Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf

дают возможность значительно сократить время работы. Покажем применение предлагаемых таблиц в расчете.

Необходимо произвести расчет высокотемпературной двухком-

Турбины высокого давления и среднего давления—охлаждаемые. Расчет ВГТУ представлен в табл. 16.

Подобные расчеты можно производить не только с помощью таблиц, но и используя графические зависимости.

Глава III

ТЕРМОДИНАМИКА ЦИКЛОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

СОХЛАЖДАЕМЫМИ ТУРБИНАМИ

§17. Дополнительные потери

за счет охлаждения газовых турбин

Использование систем охлаждения в газовых турбинах, как отмечалось, не только дает возможность поднять на­ чальную температуру газа и тем самым повысить эффективность ГТУ, но и вызывает потери, связанные с отводом тепла от охлаждае­ мых узлов. Эти потери тем выше, чем больше начальная температура газа и чем меньше заданная температура охлаждаемой детали. По­

ния начальной температуры газа. Поэтому целесообразность вне­ дрения системы охлаждения для осваиваемой начальной темпера­ туры газа определяется положительной разностью между экономич­ ностью ВГТУ с системой охлаждения и экономичностью ГТУ, при­ нятой за эталон, без системы охлаждения. Если разность окажется отрицательной или равной нулю, то применять систему охлаждения

или большой ресурс ГТУ. Повышение единичной и удельной мощ­ ности ГТУ необходимо для судов с динамическими принципами под­ держания.

Получение большего ресурса для судовой ГТУ всегда является одним из основных требований. Итак, при использовании систем охлаждения для каждого отдельного случая необходимо отыскивать оптимальный вариант по созданию ВГТУ с заданными экономич­ ностью и ресурсом.

Потери, возникающие в результате отвода тепла от турбины, разнообразны и зависят от конструкции системы охлаждения, типа охлаждающего агента и схемы ГТУ. Так, в закрытых системах охлаждения лопаток газовых турбин охлаждающий агент отбирает энергию у газового потока через стенки лопатки, понижая его тем­ пературу, а во внутренних открытых системах охлаждающий агент,

выходя в проточную часть, вызывает потерю, связанную с нарушением аэродинамики и термодинамики потока. Если узлы газовой турбины охлаждаются воздухом, то последний отбирается от компрессора. При этом энергия, необходимая на его создание и прокачивание, составляет значительную величину, в то время как для охлаждения внутренних поверхностей узлов турбины водой затрачивается сравни­ тельно меньше энергии. В схемах ВГТУ с регенератором при от­ крытом воздушном охлаждении турбины появляются дополнитель­ ные потери, связанные с понижением температуры газа перед регене­ ратором. Эти потери настолько большие, что делают нецелесообраз­ ным использование такой схемы для судовых ВГТУ.

кромки лопатки, неоптимальная закрутка лопатки и др.); связанные с подмешиванием в поток газа более холодного охлаж­

дающего агента; от охлаждения турбины при наличии регенерации.

Первая и вторая потери возникают во всех системах охлаждения. -Третья потеря характерна только для закрытых систем охлаждения, где энергия, полученная охлаждающим агентом, отводится и до­ полнительно используется. Четвертая и пятая потери характерны для открытых систем охлаждения (в основном для воздушных). Шестая потеря существует в ВГТУ с регенерацией.

При использовании воздушных систем охлаждения часть отра­ ботанного на охлаждение узлов турбины воздуха возвращается в про­ точную часть и совершает работу. Это необходимо учитывать при оценке потерь на отбор охлаждающего воздуха.

В простых схемах ВГТУ с закрытыми жидкостными системами охлаждения главной и определяющей является термодинамическая потеря. Этим объясняется тот факт, что исследователи, работающие в области создания жидкостных систем охлаждения, создавали ме­ тодику по расчету именно этой потери.

рассчитывать путем поступенчатого расчета турбины с учетом по­ нижения температуры газа в каждой ступени за счет отвода тепла. •Снижение температуры газа в каждой ступени приводит к пониже­ нию работоспособности газа в последующих ступенях и соответст­ венно к уменьшению полезной работы в турбине. При этом не учиты­ вается уменьшение работы в той ступени, где отводится от газа дан­ ное количество тепла, поскольку неизвестно, какая часть отведен­ ного тепла вызывает уменьшение полезной работы в ступени, а ка­ кая часть его идет на понижение энтальпии газа за данной ступенью.

В работе [45] расчет потери при отводе тепла от газа предлагается производить исходя из того, что отношение потери полезной работы в ступени ко всему отведенному от ступени теплу (коэффициент %) мало меняется при изменении показателя политропы. При извест­ ном значении коэффициента к можно приближенно определить по­ терю полезной работы при известном количестве отведенного тепла.

В работе [73] процесс расширения газа в турбине с учетом от­ вода тепла рекомендуется рассчитывать путем определения показа­ теля политропы по данному количеству отведенного в ступени тепла. Этот метод также можно использовать для расчета турбины. Од­ нако ввиду неточности определения показателя политропы для каж­ дого охлаждающего венца при неравномерном отводе тепла к различ­ ным элементам проточной части данный метод может привести к су­ щественной погрешности (ввиду резкого влияния изменения пока­ зателя политропы на параметры газа за каждым венцом).

Анализ других имеющихся методов расчета потерь, связанных с охлаждением, приведен в работе [46].

Для простых схем ВГТУ с открытыми воздушными системами охлаждения главной и определяющей является потеря, связанная с отбором охлаждающего воздуха от компрессора. Поэтому в рабо­ тах, посвященных расчету ВГТУ с воздушным охлаждением, в ос­ новном дана оценка потерь, связанных с отбором воздуха на охлаж­ дение и его дальнейшую работоспособность. Широкие исследова­ ния в этой области проведены проф. В. И. Локаем [20].

Энтропийный метод учета энергетических потерь, связанных с охлаждением турбины [60], позволяет рассчитать любую потерю при различных системах охлаждения и выразить все потери через одну величину — энтропию.

Поскольку каждый из методов расчета имеет свои преимущества и недостатки и может быть использован с большей или меньшей эф­ фективностью при расчете ВГТУ с различными системами охлажде­ ния, то целесообразно рассмотреть основные из них.

§18. Метод проф. В.В.Уварова расчета охлаждаемой турбины

Методика проф. В. В. Уварова позволяет оце­ нить термодинамическую потерю за счет охлаждения проточной части турбины. Она может дать достаточно точные данные, если про­ точная часть охлаждаемой турбины уже известна.

Ведя поступенчатый расчет отвода тепла и падения энтальпии в результате охлаждения на каждом венце, можно с достаточной степенью точности определить термодинамическую потерю и коли­ чество отведенного тепла для всей турбины. Однако если проводить приближенный расчет, принимая средние значения теплоемкости и коэффициент р постоянными, то поступенчатого расчета можно из­ бежать. Тогда точность расчета будет находиться в пределах 8—10%, что является соизмеримым для величины потерь в охлаждаемых тур­ бинах. Для определения термодинамической потери (снижения рабо-

тоспособности) при охлаждении элементов проточной части автор использует ряд зависимостей для течения газа по лопаточному