Исследование эффективности охлаждения циклового воздуха судовых газотурбинных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.124.74

Н.И. Радченко1, А.А. Сирота2, М.А. Тарасенко1

1 Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова,

г.Николаев, Украина 2Николаевский государственный гуманитарный университет им. Петра Могилы,Украина

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ЦИКЛОВОГО ВОЗДУХА СУДОВЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

Аннотация: Рассмотрена эффективность применения промежуточного охлаждения воздуха в схемах с утилизацией тепла. Показана эффективность промежуточного охлаждения при применении абсорбционной холодильной машины как в простой схеме, так и в схеме с паротурбинным утилизирующим контуром.

Газо2урб, нный дв, га2ель, промежуточное оэлажден, е, паро2урб, нный у2, л, з, рующ, й кон2ур, абсорбц, онна эолод,льна маш, на

Введение

Охлаждение циклового воздуха известно как один из способов повышения эффективности газотурбинных двигателей. Промежуточное охлаждение воздуха возможно применять как самостоятельный способ повышения эффективности, так и в комбинации с другими способами. Наиболее популярной считается комбинация промежуточное охлаждение-регенерация. Такая схема была применена в ГТУ-20 , которая была установлена на судне типа «Парижская коммуна». Недостатком схем с регенерацией являются большие габариты регенератора, что обуславливает ограниченное применение такой схемы.

Современное газотурбостроение идёт по пути утилизации тепла. Схемы с утилизацией находят применение даже на боевых кораблях. Широко известна установка с теплоутилизирующим паротурбинным контуром для судна типа «Капитан Смирнов».

Целесообразно рассмотреть возможность применения промежуточного охлаждения циклового воздуха в газотурбинных двигателях в схемах с утилизацией.

1. Формулирование проблемы

Проведение относительного анализа эффективности применения промежуточного охлаждения в газотурбинных двигателях при различных схемах утилизации тепла.

Рассматривается газотурбинный двигатель, со© Н.И. Радченко, А.А. Сирота, М.А. Тарасенко 2006 г.

стоящий из отдельно стоящего компрессора (ОСК) и однокаскадного газотурбинного двигателя, состоящего из компрессора и турбины (ГТД). Между ОСК и ГТД расположен охладитель воздуха, а на выходе из ГТД установлен утилизационный котёл. Тепло, полученное в промежуточном охладителе и утилизирующем котле, может использоваться для получения полезной работы.

1.1.

Общие соотношения

Стандартная методика определения эффективности газотурбинного цикла на номинальном режиме [1, 2, 3, 4] модифицирована, что делает целесообразным её изложение в данной статье. Считаются известными:

- температура воздуха на входе 1 вх ;

- температура воздуха на выходе из холодильника 1 х;

- степень повышения давления в отдельно стоящем компрессоре пк оск;

- суммарная степень повышения давления

пк ;

- КПД процессов в компрессорах и турбинах

ппк , ппт ;

- степень восстановления полного давления в холодильнике Vх;

- степень восстановления полного давления

в ГТД v гтд;

- температура за камерой сгорания ;

- теплоёмкости газа и воздуха СрГ , СрВ и показатели адиабат.

Расчёт выполняется в следующей последовательности:

1. Повышение температуры воздуха в ОСК:

ДОСК = ((вх + 273) • )пк ОСК КЛпк — 1) ,

где X к =-

1

2. Температура на входе в холодильник:

^вх.х = ^вх + ДОСК .

3. Температура на выходе из холодильника:

г

вх.2

гвх.х при г вх.х — г х г х пРи г вх.х > г х

4. Повышение температуры воздуха в компрессоре ГТД:

Дгк = ((вх.2 + 273) •(пк ГТдХк/Ппк -1),

где пк гтд пк !пк оск

5. Температура на входе в камеру сгорания:

г к + гвх.2 .

г кс = Дг к + г в

qкс =-

СРГ • г3 - СРВ •гкс

Пк

8. Количество теплоты, полезно использованной в ГТД:

Чп гтд = Дгт • СРГ - (дгк + Дгоск) • С

РВ .

9. Количество теплоты отходящих газов, подлежащих утилизации:

Чг = Срг ^03 -Дгт -110).

10. Количество теплоты, отведенное в промежуточном охладителе:

Чх = СРВ •(гвх.х - гх ) . 11. Полезно использованное количество теплоты отходящих газов:

(

Ч п Г =

1 -

г х + 273

л

273 + 0.5 • ( - Дг т +110)

•Пц•ЧГ

где пц - отношение КПД реального утилизационного цикла к КПД цикла Карно.

12. Полезно использованное количество теплоты, отведенное в промежуточном охладителе:

(

Ч пх =

1 --

г х + 273

л

273+0,5 •(г вх + г х ) 13. КПД комплекса:

• Пц • Чх .

Чп гтд + Чп г + Чп

п = ■

Чк

6. Изменение температуры в турбине ГТД:

Дг т =(03 + 273)) -Пт- Х т ^), где пт =пк •vгтд •vх

7. Количество теплоты, подведенное в камеру сгорания:

Данная методика предназначена для сравнения различных схем с утилизацией тепла. Её цель получить отношение КПД рассматриваемой схемы к КПД схемы, принятой за базовую. Поэтому она не претендует на точное определение абсолютного значения КПД.

2. Решение проблемы.

Сравнительный анализ различных схем

Вначале рассматривается схема промежуточного охлаждения с использованием теплоты отведенной от воздуха в охладителе. За базовую схему был принят ГТД простого цикла без промежуточного охлаждения. Теплоту, отведенную в промежуточном охладителе, можно использовать двумя способами:

- организовать тепловой двигатель и получить полезную работу;

- использовать абсорбционную холодильную машину [5] и понизить температуру воздуха на выходе из холодильника.

