CC BY
38
УДК 621.438
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОЙ ИНЕРЦИИ ТЕПЛООБМЕННИКА НА ТЕМПЕРАТУРУ ГАЗА ПРИ ПУСКЕ ГТД
Расчет температур воздуха на выходе из теплообменника и газа перед турбиной при пуске ГТД показал, что тепловая инерция теплообменника повышает температуру газа при пуске на 250-300°С.
В газотурбинных двигателях сравнительно малой мощности (менее 1-2 МВт)
применение высоких степеней повышения давления пк в компрессоре ограничено, так как
при больших давлениях воздуха и газа высота лопаток компрессоров и турбин слишком мала, поэтому увеличение экономичности таких ГТД связано с применением регенерации тепла.
ГТД с регенерацией тепла обычно бывают двухвальными, со свободной силовой турбиной. Поэтому будем рассматривать пуск именно такого газотурбинного двигателя.
Тепловая инерция теплообменника сильно влияет на пуск ГТД. В случае, если пуск производится при холодном теплообменнике, необходимо подавать дополнительное топливо для прогрева матрицы. Если же пуск производится при горячем теплообменнике (вскоре после остановки двигателя), то нужно снижать подачу топлива во избежание превышения допустимой температуры газа перед турбиной Тг .
Пуск ГТД состоит из трех этапов.
Первый этап - раскрутка турбокомпрессора стартером без подачи топлива. При этом частота вращения увеличивается от нуля до относительной частоты
П\ = П\)пр = 0,08 — 0,10. Здесь и ниже индексом " р" обозначен параметр расчетного
(номинального) режима. Математические выражения упрощаются, если вместо частоты
вращения п использовать угловую скорость п = = со .
Второй этап пуска - от начала подачи топлива (при Щ = 0,08 — 0,10) до
О)2 = 0,2 - 0,3 . В этом диапазоне угловых скоростей раскрутка турбокомпрессора производится совместно стартером и турбиной компрессора.
Третий этап - от 0)2 до угловой частоты холостого хода (03 = 0,35 — 0,45. При
Со2 = 0,2 — 0,3 стартер выключается, и дальнейший разгон турбокомпрессора производится только турбиной компрессора.
Время разгона турбокомпрессора г на втором этапе пуска определяется из уравнения:
где / - момент инерции турбокомпрессора; Ыт, ЫК, Ыст - мощности турбины, компрессора и стартера.
Время разгона на третьем этапе:
И.А. Барский, Р.Р. Хизяпов
Кафедра теплотехники и турбомашин Российского университета дружбы народов, Россия, 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
0)
Опыты показывают, что на втором этапе пуска мощность стартера много меньше мощности турбины, поэтому время разгона на втором и третьем этапе можно вычислять по формуле:
1 1соёсо _<“г Iох!со
<2)
где Ов - расход воздуха; Ьт и Ьк - работа турбины и компрессора на 1 кг расхода воздуха.
Степень повышения давления компрессора на пусковых режимах определяется по формуле:
Работа компрессора на пусковых режимах:
—ь
~ ЬКо(0 .
Постоянные находят из следующих уравнений:
а = 1,8 + 0,28^ ;
? 3 КРЛСЧ
Ъ = 2,3 - 0,5(0.
Работа турбины при пуске равна:
1Т= П 507> [I - (<тк )-0’25 \]т11М, (3)
где Г]т и Т1М - КПД турбины и ее механический КПД; сг - коэффициент полного давления в газовоздушном тракте.
Температура газа перед турбиной компрессора Тг зависит от расхода топлива Ст, его
теплотворности , КПД камеры сгорания 7]кс, температуры воздуха Тр на входе в камеру сгорания:
(4)
ССгв
где С «1050 Дж/(кгх К) - средняя теплоемкость в камере сгорания.
Температура воздуха на входе в камеру сгорания на установившемся режиме Тр зависит от температуры воздуха на выходе из компрессора Тк и степени регенерации (тепловой эффективности) теплообменника Г)Р:
Тр =ТК + Г/р (Тс — Тк ),
где Тс - температура газа на входе в теплообменник.
