -ступени паровой турбины; 13 - конденсирующий инжектор; 14, 15 - регенераторы; 16 - холодильник; 17, 18 - насосы

Применение теплообменников-парогенераторов со змеевиковыми парогенерирующими каналами и конденсирующего инжектора обеспечивает надежную работу ПТУ при любых положениях летательного аппарата в пространстве и знакопеременных перегрузках. ПТУ с органическими рабочими телами находят применение в космических и глубоководных радиоизотопных энергоустановках, имеют большой ресурс и высокую надежность работы [8]. При использовании в качестве источника энергии СО только ГТУ термический КПД ГТД равен:

п^ =

£ + £

гту

= п ■

£ + £ гту + 12 + Ят (1 + ^ )

г Л

1 ■ £гту

Ча у

(1)

где I, Сггу - удельные полезные работы ГТД и ГТУ (отнесены к величине расхода воздуха через ГТД); q2 - удельная теплота, отводимая из цикла ГТД; qтo е =^тс^то со) - удельная теплота, отводимая из теплообменников ГТУ и СО;

£ = £ ^гту ^ гту

- относительная работа ГТУ;

:£ гту/ (£ гту + Ято 2 ) - коэффициент пре-

образования дополнительно подведенной теплоты в дополнительную полезную работу [2]; Ч = £/(£ + я2 ) - термический КПД ГТД с

идеализированной СО (не учитываются дополнительные затраты тепловой и механической энергии на её функционирование).

Если в качестве источника энергии СО используется ПГУ, то термический КПД ГТД можно найти по формуле:

ппгу =

£ + £

пгу

£ + £ пгу + Я2 + Ях

= п ■-

(1 + £пгу )

1+

п ■ £

пгу

па у

пгу

(2)

где 1пгу - удельная полезная работа ПГУ (отнесена к величине расхода воздуха через ГТД); qх -удельная теплота, отводимая из цикла ПТУ через холодильник; £ = £ пгу /£ - относительная

работа ПГУ; ппгу = £ пгу/ (£ пгу + Ях) - коэффиЦиент преобразования дополнительно подведенной теплоты в дополнительную полезную работу.

Коэффициент преобразования дополнительно подведенной теплоты в дополнительную полезную работу папгу может быть приведен к виду:

пгу

па =-

1

1 +

' пту

пгу

(1 -Лпту )

Лпту

(3)

где

Ату - удельная работа ПТУ; Лигу = ^ту/Чтое - термический КПД ПТУ;

Чю е = Что + Что со ) - удельная теплота, передаваемая в теплообменниках-парогенераторах от воздуха к органическому рабочему телу.

Приближенно можно принять Пшу^0,3 [8]. Обычно в ПГУ утилизационного типа отношение Сщ/Еп^ОД В этом случае из формулы (3) получим следующую оценку величины коэффициента преобразования дополнительно подведенной теплоты в дополнительную полезную работу папгу~0,59. Термический КПД современных ГТД равен величине п~0,3-0,4. Тогда из формулы (2) следует неравенство:

пГ

> п

(4)

Так как величина п характеризует термический КПД ГТД с идеализированной СО, в которой не учитываются дополнительные затраты тепловой и механической энергии на её функционирование, то п> По, где п0 - термический КПД ГТД с обычной пассивной СО (с отбором мощности для привода компрессора СО от коробки агрегатов ГТД).

Учтя неравенства папгу> Пату и 1>10, где 10 -удельная работа ГТД с пассивной СО, можно сделать вывод, что ГТД с активной СО, имеющей источник энергии СО в виде ПГУ, будет

всегда более эффективным по сравнению с ГТД,

использующим источник энергии СО в виде

ГТУ и тем более эффективным по сравнению с

ГТД, имеющим пассивную СО.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Гришин, А.Н. Активные воздушные системы охлаждения для интенсификации теплообмена в энергетических установках / А.Н. Гришин, ВА. Слесарев // Интенсификация теплообмена: Тр.1-й Рос-сийск. нац. конф. по теплообмену. - М.: МЭИ, 1994. Т.8. С. 52-57.

2. Гришин, А.Н. Основы теории рабочих процессов энергетических и энерготехнологических установок с активными вспомогательными системами // Вестник УГАТУ. 2002. Т. 3, №2. С. 119-126.

3. Пат. 18226613 (РФ). Способ работы газотурбинного двигателя /А.Н. Гришин. 1993.

4. Пат. 2064060 (РФ). Способ работы энергетической установки / А.Н. Гришин. 1996. Бюл. №20.

5. Пат. 2064062 (РФ). Способ работы газотурбинной установки / А.Н. Гришин, В.А. Слесарев, О.К. По-лев. 1996. Бюл. №20.

6. Пат. 2006631 (РФ). Способ работы высокотемпературного газотурбинного двигателя и высокотемпературный газотурбинный двигатель / А.Н. Гришин. 1994. Бюл. №2.

7. Пат. 2053397 (РФ). Способ работы газотурбинного двигателя /А.Н. Гришин. 1996. Бюл. №3.

8. Гришутин, М.М. Паротурбинные установки с органическими рабочими телами / М.М. Гришутин, А.П. Севастьянов, Л.И. Селезнев, Е.Д. Федорович. - Л.: Машиностроение, 1988. 219 с.

APPLICATION OF STEAM-GAS POWER UNIT AS THE POWER SOURCE OF ACTIVE COOLING SYSTEM OF GAS-TURBINE

ENGINE

© 2014 A.N. Gnshm, V.A. Slesarev Ufa State Aviation Technical University

The active cooling system of the high-temperature gas-turbine engine in which as a power source steam-gas unit is used is offered. Comparison of calculated values of thermal efficiency for two similar gasturbine engines with active cooling systems but having as cooling system power source in the first case the gas-turbine unit, and in the second case steam-gas unit is executed. It is proved that when using as a power source the steam-gas unit the thermal efficiency of gas-turbine engine has higher value.

Key words: high-temperature gas-turbine engine, cooling system, gas-turbine unit, steam-gas unit, thermal efficiency, heat exchanger steam generator, regenerator, refrigerator, injector, heat, specific work

Alexander Grishin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Viktor Slesarev, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. E-mail: [email protected]