Повышение эффективности режимов работы газотурбинного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Евгений Петрович Селезнев окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана. Генеральный конструктор — генеральный директор КБХМ им. А.М. Исаева.

Ye.P. Seleznyov graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School. General Designer - General Director of the Design Bureau of Chemical Engineering n.a. A.M. Isaev.

Феликс Михайлович Лебедев окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана. Главный специалист РКК "Энергия" им. С.П. Королева.

F.M. Lebedev graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School. Chief specialist of the Rocket and Space Corporation n.a. S.P. Korolyov.

Борис Борисович Петрикевич окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана. Профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана.

B.B. Petrikevich graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School. Professor of the Bauman Moscow State Technical University.

Статья поступила в редакцию 12.01.06

УДК 621.438-53

В. Д. М о л я к о в, М. И. Осипов, Р. З. Тумашев

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Проведен анализ путей повышения эффективности работы газотурбинного двигателя на режимах частичной мощности. Показано, что улучшение динамики, устойчивости и топливной экономичности на режимах частичной мощности многовальных блокированных газотурбинных двигателей с электрической нагрузкой переменного тока достигается введением промежуточного подогрева рабочего тела в процессах расширения.

Экономичность газотурбинных установок и двигателей (ГТУ, ГТД) на номинальном режиме зависит от термодинамических параметров, совершенства цикла и слабо зависит от компоновки узлов, количества валов, размещения и типа нагрузки. При работе ГТД на переменных режимах в широком диапазоне изменения мощности их экономичность определяется многими другими факторами: схемой установки, компоновкой агрегатов ГТД, количеством валов, размещением нагрузки, типом нагрузки, конструкциями узлов (в частности, изменением проходных сечений) заданным законом, способами и программами регулирования, а также изменением внешних условий [1-4].

Для окончательного выбора схемы, компоновки и параметров ГТД необходимо исследовать влияние схемного решения, компоновки агрегатов и уровня принятых параметров узлов на эффективность переходных режимов и режимов частичной мощности ГТУ, что особенно

Рис. 1. Двухвальный блокированный регенеративный ГТД с нагрузкой на роторе низкого (а) и высокого (б) давления с промежуточным охлаждением воздуха между компрессорами (схема 2БНОР)

существенно для транспортных двигателей и автономных газотурбинных преобразователей малой энергетики.

Влияние схемного решения на эффективность режимов частичной мощности ГТД. Повышение КПД ГТУ достигается увеличением параметров пк и Тг* и применением многоагрегатной установки, включающей в себя регенерацию, промежуточные охлаждения и промежуточные подогревы [1]. Примером простой многоагрегатной установки является двухвальный блокированный ГТД с компрессором на каждом валу (рис. 1,2, а, б). Нагрузка может быть подключена как к ротору низкого, так и к ротору высокого давления. В более простых вариантах установок отсутствуют промежуточная камера сгорания, воздухоохладитель и регенератор.

твд ТСД

Рис. 2. Двухвальный блокированный регенеративный ГТД с нагрузкой на роторе высокого давления с промежуточным охлаждением воздуха между компрессорами и промежуточным подогревом газа: а - схема 2БВОПРт, б - схема 2БВОПР

Известны немногочисленные ГТД, выполненные по блокированным двухвальным схемам, имеющие нагрузку на валу низкого давления (ГТД по схеме 2БН). При использовании в ГТД генератора переменного тока (нагрузка первого типа) на роторе низкого давления с регулированием по закону п = const первый компрессор (К1) работает при постоянной частоте вращения ротора (n = const) и, следовательно, расход воздуха изменяется незначительно, оставаясь близким к расчетному расходу воздуха. В этом случае уменьшение мощности возможно при достаточно большом снижении температуры газа Т* или параметра относительной температуры и = Тг*/ Та (Та — температура окружающей среды). Такое регулирование приводит к значительному уменьшению КПД установки. Кроме того, уменьшение частоты вращения ротора компрессора высокого давления (КВД) в указанных схемах приводит к снижению пропускной способности КВД и к помпажу компрессора низкого давления (КНД). При регулировании нагрузки по закону п/ vT = const на частичных режимах частота вращения ротора уменьшается и в ГТУ, выполненной по схеме 2БН (двухвальная блокированная ГТУ с нагрузкой на роторе низкого давления), расход воздуха существенно снижается и увеличивается экономичность установки.

