Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 208
Скачиваний: 1
§ 26. Потери энергии от охлаждения турбины
при наличии регенератора
В цикле с регенерацией при закрытой системе охлаждения, кроме термодинамической потери в турбине от охлажде ния ее проточной части, возникает потеря, связанная с понижением температуры газа на входе в регенератор. В этом случае при той же степени регенерации понижается нагрев воздуха в регенераторе.
В неохлаждаемой турбине изменение энтальпии воздуха в реге нераторе
|
|
|
|
Д*'в = |
г (h — |
is), |
|
|
|||
где |
і.2 |
— энтальпия |
воздуха |
на входе |
в |
регенератор; |
|
||||
|
і4 |
•—• энтальпия |
газа на выходе |
из |
регенератора. |
|
|||||
|
При отборе тепла в проточной части турбины изменение энталь |
||||||||||
пии воздуха в |
регенераторе |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Ail |
= '•({[— |
|
to), |
|
|
||
где |
ц — энтальпия |
газа на выходе из охлаждаемой турбины. |
|||||||||
|
Тогда понижение энтальпии воздуха на выходе из регенератора |
||||||||||
вследствие охлаждения можно выразить формулой |
|
||||||||||
|
|
|
Пч. охл = |
Аів — А/в |
= |
|
г(ц |
— ц). |
(73) |
||
|
Поскольку |
понижение |
энтальпии |
газа |
за турбиной |
вследствие |
|||||
охлаждения проточной части |
равно |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
і |
|
|
|
|
|
то |
потеря в регенераторе за |
счет понижения |
температуры |
на входе |
|||||||
в него |
в результате |
охлаждения проточной части турбины составит |
|||||||||
|
|
|
|
Л,, охл = г £і ( 9 - Л в ) . |
(74) |
||||||
|
Суммарную же потерю в цикле за счет охлаждения с регенерацией |
||||||||||
при закрытой системе охлаждения можно представить так: |
|||||||||||
|
|
|
Я ч . з . с = |
£ія - | - / - |
£і( < ? - Я " ) . |
(75) |
|||||
В цикле с регенерацией при открытой системе охлаждения, кроме потери за счет охлаждения проточной части турбины и потери, свя занной с понижением температуры газа на входе в регенератор, появ ляется дополнительная потеря, которая возникает в результате сни жения температуры газа от подмешивания охлаждающего воздуха в проточную часть турбины. Тогда потеря в цикле с регенерацией
Я ч . о . с = ЪП + r Ь(я — П") + г{ІА-іА), |
(76) |
|
і |
і |
|
где ц — энтальпия |
газа на выходе из охлаждаемой турбины с уче |
||||
том снижения |
энтальпии |
от подмешивания воздуха; |
|||
С = |
( 1 - |
G„. ох,,) '4 — Gu. охл [h — ср |
(Го - |
AT)} = |
|
|
= |
Ц 1 — |
U „ . охл | 1 |
> |
| |
(То — температура воздуха за компрессором).
Подставив полученное выражение Ц в формулу (76), получим
п.,.0.с = |
t |
n |
+ |
rt(q-n-) |
+ |
|
|
||
|
|
|
|
і |
|
і |
|
|
|
|
+ |
rGB. охл [Ц - |
ср (Тз -!- ЛТ)]. |
|
(77) |
||||
Все остальные потери в цикле ГТУ (потери в турбине, компрес |
|||||||||
соре, потери энергии |
за счет |
невозможности |
преобразования |
всего |
|||||
подведенного тепла |
в |
цикле, |
гидравлические |
потери и т. д.) |
молено |
||||
для общности также |
|
выразить |
через изменение энтропии |
системы |
|||||
обычными методами |
[11]. Тогда относительная суммарная |
энергети |
|||||||
ческая потеря в установке |
равна |
сумме всех |
энергетических |
потерь |
|||||
в отдельных ее узлах: |
|
|
|
|
|
|
|
||
где Q — вся энергия, подведенная в цикле. При этом к. п. д. ГТУ
Выражение всех потерь через коэффициент Q позволяет опреде лить относительную величину каждой из потерь в общем балансе тепла любого цикла ГТУ и выявить возможности повышения эффек тивности ГТУ за счет совершенствования отдельных узлов, процессов
и т. д. |
|
|
|
Если |
определять |
основные показатели |
высокотемпературных |
ГТУ с |
охлаждаемыми |
турбинами обычными |
методами, то можно |
ограничиться добавкой в их выражения дополнительно вычисленных потерь, связанных с охлаждением.
§27. Пределы использования различных систем охлаждения
Пределы целесообразного подъема начальной температуры газа перед охлаждаемой турбиной зависят от двух основ ных факторов: применяемых материалов для основных деталей узлов турбины и используемых систем охлаждения.
Если считать, что материал проточной части газовых турбин обес печит длительную работу машины при определенной температуре, то предел начальной температуры газа будет зависеть от типа системы охлаждения и охлаждающего агента. Теоретически с помощью систем охлаждения можно обеспечить заданную температуру проточной части при любой начальной температуре газа. Однако возможности систем охлаждения ограничены пропускной способностью охлаждае мых узлов и падением экономичности за счет охлаждения турбины.
