CC BY
16
УДК 621.438:
М.А. Тарасенко, А.И. Тарасенко
Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова, Николаев, Украина
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ ТЕПЛОВЫХ РЕСУРСОВ В ГТД С ТУК НА ЧАСТИЧНЫХ
РЕЖИМАХ
Рассматривается газотурбинный двигатель (ГТД), имеющий теплоутилизационный контур (ТУК) и промежуточный теплообменный аппарат между компрессорами. Компрессор считается состоящим из двух агрегатов. Компрессор до промежуточного теплообменного аппарата может иметь отдельный привод. Меняя температуру воздуха на выходе из промежуточного теплообменного аппарата можно поддерживать кпд установки достаточно высоким в широком диапазоне мощностей. Приведены результаты расчета для ГТД на базе одновальной схемы с использованием промежуточного теплообменного аппарата в режиме подогревателя воздуха.
Ключевые слова: ГТД, ТУК, компрессор, теплообменный аппарат, кпд, расход, температура цикла.
Введение
Особенностью одновальных ГТД, работающих на генератор, является практически постоянная скорость вращения. При работе на частичном режиме расход воздуха (газа) через тур-бомашины меняется незначительно. Поэтому уменьшение мощности достигается понижением температуры цикла [1]. Значительное понижение температуры цикла на частичных режимах может вызвать срыв работы ТУК и резкое понижение КПД. Срыв работы ТУК может быть вызван существенным понижением температуры наружного воздуха.
Промежуточное охлаждение циклового воздуха в ГТД с ТУК малоэффективно. Используя промежуточный подогрев воздуха, и регулируя температуру воздуха на выходе из промежуточного теплообменного аппарата, можно менять мощность двигателя с незначительным понижением температуры цикла и без срыва ТУК.
1. Формулирование проблемы
Рассматривается схема ГТД, изображенная на рис.1, в которой осуществляется подогрев циклового воздуха между компрессорами. Для подогрева воздуха используется низкопотенциальное тепло отходящих из утилизационного котла газов. Низкопотенциального тепла обычно много. Необходимо получить зависимость КПД двигателя от относительной мощности при управлении температурой воздуха за промежуточным теплообменным аппаратом. Предложить алгоритм изменения температуры воздуха за промежуточным теплообменным аппаратом, который позволит получить максимальный КПД.
Цель работы — обосновать, путем расчетов на ЭВМ, эффективность схемы с промежуточным подогревателем циклового воздуха в ГТД.
1.1 Общие соображения
На рис.1 показана схема газотурбинного двигателя с ТУК и промежуточным подогревателем циклового воздуха.
Рис. 1. Схема ГТД с ТУК и промежуточным подогревателем циклового воздуха
I — первый компрессор; 2 — подогреватель циклового воздуха; 3 — второй компрессор; 4 — камера сгорания; 5 — турбина газовая; 6 — генератор (внешняя нагрузка);
7 — котел; 8 — водоподогреватель (экономайзер); 9 — регулирующий кран; 10 — турбина паровая;
II — генератор (внешняя нагрузка); 12 — конденсатор;
13 — струйный аппарат; 14 — насос
© М.А. Тарасенко, А.И. Тарасенко , 2011
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
Газотурбинный двигатель рис. 1 работает следующим образом:
1. Наружный воздух, сжатый компрессором 1 подается в подогреватель циклового воздуха 2. Этот подогреватель может работать в качестве охладителя, если требуется дополнительная мощность. Привод компрессора 1 осуществляется от паровой турбины 10 и, если необходимо, от генератора 11, который в этом случае работает в режиме двигателя.
2. Нагретый в подогревателе 2 до заданной температуры воздух поступает в компрессор 3. Температура воздуха на выходе из подогревателя регулируется краном 9. С помощью этого крана увеличивают или уменьшают расход греющей воды через подогреватель.
3. Сжатый в компрессоре 2 воздух подается в камеру сгорания. Подачей топлива в камеру сгорания 4 управляет регулятор скорости вращения. При автономном режиме работы температуру воздуха на выходе из подогревателя поддерживают так, чтобы температура на выходе из камеры сгорания находилась в заданных приделах. При работе в сеть регулятор скорости поддерживает заданной температуру на выжоде из камеры сгорания, а мощность ГТД определена температурой воздуха на выходе из подогревателя.
4. Продукты сгорания из камеры сгорания поступают в газовую турбину 5. Газовая турбина 5 осуществляет привод компрессора 3 и генератора 6.
5. Продукты сгорания, отработавшие в газовой турбине 5, поступают в утилизационный котел 7, а затем в экономайзер 8 и газоход.
6. Насос 14 подает воду в экономайзер 8, в котором она подогревается до температуры насыщенного пара. Электропитание насоса осуществляется от частотного преобразователя, с помощью которого поддерживается заданное давление воды на входе в котел 7.
