Совершенствование автономных малогабаритных газотурбинных установок с применением современных технологий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Чу Ван Чунг

• Чу Ван Чунг
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Чу Ван Чунг

Введение

1 Обзор существующего состояния автономных малогабаритных газотурбинных установок

1.1 Классификация малогабаритных газотурбинных автономных установок, мощной ряд, области применения

1.2 Современные автономные малогабаритные газотурбинные установки

1.3 Техническое описание текущих автономных малогабаритных газотурбинных установок

1.4 Основные особенности зарубежных и отечественных автономных малогабаритных газотурбинных установок, преимущества и недостатки

1.5 Применение современных технологий для разработки и изготовления малогабаритных газотурбинных установок

1.6 Цель и задачи исследования

2 Методики расчета тепловых схем и элементов малогабаритных автономных установок

2.1 Алгоритмы расчета тепловых схем автономных малогабаритных газотурбинных установок

2.2 Методики расчета малорасходных турбин

2.3 Методика расчета центробежного компрессора

2.4 Методика расчета компактных высокоэффективных теплообменников

2.5 Методика расчета газодинамических подшипников

3 Численный анализ режимных параметров, их влияние на работу автономных малогабаритных газотурбинных установок

3.1 Влияние условия внешней среды

3.2 Влияние вида топлива

3.3 Влияние потерь полного давления во входном и выходном

патрубках

1

3.4 Влияние внутренних потерь в турбомашинах

3.6 Влияние эффективности рекуператора

3.7 Влияние частоты вращения ротора и характеристики газодинамических подшипников

4 Выбор тепловой схемы и оптимальных параметров рабочего цикла автономных малогабаритных газотурбинных установок

4.1 Современные направления разработки тепловых схем с целью повышения топливо-энергетической эффективности автономных малогабаритных газотурбинных установок

4.2 Концепции гибридных установок на основе малогабаритных газотурбинных установок и топливных элементов

4.3 Выбор схемы автономных малогабаритных газотурбинных установок на основе совершенствования цикла брайтона

4.4 Анализ влияния эффективности теплообменных аппаратов на показатели цикла автономных малогабаритных газотурбинных установок с промежуточным охлаждением и регенерацией

4.5 Приближенный расчет и выбор оптимальных параметров цикла автономной малогабаритных газотурбинных установок с промежуточным охлаждением и регенерацией

5 Конструирование и моделирование основных компонентов в составе разработанных конструктивных схем автономных малогабаритных установок

5.1 Конструирование и оптимизация малоразмерных газотурбинных турбин

5.2 Конструирование и оптимизация центробежных компрессоров низкового давления и высокого давления

5.3 Проектирование высокоэффективного рекуператора с помощью современных технологий

5.4 Конструктивные схемы разработанных автономных

малогабаритных газотурбинной установки (АМГТУ-01) и компрессорной

2

установки (АМКУ-01) для выработки электрической, тепловой энергий и

сжатого воздуха

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Компьютерные коды программы расчета тепловой

схемы автономных малогабаритных газотурбинных установок

Приложение Б. Компьютерные коды для расчета характеристики

лепестковых газодинамических подшипников

Приложение В. Компьютерные коды для определения влияния габаритов рекуператора печатного типа на его падение гидравлического

сопротивления

Приложение Г. Рекомендация к выбору материалов для применения

биметаллической конструкции детали рекуператора

Приложение Д. Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование автономных малогабаритных газотурбинных установок с применением современных технологий»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Развитие турбиностроения привело к широкому использованию малогабаритных газотурбинных установок (МГТУ) в малой энергетике - в автономных установках. Такие современные МГТУ являются одновальными рекуперативными. Применение автономных МГТУ мощностью до 100...150 кВт может оказаться выгоднее, чем применение традиционных двигателей внутреннего сгорания из-за лучшей компактности, повышенного КПД рабочего цикла, топливно-тепловой эффективности.

Поскольку в автономных установках может использоваться на месте низкосортное органическое топливо, в частности дизельное топливо, то требуется провести исследования и разработать новые варианты высокотемпературных компонентов МГТУ. Высокие требования по ограничению вредных выбросов автономных транспортных энергетических установок (1МО в частности рртУ) действующие в настоящее время (на пример, предельное значение выбросов NОx не должно быть выше 5 рртУ по новому стандарту 1МО ^ег-Ш) и поэтому увеличивается использование альтернативных видов топлива для их снижения.

Высокие цены на топливо с текущими проблемами защиты окружающей

среды и тенденция к их повышению эффективности автономных МГТУ

оказали существенное влияние на конструирование МГТУ и потребовали

решения комплекса вопросов, связанных с экономией топлива, в том числе

ещё с утилизацией теплоты уходящих газов. Дело в том, что дальнейшее

совершенствование МГТУ должно пойти в направления увеличения

температуры газа перед турбиной для повышения термодинамической

эффективности цикла Брайтона или за счет оптимизированной конструкции

компонентов существенных МГТУ. Оба эти подхода по-разному влияют на

технологический процесс изготовления энергетической установки. Первый

подход требует использования современных материалов (в данном случае

более жаропрочных сплавов) для высокотемпературных компонентов (турбин,

4

рекуператоров). Другой подход подразумевает модернизацию компонентов МГТУ с использованием передовой технологии производства, основанной на лазерном спекании порошков металлов и которую часто называемой аддитивной.

Целью работы являются разработка тепловых и конструктивных схем автономных МГТУ и создание конструкций основных высокоэффективных компонентов автономных МГТУ по предлагаемой новой схеме. Выбранная схема МГТУ отвечает требованию к повышению эффективности всей установки с учетом влияния всех факторов на ее работу. Таким образом, в научной работе решались следующие задачи:

• Подготовка и разработка методологического обеспечения и программ для расчета тепловых схем автономных МГТУ и методик проектирования основных элементов МГТУ.

• Оценка влияний всех режимных параметров на работу типовой автономной МГТУ и предложение подходов к совершенствованию МГТУ.

• Выбор новой конфигурации тепловой схемы автономной МГТУ, повышенной топливной энергетической эффективности установки.

• Предложение новых вариантов основных высокоэффективных компонентов проектной МГТУ, создание которых возможно с применением современных технологий.

Объектом исследования является автономная МГТУ мощностью 30 кВт для совместной выработки электричества и тепла.

Предмет исследования - термодинамические процессы по схеме рекуперативной МГТУ и термодинамические процессы в проточных частях некоторых основных компонентов данной установки.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• Разработаны компьютерные программы, с помощью которых рассчитаны и исследовано влияние разных факторов на работу автономной типовой МГТУ.

• Показано, что за счет увеличения температуры газа на входе в турбину предложено использование биметаллической конструкции при изготовлении высокотемпературных рекуператоров. Применение современных материалов вместе с достижением технологии аддитивного производства эффективно для снижения возможных дефектов в биметаллической конструкции деталей.

• Установлено, что для удобства сравнения эффективности исследуемых схем в качестве эталона цикла Брайтона выбрана схема МГТУ с промежуточным охлаждением и регенерацией теплоты уходящих газов. Принята схема МГТУ с приводом компрессоров от отдельного электродвигателя, обеспечивает возможность проектирования компрессоров и турбины при независимом числе оборотов для каждого от них.

• С применением современных технологий предложены достаточно-сложные конструкции ключевых компонентов автономной МГТУ эффективной мощностью 30 кВт при расчетных условиях Хлк*=4; 0в=0,187 кг/с; Т0*=1200 К; ^=0,90. В том числе включаются трехмерные модели рабочих колес (РК) высокоскоростных турбомашин (открытого РК радиально-осевой турбины при частоте вращения 100 тыс. об/мин, РК турбины конструкции ЛПИ с бандажом при 50 тыс. об/мин, и закрытых РК центробежных компрессоров при 60,4 тыс. об/мин), так и высокоэффективного теплообменника с помощью современных технологий.

Практическая ценность работы заключается в прикладном характере исследования:

• Модифицировано методическое обеспечение математического моделирования основных компонентов автономных МГТУ для выработки тепловой и электрической энергий.

• Разработан метод расчета тепловой схемы МГТУ, работающей на разных видах топлива, таких как традиционные и альтернативные «чистые» топлива, в том числе программы на языке Python.

• Разработаны компьютерные программы для численного анализа влияния режимных параметров на работу МГТУ, в том числе программы на языке Python.

• Предложена конфигурация схемы автономной МГТУ с целью экономии топлива и повышения энергетических показателей.

• Разработаны конструкции основных компонентов МГТУ по предлагаемой схеме с промежуточным охлаждением и высокой регенерацией с отдельным приводом компрессора и турбины.

Личный вклад автора

• Написание компьютерных программ на языке Python для исследования тепловых схем автономных МГТУ.

• Разработка новых, модифицирование традиционных методик расчета и математических моделей основных элементов МГТУ.

• Разработка рекомендации по созданию высокоэффективных основных элементов автономной МГТУ по предлагаемой тепловой схеме.

• Обоснование и определение пропорции по объему материалов в качестве применения биметаллической конструкции для изготовления высокотемпературного рекуператора.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Трехмерные модели основных компонентов (турбин, компрессоров, рекуператора) автономной МГТУ мощностью 30 кВт по циклу Брайтона с промежуточным охлаждением и регенерацией.

• Вариант новой конфигурации схемы автономной МГТУ с целью повышения эффективности всей установки.

• Результаты анализа влияния режимных параметров на основные характеристики типовой автономной МГТУ.

