книги из ГПНТБ / Гельфенбейн Л.Г. Регенераторы газотурбинных установок
.pdfЛ. Г. ГЕЛЬФЕНБЕИН
канд. техн. наук
РЕГЕНЕРАТОРЫ
ГАЗОТУРБИННЫХ
УСТАНОВОК
МАШП43
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО-
МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
М о с к в а 1 9 6 3
w T
1 |
ПУЗ^'ц з-чНАЯ |
В книге обобщен опыт работы по регенераторам газотурбинных установок отечественных и зарубежных заводов и научно-исследовательских организаций. При-_ ведены результаты, экспериментальных исследований эффективных поверхностей нагрева и определены опти мальные параметры регенераторов. Дан анализ кон струкций и необходимых расчетов по изысканию вы сокоэффективных регенераторов.
Книга предназначена для научных работников и инже неров, занимающихся исследованием и проектированием теплообменных аппаратов газотурбинных установок; она также может быть использована студентами втузов.
Рецензент канд. техн. наук В. И. Буланин
Редактор инж. А. С. Мелеев
Редакция литературы по энергетическому, металлургическому, строительному, дорожному и подъемно-транспортному машиностроению
Зав. редакцией Н. М. ЗЮЗИН
ПРЕДИСЛОВИЕ
ВПрограмме КПСС сказано «... интенсивное развитие про мышленности потребует крупных прогрессивных сдвигов в ее структуре. Особенно возрастает роль новых отраслей, обеспечиваю щих наибольший технический прогресс. Менее эффективные виды топлива и энергетики, сырья и материалов будут все более выте сняться высокоэффективными, причем резко возрастет их комп лексное использование»1.
Всвете этих указаний еще актуальнее становится проблема создания высокоэкономичных газотурбинных установок (ГТУ).
Простота конструкции, малые габариты и вес делают весьма целе
сообразным |
применение ГТУ в различных |
областях энергетики. |
|
В Советском Союзе производятся газовые |
турбины |
мощностью |
|
300—50 000 |
кет. Проектируются газотурбинные установки на |
||
100 000 кет. |
Проектируются и строятся газотурбинные |
установки |
для перекачивающих магистральных газопроводов, локомотивов, судов, химического и металлургического производства, для авто мобилей.
Современные газотурбинные установки имеют значительно меньшие вес и размеры по сравнению с паротурбинными и тре буют меньшей численности обслуживающего персонала; их к. п. д. при сравнительно небольшой мощности превосходит к. п. д. паро силовой установки. Для успешного внедрения ГТУ в производство, необходимо еще более повысить экономичность газотурбинных установок.
Современный метод повышения к. п. д. ГТУ реализуется по мно гим направлениям и в том числе за счет увеличения числа ступе ней сжатия и сгорания или применения регенерации. Первое на правление связано с усложнением управления многовальными агрегатами, а второе — с ростом размеров регенераторов.
1 Программа Коммунистической партии Советского Союза. Изд. «Правда», 1961, стр. 68.
3
Вес и объем регенераторов в мощных газотурбинных установ ках с большой степенью регенерации приближается к весу и объе му всей силовой установки в целом. Отсюда вытекает необходи мость создания высокоэффективных и малогабаритных регенера торов с наивыгоднейшим использованием поверхности нагрева. Последнее обеспечивается правильным определением оптимальных параметров регенератора.
В настоящей книге приведены результаты комплексного иссле дования работы регенератора в схеме газотурбинной установки и его теория. Освещен вопрос влияния на к. п. д. ГТУ основных параметров — скоростей потоков и их соотношений. Рассмотрены существующие регенераторы и различные конструкции поверхно стей теплообменников с целью рекомендации их высокоэффектив ных поверхностей нагрева для регенераторов.
Определение оптимальных параметров регенеративных ГТУ, а также технико-экономические расчеты здесь не приведены, так как по этим вопросам имеется довольно обширная литература [9], [И], [18], [43], [55] и др.
В гл. 1, 3, 4 и 5 рассмотрены предпосылки применения реге нераторов в ГТУ; приведены методика определения оптимальных параметров регенераторов и теоретические основы интенсификации конвективного теплообмена. В гл. 2 и 6 даны описание конструк ций регенераторов и эффективных поверхностей теплообмена, ре зультаты экспериментальных исследований, а также некоторые сведения по производству и эксплуатации регенераторов.
ГЛАВА 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
ПРИМЕНЕНИЯ РЕГЕНЕРАТОРОВ В ГТУ
§ 1. ЦИКЛ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ СО СГОРАНИЕМ
ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
Эффективным средством повышения экономичности газотур
бинной установки, |
работающей по простой схеме и циклу при р = |
= const, является |
регенерация тепла. Принципиальная схема та |
кой установки изображена на фиг. 1.