Если считать, что определяющим фактором будет являться паде ние экономичности ГТУ за счет охлаждения узлов турбомашины, то, проведя расчет циклов ВГТУ с учетом всех потерь, связанных с охла ждением, можно установить пределы начальной температуры газа перед турбиной с различными системами охлаждения. Тем самым бу дут установлены области использования различных систем охлаж дения в турбинах ВГТУ.
С этой целью нами была составлена программа (близкая к уни версальной) на ЭЦВМ, по которой было рассчитано более 6000 раз личных циклов с охлаждаемыми турбинами. Расчет турбины прово дился повенечный, что дало возможность учесть все потери, связан ные с охлаждением. Циклы рассчитывались с учетом изменения теплоемкости в процессах сжатия и расширения.
|
Исходные данные для расчетов были следующие: |
|
|
|
1. Наиболее целесообразные схемы ГТУ: |
|
|
|
— с одним |
компрессором и двумя турбинами — ТНД |
работает |
на |
винт; |
|
|
|
— с одним компрессором, двумя турбинами, с регенерацией — |
||
ТНД работает |
на винт; |
|
|
|
—• с двумя |
компрессорами и тремя турбинами — ТНД |
работает |
на |
винт; |
|
|
—с двумя компрессорами и тремя турбинами с промежуточным охлаждением — ТНД работает на винт;
—с двумя компрессорами и тремя турбинами, с регенерацией — ТНД работает на винт;
—с двумя компрессорами и тремя турбинами, с промежуточным
охлаждением и регенерацией — ТНД работает на винт.
2. |
В качестве систем |
охлаждения были выбраны существующие |
и наиболее перспективные системы охлаждения: |
||
— |
водяная закрытая, |
одно- и двухконтурная (термосифонная); |
—воздушная одноконтурная закрытая;
—воздушная одноконтурная открытая;
—совершенная воздушная одноконтурная открытая, которая отличается от предыдущей системы охлаждения максимальной эффек тивностью охлаждаемых лопаток.
3. Температура газа на входе в турбину Ts принималась от 1073 до 1873 К.
4.Степень повышения давления принималась от 2 до 60.
5.Расход воздуха G принимался от 10 до 400 кг/с.
6.Степень регенерации принималась равной нулю и 0,8.
7.Начальная температура воздуха принималась равной 288 К.
8. |
Начальное давление воздуха составляло 0,09 |
Мнім1. |
|
|
|||||||
9. |
К- п. д. |
турбин, компрессоров, камер сгорания |
принимались |
||||||||
как функции от степени повышения давления и температуры |
газа. |
||||||||||
10. Гидравлические сопротивления принимались на основании |
|||||||||||
существующих коэффициентов: |
|
|
|
|
|
|
|
||||
— |
коэффициент |
потери давления |
на |
входе в компрессор |
|
|
|||||
|
|
|
|
евх = |
1,02; |
|
|
|
|
|
|
— коэффициент |
потери давления |
на |
выходе из |
турбины |
|
|
|||||
|
|
|
|
^вых = |
1,02; |
|
|
|
|
|
|
— |
коэффициент |
потери |
давления |
в |
камере сгорания |
ек .с |
= |
1,03; |
|||
— |
коэффициент |
потери |
давления |
в регенераторе |
по |
воздуху |
|||||
|
|
|
|
ер .в = |
1,02; |
|
|
|
|
|
|
— |
коэффициент потери давления в регенераторе по газуер .г |
= |
1,0 3; |
||||||||
— |
коэффициент |
потери |
давления |
в |
промежуточном |
охладителе |
|||||
еп.о = |
1,02. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11. |
Температура направляющих лопаток принималась 1073 К, |
||||||||||
рабочих 873 |
К. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Точный расчет отбираемого от проточной части охлаждаемой тур бины тепла может быть, как указывалось выше, произведен лишь после детального газодинамического и прочностного расчета турбины или получен из эксперимента. Поэтому для приближенной оценки отбираемого тепла были выведены на основании геометрических соот ношений и статистических данных построенных турбин формулы для количества отбираемого в процессе охлаждения тепла.
Коэффициент теплоотдачи на данном венце можно приближенно
вычислить по формуле, рекомендованной в работе [2]: |
|
|||||||||
|
|
|
а = -j- |
|
0,8Re0 ^5 , |
(78) |
||||
где |
А, — теплопроводность г а |
з а |
П Р И входе в решетку; |
|
||||||
|
b — хорда |
профиля |
лопатки; |
|
|
|
||||
|
Re — число Рейнольд0 3 П Р И |
входе в Решетку лопаток. |
||||||||
|
Отношение F0XJG можно представить в виде |
|
||||||||
|
|
|
|
G |
|
- F„wzy' |
|
|
(79) |
|
где |
Fn |
— проходное сечение для газа; |
|
|
|
|||||
|
wz |
— осевая |
скорость газа |
в данном |
сечении; |
|
||||
|
|
^ о х л = |
( - 7 Г L V p |
V/ |
W |
p |
р |
h п |
Р н + ^ в н ) 4 т |
+ |
|
|
|
|
|
|
( |
- ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
+ n 2 D c p . 0 , 7 5 / p + ^ - ^ n D c p / c ,
\~TJz