• Компьютерные коды для расчета тепловых схем автономных МГТУ с учетом зависимости удельной теплоемкости продуктов сгорания от видов топлива.

Методология и методы исследования. Основы для теоретических исследований составляют научные труды: В. А. Рассохина, С. Н. Беседина, В. В. Барскова, Ю. Б. Галеркина и других сотрудников ВШЭМ СПбПУ, а также труды отечественных и зарубежных авторов в области турбомашин и турбоустановок. Приведены разработка математической модели и методики для расчета тепловых схем МГТУ и применение компьютерных программ: Turbo2, ONE, Python 3.10, Ansys workbench 2019.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечены использованием в процессе выполнения работы апробированных методик. Основные научные результаты сравняются с результатами, полученными другими авторами.

Апробация результатов исследования. Основные результаты, полученные в рамках работы над диссертацией, представлялись и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

• международных конференциях Тинчуринские чтения - 2022, 2023 «Энергетика и цифровая трансформация» (КГЭУ, г. Казань, 2022 г. и 2023 г.)

• международной конференции «Энергия-2022» (ИГЭУ, г. Иваново, 2022 г.);

• научно-практической конференции молодых инженеров АО «Силовые машины» (АО Силовые машины, г. СПб, 2022 г.);

• международной конференции «Современные технологии и экономика энергетика» (СПбПУ, г. СПб, 2023 г.);

• конференции «Неделя Науки в институте энергетики» (СПбПУ, г. СПб, 2023 г.);

• международной научно-технической конференции имени Н.Д. Кузнецова «Перспективы развития двигателестроения» (СУ, г. Самара, 2023 г.);

• научно-практической конференции «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе» (ТИУ, г. Тюмень, 2023 г. и 2024 г.);

• второй всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы автомобильного транспорта» (ФЭАТ, г. Барнаул, 2023 г.).

Публикации

По теме исследования опубликовано 15 работ, отражающих основные положения исследования, среди которых - 5 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России по искомой специальности, 8 -работ в сборниках конференций РИНЦ, получено 2 свидетельства на регистрацию программ.

Структура диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 247 страниц, 129 рисунка, 40 таблиц, списка использованной литературы из 116 наименований и 5 приложений.

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩЕГО СОСТОЯНИЯ АВТОНОМНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ АВТОНОМНЫХ УСТАНОВОК, МОЩНОЙ РЯД, ОБЛАСТИ

ПРИМЕНЕНИЯ

По принятой в настоящее время международной классификации газотурбинной установки мощностью менее 500 кВт относятся к типу микротурбинных установок. Понятие «малогабаритных» газотурбинных установок (МГТУ) относится к определению маломасштабных систем ГТА первого типа с выходной мощностью до 300 кВт [11, 12, 15, 21, 107]. Согласно такому определению МГТУ представляют собой микротурбинную установку в сочетании с высокоскоростным генератором [15, 21]. Современные МГТУ сегодня представлены в основном когенерационными автономными установками малой мощностью. Потому что, наиболее эффективность автономных установок достигается при совместной выработке электрической и тепловой энергий.

Рисунок 1.1 - Процесс технологической разработки МГТУ [25].

МГТУ фактически применяются во многих областях и отраслях,

например, в маломасштабных электрических станциях для бытового

энергоснабжения, в транспортных средствах для автономной работы или

работы в гибридных энергетических системах [15, 83]. В дальнейшем рынке

10

МГТУ по-прежнему считается пригодными для объединяющей работы вместе с возобновляемыми источниками энергии, как и топливными элементами и хранилищами энергии. Таким образом, МГТУ способствуют более высокую долю в обеспечении безопасной, стабильную, эффективной, экономичной и экологически чистой системы производства энергии на месте [11, 83, 107].

применение МГТУ в гибридных морских систем

применение МГТУ в областей возобновляемой энергии

Рисунок 1.2 - Мировой рынок МГТУ в разных отраслях [30].

Как было отметило ранее, наиболее подходящим рынком для автономных МГТУ мощностью десятки киловатт были бы отрасли, которые требуют на месте высокого соотношения потребностями в тепле и электроэнергии. Также пригодно работают МГТУ в удаленных районах и сооружениях с целью автономного обеспечения постоянных спросов на электроэнергию, горячую воду и теплоту (на рисунке 1.3).

Автономные МГТУ могут быть применены в следующих вариантах:

- в качестве автономных источников, основных источников электричества в составе гибридных систем на транспортных средствах;

- в качестве аварийного источника электроэнергии на судах, работающего в режиме стоянки;

- в качестве вспомогательных источников электроэнергии, работающих в составе утилизационных установок двигателей внутреннего сгорания большой мощности;

- в качестве автономных источников электричества и тепла в малой энергетике, в медицинских учреждениях, жильных зданиях, промышленных предприятиях;

- в концепциях комбинированных установках вместе с ветряными турбинами, фотоэлектрическими системами, установками на биомассе, топливными элементами и накопителями энергии.

абсорбционный охладитель

бойлер

Рисунок 1.3 - Блок-схема совместной выработки электричества и тепла с использованием автономных МГТУ

В качестве основного источника автономной электроэнергии для разных видов транспортных средств снижение массогабаритных и виброакустических характеристик приведет к повышению комфорта пассажиров, освобождению объема транспортных средств для размещения дополнительного оборудования, и затраты на новое, более дорогое оборудование могут быть вполне обоснованными. Масса и габариты источников электроэнергии чрезвычайно важны для высокоскоростных транспортных средств.

В качестве аварийного источника электроэнергии МГТУ могут

использоваться практически на всех судах. Для этого необходимо

соответствовать всем требованиям к аварийному источнику и получить

сертификат Морского регистра судоходства. Так и МГТУ в реальных

12

автономных условиях в качестве стояночного генератора удобно и совершенно безопасно.

В качестве вспомогательного источника электроэнергии МГТУ могут работать в составе утилизационных установок двигателей внутреннего сгорании большой мощности. В настоящее время утилизационные МГТУ используются в основном для теплофикации и для производства пара для технологических нужд.

Решение о применении МГТУ на автономных энергетических установках будет приниматься, исходя из сравнительных показателей с традиционными дизель-генераторами по экономическим эффектам: стоимости агрегата электростанции, экономичности, эксплуатационным затратам, надежности работы, ресурсе, массогабаритным и виброакустическим характеристиках. Можно предложить, что стоимость автономных МГТУ будет может быть несколько выше, чем стоимость традиционных дизель-генераторов такой же мощности, поскольку конструкция и технология изготовления дизель-генераторов отрабатывалась много десятилетий и их выпускают большими сериями. Поэтому конкурировать с дизель-генераторами МГТУ в автономных установках могут по ресурсу и надежности работы, компактности и виброакустическим характеристикам.

Совместная выработка тепла и электроэнергии или когенерация во всем мире рассматривается как основная альтернатива традиционным системам с точки зрения значительного экономического эффекта и сохранения окружающей среды. Для каких видов автономных когенераторных установок целесообразно применение МГТУ зависит от мощности единичного агрегата и мощности теплоэлектростанции. Из таблицы 1.1 видимо, что электрическая мощность до 100.. .150 кВт единичной автономной МГТУ особенно подходит для применения в жилых и коммерческих зданиях, таких как больницы, школы, промышленные помещения, офисные здания, а также в транспортных средствах.

Таблица 1.1 - Параметры автономных МГТУ в различных концепциях

Проекты Страны Выработка электричества Выработка тепла Количество автономных МГТУ и электрическая мощность, кВт

NATURAL GAS LIQUEFACTION PLANT США да да 1 х 60; 1 х 30

УПСВ «Шемети» Россия да да 3 х 65

НК «Альянс» Россия да да 2 х 65

Технологический Институт Канада да да 2 х 30

Курорт Villa olmi Италия да да 3 х 60

Супермаркет Япония да да 1 х 30

Очистные станции сточных вод США да да 3 х 30

Sinopec Pipeline Бразилия да да 20 х 30

SUMITOMO COAL MINING Япония да да 5 х 30

Фирма NewEnCo Англия да да 30 х 100

110-м танкер MTS Argonon Нидерланды да да 2 х 30

CNPC Kazakhstan Pipeline Казахстан да да 2 х 65; 26 х 30

Автобусы Ньюкасла Англия да да 1 х 30

Auxiliary Compression Station Power Канада да да 3 х 30

Торговый центр Tulip Израиль да да 1 х 100

Морская Платформа Вьетнам да да 2 х 200

1.2 СОВРЕМЕННЫЕ АВТОНОМНЫЕ МАЛОГАБАРИТНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

В составе оборудования МГТУ построены по блочно-модульному принципу, что существенно облегчает монтаж или замену отдельных узлов. Все автономные МГТУ комплектуются высокоскоростным синхронным генератором с постоянной или переменной скоростью вращения.

В частности, МГТУ мощностью десятки киловатт применяются в качестве автономных источников электричества и теплоснабжения. В таблице 1.2 представлены основные показатели настоящих МГТУ мощностью до 100 кВт [15, 21, 98]. На мировом рынке в основном представлены МГТУ Calnetix Power Solutions (бывшая Elliott), Capstone Turbine Corporation, Ingersoll-Rand, Honeywell и Turbec (Ansaldo Energia).