При расчётах предполагалось, что пц = 0,5, а холодильная машина может отвести от охлаждаемого воздуха 30% от количества теплоты ч х, т.е.

Пх = 0,3. Таким образом, холодильная машина понизит температуру на выходе из холодильника ниже

г х . И г

вх.2

определится по формуле:

гх пх • (гвх.х гх ).

г вх.2

Сравнительные расчёты показывают, что эффективность двух методов практически одинакова.

к

к

х

Однако организовать холодильный цикл существенно легче. Поэтому для утилизации тепла можно рекомендовать использование холодильной машины. Отношение КПД схемы с промежуточным охлаждением к КПД базовой схемы 1,15-1,2, в зависимости от температуры входного воздуха. За базовую схему принят простой цикл с КПД равным 30%.

Рассматривая схему с утилизацией тепла отходящих газов, проанализируем эффективность применения промежуточного охлаждения как с использованием тепла, отведенного в промежуточном охладителе, так и тепла отходящих газов.

Учитывая, что низкопотенциального тепла в циклах с утилизацией сравнительно много, рассматривается возможность использования этого тепла в абсорбционной холодильной машине для понижения температуры воздуха за воздухоохладителем. С помощью абсорбционной холодильной машины таким количеством тепла можно существенно понизить температуру. Понижение температуры ниже 0°С нецелесообразно ввиду дополнительных технических трудностей. Поэтому температуру на выходе из холодильника поддерживаем на уровне tх -At > 0°С .

При таком подходе количество теплоты отходящих газов, используемое в утилизационном цикле, можно определить по формуле:

qг = Срг -(t03 - Atт -110)-Срв • At/Пх .

Эта формула учитывает, что часть тепла уйдёт в холодильную машину. Холодильная машина потребляет низкопотенциальное тепло, поэтому повысится средняя температура подвода в утилизационном цикле. Если без холодильной машины температура подвода менялась от t03 - Atт до 110°С, то с холодильной машиной температура подвода

будет меняться от t03 - At

до

tк =110 +

C

РВ At/гх. Полезно использованное

c рг

количество теплоты отходящих газов:

(

q пг =

1-

t х + 273

Л

273 + 0,5 •( - At +1к)

• Пц • q г

На графиках рис.1 показаны зависимости КПД установки от степени повышения давления для базового варианта (кривая 1) и для схем, содержащих отдельно стоящий компрессор со степенью повышения давления 2. Кривая 2 - обычное промежуточное охлаждение. Кривая 3 - промежуточное охлаждение с утилизацией тепла промежуточного охладителя. Кривая 5 - классический тепло-утилизирующий цикл. Кривая 6 - обычное промежуточное охлаждение для цикла с утилизацией. Кривая 7 - промежуточное охлаждение с использованием тепла промежуточного охладителя для цикла с утилизацией.

Расчёты показали, что использование тепла отходящих газов для холодильной машины даёт отрицательный эффект, т.е. уменьшает КПД.

Если ГТД снабжен водогрейным котлом, то его использование для холодильной машины даст существенный эффект (кривая 4).

Заключение

Проведенный анализ схем с промежуточным охлаждением и утилизацией тепла позволил сделать следующие выводы:

1. При применении промежуточного охлаждения для утилизации тепла целесообразно использовать холодильную машину, понижающую температуру воздуха за воздухоохладителем.

2. При наличии водогрейного котла для электростанций, работающих на Севере, тепло, получа-

Рис. 1 - Параметры ГТД в зависимости от пк для различных схем промежуточного охлаждения 1, 2, 3, 4 - без утилизации тепла отходящих газов, 3, 4 - с использованием холодильной машины, 5, 6, 7 - с паровым теплоутилизирующим контуром, 7 - с использованием холодильной машины.

т

емое для обогрева помещений, целесообразно в летнее время использовать для холодильной машины с осуществлением охлаждения циклового воздуха на входе в ГТД. Хотя более эффективно промежуточное охлаждение будет с использованием отдельно стоящего компрессора.

3. Для схем, содержащих теплоутилизирующий контур отходящих газов, применение промежуточного охлаждения целесообразно с использованием холодильной машины, понижающей температуру воздуха за воздухоохладителем, которая использует тепло, отведенное в промежуточном охладителе.

4. Для схем, содержащих теплоутилизирующий контур отходящих газов, привод отдельно стоящего компрессора целесообразно осуществить от паровой турбины. Такой привод позволит запустить газовую турбину от парового контура.

Литература

1. Сорока Я.Х. Теория и проектирование судовых газотурбинных двигателей: Учебное пособие. - Л.: Судостроение, 1982. - 112 с.

2. Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч. I. - М.: «Маши-

ностроение», 1977. - 312 с.

3. Романовський Г.Ф., Ващиленко М.В., СербЫ С.1. Теоретичн основи проектування суднових газотур-бЫних агрегалв: Навчальний поабник. - МиколаТв: УДМТУ, 2003. - 304 с.

4. Ребров Б.В. Судовые газотурбинные установки. - Л.: Судпромгиз, 1961. - 536 с.

5. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. - Л.: Судостроение,1972.- 568 с.

Поступила в редакцию 01.06.2006 г.

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Ивановский В.Г., Одесский национальный морской университет

Анота^я: Розглянуто ефективн1сть застосування пром1жного охолодження пов1тря в схемах з утил1зац1ею тепла. Показано ефективн1сть пром1жного охолодження при засто-суванн1 абсорбцйно!'холодильно! машини, як у прост1й схем¡, так \ в схем1 з паротурб1н-ним контуром, що утил1зуе.