Температуру воздуха на выходе из компрессора:
ТК=Т„ +£*/1005.
Температуру газа на входе в теплообменник можно определить имея в виду, что на пусковых режимах степень понижения давления в силовой турбине близка к 1. Тогда:
тс=тк-^-жГ%\
Температуру воздуха на выходе из теплообменника на неустановившемся режиме (режиме разгона) можно найти с помощью уравнения, описывающего переходный процесс в теплообменнике. Нами была проинтегрирована система уравнений, приведенная в работе [11-
Использование метода интегральной оценки позволяет решить систему уравнений, описывающую переходный процесс в рекуперативном теплообменнике с противотоком [1]. При скачке температуры газа на входе полученное уравнение переходного процесса имеет вид [2]:
І р ^рО *
= 1 - ехр
('с-'со)77.
т
Т
•р
где I р и 1р0 - температуры воздуха на выходе из теплообменника до и после начала
переходного процесса; ?с0 и (с - температура газа на входе в теплообменник до и после
начала переходного процесса.
Постоянная времени теплообменника
Т =
№вСвгі
,2
1 Н-------------—77
V -з У
где Ост - масса стенок; Сст и Св - теплоемкость стенок и воздуха; ^ - доля тепла,
передаваемого при поперечном токе.
Был проведен расчет пуска двухвального ГТД с горячим и холодным теплообменником
при Тг =1250 К, 7Гк = 7 , имеющим теплообменник С Т)р =0,75, С?С7-Д?В =50 с.,
Г = 8 С. на расчетном режиме. При холодном теплообменнике температура воздуха на выходе из него в начальный момент равна температуре окружающей среды, т.е.
tpQ = 300 К , а при горячем теплообменнике температура = 680°. Эта температура
была определена с учетом того, что во время выбега ротора после остановки ГТД через матрицу проходил воздух из компрессора. ^
В табл. 1 приведены зависимости температуры газа перед турбиной от времени при пуске с холодным ТГхол и с горячим ТГгар теплообменником в предположении, что подача топлива не зависит от состояния теплообменника.
Таблица 1
Зависимость температуры газа перед турбиной от времени при пуске.
т, с 0 5 10 15 20 25 30 40 50
Тгхоп.і К 288 288 288 490 950 1050 1080 1080 1010
Тггор. ’ К 680 620 600 805 1190 1240 1250 1240 1170
Из табл. 1 видно, что наибольшая разница в температурах ТГ и ТГхол (315 К) достигается через 15 с, в момент начала подачи топлива, а затем эта разница падает, но и в конце пуска (г = 50с) она составляет 160 К. Температура воздуха на выходе из теплообменника и заброс температуры газа будут тем выше, чем больше постоянная времени Т, выше температура газа в момент остановки ГТД и короче время выбега.
Чтобы избежать слишком больших забросов температур при пуске, необходимо менять программу подачи топлива в зависимости от температуры теплообменника. Это может быть достигнуто либо применением двух программ подачи топлива, либо с помощью устройства, программирующего подачу топлива в зависимости от температуры воздуха на выходе из
теплообменника. Если же применена система температурного регулирования ГТД, то Тг
при пуске не будет зависеть от теплового состояния теплообменника.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шевяков А.А., Яковлева Р.В. Инженерные методы расчета динамики теплообменных аппаратов. - М.Машиностроение, 1968. - 320 с.
2. Барский И.А. Переходные характеристики газовоздушных теплообменников //Энергомашиностроение, 1976, №3 - С. 30-32.
UDC 621.438
HEAT EXCHANGER TRANSIENT RESPONSE INFLUENCE ON GAS TURBINE ENGINE STARTING
TEMPERATURE.
I.A. Barsky, R.R. Khiziapov
Department of Thermal Engineering and Turbines Peoples’ Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya St., 6, 117198 Moscow, Russia
Calculations show, that heat exchanger transient response rise gas turbine starting temperature on 250-300'C.