Таблица 1.2 - Основные показатели настоящих МГТУ мощностью до 100 кВт

№ Марка Производитель Мощность, кВт Электр. КПД, % Температура газа перед турбиной, 0C

1 С30 Capstone 30 28 871

2 ТА-45 Elliot Energy 45 30 871

3 T-60 Elliot Energy 60 - -

4 С65 Capstone 65 29 871

5 MT-70 Ingersoll 70 28 870

6 Parallon 75 Honeywell 75 30 900

7 ТА-80 Elliot Energy 80 30 871

8 TA-100 Elliot Energy 100 29 926

9 AE-T100 Ansaldo Energia 100 30 950

Типичным примером является МГТУ мощностью 30 кВт в качестве автономного источника электричества [22, 30, 47, 59]. Данная установка не только обеспечивает электроэнергию, но и горячие выхлопные газы пропускаются через теплообменник, который, в свою очередь, обеспечивает теплоснабжение (рисунки 1.4 и 1.5). Выхлопные газы от данной автономной установки показывают значительное снижение вредных выбросов.

Рисунок 1.4 - Установлены автономных МГТУ Capstone C30 для обеспечения электропитания и тепла в разных проектах и их схема

совместной выработки

Рисунок 1.5 - Общий вид типовой МГТУ Capstone С30

В настоящее время фирма Capstone предлагает модели установок мощностью 30, 65 кВт (версия постоянного тока) и 30, 65, 130, 200 кВт (версия переменного тока), которые отвечают большинству требований к генераторам в таблице 1.3).

Таблица 1.3. - Основные параметры типичных микротурбин Capstone

(источник: Capstone Microturbines)[22,59,71]

№ Параметр Единицы Модели

С-30 С-65 С-200

1 Вес кг 578 1121 3180...3640

2 Электр. мощность (*) кВт 30 65 200

3 Частота вращения Об/мин 96000 96000 до 60000

№ Параметр Единицы Модели

С-30 С-65 С-200

4 Подшипники - шаровой воздушные воздушные

5 КПД по электричеству % 26(±2) 29 (±2) 33(±2)

6 Коэффициент регенерации % 80 80 66.90

7 Температура газа за рекуператором 0С 275 309 309

8 Температура газа перед турбиной 0С >840 - -

9 Выход тепловой энергии кВт - 110,7 276,3

10 Особенности турбины - 1 ЦБ ступень 1 ЦБ ступень 1 ЦБ ступень

11 Степень сжатия газа в компрессоре - 3,5...4,0 <5,0 <5,0

12 Расход газа кг/с 0,31 0,48 1,3

13 Материал колеса турбины - Ni сплав Ni сплав Ni сплав

14 Топливо - Дизельное и др. Дизельное и др. Дизельное и др.

15 Расход топлива при полной нагрузке л/ч 11 22 60

16 Уровень шума на расстоянии 10м дБ < 60 < 60 < 60

17 Выбросы NOx ppm (%V) <9,0 <9,0 <9,0

18 Срок службы до капитального ремонта час 60000 60000 60000

(í) Условия международного стандарта ISO 2314 [6] определяют следующие расчетные параметры воздуха на входе в ГТД (в плоскости входного патрубка компрессора): полное давление - 0,1013 МПа; полная температура - 15 0С; относительная влажность - 60 %. Техническое требование используемого дизельного топлива: ASTMD975 No.1-D, 2-D. Grade Low Sulfur No. 1-D & No. 2-D. Japanese Diesel Grades 1,2,3&4.

1.3 ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕКУЩИХ АВТОНОМНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

1.3.1 Тепловая схема

Электрический КПД МГТУ в простом цикле Брайтона обычно низок и составляет около 17% из-за малой степени повышения давления в компрессоре. Поэтому современные МГТУ работают по циклу Брайтона с регенерацией (на рисунке 1.6). При наличии рекуператора в цикле расход топлива снижается, и может быть достигнут электрический КПД до 30%. При цикле Брайтона с регенерацией атмосферный воздух вводится в компрессор МГТУ. Воздух поступает слева от блока, как показано на рисунке 4 и проходит через генераторную часть ротора, охлаждаемую его по пути прохождения, и в крыльчатку компрессора. Воздух сжат до более высокого давления перед подачей в воздушную сторону рекуператора, а затем в камеру сгорания. Когда перегретый воздух поступает в камеру сгорания, топливо подается под большим давлением, чем сжатый воздух вводится в КС, где смешивается и подается в турбину, которая обеспечивает мощность для производства электричества от генератора. Горячие газы покидают рабочее колесо турбины при повышенных температурах и проходят через газовую сторону рекуператора. Охлаждение выхлопных газов при нагревании сжатого воздуха.

Рисунок 1.6 - Типовой принципиальный диаграмм автономной МГТУ

1 - Высокооборотные электрогенератор; 2 - Входящий воздух; 3 - Камера

сгорания; 4 - Сжатый воздух в рекуператор; 5 - Центробежный

компрессор; 6 - Радиалъно-осевая турбина; 7 - Рекуператор; 8 - Выходящие

21

газы из рекуператора; 9 - Теплообменник; 10 - Выхлопные газы за бортом; 11 - Горячая вода на выходе; 12 - Охлаждающая вода у входа

теплообменника

1.3.2 Составляющие компоненты

Из-за своих малых габаритов степень повышения давления в

компрессоре МГТУ близка к оптимально и обычно не выше 5. Это

обеспечивает разумную эффективность ступени и более компактную

конструкцию. Традиционные автономные МГТУ в виде одновальной

конструкции используют центробежный компрессор и радиально-осевую

турбину, камеру сгорания и рекуператор (рисунки 1.7 и 1.8), которые

рассчитаны на работу установок с высокой скоростью вращения ротора.

Современные МГТУ работают на значительно более высоких скоростях

вращения до 120000 об/мин, тогда как более крупные газотурбинные

установки обычно работают в диапазоне оборотов от 3000 до 20000 об/мин.

Такая разница связана с малыми габаритами МГТУ. Для того, воздушные

подшипники принимаются и не требуют смазочного масла (рисунок 1.9).

Воздушные подшипники обеспечили полный отказ от системы жидкой

смазки. Хотя воздушные подшипники относительно давно известны в технике,

их применение в энергетических установках определило новые задачи.

Уникальные воздушные подшипники позволяют достигать роторам установок

Capstone С30 рекордную скорость вращения 96000 об/мин. Воздушный

подшипник состоит из двух компонентов. Внешняя часть, выполненная из

особого высокотемпературного сплава, имеет цилиндрическую форму.

Внутренняя часть представляет собой тонкую волнообразную окружность,

выполняющую роль пружины под которой расположена лента. Пружины

создают силу противодействия лентам и воздуху, что позволяет валу

находится в устойчивом положении на воздушных подушках. Благодаря

особой аэродинамической форме подшипника при скорости вращения свыше

2000 оборотов в минуту образуется воздушная плёнка, которая отделяет вал

22

от ленты подшипника и защищает его от износа. Использование воздушных подшипников является одним из ключевых факторов, обеспечения длительного срока службы установок до капитального ремонта — до 60000 часов.

Ротор соединяется с генератором с постоянными магнитами, окруженный статором. Как видно из представленных материалов, ротор электрогенератора имеет два воздушных подшипника; третий - опорно-упорный воздушный подшипник расположен между рабочими колесами компрессора и турбины. Такая простая конструкция повышает производительность и долговечность, необходимые для обеспечения надежности. Электрогенератор - высокооборотный, на постоянных магнитах. Выходная мощность МГТУ постоянного тока идеально подходит для интеграции в системы на базе гибридных батарей и является высокоэффективной благодаря отсутствию этапа преобразования переменного тока в постоянный и функции рекуперации отработанного тепла (рисунок 1.7). Они подходят для супер-яхт и крупных рабочих судов. Более того, одним огромным преимуществом МГТУ является то, что такие установки могут работать на различных видах топлива в морском условии, таких как дизельное топливо и сжиженный природный газ [71, 95, 107].

Bmuvxvm Труб*

Рисунок 1.7 - Конструкция турбогенераторов Capstone C60 (слева) и С30

(справа)

23

Рисунок 1.8 - Одиночная конструкция ротора типичной МГТУ

Рисунок 1.9 - Конструкция газодинамического подшипника

Важным компонентом автономной МГТУ считает рекуператор. Для повышения общего КПД термодинамического цикла в схеме МГТУ включает рекуператор после турбины. При наличии рекуператора электрическая эффективность МГТУ существенно повышается. Рекуператор использует отработанное тепло в качестве подогревателя на входе в газовую турбину. Наиболее совершенной конструкцией является рекуператор пластинчато-ребристого типа из нержавеющей стали. Он считается современным и эффективен примерно на 90%.

Рисунок 1.10 - Кольцевой рекуператор МГТУ Capstone С30 [8]

В таблице 1.4 приведены характеристики нескольких типичных высокотемпературных теплообменников для МГТУ [98, 100].