При нагрузке первого типа на роторе высокого давления (ГТД по схеме 2БВ - то же на роторе высокого давления) и регулировании по закону n = const наилучшая экономичность на частичной нагрузке соответствует установке, выполненной по двухвальной схеме с регенератором или с регенератором и промежуточным охлаждением. В такой компоновке при уменьшении мощности уменьшается частота вращения ротора низкого давления с компрессором К1, что приводит к существенному уменьшению расхода воздуха; температура газа перед первой турбиной (Т1) остается достаточно высокой, а перед регенератором несколько повышается. На режимах частичной мощности температура Тг* или отношение температур и = Тг/ Та в установке без регенератора изменяется незначительно. А в установке, выполненной по схеме 2БН, — существенно. Поэтому установки, выполненные по схемам типа 2БВ, по сравнению с ГТД, основанным на схемах 2БН, имеют б<5льшую экономичность на режимах частичной мощности.

Применение регенератора с достаточной степенью регенерации существенно улучшает экономичность ГТД на расчетном режиме и на режимах частичной мощности.

Однако ГТД, выполненные по двухвальным блокированным схемам, с нагрузкой на роторе высокого давления или роторе низкого давления (ГТД по схеме 2БВ и 2БН) имеют существенные недостатки.

При нагрузке на роторе высокого давления при n=const на режимах частичной мощности при некоторой комбинации таких параметров, как ТУ Та, Пк10, Пт20, /Пк10, Пк1/Пт20, Пк, Пт, Српс/Срв (T* —

температура рабочего тела за камерой сгорания; пк, пт — степень повышения давления в компрессоре и турбине; пк, Пт — КПД компрессора и турбины), температура в турбинах может значительно превышать расчетную. Особенно это касается турбин низкого давления. Если же используется нагрузка n =var, требующая снижения частоты вращения КВД, то может возникнуть помпаж в КНД.

При нагрузке на роторе низкого давления при n = const на режимах частичной мощности, кроме сниженного значения КПД, на режимах частичной мощности проявляется опасность помпажа. При других законах регулирования, когда с понижением мощности уменьшаются частота вращения нагрузки КНД, опасность помпажа в нем уменьшается.

Таким образом, необходимо исследовать возможность отрицательного воздействия этих факторов на режимы работы ГТД в блокированных двухвальных схемах с размещением нагрузки на валу низкого или высокого давления и типа применяемой нагрузки и найти способы, уменьшающие или ликвидирующие эти факторы.

Особенности расчета переменного режима и регулирования двух-вальных блокированных ГТУ с нагрузкой на роторе низкого давления (см. рис. 1). ГТД, выполненные по такой схеме, имеют следующий недостаток: несогласованность частот вращения компрессоров, расположенных на разных валах, как правило, приводит к неустойчивой работе одного из них, чаще КНД.

Параметр расхода через второй компрессор К2 определяется из баланса расхода через турбину высокого давления и компрессор высокого давления [2] как

- _ Ак2пк2 Ск2 = '

где = Тг1/ Тх; Тх — температура за воздухоохладителем, а коэффициент Ак2 выражается зависимостью Ак2 = F^y^g^/ ^дт1 VR, где

наибольшее изменение могут иметь yi = токрд(Ас1) и Fi при конструкции турбины с поворотным CAi. В ГТД с современными параметрами можно принимать значение Ак2 « const при достаточно большом изменении мощности.

Относительный параметр расхода воздуха через компрессор

G- 2 = G к2 = Пк2 (1)

G к20 \/Wx

можно выразить через относительные величины

Пк2 Тг*/Тх Пк2 = - и $ = — =

пк20 "$x0 Тг10/ Тх0 '

где индекс 0 указывает на параметры ГТУ на номинальном режиме. Если в схеме ГТД используется промежуточное охлаждение с регулируемым расходом хладагента, то целесообразно выдерживать равенство Тх = Тх0 = const. Тогда

л _ Gk2 Пк2 (к? — -=- — —;-

к2 GG К20 VÄ

Т

— 7Гк7.