Фиг. I. Схема ГТУ с регенератором: |
Фиг. 2. Цикл газовой турбины с ре- |
К —компрессор, т — турбина, КС —каме- |
генерацией в Xs-диаграмме-. |
ра сгорания, Р — регенератор. |
|
Поскольку температура за турбиной Гг обычно выше темпе ратуры за компрессором Г4 (фиг. 2), то тепло отходящих газов можно использовать для нагрева рабочего тела по выходе его из компрессора, что и осуществляется в теплообменном аппарате, называемом регенератором. Регенерация тепла уходящих газов позволяет значительно повысить экономичность ГТУ за счет уменьшения количества тепла, подведенного в цикле. Удельная
или внутренняя полезная работа 1 кг газа в цикле при этом со храняется неизменной, так как степень регенерации не влияет на величину полезной работы, а отражается только на расходе тепла.
|
|
|
|
|
Степенью регенерации называют |
|||||||||
|
|
|
|
|
отношение количества тепла, со |
|||||||||
|
|
|
|
|
общенного |
воздуху |
|
в |
регенерато |
|||||
|
|
|
|
|
ре и равного ср(Т5—Г4), к предель |
|||||||||
|
|
|
|
|
ному количеству тепла, которое мо |
|||||||||
|
|
|
|
|
жно считать переданным воздуху в |
|||||||||
|
|
|
|
|
идеальном, бесконечно большом ре |
|||||||||
|
|
|
|
|
генераторе при достижении равен |
|||||||||
|
|
|
|
|
ства температур |
ТЬ= Т2 (где |
Г5— |
|||||||
|
|
|
|
|
температура |
воздуха |
после |
нагрева |
||||||
|
|
|
|
|
в регенераторе). |
Принимая |
тепло |
|||||||
|
|
|
|
|
емкость газа ср постоянной и равен |
|||||||||
|
|
|
|
|
ство расходов газа и воздуха |
|
||||||||
|
|
|
|
|
«*Gg, пренебрегая |
утечками через |
||||||||
|
|
|
|
|
внешние |
уплотнения |
и |
величиной |
||||||
|
|
|
|
|
расхода горючего, для степени реге |
|||||||||
|
|
|
|
|
нерации получаем следующее выра |
|||||||||
|
|
|
|
|
жение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Это |
Ъ = |
* 2 — 1 4 |
|
|
(О |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
отношение |
|
характеризует |
|||||||
|
|
|
|
|
степень использования тепла уходя |
|||||||||
|
|
|
|
|
щих газов, состояние которых на вы |
|||||||||
|
|
|
|
|
ходе из регенератора представляет |
|||||||||
|
|
|
|
|
ся точкой 6 на фиг. 2. |
|
|
|
||||||
пени |
сжатия при |
различных |
сте |
Внутренний к. |
п. |
|
д. ГТУ, имею |
|||||||
пенях |
регенерации |
и температур |
щей регенератор, |
с |
|
учетом |
только |
|||||||
|
ного коэффициента |
т: |
пунк |
к. п. д. турбины ч\т и к. |
п. |
д. |
ком |
|||||||
сплошные линии для |
т = 0,312 н |
прессора |
г|„ , имеет |
следующее |
вы |
|||||||||
тирные— для т=0,35. |
для |
всех |
крн- |
|||||||||||
|
|
н ц =0,84. |
|
ражение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
%' (?"' - |
1) |
|
|
|
|
|
( 2) |
||
|
—(1 —l\t |
1+ — <*■»- 1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
1 |
4 m l I — |
m |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
т = -— температурный коэффициент; |
■ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
*1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т\— наивысшая температура в цикле в °К; |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Тг— наинизшая температура е цикле в °К; |
|
|
|
|
|
||||||||
|
« _ .Ре |
степень сжатия. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Гг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m ft—I
k — показатель адиабаты.
Влияние степени регенерации на внутренний к. п.д. ГТУ со гласно выражению (2) показано на фиг. 3, а некоторые цифровые величины даны в табл. 1.
Рассмотрение графиков показывает, что регенератор является эффективным средством повышения внутреннего к. п. д. ГТУ.
Коэффициент полезного действия ГТУ увеличивается с ростом степени регенерации, и его максимальному значению для выбран ной степени регенерации соответствует вполне определенная оп тимальная степень сжатия, которая уменьшается с увеличением степени регенерации (табл. 1). Степень сжатия, при которой полу чается максимальный к. п. д. двигателя, является, оптимальной степенью сжатия.
Таблица 1
Зависимость внутреннего к. п. д. от степени сжатия и от степени регенерации
Степень
регенерации
*5* II о
т]р— 0,5
Чр = 0,8
|
т = 0,312 |
|
Т= С,о5 |
^опт |
^вн |
^опт |
\ н |
8,0 |
0,23 |
5Д1 |
0,19 |
4,7 |
0,263 |
3,5 |
0,227 |
3,0 |
0,325 |
2,8 |
0,283 |
Удельная работа, определяемая для данного случая коэффи циентом полезной работы (отношение' полезной работы установки к работе, развиваемой турбиной), равным [20]
ЧтЧк
при прочих равных условиях оказывается больше, чем в схемах без регенераторов, если учесть понижение оптимальной степени сжатия при увеличении степени регенерации.