Таблица 1.4 - Характеристики настоящих типичных высокоэффективных теплообменников для МГТУ

№ Производитель типы Потери давления, % Степень регенерации

1 АпваЫо Епе^а Пластинчатый 4,8 0,89.0,93

2 ^егеоП-Яапё Пластинчатый 5 0,90

3 СарБ1;опе Пластинчатый 2,5 0,90

4 ЯоНБ-гоуее Пластинчатый - 0,92

Пластинчатые теплообменники обычно применяются в составе МГТУ и изготавливаются из комплекта пластин, имеющие обычно конструкцию, изображенную на рисунке 1.11. Такие теплообменники состоят из параллельных сварных, паяных или болтовых пластин для разделения горячих и холодных рабочих тел. Пластины либо гладкие, либо имеют рифление и

предназначены для МГТУ в трех конфигурациях: поперечно-гофрированной, волнисто-гофрированной или поперечно-волнистой (на рисунке 1.11). Пластинчато-ребристые теплообменники изготавливаются путем разделения пластин с помощью решетчатых или смещенных ленточных ребер [26], что повышает компактность и эффективность системы. Компактность рекуператора характеризуется отношением площади теплообмена к единице объема теплообменника. Высокоэффективный компактный рекуператор для МГТУ требует термической эффективности (эффективности теплопередачи) более 90%, падение полного давления рабочего тела менее 3 % и высокотемпературной стойкости к ползучести и окислению при высоких температурах [19, 98]. Поскольку стоимость рекуператора в МГТУ составляет 25...30% от общей стоимости всей установки [28]. Поэтому важно и необходимо производство недорогого, малообъемного и высокоэффективного рекуператора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чу Ван Чунг, 2025 год

/ _ - -

п'

70

60 50 40

0,25 0,5 0,75

относительный эксцентриситет е/с

-----коэф-т грузоподъемности

н

0,08 0,06 0,04 0,02 0

0,8 1 1,2 1,4

безразмерное отношение Ь/Б

Рисунок 3.20 - Изменение характеристик данного подшипника при разных конструктивных параметрах и п= 90000 об/мин

На рисунке 3.20 видно, что механические потери мощности МГТУ тоже повышают по росту безразмерного отношения (Ь/Б), как и относительного эксцентриситета (е/с). Следует, что любое повышение веса ротора проводит к увеличению потери полезной мощности МГТУ из-за повышения статической нагрузки. Это изменение не значительно влияет на работу МГТУ, чем отношение (Ь/Б) при неизмененном диаметре вала.

Выводы по главе 3.

• При температуре окружающего воздуха выше 15 °С, каждое увеличение такой температуры на каждую 5 °С приводит к снижению КПД на 2,0. 2,6 % и уменьшению полезной работы Не на 2,5... 2,9 %.

• Лучшие эффективные КПД типовой МГТУ получаются при сгорании традиционных углеводородных топлив, но перспективен переход использования водородного топлива. При сохранении конструкции камеры сгорания, возможно добавление небольших количеств водорода к топливному природному газу.

• Рассмотрены влияния падения давления во входном и выходном патрубках (в каждом в диапазоне с 2.6 %). При этом каждое увеличение падения полного давления во входном патрубке на 1 % приводит к уменьшению эффективного КПД установки на 1,0.1,5 % и снижению расхода топлива на 1,1.1,4 %. Аналогично для увеличения падения давления в выходном патрубке на каждое 1 %, то эффективный КПД установки и расход топлива уменьшаются, соответственно, на 2,0.3,0 % и 2,2.3,0 %.

• Лучшие КПД установки получены при интервалах КПД компрессоре в (0,80.0,85) и КПД турбины в (0,85.0,90). При этом каждое увеличение КПД компрессора на 1 % приводит к повышению КПД установки на 0,9.1,3 % вместе с экономичностью топлива на 1,1.1,4 %. Аналогично увеличению КПД турбины на 1% соответствуют повышение КПД установки на 1,1.1,4 % и экономичности топлива на 1,2.1,7 %.

• Текущая допустимая температура газов на входе в турбину типовой автономной МГТУ находится в интервале 850.900 °С. В данном диапазоне каждое повышение той температуры на 20 °С приводит к повышению КПД на 1,6.2,3 %, росту полезной работы на 3,7.4,4 % и снижению расхода топлива на 1,6.2,2 %.

• Для лучших эффективных КПД МГТУ целесообразно применить рекуператор со степенью с не ниже 0,9 и низкой потери давления (не выше 5

%). Учитывая влияние температуры на входе в рекуператор на общую эффективность МГТУ, использование супер-сплавов и керамики по-прежнему остается первым выбором для дальнейшего развития рекуператоров. Чтобы повысит эффективность типовой МГТУ путем повышения температуры газов перед турбиной возможно использование биметаллического рекуператора для рациональной стоимости его создания.

• При повышении скорость вращения ротора увеличивается механическая потеря мощности установки, одновременно повышает коэффициент грузоподъемности. Это тоже происходит, когда увеличиваются диаметра вала и длины подшипника при одинаковом диаметре подшипника.

4 ВЫБОР ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ И ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА АВТОНОМНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Рассмотрена возможность улучшения конфигурации тепловой схемы МГТУ мощностью десятки киловатт. Выполнен краткий обзор траектории развития распределенной генерации при использовании местных ресурсов альтернативного топлива. Проведен анализ способов повышения КПД МГТУ путем «карнотизации» цикла Брайтона с повышением температуры газа перед турбиной и возможности утилизации теплоты уходящих газов из турбины.

4.1 СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТКИ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНЫХ МГТУ

В глобальной энергетике сохраняется тренд опережающего развития распределенной генерации с учетом концепции распределенных энергетических ресурсов. Безусловно, определяющим трендом развития МГТУ является опережающее развитие технологий распределенной генерации.

Примерно с 2012 г. начался новый этап эволюции МГТУ, обусловленный развитием распределенной энергетики, как интегрального инновационного фактора:

- Необходимость создания высоко-ресурсного автономного энергетического источника для индивидуального использования. Техническое упрощение присоединения автономных энергетических источников к централизованным электрическим сетям для сброса из лишков электрической энергии;

- Перспективы применения МГТУ в составе энергетических установках,

в том числе для разных видов беспилотных транспортных средств;

120

- Перспективы применения МГТУ в гибридной системе с тепловыми источниками как солнечным, топливными элементами и др.;

- Перспективы применения МГТУ для утилизации теплового потенциала отработавших газов и потенциала потерь давления технологических установок;

- Логистическая доступность альтернативных топлив (водорода, синтез -газ, био-топливо и др.).

Рисунок 4.1 - Векторы развития МГТУ в технологиях распределенной генерации для назначения судна

В солнечных тепловых электростанциях с помощью солнечных

концентраторов - зеркал поток солнечного света направляется на тепловой

преобразователь тепловой машины. В качестве тепловых машин могут

использоваться МГТУ либо на основе цикла Ренкина с органическим рабочим

121

телом (цикл ORC), либо на основе цикла Брайтона по открытой или замкнутой схеме.

Определенные типы топливных элементов, такие как твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), работают при высокой температуре до 1000оС. Это открывает широкие возможности по применению интегрированных утилизационных МГТУ, в качестве которых могут использоваться на основе цикла Брайтона и/или на основе цикла Ренкина.

Традиционное ископаемое топливо исключено из-за ограниченных долгосрочных перспектив, но водород, аммиак и синтез-газ (преимущественно метан) и метанол из возобновляемых источников считаются морским топливом с долгосрочными перспективами и будут исследованы. Ожидается, что энергетические системы ТОТЭ будут использовать синтез-газ и возобновляемый метанол в качестве топлива для будущих перевозок, которые будут использовать одинаковые установки по переработке топлива для этих двух видов топлива.

Для электрической генерации с использованием которого могут быть использованы МГТУ на основе как цикла Брайтона, так и цикла Ренкина. Однако, с учетом низкой теплотворной способности синтез-газа, наиболее эффективно применение МГТУ на основе как цикла Брайтона с непрямым нагревом или цикла ORC. Утилизационные МГТУ на основе цикла ORC могут применяться для утилизации тепла дымовых газов от автономных основных ДВС и ГТУ.

Таблица 4.1 - Основные характеристики видов автономных энергетических

установок для когенерации [33]

Параметры МГТУ ДВС ТЭ ояс

КПД утилизации теплоты уходящих газов 0,45...0,55 0,15.0,20 0,25.0,35 -

NOx, ppmV < 10 < 100 < 10000 -

Эффективный КПД 0,25.0,33 0,20.0,40 0,30.0,40 < 0,10

Параметры МГТУ Двс ТЭ ояс

Общий КПД цикла для когенерации 0,60.. .0,90 0,60.0,80 0,60.0,90 0,65.0,80

Срок обслуживания, часов > 8000 < 1000 - 150.250 часов/год

4.2 КОНЦЕПЦИИ ГИБРИДНЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ МГТУ И

ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Благодаря своим уникальным особенностям МГТУ могут пригодно интегрироваться с ТЭ. В целом, эта гибридная система МГТУ и ТЭ показывает большие перспективы для будущего выработки электроэнергии. Она сочетает в себе высокую эффективность ТОТЭ с гибкостью и надежностью МГТУ. Данная технология перспектива для обеспечения «чистой» и эффективной выработки электроэнергии для различных областей.

Высокая гибкость для изменения электро- и теплоснабжения при постоянно высоком использовании топлива относится к основным требованиям к экономичности электроснабжения, особенно если используются относительно дорогие виды топлива, такие как природный газ. Более того, высокий коэффициент использования топлива приводит к значительному сокращению выбросов СО2. Современные МГТУ и ТЭ производят лишь небольшое количество выбросов вредных веществ, таких как N0 или СО. Вышеупомянутым требованиям превосходно отвечают гибридные установки, состоящие из комбинации МГТУ и высокотемпературного ТЭ (ТЭ с расплавленным карбонатным электролитом, твердооксидные ТЭ) (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Электрический КПД при разных мощностях и различных видах энергетических установок [44]

Многочисленные варианты гибридных установок на основе (МГТУ + ТЭ) подразделяются на прямые и непрямые. В первом случае потоки рабочих тел от ТЭ установки напрямую используется последующими её МГТУ. ТЭ в прямом цикле обычно работает при повышенном давлении, создаваемом компрессором, который приводится в движение газовой турбиной. А в непрямом гибридном цикле используются дополнительные теплообменники для разделения рабочих сред МГТУ и ТЭ, так что ТЭ и МГТУ имеют два отдельных циклов. Следует отметить, что эти два цикла могут работать при разных рабочих давлениях и на различных рабочих средах. Прямые гибридные установки обычно обеспечивают более высокий КПД, чем непрямые. Но использование непрямых гибридных установок имеет множество преимуществ перед прямыми. Непрямые гибридные установки имеют две отдельные и независимые установки для выработки электроэнергии. В непрямой гибридной установке второй цикл (МГТУ) может обеспечить часть необходимой тепловой и электрической нагрузки, тогда как в прямой гибридной установке оба цикла полностью зависимы, и неправильная работа

цикла приведет к снижению общую производительность гибридной установки. Независимость двух циклов в непрямых гибридных установках будет для них важным преимуществом, что повысит надежность работы установки по сравнению с прямыми гибридными установками.