г10

Т

г1

Рис.3. Характеристика компрессора К2 пк2 = 6,0 при различных значениях § = Тг/ Тх двухвально-го блокированного ГТД (см. рис. 1) с нагрузкой на валу низкого давления ТГ0 = 1500 X, Пк1 = 8,0: 1, 2, 3, 4, 5 — рабочие режимы при § = Тт /Тх = 5(Тг* = 1500 К); § = Тг /Тх = 4(ТГ0 = 1200 К); § = Тг /Тх = 3(ТГ0 = 900 К); § = Тг/Тх = 2,5(ТГ0 = 750 к); § = Тг /Тх = 2(ТГ0 = 600 К) соответственно

В ГТУ без промежуточного охлаждения на режимах частичной мощности существенно переменны температура Т*1 входа во второй компрес-

сор и параметр :

Пк2

Тг1

Тк*1

в выражении

—

f (пк2) при раз-

(к20 \Л?К

Зависимость (к2 личных значениях или в относительных координатах, соответствующих характеристике компрессора К2,

изображается в виде лучей штриховыми линиями (рис. 3 и 4).

Зависимость между степенью повышения давления пк2 и отношением температур из уравнения баланса мощности турбины Т1 и компрессора К2 записывается в виде

Т

г1 Тх

(к'-1)/к> . Пк2 - 1

(2)

Ат1

где коэффициент Ат1 = (Српс/Срв) - Пт1 Пк2Пм#т1 /#к2.

В выражении для Ат1 наибольшее изменение характерно для КПД компрессора пк2, а остальные параметры изменяются незначительно.

r(*'-i)/*'

1

Приближенно Ат1 можно определить как Ат1 « Ат10 = ^ , причем повышение степени повышения давления пк20 увеличивает значение Ат10.

По уравнениям (1) и (2) на характеристике компрессора К2 в относительных координатах Пк2 и (к2 устанавливается положение линий рабочих режимов для различных вариантов параметров ГТУ.

Анализ результатов исследований рабочих режимов с использованием зависимостей (1) и (2), приведенных на рис. 3 и 4 в виде линий

%'кг 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,8 0,9 1,0 1,1

Рис.4. Характеристика компрессора К2 Пк2 = 2,8 и Пк2 = 1,8 при различных значениях Ф = Тг/ Тх двухвального блокированного ГТД (2БНОР) с нагрузкой на валу низкого давления То = 1500 ^ пк1 =4,0:

1, 2, 3, 4,5-при Ф = Тт/Тх = 4,0 (Т;0 = 1200К); Ф = Тг/Тх = 3,0 (Тг* = 900К); Ф = Тг /Тх = 2, 5 (ТГ0 = 750 К); Ф = Тг /Тх = 2,0 (Тг* = 600 К); Ф = Тг /Тх = 1,5 (ТО = 450 К) соответственно

*К2ВШ 28уУ7 у / \у

7 V V

4 f /

<1 ^К20-1,8

^1 \ 5

г'

рабочих режимов для пк20 = 1,8; 2,8 и 6,0, показывает, что при выбранном снижении температуры Тг, соответствующем уменьшению величины с 5,0 до 2,0 для пк20 = 6,0 и с 4,0 до 1,5 для пк20 = 2,8 и 1,8, при значениях степени повышения давления номинального режима пк20 > 2 во втором компрессоре параметр расхода воздуха (к2 уменьшается, а при малых значениях пк20 < 2 — возрастает. При определенном значении пк20 (в исследовании пк20 = 2,05) уменьшение температуры газа Тг* и соответственно мощности ГТД не влияет на расход воздуха в компрессоре К2, (к2 и const.

Для нахождения точек рабочих режимов на характеристике компрессора К1 воспользуемся параметром расхода в компрессоре К1:

(к1л/Та Ак1 Пк1 Пк2

G к1

Pa

Т

г1

Т

Л I ^а

Ак2 Пк1 Пк2-\ —

Як2\ Тх

где дк2) у/Та/Тх можно принять постоянным с уменьшением мощности ГТУ.