§ 2. ВЛИЯНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА НА К. П. Д. ГТУ
При окончательной оценке экономичности действительного цикла с регенерацией необходимо учитывать сопротивление воз душного и газового трактов установки. Сопротивление газовоз душного тракта всей установки складывается из сопротивления камеры сгорания, соединительных газопроводов, а при использо вании тепла отходящих газов в регенераторе — и сопротивления регенератора. Величина этих сопротивлений определяется в основ ном сопротивлением самого регенератора, которая и оказывает значительное влияние на к. п. д. цикла.
7
Внутренний к. п. д. ГТУ с учетом гидравлических потерь по газовоздушному тракту имеет следующее выражение для цикла со ступенчатым сжатием и расширением (фиг. 4) [62]:
Щг, |
11 |
тп/п |
/ |
т\к |
|
Чк |
|
|
(4) |
7 3 |
Т3 |
9' |
|
1) r ln |
i i |
||||
% |
|
ПГ1к |
|
(^■rQ + (rt |
,»/») |
||||
11 — 1_ — (?т/п —1) —— |
<рт!п |
|
|
|
|
||||
где С= |
относительное |
сопротивление |
с |
газовой |
стороны; |
||||
Рг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V*. - относительное сопротивление с воздушной стороны; Дв
Д/?г и Др„ - перепад давлении, эквивалентный величине сопротивления, в кг/м2-,
пчисло ступеней цикла.
|
|
|
|
Влияние гидравлических потерь |
на |
|||
|
|
|
|
к. п. д. ГТУ, |
согласно |
выражению |
(4) |
|
|
|
|
|
показано на |
фиг. 5, а |
и б, из которых |
||
|
|
|
|
видно, что гидравлические потери газо |
||||
|
|
|
|
воздушного тракта оказывают весьма от |
||||
|
|
|
|
рицательное влияние на общую эконо |
||||
|
|
|
|
мичность установки. Относительная вели |
||||
|
|
|
|
чина сопротивлений как со стороны низ |
||||
|
|
|
|
кого, так и со стороны высокого давлений |
||||
|
|
|
|
в равной мере влияет на к. п. д. Абсо |
||||
|
|
|
|
лютный перепад давления с высокой сто |
||||
|
|
|
|
роны, естественно, может быть большим, |
||||
Фиг. |
4. Цикл |
со |
ступенча |
чем с низкой |
стороны, поскольку давле |
|||
тыми |
процессами |
расшире |
ние |
воздуха |
в ф раз больше давления |
|||
|
ния и |
сжатия. |
газа. |
Перепад давления на высокой сто |
роне, в ф раз превышающий перепад дав ления на низкой стороне, дает, один и тот же эффект в смысле понижения к. п. д.
§ 3. СОВМЕСТНЫЙ УЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ И ВРЕДНОГО ВЛИЯНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
При определении степени регенерации для выбранного цикла ГТУ задаются допустимой потерей давления, которая связана с включением в схему регенератора. По заданной потере давления производят расчетную и конструктивную разработки регенератора, который должен обеспечить заданные величины степени регенера ции и гидравлических потерь. Для определения того, в каких со-
8
отношениях величины степени регенерации и гидравлических потерь дают то или иное' увеличение или уменьшение потерь в цикле, можно воспользоваться следующим выражением для к. п. д. цикла со ступенчатыми процессами сжатия и расширения [63]:
1
|
— — (<pm/n _ |
1) — — |
срт /лС |
|
~Чуст |
% |
Чк ___ |
(5) |
|
J3 |
1 |
|
|
|
<рт /л)+ Т3 |
(1 - V |
» |
|
|
|
|
|
При п= 1 это же выражение пригодно для одноступенчатого цикла. Характер кривых к. п. д. согласно выражению (5) иллю стрирует фиг. 6, а и б, по которой легко оценить экономию в рас-
Фиг. 5. Влияние гидравлических потерь |
на к. п. д. газотурбинной установки |
||
(П т =0,88 и |
|
=0,85): |
|
а — с одноступенчатыми процессами |
сжатия |
и |
расширения, б — с двухступенчатыми |
процессами |
сжатия |
и |
расширения. |
ходе тепла от введения регенерации с учетом влияния возрастающих сопротивлений. Так, например, сопоставление кривых фиг. 6,6
(для двухступенчатого |
цикла) |
показывает, |
что при -4 - =4,31; |
т)т = 0,88 и 11* = 0,85; |
степени |
регенерации |
‘3 |
i]j3= 0,6; отсутствии |
|||
дополнительных сопротивлений |
(£=0) и оптимальной степени сжа |
тия экономия тепла составляет около 21%. Но если введение ука занной степени регенерации влечет за собой дополнительные потери давления около 10% (£=0,1), то в соответствии с графи ком, приведенным на фиг. 6, б, расход тепла уменьшается не на 21%, а всего примерно на 17%. Таким образом, при,указанном, росте сопротивлений, вызванном включением регенератора, прин ципиально возможно достигнуть примерно 80% экономии.
9