В данной работе рассматриваются возможные концепции непрямых гибридных установок, в которых ТЭ работает при атмосферном давлении. В данном случае ТЭ и цикл Брайтона МГТУ требуют своей собственной независимой подачи воздуха. Дальнейшее повышение эффективности гибридной установки возможно за счет дополнительного подвода теплоты на основе теплоты выхлопных газов из высокотемпературных ТЭ.

На рисунке 4.3 показан базовой вариант тепловой схемы МГТУ в качестве гибридной системе: рекуперативный МГТУ и ТЭ. ТЭ заменяет камеру сгорания цикла Брайтона. Цикл Брайтона с регенерацией в качестве нижнего цикла используется для утилизации части теплоты выхлопных газов из ТЭ. Его горячие выхлопные газы направляются для нагрева сжатого воздуха за рекуператором через высокотемпературный теплообменник ТК-1. При данном условии, что номинальная температура рабочего тела на входе в турбину находится в том же диапазоне рабочей температуры ТЭ. Турбина использует сбросное тепло ТЭ для сжатия воздуха и выработки дополнительной электроэнергии.

Рисунок 4.3 - Схема непрямой гибридной установки: рекуперативная МГТУ + ТЭ: К - компрессор; ЭГ - электрогенератор; Т - турбина; ТК -теплообменник; ТЭ - топливные элементы; КС - камера сгорания; Кт -топливной компрессор; Кв - воздушный компрессор.

Одном из преимуществ рассмотренной гибридной установки является рабочее тело в турбине - воздух. Отсутствовали продукты сгорания топлива и это позволит повысить прочность турбинных деталей. Недостаток включает в том, что для работы теплообменника при высоких температурах и разных давлениях требуют жаропрочных сплавов или дорогой керамики. Та же проблема возникает при соединении ТЭ и ТК-1. Кроме того, КПД МГТУ и эффективная мощность установки уменьшатся. Для повышения эффективности использование замкнутого цикла МГТУ перспективе. Замкнутый цикл МГТУ позволяет применять различные рабочие тела, особенно газы с лучшими параметрами теплообмена и высоким значением удельной теплоемкости (гелия, углекислого газа, водорода и ксенона), что позволяет существенно уменьшить габариты и одновременно повысить удельную мощность турбины. Использование сверхкритического цикла

Брайтона на основе диоксида углерода (Б-СО2) (рисунок 4.4). Цикл б-С02 может использоваться для различных источников тепла, включая высокотемпературные ТЭ [55].

Рисунок 4.4 - Схема непрямой гибридной установки: рекуперативная МГТУ + ТЭ, в цикле Брайтона которой используется рабочее тела -

критический СО2.

На рисунке 4.5 в этой схеме температуру сжатого воздуха из выхода

компрессора повышает в теплообменнике ТК-1 с внешним подводом теплоты

от уходящих газов при высокой температуре за ТЭ. Поскольку рассмотренная

схема приводит к высоким температурам на выходе теплообменника ТК-1, для

достижения номинальной температуры на входе в турбину необходимо лишь

небольшое дополнительное зажигание, при условии, что она находится в том

же диапазоне рабочей температуры ТЭ. Газовая турбина приводит

электрогенератор, который вырабатывает электроэнергию. Максимальная

степень расширения в турбине определяется рабочей температурой ТЭ при

номинальной температуре газов на входе в турбину. Высокотемпературные

127

газы из турбины дают теплоту, что повышает температуру воды из автономной системы бытового водоснабжения. В данной гибридной системе, цикл Ренкина с органической жидкостью может использоваться в качестве нижнего цикла для утилизации части теплоты горячих газов из МГТУ и выработки дополнительной электрической мощности при температуре источника тепла ниже. Но этот вариант с использованием цикла Ренкина приводит к дополнительной стоимости стройки энергетической установки и пространству для сборки на месте.

Рисунок 4.5 - Схема непрямой гибридной установки: рекуперативной МГТУ + ТЭ, в которой необходимо лишь небольшое дополнительное зажигание

Во всех рассмотренных концепциях непрямых гибридных систем (МГТУ + ТЭ) эффективный КПД гибридных циклов определяется по формуле:

Я

N + N

е,МГТУ + е,ТЭ

е,МГТУ+ТЭ

в • о

топ £-<1

(4.1)

Видно, что % ^п^+тэ > Ле,тэ > Лемггу, где расход топлива для работы ТЭ в гибридных концепций обычно много раз больше чем для автономной МГТУ мощности десятки киловатт.

Важно, что высокие электрические КПД гибридных установок (МГТУ + ТЭ), интегрированных через теплообменник ТК-1, требуют повышения рабочей температуры ТЭ, тогда как более высокая температура газа на входе в турбину. Для достижения этой цели необходимо повысить эффективность МГТУ за счет оптимизации проточной части турбины и использования более жаропрочных материалов при создании РК и теплообменника.

4.3 ВЫБОР СХЕМЫ АВТОНОМНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЦИКЛА БРАЙТОНА

Дело в том, что регенеративный цикл Брайтона позволяет реализоваться максимальный КПД цикла при относительно малом значении степени повышения давления в компрессоре. Но одним из недостатков текущих автономных МГТУ является то, что малый размер колес компрессора и турбины ограничивает эффективность компонентов, снижает соотношение давлений и предотвращает внутреннее охлаждение колеса турбины. Трудность повышения температуры газа на входе в турбину выше 1300 К приводит к решению, что возможно использовать сложные тепловые схемы для совершенствования МГТУ.

В настоящее время эффективность МГТУ в гибридных установках еще мала по сравнению с КПД ТЭ в рассмотренных концепциях. Для решения постановленных задач целесообразно разработать модели тепловых схем МГТУ, совершенствование которых в технической литературе известно, как «карнотизация» цикла Брайтона. Это усовершенствование связано с

применением дополнительных вариантов теплообменных аппаратов и схем их включение в цикл.

Существуют три возможности «карнотизации» цикла Брайтона: утилизация теплоты уходящих газов из турбины; теплоотвод от воздуха в процессе его сжатия в цикле с промежуточным охлаждением; теплоподвод к рабочему телу в процессе его расширения в цикле с промежуточным подогревом. Таким образом, как показано на рисунке 4.6, рассмотрены восемь различных тепловых схем МГТУ.

Рисунок 4.6 - Структурная схема образования сложных тепловых схем МГТУ: цикл Брайтона - простая схема; Р - с регенерацией; ПО - с промежуточным охлаждением; ПП - с промежуточным подогревом; Р+ПО - с регенерацией и промежуточным охлаждением; Р+ПП - с регенерацией и промежуточным подогревом; ПО+ПП - с промежуточными охлаждением и подогревом; Р+ПО+ПП - с регенерацией и промежуточными охлаждением

и подогревом.

В работе был выполнен расчет всех возможных вариантов по образованию сложных тепловых схем МГТУ с помощью авторской программы, написанной на языке программирования Python [113, 114].

В программе дополнительно изображены формулы, соответствующие для каждого типа цикла МГТУ. В общем подобны формулы, определенные всех параметров в процессах (сжатия воздуха в компрессоре, сгорания топлива в камере сгорания и расширения газов в турбине) для второго компрессора, второй камеры сгорания, второй турбины как для первых таких компонентов. В частности, считаем, что степень сжатия каждого компрессора, как и степень расширения каждой турбины равны, соответственно, корнем квадратным от общего значения таких параметров в случае тепловой схемы с промежуточным охлаждением или с промежуточным подогревом.