Тогда относительный параметр расхода компрессора К1, выраженный через относительные величины ¿Ск2 и Пк1, представляется в виде

G

Рис. 5. Характеристика компрессора К1 двухвального блокированного ГТД по схеме 2БНО при n = const, с нагрузкой на валу низкого давления пк1 = 8,0, Пк2 = 6,0:

т. 1р — точка расчетного режима Тг0 = 1500 K; т. 2 — точка режима частичной мощности при Тг = 1400 K; т. 3 — точка режима частичной мощности при Тг = 1300 K; т. 4 — точка режима частичной мощности при Тг = 1200 K

С к1 = = С к2 Пк1. (3)

С к10

Результаты исследований по зависимости (3) приведены на рис. 5, 6, а и б с учетом результатов, приведенных на рис. 3 и 4. Исследования проведены для трех вариантов параметров ГТД (схема, см. рис. 1) и узлов:

Вариант 1. Степень регенерации а = 0; суммарная степень повышения давления пкЕ = 47; КПД ГТУ Пе = 0,43; степень повышения давления в К1 пк1 = 8,0; КПД К1 пк1 = 0,86; степень повышения давления в К2 пк2 = 6,0; КПД К2 пк2 = 0,86; степень понижения давления в Т1 Пт1 = 2,1; КПД Т1 Пт1 = 0,9; температура газа

перед Т1 Тг1 = 1500 К; степень понижения давления в Т2 пт2 = 21,2; КПД Т2 пт2 = 0,9; температура газа перед Т2 Тг2 = 1287 К;

= 0,42; пК1 0,9; ТГ1 =

= 4,0; Пк1 = 1200 K; пт2

= 0,41; Пк1 = 4,0; Пк1 = 0,9; Тг1 = 1200 K; пт2

0,86; = 6,7;

0,86; = 5,2;

Вариант 2. а = 0,8; = 11; Пе Пк2 = 2,8; Пк2 = 0,86; пч = 1,48; Пт1 = Пт2 = 0,9; ТГ2 = 1100 K;

Вариант 3. а = 0,8; = 7,1; пе Пк2 = 1,8; Пк2 = 0,86; пч = 1,23; Пт1 = Пт2 = 0,9; Тг2 = 1148 K.

В качестве примера на рис. 5 (вариант 1), 6, а (вариант 2) и 6, б (вариант 3) показаны характеристики компрессоров К1 с нанесенными на них рабочими линиями при n = const и точками рабочих режимов для трех вариантов параметров ГТД.

В результате исследования режимов частичной мощности трех вариантов ГТД получено, что в варианте 1 с достаточно большими значениями пк1 =8,0 и пк2 = 6,0 рабочие точки интенсивно приближаются

tf,5 I-1—J--• 1——-------

Of£ 0,1 в,в 0,9 1,0 1,1 =

Q i-lnp

Рис. 6. Характеристика компрессора К1 двухвального блокированного регенеративного ГТД при Т* = 1200 K по схеме 2БНОР при Ппр = const с нагрузкой на валу низкого давления пк1 = 4,0, п^ = 2,8 (а) и п^ = 1,8 (б):

т. 1р — точка расчетного режима Т*0 = 1200 K; т. 2 — точка режима частичной мощности при Т* = 1000 K (а); 750 K — (б); т. 3 — точка режима частичной мощности при Т* = 800 K (а); 600 K (б); т. 4 — точка режима частичной мощности при Т* = 600 K (а); 450 K (б)

к зоне помпажа при снижении температуры газа перед ТВД с 1500 K до 1300 K (т. 2 и 3) и компрессор К1 попадает в область помпажа при уменьшении температуры газа в камере сгорания до Тг = 1200 K (т. 4, см. рис. 5).

В ГТД (вариант 2) с небольшими значениями пк1 = 4,0 и пк2 = 2,8 рабочие точки, хотя и приближаются к зоне помпажа при последовательном уменьшении температуры газа в камере сгорания с Тг0 = 1200 K до Тг = 1000, 800, 600 K (соответственно т. 2, 3 и 4, см. рис. 6, а), но остаются в рабочей зоне характеристики компрессора К1. Такое достаточно слабое приближение к зоне помпажа нежелательно, поэтому целесообразно разработать способ и программу регулирования, которые позволят работать в области, близкой к расчетной точке.

В ГТД (вариант 3) с небольшими значениями пк1 = 4,0 и пк2 = 1,8 рабочие точки удаляются от зоны помпажа при последовательном уменьшении температуры газа в камере сгорания с Тг0 = 1200 K до Тг = 750, 600 и 450 K (соответственно т. 2, 3 и 4, см. рис. 6, б).

