CC BY
160
УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ВОЗДУХА
Ю.А. Антипов, И.А. Барский,
И.К. Шаталов, Д.В. Терехов
Кафедра теплотехники и тепловых двигателей Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198
Рассматриваются различные способы повышения мощности газотурбинных установок (ГТУ) при повышенных температурах наружного воздуха.
Ключевые слова: турбина, лопатка, частота вращения, мощность, температура, лопатка.
Из всех тепловых двигателей (дизелей, бензиновых, газовых, паротурбинных, газотурбинных) у ГТУ сильнее всего снижается мощность и экономичность при повышенных температурах воздуха Тн. Это объясняется тем, что полезная работа ГТУ Le равна разности между работой турбины Lx и компрессора L^ т.е. Le = Lx -
- L^ при этом Le в несколько раз меньше, чем Lx и L^ Поэтому небольшое увеличение Lк приводит к сильному снижению Le.
Работа компрессора пропорциональна Тн. Обычно в качестве стандартной принята температура Тн = 288 K (15 °C). Увеличение этой температуры на 10% (на 28,8 K) увеличивает работу компрессора на 10%, а так как Lx остается неизменной, то Le снижается на 20—25%. При этом несколько уменьшается расход воздуха G„ (из-за снижения степени повышения давления в компрессоре пк). В результате мощность N„ = G„ • L„ уменьшается на 25—30%.
На рис. 1 приведены зависимости мощности ряда одновальных, двухваль-ных и трехвальных ГТУ от температуры окружающей среды. Для удобства сравнения разных ГТУ по оси ординат отложена относительная мощность
— N
Ne = ——, где Le0 — мощность при температуре воздуха 15 °C.
Ne0
У одновальных и двухвальных ГТУ при всех температурах выдерживалась постоянная частота вращения компрессора, а у трехвальных ГТУ — постоянная частота вращения компрессора высокого давления.
Для определения мощности при повышении температуры воздуха при условии постоянства температуры газа перед турбиной высокого давления (этому примерно соответствует условие nk = const) можно предложить следующую по-луэмпирическую формулу [1]:
Ne = Ne0-[1 - a •(T, - 288)],
где a = 0,009—0,001 — для одновальных и двухвальных ГТУ и a = 0,012—0,013 — для трехвальных ГТУ.
S \ ч. \ 3 . у
1 ■ ч.
U X 2 NJ
чч V4
-ч
10 0 10 20 30 40 f„,°C
Рис. 1. Зависимость относительной мощности двухвальных и трехвальных ГТД от температуры воздуха при постоянной температуре газа:
1 — двухвальные ГТД: ГТ-700-4, ГТК-10 НЗЛ; TF-35 «Лайкоминг»;
2 — трехвальный ГТД ДГ-90 ПО «Машпроект»;
3 — трехвальный ГТД GT-35 компании ABB
Таким образом, на каждый градус повышения температуры воздуха выше 15 °С мощность одновальных и двухвальных ГТУ уменьшается на 0,9—1%, а трехвальных ГТУ — на 1,2—1,3%.
Причина более высокой чувствительности последних к росту Тн заключается в том, что в трехвальных ГТУ при высоких температурах воздуха сильно снижается частота вращения компрессора низкого давления. Это связано с тем, что увеличение Тн вызывает рост работы компрессора НД, а приводящая его турбина среднего давления располагает меньшим теплоперепадом, чем при Тн = 288 К. В результате при росте Тн у трехвальных ГТУ пк падает сильнее, чем в двухвальных. А так как расход газа через турбины пропорционален пк, то и мощность трех-вальных ГТУ снижается сильнее, чем двухвальных.
Повышение N при Тн > 288 К можно достичь следующими способами:
— впрыском воды в компрессор;
— выбором расчетных параметров при Тн = 293—303 К;
— применением (вместо трехвальной) одно- и двухвальной схемы с регулируемым осевым компрессором, обладающим высокой величиной пк;
— применением соплового регулирования силовой турбины в двухвальных ГТУ.
Опыты показывают, что впрыск воды в компрессор заметно увеличивает мощность ГТУ при стандартной температуре (до 25%). Особенно эффективен впрыск при высокой температуре воздуха.
На рис. 2 приведены зависимости мощности, пк и расхода воздуха Ов турбовинтового одновального двигателя АИ-24 мощностью 1500 кВт от температуры
£
воздуха при отношении расхода жидкости Ож к расходу воздуха ё = -^ = 0,025.
£в
Видно, что при ?н = 50 °С выигрыш мощности от впрыска достигает 40%.