Следующие формулы определяют основные показатели (эффективный КПД, удельную полезную работу) МГТУ без охлаждения турбины во всех вариантах их тепловой схемы:

- для тепловой схемы простого типа (цикл Брайтона) без регенерации или с регенерацией:

Н = • Т1Л • (л*К(кв-1)/кв - 1)/яК , (4.2)

Нк = Ср,г • Т*Т • (1 - 4 -(кг -1)кг) • ЯТ , (4.3)

Не =(1 + §т )• НТ ЯТМ - НК / ЯКМ , (44)

Яе = Не / (gт . ). (4 5)

- для тепловой схемы Брайтона с промежуточным охлаждением без

регенерации или с регенерацией:

H = С ■ Т* • (ж {Кен-1)/Кт - \)/п* (4 6)

А±КНД ^Р,вн ± 0,КНД У'кнд V' ЧЩД? ХГ1-^)

H = С ■ Г* ■ (ж* {кss -1)/*ss - 1)/ет* (47)

±±КВД ^Р,вв * 0,КВД \/iКВД V Чквд ' V^- /

HT = Срг ■ Т*Т ■ (1 -ж*-<*•-1)/)■ет*, (4.8)

Не =(1 + gT )■ HT ■етТМ - (нКНД + нквд ) / етКМ, (4.9)

ете = Не / (g* .). (4.10)

- для тепловой схемы Брайтона с промежуточным подогревом без регенерации или с регенерацией:

Нк = ср,е • Т1К ■ (ж*(Кв—^ —1)/пК, (4.11)

Н = С . . (1 * —(*гв -1)/*гв ) * (4 12)

±±ТВД Р,гв ± 0,ТВД Vх /1'ТВД / ЧТВД ~> К^1^/

Н = С ■ Т* ■ (1 -Л* - {Кгн -1)/Кгн ) -П* (4 13)

±±ТНД Р,гн ^ 0,ТНД V-1 ""ТНД ) ЧТИЦ' У^1^/

Не = [I1 + ^Тв НТВД + 0 + ^Тн НТИД ] ПТМ — НК / ПКМ , (4.14)

П = Не/[(^Тв + §Тн )-аН ]. (4.15)

- для тепловой схемы Брайтона с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом без регенерации или с регенерацией:

Н = С ■ Т* ■ (ж* {кв--1)/квн — 1)/П* (4 16)

НКИД СР,вн Т 0,КНД (жКНД 1) ' ПКНД '

НКВД ~ СР,вв ■ Т0,КВД ■ (жквд — 1) / ПКВД , (4.17)

НТВД ~ СР,гв ■ Т0ТВД ■ (1 — ЖТВД ) - ПТВД , (418)

Н = С ■ Т* ■ (1 — ЖТ — {Кгн —1)/Кгн ) -П* (4 19)

±±ТНД Р,гн ^ 0,ТНД ^ ""ИД ) ЧТНД'>

Не = [(1 + ёгв) ■ НТВД + (1 + ёгн ) ■ НТНД ] ■ ПТМ — (НКНД + НКВД ) / ПКМ , (4.20)

Пе = Не /№Тв + gTн).$!] . (4.21)

Принимая следующие условия в расчете всех вариантов тепловой схемы МГТУ на базе совершенствования тепловой схемы простого типа:

- начальные условия: температура воздуха окружающей среды Тн = 288 К; давление воздуха окружающей среды Рн = 0,1013 МПа;

- температура воздуха на входе в компрессор высокого давления равна разностью температурой воздуха на выходе из компрессора низкого давления с снижением температуры воздуха через охладитель в какой схеме с промежуточным охлаждением. Уменьшение температуры сжатого воздуха на выходе компрессора при наличии воздухоохладителя ДТв,ох= 100 0С; коэффициент потерь полного давления через воздухоохладитель арво = 0,98.

- температура газов на входе в турбину Т3*= 1200 К. Температура газа перед турбиной низкого давления равна температурой газа перед турбиной высокого давления в какой схеме с промежуточным подогревом;

- коэффициент полноты сгорания пкс= 0,99; внутренний КПД компрессора по полным параметрам пк*= 0,80; внутренний КПД турбины по полным параметрам пк*= 0,86. Такие одинаковые значения выбраны для вторых таких компонентов МГТУ;

- степень регенерации ц= 0,86 при наличии рекуператора; коэффициент потерь полного у воздуха и газа давления в рекуператоре Ор,рег = 0,96;

- удельная теплоемкость рабочего тела МГТУ не зависит от его температуры: ср = const.

По результату расчетов тепловых схем была построена зависимости эффективного КПД по всем вариантам схем МГТУ (на рисунке 4.7).

л:

0.45

0.40

0.35

>>

ч 0.30 is

| 0.25

£ 0.20 ее-

0.15

0.10

г

. -----

г***"*

/

- схема 1 (цикл Брайтона) - схема 5 (ПП)

---схема 2 (Р) - схема 3 (ПО) ---схема 4 (Р+ПО) ---схема6(Р+ПП) - схема 7 (ПО+ПП)

---схема В (Р + ПО+ПП)

3 4 5

степень повышения давления в компрессоре

Рисунок 4.7 - График зависимости эффективного КПД МГТУ по разным схемам от степени повышения давления в компрессоре при температуре газа перед турбиной 1200 К и степени регенерации равной 0,86 (ср= const)

Видно, что лучшие эффективности были получены во всех схемах установок с регенерацией. Поэтому, важна разработка высокоэффективных

рекуператоров. Следует отметить, что в таких схемах оптимальная степень

*

повышения давления в компрессоре пк , соответствующая в отмеченных точках, не выше 6. Самые лучшие результаты показаны по схемам: 4 (Р+ПО)

и 8 (Р+ПО+ПП). Тем не менее, схема 8 представляет собой самой сложной тепловой схеме и требует сложную конструкцию, так и высокую стоимости создания. Поэтому более целесообразно использование схемы МГТУ с промежуточным охлаждением и регенерацией.

Применение промежуточного охлаждения рабочего тела в схеме автономной МГТУ позволяет увеличить их эффективный КПД цикла в 1,1 раза при его сравнении с настоящей тепловой схемой МГТУ с регенерацией при оптимальной степени повышения давления в компрессоре (лк*)опт, соответствующей для каждой схемы. В частности, для судовых автономных МГТУ, применение рекуперативной МГТУ с промежуточным охлаждением пригодно благодаря наличию системы циркуляционной водой, так и другой охлаждающей системы.

4.4 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ЦИКЛА АВТОНОМНЫХ МГТУ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И РЕГЕНЕРАЦИЕЙ

На рисунке 4.8 изложена тепловая схема автономной МГТУ по открытому циклу простого типа регенерацией теплоты уходящих газов из турбины.

РЕКУПЕРАТОР

выхпопиыв К 6

газы Н' устдайство 6

Входное устройство

(а)

камера ¡сгорания и-ь

— 4— |турбина|

Рисунок 4.8 - Тепловая схема (а) и рабочий цикл (б) типичных МГТУ

Основные показатели МГТУ простого типа с регенерацией (ц=0,9) в температуре газа перед турбиной равной 1173 К и при оптимальном значении степени повышения давления в компрессоре пк*= 3,5 получены по результату расчета тепловой схемы с помощью программы ш1егоСИРру, что эффективный КПД Пе = 0,3762, удельная работа Не = 132,61 кДж/кг и отношение полезной мощности установки к расходу топлива равно 16800 кВт/(кг/с).

---------14500 -I----------

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

степень повышения давления в компрессоре степень повышения давления в компрессоре

Рисунок 4.9 - Графики зависимости основных показателей МГТУ мощностью 30 кВт от степени повышения давления в компрессоре

Был приведен расчет тепловой схемы МГТУ мощностью 30 кВт по циклу Брайтона с промежуточным охлаждением и регенерацией с целью повышения КПД цикла. В расчете необходимо определить распределение степени повышения давления между каскадами компрессора следующим образом [6]:

Ср ,в_ms (Т1;Т1')

_ / т N

Якнд

f Т л Y 2R

1 1' Чкнд

Т1 л

(4.22)

квд у

* V Я

Яд = V. (4.23)

Якнд

С помощью авторской программы MGT with Intercooler выполнен расчет тепловой схемы данной автономной МГТУ [114]. В работе представлено сравнение её основных показателей с такими показателями, полученными по существенному циклу автономных установок.

При оптимальном значении степени повышения давления в компрессоре автономных МГТУ применение изотермического сжатия позволяет получить увеличение как полезной работы установки, так и КПД цикла. Известным приближением к такому процессу сжатия является введение промежуточного охлаждения воздуха на выходе из компрессора низкого давления. В качестве примера на рисунке 4.10, а изображена тепловая схема МГТУ с промежуточным охлаждением и регенерацией. На рисунке 4.6-б приведен цикл таких МГТУ в Т-б диаграмме.

(а)

^ Л*

Рисунок 4.10 - Тепловая схема (а) и рабочий цикл (б) МГТУ с промежуточным охлаждением и регенерацией

Таблица 4.2 - Результаты расчета параметров рабочего цикла автономной МГТУ мощностью 30 кВт с промежуточным охлаждением и регенерацией при разных охлаждающих температурах воздуха через промежуточный воздухоохладитель

Снижение температуры воздуха через воздухоохладитель, 0С Основные показатели МГТУ по циклу Брайтона с промежуточным охлаждением и регенерацией (ц=0,9) при Тз*=1200 К

^Пк (опт.) (Гг/Тг) Пе Не, кДж/кг @пол кВт/кг/с

0 3,85 1,26 0,377 144,3 16867

20 3,89 1,20 0,383 147,4 17097

40 3,89 1,13 0,390 150,6 17418

60 3,89 1,06 0,399 154,7 17838

80 4,09 1,00 0,411 157,9 18369

В таблице 4.2 приведены результаты расчета параметров цикла МГТУ мощностью 30 кВт при наличии воздухоохладителя и рекуператора. Видно, что тем более снижение температуры воздуха из компрессора низкого давления через промежуточный воздухоохладитель (кулер), другими словами более степень охлаждения охладителя воздуха, тем выше оптимальное значение степени сжатия в компрессоре. Как в пункте 3.6 в этой работе доказано, что по росту степени регенерации теплоты уходящих газов из турбины повышает эффективный КПД цикла, и уменьшает оптимальное значение степени сжатия в компрессоре. Чтобы обеспечить компактности, экономичности и повышения КПД цикла МГТУ с промежуточным охлаждением и регенерацией при проектировании МГТУ необходимо рассматриваться и оценивать взаимное влияние как степень регенерации, так и степень охлаждения на основные показатели цикла МГТУ. На рисунке 4.7 изображена взаимность влияний таких факторов на показатели МГТУ мощностью 30 кВт.