При расположении нагрузки на валу компрессора К1 и законе регулирования n = const все рабочие точки располагаются вблизи расчетного режима, если (к2 = const, то параметр (к1 ~ пк1 и рабочая точка находится на исходном луче [пк2^у^х]о. Для параметров ГТУ, соответствующих рис. 4, такое положение рабочих точек на характеристике компрессора К1 (см. рис. 6, а, б) соответствует пк20 ~ 2,05. В этом случае относительный параметр расхода К2 постоянен (к2 = const при изменении относительной температуры = Тг1 / Тх во всем исследуемом диапазоне от = 5,0 до 1,5 (см. рис. 4).

При увеличении параметра (к2 лучи, соответствующие меньшей температуре Тг, располагаются ниже расчетной точки и рабочие точки с уменьшением мощности удаляются от зоны помпажа (см. рис. 6, б). С уменьшением параметра (к2 лучи с более низкой температурой располагаются выше и рабочие точки приближаются к зоне помпажа (см. рис. 5 и 6, а).

Следовательно, двухвальные ГТУ по схеме 2БН, 2БНО и 2БНОР (двухвальная блокированная ГТУ с промежуточным охлаждением и нагрузкой на роторе низкого давления и то же для регенеративной ГТУ соответственно), как правило, имеют неудовлетворительные характеристики, так как значения пк20 достаточно большие.

Следовательно, при снижении мощности можно улучшить характеристики ГТД, выполненных по схеме 2БН, повышая параметры (к2 или пк2, для чего необходимо усилить работу турбины Т1, увеличивая величину пт1, в соответствии с зависимостью

V Тп / 1 \

= v Ua^-V Т2 I1 - ,

регулируя сечения сопловых аппаратов турбин Ft1 и Ft2 или изменяя отношения температур газа перед турбинами Т1 и Т2 = Тг1/Тг2, что осуществляется установкой перед турбиной Т2 промежуточной камеры сгорания.

При = Тг1/Тг2 = const величина пт1 = const. При фиксированной температуре перед первой турбиной Тг1 = const и понижении температуры Тг2 увеличивается отношение $г, величина пт1 растет и увеличиваются параметры (5к2 и пк2. При этом рабочие точки на характеристике компрессора К1 удаляются от зоны помпажа, если с увеличением пт1 усиливается и работа турбины Т1, что свойственно особенно турбинам высокого давления.

Таким образом, для улучшения помпажных характеристик в ГТУ, выполненных по схемам 2БН как без регенератора, так и с регенератором, необходимо ввести в конструкцию ГТД промежуточную камеру сгорания и выполнять программу регулирования с уменьшением температуры газа Тг2 при снижении мощности установки, чтобы отношение = Тг1/Тг2 возрастало. Такой способ регулирования является тепловым регулированием сечения сопловых аппаратов ТНД. Эта программа регулирования более экономична, так как увеличивается суммарная степень повышения давления и повышается КПД газотурбинного двигателя при частичной мощности.

Особенности расчета переходного, переменного режимов и регулирования двухвальных блокированных ГТД с нагрузкой на роторе высокого давления. ГТД, выполненные по схеме 2БВ, имея преимущество в повышенной экономичности на режимах частичной мощности, обладают и недостатком — температура перед турбинами Т1 и Т2 на этих режимах увеличивается. При снижении мощности температура Тг1 вначале может возрастать, а затем снижаться. Такое изменение температуры нежелательно, так как затрудняет эксплуатацию на режимах частичной мощности.

Это отрицательное свойство установки можно устранить, если перед турбиной низкого давления ввести промежуточную камеру сгорания. Рассмотрим режим работы свободного турбокомпрессора блока низкого давления ГТД с компрессором К1 и турбиной Т2 (см. рис. 1, б) или турбиной Т3 (см. рис. 2, б) без промежуточной камеры сгорания.

Проведя простейшие преобразования в известном уравнении расхода газа через турбину:

(2 = Gt2/Gt20 = vCW Тг2) J(.Pr2 - .2) / (p20 - p20) Ft2/F2,

и заменив величину (5т2 относительным параметром расхода воздуха Gк1 через компрессор К1, принимая дт2 = 5т2/5к1 ^ const на всех режимах, обозначив Тг2 / Тг20 = Тг2 и используя выражение Gк1 — Gк2Пк1,

можно записать:

и

Gк2Пк1 = Тг2 ^ (пт2 - 1)/ (пт20 - 1)

Пт2 = ^¿T^ (ПК20 - 1) + 1.