1,16
1,08
1,0
А/е
1,4
1,2
1,0
71 к
- 0В
10 20 30 40 50 60 Г„,°С
Рис. 2. Температурные характеристики ТВД АИ-24 при впрыске жидкости
—
в компрессор при относительном впрыске б = = 0,025
—в
Опыты показали, что впрыск жидкости более 2,5—3% от расхода воздуха нецелесообразен из-за снижения эффективности этого способа повышения мощности.
По результатам испытаний, проведенных в ЦИАМ, РУДН и других организациях, можно предложить следующую формулу для расчета эффективности впрыска:
*=( +10 •а" К ^ Г-
N А
где Nе =——, N — мощность ГТУ без впрыска жидкости; — мощность с впры-
^ е
ском жидкости.
Несмотря на высокую эффективность впрыска, его длительное применение остается под вопросом из-за большого расхода дистиллированной воды и опасности коррозии и эрозии деталей проточной части ГТУ.
Выбор в качестве расчетной более высокой температуры воздуха приводит к тому, что расчетная величина пк достигается не при Тн = 288 К, а при более высокой (на 20—30 °С) температуре. Это приводит к увеличению расхода воздуха и мощности при высокой температуре. Правда, при этом на 4—6% возрастает номинальная частота вращения компрессора. Заметим, что в США у наземных ГТУ в качестве номинальной принята температура, равная 80 и 90 °Б (т.е. 26,6 и 32 °С).
Возврат от трехвальной к одно- и двухвальной схеме связан не только с лучшими температурными характеристиками двух последних. Недостаток трехваль-
ной схемы в сложности и дороговизне, а также в трудностях создания системы регулирования для установок, предназначенных для привода электрогенератора с частотой 50 Гц (п = 3000 мин-1). В этом случае можно применять одновальные ГТУ с осевым компрессором с регулируемыми лопатками статора. Благодаря этому можно повысить пк с 6—7 до 10—12 и выше. В США уже с 1956 г. выпускается одновальный турбореактивный двигатель J-79 с пк = 12 [2]. Для энергетических ГТУ применяется и более простое решение: на режимах пуска, холостого хода и выхода на расчетный режим як = 3000 мин-1 компрессор работает с перепуском воздуха в атмосферу. При подходе к расчетной частоте вращения перепуск закрывается. Это позволило в строящихся в настоящее время парогазовых установках мощностью до 150 МВт использовать одновальные ГТУ. Например, в ПГУ У-94-3 фирм Біетеш-ЛМЗ применяются одновальные ГТУ с пк = 13—17 [3].
Применение силовой турбины с регулируемым сопловым аппаратом в двух-вальных ГТУ позволяет повышать мощность при повышенных температурах воздуха. Увеличивая угол выхода из соплового аппарата, повышают теплоперепад в компрессорной турбине и тем самым увеличивают пк и Gв. При ^ = 35 °С за счет увеличения угла выхода потока из соплового аппарата на 4—5° и частоты вращения компрессора на 7% можно повысить мощность на 10% [4]. Такой метод увеличения мощности применен в двухвальных ГТУ фирмы «Дженерал электрик» мощностью 5000 кВт, применяемых на нефтепромыслах Маракайбо (Венесуэла).
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1) при увеличении температуры воздуха на 1 °С мощность одно и двухвальных ГТУ уменьшается на 0,9—1%, а трехвальных — на 1,2—1,3%;
2) кратковременное увеличение мощности на 20—40% при повышенных температурах воздуха возможно путем впрыска 2—3% воды в компрессор;
3) выбор номинального режима при температуре 35—40 °С может улучшить температурные характеристики ГТУ всех типов;
4) применение вместо трехвальных одно- и двухвальных ГТУ с регулируемыми лопатками компрессора и перепуском воздуха позволяет при достаточно высокой величине пк улучшить температурные характеристики ГТУ.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Шаталов И.К., Барский И.А. Регулировочные характеристики газотурбинных установок, схемы и определение основных параметров ПГУ. — М.: РУДН, 2003.
[2] Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. — М.: Машиностроение, 1970.
[3] Трухний А.Д. Основы современной теплоэнергетики. — М.: МЭИ, 2005.
[4] Барский И.А., Шаталов И.К. Расчет характеристик газотурбинных установок. — М.:
РУДН, 1971.
IMPROVEMENT OF GAS TURBINE PERFORMANCE AT HIGH TEMPERATURES OF AMBIENT AIR
Ju.A. Antipov, I.A. Barsky,
I.K. Shatalov, D.V. Terekhov
Department of Heat Engineering and Thermal Engines Peoples’ Friendship University of Russia
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198
Different ways of increasing gas turbine power at high temperatures of ambient air are analysed. Key words: the turbine, frequency of rotation, capacity, temperature, the blade.