Рисунок 4.11 - Влияние эффективности теплообменных аппаратов на (а) -

эффективный КПД и (б) - отношение полезной мощности МГТУ мощностью 30

кВт к расходу условного топлива при наличии рекуператора и воздухоохладителя.

137

В данном случае эффективность теплообменных аппаратов, включающих степень регенерации рекуператора и степень охлаждения воздухоохладителя значительно влияет на КПД, экономичность топлива, как и компактность МГТУ. В общем для реализации результатов исследования значительную роль играет создание высокоэффективных теплообменников.

4.5 ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛА АВТОНОМНОЙ МГТУ С

ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И РЕГЕНЕРАЦИЕЙ

Согласно с рекомендацией [66], что по опыту эксплуатации охлаждающих устройств для секций центробежных компрессорах, принято отношение температур воздуха на входе в каждого каскада компрессора Т0,квд/Т0,кнд = 1,02.1,05. В этом исследовании принимаем КПД каждого компрессора по полным параметрам %*= 0,80 и Тг/Т1 = 1,02. Потери давления во воздухоохладителе принимаем 2 %. Из таблицы 4.1 приближенно определяется снижение температуры воздуха через охладитель ДТв,ох= 75 0С, соответствует при котором оптимальное значение степени сжатия в компрессорах Хлк*= 4,0.

В выбранной тепловой схеме рассчитаны значения степеней сжатия: лквд = 2,04 и Лквд = 1,96.

Выбор следующих данных параметров для расчета предлагаемой схемы МГТУ (схемы 4 - ПО+Р):

- Полезная мощность установки: 30 кВт;

- Начальные условия окружающей среды: температура воздуха Тн = 288 К, давление воздуха Рн = 0,1013 МПа;

- Тип топлива: стандартного углеводородного (Ь0= 15 кг воздух/кг топлива; 0рн = 44300 кДж.кг-1.К-1);

- Коэффициент полноты сгорания топлива в камере сгорания равен 0,99;

138

- Коэффициенты потерь полного давления во входном и выходном патрубках, как и в камере сгорания, одинаковые и равны 0,98;

- КПД компрессоров по полным параметрам одинаковые и равны 0,80. Выбран тип компрессоров - центробежный. А внутренний КПД турбины равен 0,86. Турбина радиально-осевая.

- Механические КПД в узлах (компрессорах, турбине) равны 0,99;

- Снижение температуры воздуха через охладитель принимается 75 0С. Потеря полного давление воздуха в воздухоохладителе равна 2 %;

- Температура газа перед турбиной равна 1200 К. Турбина неохлаждаемая;

- Общая степень сжатия в двухкаскадном компрессоре равна 4. Степени повышения давления в КНД и КВД, соответственно, равны 2,04 и 1,96;

- Степень регенерации теплоты уходящих газов равна 0,90. Потери давления воздуха и газа в рекуператоре равно 4 %.

Термодинамические параметры во всех узлах схемы МГТУ и основные показатели цикла представлены в таблицах 4.3 и 4.4.

Таблица 4.3 - Термодинамические параметры на узлах схемы автономной МГТУ

Параметры Расчетное сечения по циклу МГТУ (рисунок 4.6)

1-1 2'-2' 1'-1' 2-2 5-5 3-3 4-4 6-6

T, К 288 367 292 372 866 1200 923 501

Р, МПа 0,0993 0,2026 0,1985 0,3891 0,3813 0,3737 0,1055 0,1033

Таблица 4.4 - Расчетные основные показатели цикла автономной МГТУ

Не, Стоп Gr Ср,г Опол

Пе кДж.кг-1.К-1

кДж/кг кг/с кг/с кВт/кг/с

0,4085 160,4 0,00165 0,18887 1,1393 18215

Результат расчета показан, что при сравнении с существенной типовой

схемой МГТУ Capstone C30, как и вариантом схемы 2 (Бр+Р) применение

схемы 4 (ПО+Р) по данным выбранным позволит повысить эффективности

139

МГТУ подобной мощности. Конкретно, что по расчету в оптимальном значении степени повышения давления в компрессоре получены повышения эффективного КПД цикла 4 (ПО+Р) на 8,64 %, удельной работы установки на 20,97 %, как и отношения полезной мощности установки к расходу условного топлива на 8,42 % вместе с снижением расхода топлива до 19,51 %, чем основные показатели МГТУ по схеме 2 (Бр+Р).

Таблица 4.5 - Результаты сравнения основных параметров автономной МГТУ мощностью 30 кВт по настоящей тепловой схеме и по новому варианту

Параметры Capstone C30 [77] Расчетный вариант по схеме 2 (Бр+Р) Расчетный вариант по схеме 4 (ПО+Р)

Расход воздуха, кг/с 0,30745 0,22622 0,18722

Степень сжатия 3,39 3,50 4,00

КПД компрессора 0,8265 0,80 0,80

Наличие промежуточного охл. нет нет ДТк = 75 0С

Тип топлива дизельное топливо стандартное углеводородное стандартное углеводородное

Расход топлива, кг/с 0,00255 0,00180 0,00165

Степень регенерации 0,86 0,90 0,90

КПД турбины 0,8555 0,86 0,86

Температура газа перед турбиной, К 1133 1173 1200

Температура газа на входе в рекуператор, К - 918 917

Эфф. КПД установки 0,2534 0,3762 0,4085

Удельная работа, кДж/кг - 132,6 160,4

Отношение полезной мощности установки к расходу топлива, кВт/(кг.с-1 топлива) - 16800 18215

На рисунке 4.12 изображена тепловая схема МГТУ с приводом компрессора от отдельного электродвигателя. Преимуществом предлагаемой схемы является возможность проектирования компрессора и турбины при своем независимом числе оборотов для каждого от них. Данное решение для проектирования МГТУ более перспективно при переходе на использование био-топлив, имеющих большие объемные расходы.

Рисунок 4.12 - Предлагаемая тепловая схема автономной МГТУ с приводом двухкаскадного компрессора от отдельного электродвигателя промежуточным охлаждением и регенерацией.

В данном случае, при достаточной электрической мощности и при требовании об большей роли теплоснабжения на судне, КПД турбины не должен быть высоким. Таким образом, возможно применение турбины конструкции ЛПИ в составе МГТУ для когенерации [105].

В таблице 4.6 представлены результаты основных показателей когенерационной МГТУ по предлагаемой схеме по двумя типам турбины.

Таблица 4.6 - Основные показатели когенерационной схеме МГТУ

Величины

Параметры Применение турбины конструкции ЛПИ Применение турбины радиально-осевой

(Пт*)лПИ = 0,75 (Пт*)рОТ = 0,86

Температура газов на входе в турбину, К 1200

Расход топлива, кг/с 0,00201 0,00165

Расход воздуха, кг/с 0,251 0,187

Температура газов перед рекуператора, К 953 917

Температура газов после рекуператора, К 509 500

Эффект-ая мощность, кВт 30

Тепловая мощность, кВт** 43,77 30,87

Эффективный КПД, Пе 0,3367 0,4085

Тепловая эффективность, 0,4912 0,4213

Общий коэффициент

использования теплоты 0,8279 0,8298

сгорания топлива

("') - для расчета тепловой схемы МГТУ температура выхлопных газов, уходящих в

атмосферу, принята 70 0С.

Из таблицы 4.6 видно, что при выработки подобной эффективной мощности применение турбины конструкции ЛПИ (пт*= 0,75) приводит к росту расхода топлива на 21,82 %, но одновременно повышению полученной тепловой мощности на 41,79 % с сравнением той же установки при применении турбины радиально-осевого типа (Пт*= 0,86). В обоих вариантах общий коэффициент использования теплоты сгорания топлива примерно равный. Но при применении турбины конструкции ЛПИ необходимо использование более жаропрочных материалов при создании теплообменника с рабочей температурой выше 950 К.

Выводы по главе 4.

• Рассмотрены гибридные установки (МГТУ и ТЭ) с целью для высокого коэффициента использования топлива, и одновременно, сокращения выбросов вредных средств. В данном случае прямые гибридные установки обычно обеспечивают более высокий КПД, чем непрямые. Но независимость двух циклов в непрямых гибридных установках повысит надежность работы установки. В настоящее время эффективность МГТУ в данных гибридных установках еще мало при сравнении с КПД ТЭ в рассмотренных концепциях.

• Разработаны модели восьми разных тепловых схем МГТУ, совершенствование которых в технической литературе известно, как «карнотизация» цикла Брайтона. Это усовершенствование связано с применением дополнительных вариантов теплообменных аппаратов и схем их включение в цикл. Создана и зарегистрирована программа MGT with Intercooler для расчета тепловой схемы МГТУ при наличии обоих рекуператора и воздухоохладителя.

• Рассмотрены текущая распространенная тепловая схема автономной МГТУ и предлагаемая схема МГТУ с промежуточным охлаждением и регенерацией. Выбраны оптимальные основные параметры и сравнены характеристики с их рабочими циклами на основе совершенствования цикла Брайтона для МГТУ:

- для тепловой схемы МГТУ простого типа с регенерацией (Бр+Р):

Пк*=3,5; Т3*=1200 К; ц=0,90; Пкс=0,99; Пк *=0,80; Пт *=0,86;

- для тепловой схемы МГТУ с промежуточным охлаждением и

регенерацией (ПО+Р): 1^к*=4,0; Тв,квд*/ Тв,кнд*=1,014; Т3*=1200 К; ц=0,90;

Пкс=0,99; Пкнд*=Пквд*=0,80; Пт*=0,86.