Вид характеристики компрессора К2 и программы регулирования существенно влияют на изменение относительного параметра расхода Gk2. При использовании программы пн = пк2 = const параметр расхода Gk2 несколько уменьшается с повышением температуры Тг1, и в первом приближении это изменение можно не учитывать. Тогда Gk2 ~ 1, а степень понижения давления во второй турбине примет вид

Пт2 - TT2nh ^ - 1) + 1.

Из уравнения баланса мощности компрессора К1 и турбины Т2, учитывая, что Ст2/Ск1 = дт2, можем записать

гр ( (к'-1)/к' Л ф / (1 -к)/к\

Срв Т а I пК1 - 11= СрпсТг20Тг2 I 1 - П^ ) Пт2Пк1Пм2^т2,

где пк1, Пт2 и пм2 — КПД компрессора К1 турбины Т2 и механический на валу турбокомпрессорного блока.

Тогда относительная температура Тг2 = Тг2/Тг20 перед турбиной Т2 с учетом зависимостей для Пт2 и (Српс/Срв)( Тг20/ Т)Пк1Пг2Пм25т2 = Ат2. Если есть зависимости, позволяющие определить изменение КПД компрессоров и турбин, то следует уточнить значения КПД компрессора Пк1 и КПД турбины Пг2. Тогда коэффициент А2 =(српс/Срв)( Тг20/Та) х х^м2дт2 и относительное изменение температуры Тг2 перед турбиной Т2 определяется в виде

_(к'-1)/к _ 1

Т2 =_Пк1_1_ (4)

г2 ( 1 - [Тг2Пк21 (П^20 - 1) + 1] ^ ^ '

Анализ зависимости (4) показал, что на температуру Тг2 существенно влияет изменение пк1, а также величины пт20 и Ат2. При небольших значениях пт20 с уменьшением пк1 температура Тг2 возрастает и при некотором значении пк1 достигает максимального значения. При дальнейшем уменьшении пк1 температура Тг2 понижается. При небольших значениях пк10 температура Тг2 монотонно убывает с уменьшением Пк1, а при больших значениях пк10 температура увеличивается. Положение и величина максимума зависят от значений пк10 и Ат2. Наибольшее увеличение Тг2 получается при определенном значении пк10, которое тем больше, чем выше температура Тг20 или коэффициент Ат2.

Температура газа Тг2 увеличивается с возрастанием коэффициента Ат2 и с уменьшением пт2 по сравнению с пк1. Коэффициент Ат2

увеличивается с повышением температуры Тг2о, КПД пк1, Пт2 и пм2 и относительного расхода газа дт2.

В ГТУ без промежуточного охлаждения циклового воздуха для определения температуры Тг2 необходимо уточнить соотношение между параметрами расходов по уравнению (3), оставив в составе переменных членов параметр 1 /Тк1:

5 к1 = 5 к2 Тк1,

где Тк1 = Тк1 / Тк10 — относительная температура за компрессором К1, определяемая по найденным значениям пк1 и пк1, и известным пк10 и

Последовательно, уточненная зависимость относительной температуры выражается в виде

Тт

г2

_{к'-1 )/к _ 1 Пк1 1

АТ2 Пк1 Пт2 ( 1 - [Тг2 (Пк21 /Тк1) (Пт220 - 1) + 1]

(1-k)/2k

(5)

На рис. 7 приведены результаты исследований влияния компоновочных схемных решений и параметров ГТД на уровень повышения температуры газа перед турбиной низкого давления при отсутствии камеры промежуточного подогрева газа. Изменение относительной температуры газа перед Т2 характеризует параметр Тг2 = Тг2 / Тг20, где Тг2 — температура газа на режиме частичной мощности; Тг20 — температура газа на номинальном режиме. Для характеристики из-

Рис. 7. Изменение относительной температуры газа перед ТНД Тг2 = Тг2/ Тг20 на режимах частичной мощности в зависимости от параметра относительной степени повышения давления в К1 Дпкх = (пкю — пкх)/(пкю — 1) и коэффициента Ат2 = (српс/срв)(Тт20/Та)%20т2 двухвального блокированного регенеративного ГТД с нагрузкой на роторе высокого давления с промежуточным охлаждением воздуха между компрессорами: 1, 2, 3, 4 и 5 — варианты 1, 2, 3, 4 и 5 соответственно

менения степени повышения давления в К1 используется параметр

лПк1 = (пк10 - Пк1) /(пк10 - 1).