7. С выхода экономайзера часть воды поступает в подогреватель 2, а остальная вода в котел 7. Количество воды, поступающее в подогреватель, определено краном 9.
8. Пар, произведенный в котле 8, срабатывается в паровой турбине 10 и конденсируется в конденсаторе 12.
9. Вода, выходящая из подогревателя воздуха, поступает в струйный аппарат 13, где смешивается с конденсатом. Со струйного аппарата 13 вода поступает на вход насоса 14.
2. Решение проблемы
С помощью методики, изложенной в [2], строим зависимости мощности двигателя N от
температуры за подогревателем I при посто-
янной температуре цикла (при t03 = const) и зависимости КПД двигателя от температуры за подогревателем при постоянной температуре цикла (рис. 2). С помощью этих кривыгх можно сформировать рациональный способ управления двигателем.
Имеется два канала воздействия на двигатель — это регулирование температуры цикла путем управления подачей топлива и регулирование температуры воздуха за подогревателем циклового воздуха путем изменения расхода теплоносителя через подогреватель.
Рис. 2. Линии N = const на поле КПД — ¿наг 1 — линии N (¡НАГ) при to3 = const;
2 — линии при to3 = const
Кривые на рис. 2 построены для относительных температур цикла t03 = 1,0 — 0,9 с шагом 0,01. На рис. 2 легко построить линии постоянной мощности на поле КПД — tHAr . Проводим вертикаль (на рис. 2) через точку пересечения кривой 1 для ¿03 = 1,0 с горизонталью N = 1,0 . Находим точку пересечения этой вертикали с верхней кривой семейства 2. Находим точку пересечения горизонтали N = 1,0 с кривой семейства 1 соответствующей ¿03 = 0,97. Температура за подогревателем примерно 7 °C. Из найденной точки пересечения проводим вертикаль до пересечения с соответствующей кривой семейства 2. Спомощью графика рис. 2 можно подтвердить известный вывод о том, что максимальный КПД будет при максимальной температуре цикла. Из этого следует, что температуру цикла следует держать постоянной, а если необходимо уменьшить мощ-
ность двигателя, то надо повышать температуру за подогревателем циклового воздуха.
Для подогрева воздуха в схеме рис. 1 используется вода. Это означает, что подогреть воздух до температуры выше 200 П°С затруднительно. Учитывая ограничения по температуре подогрева воздуха можно рекомендовать следующий алгоритм работы:
1. На режимах работы близких к номинальному режиму мощность двигателя регулируют изменением температуры за подогревателем циклового воздуха. Температуру цикла при этом поддерживают на заданном уровне (как вариант — равной температуре на номинальном режиме). Таким способом понижают мощность до тех пор, пока температура за подогревателем циклового воздуха не станет равной 200 °С.
2. Если температура за подогревателем циклового воздуха равна 200 °С, то ее поддерживают на заданном уровне, а температуру цикла понижают.
На рис. 3 показана зависимость параметров двигателя, схема которого показана на рис. 1 и который работает по изложенному алгоритму.
0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 N
Рис. З.Сравнение параметров ГТД с ТУК схемы рис.1 и стандартной одновальной на частичных режимах
1,2 — Зависимость КПД двигателя схемы рис.1 от относительной мощности при температуре наружного воздуха 15 °С и минус 15 °С; 3,4 — Зависимость КПД двигателя стандартной схемы от относительной мощности при температуре наружного воздуха 15 °С и минус 15 °С; 5,6 — Зависимость температуры перед котлом для двигателя схемы рис.1 от относительной мощности при температуре наружного воздуха 15 °С и минус 15 °С; 7,8 — Зависимость температуры перед котлом для двигателя стандартной схемы от относительной
мощности при температуре наружного воздуха 15 ° С и минус15 °С;
На рис. 3 приведены результаты сравнительных расчетов двигателя схемы рис. 1 и стандартного одновального двигателя [1] при следующих параметрах номинального режима:
Температура за камерой сгорания.........1000 °С;
Суммарная степень повышения
давления................................................20;
КПД элементарной ступени.................0,9;
Степень восстановления полного давления в котле, подогревателе и камере
сгорания................................................0,95;
Температура за подогревателем............40 °С;
Отношение КПД парового цикла к КПД цикла Карно............................0,55.
Графики рис. 3 показывают слабую зависимость параметров двигателя схемы рис. 1 от температуры наружного воздуха в отличие от двигателя стандартной схемы.
Температура газов перед котлом для двигателя схемы рис.1 меняется незначительно с изменением мощности и температуры наружного воздуха в отличие от двигателя стандартной схемы. Этот факт позволяет осуществить утилизацию тепла отходящих газов в широком диапазоне мощности от 1,0 до 0,5 независимо от температуры наружного воздуха, что нельзя сказать про двигатель стандартной схемы.