• В оптимальном значении степени повышения давления в компрессоре пк* получены повышения эффективного КПД по схеме (ПО+Р) на 8,64 %, удельной работы установки на 20,97 %, как и отношения полезной мощности установки к расходу условного топлива на 8,42 % вместе с снижением расхода

топлива до 19,51 %, чем основные показатели МГТУ по схеме (Бр+Р).

143

• Предложена схема МГТУ с приводом компрессора от отдельного электродвигателя. На основе предлагаемой схемы МГТУ является возможность проектирования компрессора и турбины при своем независимом числе оборотов для каждого от них. Кроме того, возможно применение турбины конструкции ЛПИ в составе МГТУ для когенерации при выработки подобной эффективной мощности. В обоих вариантах общий коэффициент использования теплоты сгорания топлива примерно равный.

5 КОНСТРУИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ В СОСТАВЕ РАЗРАБОТАННЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ АВТОНОМНЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ

УСТАНОВОК

Целью совершенствования автономных МГТУ с применения современных технологий является получение конструкций и трехмерных моделей основных компонентов (компрессоров, турбин и рекуператора) по выбранной схеме МГТУ, описанной в пункте 4.5 диссертационной работы. В данной главе учитываются проверочные расчеты прочности проектных компонентов.

5.1 КОНСТРУИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ

ГАЗОТУРБИННЫХ ТУРБИН

5.1.1 Обоснование и выбор конструкции малоразмерных турбин

Как показали исследования влияния внутренних потерь давления в турбомашинах, для получения высокого эффективного КПД автономных МГТУ до 0,33 или выше необходимо применение высокоэкономичных турбин с внутренним КПД по полным параметрам не менее 0,85.0,90. Для проектирования данной автономной МГТУ мощностью 30 кВт целесообразно применение одноступенчатой РОТ.

В таблице 5.1 приведены данные для предварительного проектирования радиально-осевой турбины в данной работе.

Таблица 5.1 - Исходные данные для предварительного проектирования радиально-осевой турбины автономной МГТУ по предлагаемой схеме

Параметры Обозначения Ед. Величины

Давление газа на входе в турбину Р0* МПа 0,3744

Давление газа на выходе из турбины Р2 МПа 0,1055

Температура газа на входе в турбину Т0* К 1200

Температура газа на выходе из турбины Т2 К 923

Газовая постоянная газа R кДж/кг/К 288

Показатель изоэнтропии газа к - 1,33

Расход газа через турбину Gг кг/с 0,189

А второй рассмотренный вариант - турбины конструкции ЛПИ можно с успехом применять как первая ступень в высокотемпературных газовых турбинах. Повышение температуры газов перед турбиной МГТУ с учетом охлаждения турбины возможно при применении турбины конструкции ЛПИ. Малые углы потока за направляющим аппаратом а1 значительно снижают температуру торможения перед РК в относительном движении и при росте зарабатываемого перепада энтальпии сокращают число охлаждаемых венцов. Таким образом, КПД установки можно увеличить не только за счет повышения температуры газов перед турбиной, но и за счет снижения расхода охлаждающего воздуха [88].

В таблице 5.2 приведены данные для предварительного расчета турбины конструкции ЛПИ в данной работе.

Таблица 5.2 - Исходные данные для предварительного расчета турбины ЛПИ автономной МГТУ мощностью 30 кВт

Параметры Обозначения Ед. Величины

Давление газа на входе в турбину Р0* МПа 0,3744

Давление газа на выходе из турбины Р2 МПа 0,1055

Температура газа на входе в турбину Т0* К 1200

Располагаемая мощность турбины №г,расп кВт 68,6

Параметры Обозначения Ед. Величины

Газовая постоянная газа R кДж/кг.К 288

Показатель изоэнтропии газа к - 1,33

Степень парциальности 8 - 1

Геометрический угол выхода потока а1 град. 5.9

На основании программы Turbo 2 построены основные турбинной характеристики (см. рисунки 5.1, 5.2).

Рисунок 5.1 - Зависимость высоты СА от среднего диаметра ступени

Срдиаметр.Оср

Рисунок 5.2 - Зависимость характеристического числа (щ/С0) от среднего диаметра турбинной ступени

5.1.2 Проектирование радиально-осевой турбины

При модификации методик использовались научные работы, в том числе и накопленный опыт в Высшей школе энергетического машиностроения (ранее кафедры Турбин и авиационных двигателей) Санкт Петербургского политехнического университета Петра Великого (в пункте 2.2.1).

Структура проектирования турбины радиально-осевого типа

Цель выполненных расчетных исследования - предварительное определение основных геометрических и режимных параметров РОТ. Расчетные исследования позволит определить серию РОТ, имеющих внутренний КПД не менее 86%. При проведении расчетного исследования варьировались число оборотов и характеристическое число щ/Со.

В главе 2 представлены эмпирические формулы (2.2.5) и (2.2.7) для определений характеристического числа - приведенной окружной скорости

(щ/Со) и внутреннего КПД пт РОТ при заданном значении частоты вращения ротора п (об/мин).

г

реком енд ов энный диапазон числа оборотов

Из = 0,45...0 ,75

(ill/Co)

диапазон (ul/Co) = 0:6...( для турбины радиально / ),7 -осевого типа

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 число оборотов, тыс, об/мин

Рисунок 5.3 - график зависимости характеристик турбинной ступени от числа оборотов ротора турбины

На рисунке 5.3 изображена зависимости внутреннего КПД турбины и характеристического числа (щ/Со) от ее числа оборотов ротора по исходным заданным. Целесообразно находится число оборотов в интервале 95000...135000 об/мин. Для проектирования оптимально выбран этой параметр, равный 100000 об/мин. Соответственно данному числу оборотов, характеристическое число (щ/Со) равно 0,635 и внутренний КПД турбины 0,864.

Выйти на понятие окружного КПД, который характеризует

эффективность турбины по величине энергии переданной на лопатки РК [99].

Он характеризует совершенство проточной части и учитывает потери с

выходной скоростью. Этот параметр определяется по формуле (2.2.43).

Внутренний КПД характеризует эффективность турбины по величине энергии

на выходной вал турбины и определяется в формуле (2.2.47).

149

В качестве проектирования РОТ выполнен выбор оптимальных параметров: коэффициента быстроходности п и характеристического числа (щ/Со). На рисунке 5.4 изображен порядок этапов проектирования РОТ. Также в ходе теплового расчета МГТУ принимается значение внутреннего КПД турбины по заторможенным параметрам (в главе 3), которое подлежит уточнению в процессе газодинамического расчета турбины.

Исходные данные

СГБ анализ

Выбор оптимальных параметров

Пз и (и,/С„).

Выбор оптимальных параметров аг, |3з,рт, у и ф

Предварительное проектирование

Динамический расчет радиально-о севой турбины

Анализ потерь на трение и утечки," потерь с парциальностью

ТшЪоОгпс!

Построение трехмерной модели ротора турбины

профилирование рабочих лопаток РК

Рисунок 5.4 - этапы проектирования РОТ

Предварительный расчет радиально-осевой турбины

Результаты динамического расчета и предварительного проектирования одноступенчатого РОТ представлены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Результат расчета радиально-осевой турбины

№ Параметры Расчетные формулы Ед. Величины

1 Степень расширения газа в турбине, Пт = Р// Р2 3,548

2 Располагаемая работа расширения тт * газа, Нот по формуле (2.2.2) Дж/кг 375572

3 Условная скорость на выходе из СА, Со по формуле (2.2.6) м/с 866,7

4 Число оборотов, п выбрано об/мин 100000

5 Характеристическое число (щ/О выбрано - 0,635

6 Окружная скорость щ Ц =(Ц/ С/ Хр; 'СО м/с 550,4

7 Тип РК выбрано - Открытый

8 Коэффициент открытости РК, ^гер ^ткр = 0,5.0,6 - 0,5

9 Угол потока на выходе из СА, а1 по формуле (2.2.8) град. 140

10 Наружный диаметр РК, Dl по формуле (2.2.18) м/с 0,1052

11 Число рабочих лопаток РК, Zр по формуле (2.2.19) - 15

12 Степень радиальности, ц ц = 0,35.0,60 - 0,40

13 Угол выхода потока из РК, Р2 Р2 = 250.450 град. 380

14 Коэффициент скорости СА, ф ф = 0,94.0,98 - 0,96

15 Коэффициент скорости РК, у у = 0,84.0,92 - 0,90

16 Отношение осевой и меридиональной скоростей, m по формуле (2.2.9) 1,13

17 Степень реактивности, рт по формуле (2.2.10) - 0,48

18 Действительная скорость истечения из СА, С1 по формуле (2.2.11) м/с 600

19 Приведенная действительная скорость истечения из СА, Хс1 по формуле (2.2.12) 0,955

20 Газодинамическая функция, П(Хси) по формуле (2.2.13) - 0,544

22 Газодинамическая функция, т(Хо) по формуле (2.2.14) - 0,871

23 Статическое давление за СА, Р1 по формуле (2.2.15) МПа 0,2037

24 Статическая температура за СА, Т1 по формуле (2.2.16) К 1045,2

25 Число Маха, Мс1 по формуле (2.2.17) - 0,948

№ Параметры Расчетные формулы Ед. Величины

26 Ширина сопловой решетки, leo по формуле (2.2.18) м 0,0058