В качестве основного варианта исследована двухвальная блокированная регенеративная ГТУ с нагрузкой на роторе высокого давления с промежуточным охлаждением воздуха между компрессорами (см. рис. 1, б).

Исследования проведены для пяти вариантов параметров ГТД (схема 2БВРО - двухвальная блокированная регенеративная ГТУ с промежуточным охлаждением и нагрузкой на роторе высокого давления) с учетом изменения КПД узлов на режимах частичной мощности.

Вариант 1. Степень регенерации а = 0,8; суммарная степень повышения давления пк£ = 6,1; КПД ГТУ пе = 0,42; степень повышения давления в К1 пк1 = 3,5; КПД К1 пк1 = 0,86; степень повышения давления в К2 пк2 = 1,8; КПД К2 пк2 = 0,86; степень понижения давления в Т1 пт1 = 3,0; КПД Т1 пт1 = 0,9; температура газа перед Т1 Тг1 = 1223 К; степень понижения давления в Т2 пт2 = 1,9; КПД Т2 Пт2 = 0,9; температура газа перед Т2 Тг2 = 960 К;

Вариант 2. а = 0,8; пкЕ0 = 11,0; КПД ГТУ пе0 = 0,43; пк10 = 4,5; Пк10 = 0,86; Пк20 = 2,5; Пк20 = 0,86; Птю = 4,3; Пт10 = 0,9; ТгШ = 1223 К; Пт20 = 2,4; Пт20 = 0,9; Тй0 = 890К;

Вариант 3. а = 0,8; пк£0 = 11,03; пе0 = 0,49; пк10 = 4,5; Пк10 = 0,86; Пк20 = 2,5; Пк20 = 0,86; Птю = 5,1; Пт10 = 0,9; ТгШ = 1523 К; Пт20 = 2,0; Пт20 = 0,9; Тг20 = 1090 К;

Вариант 4. а = 0,0; ПкЕ0 = 29,2; Пе0 = 0,39; Пкю = 8,5; Пк10 = 0,86; Пк20 = 3,5; Пк20 = 0,86; Птю = 8,7; Пт10 = 0,9; ТгШ = 1573 К; Пт20 = 3,273; Пт20 = 0,9; Тг20 = 1030 К;

Вариант 5. а = 0,0; пкЕ0 = 49,6; КПД ГТУ пе0 = 0,43; пк10 = 9,2; Пк10 = 0,86; Пк20 = 5,5; Пк20 = 0,86; Птю = 12,3; Пт10 = 0,9; Тгю = 1573 К; Пт20 = 3,9; Пт20 = 0,9; Тг20 = 956К.

В результате исследований ГТД по варианту 1 получено, что температура Тг2 перед ТНД монотонно увеличивается до 5 % на 50 К при уменьшении параметра степени понижения давления в К1 Лпк1 = (Пк10 - Пк1)/(Пк10 - 1) = 0,5 ''' 0,65 (или Пк1 ~ 0,64 ... 0,60), при дальнейшем уменьшении Пк1 температура Тг2 понижается до значений Тг20 и ниже только при значении Лпк1 = 0,84 (Пк1 меньше 0,45).

В ГТД по варианту 2 температура Тг2 перед ТНД повышается на 7,5 % на 70 К при уменьшении параметра степени понижения давления в К1 до значений Лпк1 = 0,5 ... 0,75 (Пк1 ~ 0,6 ... 0,45), а уменьшение температуры Тг2 происходит только при значении Лпк1 = 0,87 (Пк1 меньше 0,35).

В ГТД по варианту 3 температура Тг2 перед ТНД повышается на 17% на 190 К при уменьшении параметра степени понижения давления в К1 до значений Лпк1 = 0,7 (Пк1 ~ 0,45), а уменьшается до Тг20 и ниже при значении ¿Лпк1 = 0,95 (Пк1 меньше 0,27).

В ГТД по варианту 4 температура Тг2 перед ТНД повышается на 25 % на 260 K при уменьшении параметра степени понижения давления в К1 до значений Дпк1 = 0,93 (пк1 ~ 0,23), при дальнейшем уменьшении пк1 температура Тг2 понижается, но не достигает значения Тг20 даже при Дпк1 = 0,97 (пк1 « 0,15).