Стабильность температуры перед котлом позволяет выбрать ее достаточно низкой, например, путем увеличения степени повышения давления компрессоров.
Основным преимуществом двигателя схемы рис.1 является высокий КПД на частичных режимах. В ряде диапазонов преимущество до 10% или до 5% абсолютных при уровнях КПД порядка 44%.
С помощью графика рис. 3 (кривая 4) можно подвергнуть сомнению тезис о том, что экономичность стандартного ГТД повышается с понижением температуры наружного воздуха. Действительно, КПД стандартной схемы при пониженной температуре наружного воздуха (рис. 3 кривая 4) будет высоким на повышенной мощности. Но реально нужна не повышенная, а заданная (как вариант номинальная) мощность, при которой КПД ниже, чем на номинальном режиме.
В качестве недостатка схемы рис. 1 можно отметить некоторое снижение КПД на номинальном режиме. Это снижение определено потерей полного давления в подогревателе циклового воздуха и заметно потому, что сравнение проводится при прочих равных условиях. Одним из преимуществ двигателя схемы рис.1 является стабильность температуры перед котлом, что позволяет выбрать ее достаточно низкой. Это озна-
1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 121 -
чает, что высокопотенциальное тепло не переходит в низкопотенциальное и КПД на номинальном режиме двигателя стандартной схемы будет ниже, чем КПД двигателя схемы рис. 1.
Схема рис. 1 может быть рассмотрена, как схема с регенерацией низкопотенциального тепла отходящих газов. Эта схема рационально использует вторичные тепловые ресурсы на частичных режимах работы двигателя.
Заключение
Промежуточный подогрев (охлаждение) циклового воздуха в ГТД с ТУК можно рассматривать как средство для обеспечения утилизации на частичных режимах в широком диапазоне температур наружного воздуха.
Стабильность температуры перед утилизационным котлом, при промежуточном подогреве циклового воздуха, позволяет осуществить утилизацию в двигателях со сравнительно низкой температурой цикла (большим ресурсом), что увеличит КПД в полтора раза.
Применение промежуточного подогрева (охлаждения) циклового воздуха делает параметры ГТД стабильными. Мощность и КПД двигателя мало зависят от температуры наружного воздуха.
Рациональное использование вторичных тепловых ресурсов двигателя, путем промежуточного подогрева циклового воздуха в ГТД с ТУК, позволяет, по сравнению со стандартной схемой, повысить на частичных режимах КПД двигателя на 10% или до 5% абсолютных при уровнях КПД порядка 44%.
Можно отметить, что для переоборудования стандартного ГТД до схемы рис.1 не требуется расстыковка двигателя и организация каких-либо механических связей с ним. ТУК организовывается стандартным образом, а паровая турбина, дополнительный компрессор и теплообменный аппарат состыковываются с входным устройством ГТД. Используя паровую турбину можно организовать запуск двигателя без электростартеров.
Перечень ссылок
1. Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М. Теория авиационных газотурбинных двигателей. 4.I. — М.: «Машиностроение», 1977. — 312с.
2. Тарасенко М.А. Оптимальное промежуточное охлаждение ГТД разных схем на частичных режимах // Авиационнокосмическая техника и технология, — 2010. — №9(76) — С.56—58.
Поступила в редакцию 07.07.2011
М.О.Тарасенко, O.I.Тарасенко. Рациональне використання вторичних теплових ре-cypcie ГТД на часткових режимах
Розглядаеться газотурбшний двигун (ГТД), який мае теплоутил^зуючий контур (ТУК) та теплообмтний апарат пром1ж компресорами. Компресор вважаеться побудованим з двох агрегатов. Компресор до теплообмтного апарату може мати окремий привод. Змтю-ючи температуру повтря, що виходе з теплообмтного апарату пром1ж компресорами можливо тдтримувати ккд на досить високому р1вш у широкому д^апазош потужнос-тей. Наведено результати розрахуншв для ГТД на баз1 одновальног схеми з використанням теплообмшного апарату пром1ж компресорами в якост1 тдгр^вача повтря.
Ключов1 слова: ГТД, ТУК, компресор, теплообмшний апарат, ккд, витрата, температура циклу.
M.A.Tarasenko, A.I.Tarasenko. Optimal usage of secondary heat resources gas-turbine engine with hro on partial regimes
We view gas-turbine engine (GTE) that has a heat-recovering outline (HRO) and intermediate heat exchanger in the compressor. Compressor is consisting with two units. That part of compressor that is set before heat exchanger could has a dedicated drive. Changing temperature on heat exchanger output efficiency can be set and kept high enough in the wide range of power. The calculating results for GTE, based on single-shafted scheme with usage of intermediate heat exchanger as air heater, are given.
Key words: GTE, HRO, compressor, heat exchanger, efficiency, consumption, temperature of cycle.