В ГТД с параметрами, соответствующими варианту 5, температура Тг2 перед ТНД повышается на 18% на 190 K при уменьшении параметра степени повышения давления в К1 до значений Дпк1 =0,9 (пк1 ~ 0,2), при дальнейшем уменьшении пк1 температура Тг2 понижается, но не достигает значения Тг20 даже при Дпк1 = 0,97 (пк1 ~ 0,15).

Исследования показали, что в рассматриваемых схемах ГТД (см. рис. 1, б) с нагрузкой на валу высокого давления без промежуточного подогрева газа значение температуры Тг1 перед турбиной Т1 на режимах частичной мощности изменяется пропорционально температуре Тг2 = Тт1, так как величина п^ изменяется незначительно или постоянна. В зависимости от значений параметров узлов на некоторых значениях режимов температура Тг2 = Тт1 становится выше температуры номинального режима Тг20 = Тт10.

В случае необходимости устранения на режимах частичной мощности повышения температуры Тг1 перед турбиной Т2 необходимо ввести в схему ГТД камеру промежуточного подогрева газа (см. рис. 2, а и б). Тогда, при уменьшении мощности температура Тг1 изменяется независимо от температуры Тг2 по принятой программе регулирования, а в промежуточной камере Г2 температура Тг2 регулируется, исходя из условия устранения нежелательного "заброса" температуры Тг2 или для относительно небольшого изменения температуры Тт2 при входе в регенератор по горячей стороне.

Таким образом, для получения при частичной мощности удовлетворительного температурного режима турбин в блокированных ГТД с нагрузкой на валу высокого давления, особенно в ГТД, в которых на номинальном режиме Тг20 = Тт10 > 900 K, целесообразно включать в схему перед турбинами камеру промежуточного подогрева газа Г2 (см. рис. 2, а, б), предпочтительнее схема, приведенная на рис. 2, б.

Для привода нагрузки первого типа с законом регулирования пн = const при одинаковых значениях параметров сравниваемых схем транспортных и энергетических ГТД наибольшую экономичность в большом диапазоне режимов работы имеют ГТД схемы 2БВОПР (двухвальная блокированная регенеративная ГТУ с промежуточным охлаждением и подогревом и нагрузкой на роторе низкого давления) с размещением нагрузки на роторе высокого давления.

Выводы. Обоснован выбор термодинамических циклов, компоновочных схем и параметров узлов; исследованы особенности расчета

переменных и переходных режимов с учетом повышения устойчивости работы компрессоров и ликвидации заброса температур газа в турбинах для эффективной работы ГТД в диапазоне изменения мощности от 10 до 100%, характерном для транспортных ГТД или автономных источников электроснабжения, выполненных без механизации проточных частей компрессоров и турбин.

Исследования переменного режима и регулирования двухвальных блокированных ГТД с нагрузкой на роторе низкого или высокого давления показали, что для улучшения характеристик переходных режимов, устойчивой работы компрессоров и устранения нежелательного заброса температур газа целесообразно в схему перед турбинами вводить камеру промежуточного подогрева газа.

Для привода нагрузки первого типа с законом регулирования пн = const при одинаковых значениях параметров сравниваемых схем транспортных и энергетических ГТД наибольшую экономичность в большом диапазоне режимов работы имеют ГТД с размещением нагрузки на роторе высокого давления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок / Ю.С. Елисеев, Э.А. Манушин, В.Е. Михальцев, М.И. Осипов, И.Г. Суровцев. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 640 с.

2. Михальцев В. Е., Панков О. М., Юношев В. Д. Регулирование и вспомогательные системы газотурбинных и комбинированных установок. - М.: Машиностроение, 1982. -95 с.

3. Котляр И. В. Частичные и переходные режимы работы судовых газотурбинных установок. - Л.: "Судостроение", 1966. - 290 с.

4. К о т л я р И. В. Переменный режим работы газотурбинных установок. -М.-К.: Машгиз, 1961. - 230 с.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ. Грант № 05-08-50037а.

Статья поступила в редакцию 25.04.2006

Валерий Дмитриевич Моляков родился в 1937 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1961 г. Канд. техн. наук, доцент кафедры "Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки" (Э-3) МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор 109 научных работ в области теории и проектирования газотурбинных и комбинированных энергоустановок.

V.D. Molyakov (b.1937) graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School in 1961. PhD(Eng), assoc. professor of "Gas Turbine and Non-traditional Power Plants" Department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of 109 publications in the field of theory and design of gas turbine and combined power plants.