уточненный расчет тепловой схемы на номинальный режим

3.1. Порядок проведения уточненного расчета

После расчета или подбора модельного компрессора и выбора на его характеристике расчетной точки уточняется . Определяется
, затем

Для принимается истинное значение для средней температуры процесса по прил. 1.

Определяется . При больших расчет следует повторить по уточненному значению . Если в безрегенеративной ГТУ выбрана большая величина и не удается подобрать модельный компрессор, а схема не задана, то следует предпочесть двухкомпрессорную схему (рис. 1.1,в). В этой схеме вся работа сжатия должна быть распределена между КНД и КВД. При этом необходимо выдерживать баланс мощностей, т.е.

и

При высокой заданной относительной влажности воздуха, которая увеличивает удельную работу сжатия, полученную величину следует умножить на коэффициент, приведенный в табл. 3.1 [4].

 

Таблица 3.1

Поправочные коэффициенты к удельной работе
сжатия компрессора на влажность воздуха

, °С	Относительная влажность воздуха, %
	1,0027	1,0031	1,0038	1,0044
	1,0055	1,0065	1,0075	1,0085
	1,0099	1,0116	1,0133	1,0154
	1,0174	1,0210	1,0222	1,0263

Для уточнения работы расширения в турбине необходимо определить гидравлические потери в камере сгорания, регенераторе и отдельных элементах тракта. Если расчет проводится до выполнения проекта этих элементов, то потери принимаются по данным аналогов.

Оценив из предварительного расчета температуру воздуха за регенератором (для безрегенераторных ГТУ – за компрессором ), для заданной начальной температуры уточняют по данным рис.2.2.

Для топлив низкокалорийных и с большим содержанием посторонних примесей следует использовать имеющиеся для них данные или провести расчет состава продуктов сгорания по [3].

Работа расширения определяется аналогично работе сжатия также по формулам для идеального газа методом последовательных приближений.

Расчетное . Определяем затем

Для с_рт принимается также истинное значение с учетом коэффициента избытка воздуха по прил. 1. КПД турбины, если еще не выполнено ее подробное проектирование и не определены потери в проточной части, желательно принять по данным прототипа приблизительно с такой же нагрузкой ступеней и удельной быстроходностью. Определяется , уточняются k, , , снова и .

Для высокотемпературной ГТУ до ее детального проектирования наибольшую неопределенность в расчет тепловой схемы вносят потери, связанные с охлаждением. Они зависят от заданной начальной температуры газа, принятого типа системы охлаждения (конвективная, пленочная), температурного уровня охлаждения деталей, выбранных мест отбора воздуха для охлаждения, мест выпуска воздуха в проточную часть турбины и конструкции этих мест, температуры охлаждающего воздуха и т.д.

По данным [2], в наиболее распространенной открытой системе охлаждения отбор 1% воздуха на охлаждение уменьшает полезную работу на 1,5 – 2% и повышает удельный расход топлива на 0,3 – 0,6%.

В схемах приводных ГТУ со свободной силовой турбиной весь перепад энтальпий на турбину должен быть распределен соответственно между двумя или тремя турбинами.

Для каждой турбины должны быть определены , , , и (поправка на расход). На силовой турбине срабатывается только полезный теплоперепад.

При уточненном расчете схемы необходимо также определить давления перед и за турбомашинами и регенератором. Обычно гидравлические потери во всасывающем тракте перед компрессором укладываются в 1 %. Тогда давление воздуха за компрессором

= 0,99 . Давление продуктов сгорания перед турбиной учитывает гидравлические потери в тракте высокого давления (камере сгорания, воздухопроводах и регенераторе), т.е. . Давление продуктов сгорания за турбиной Полное давление должно быть выше атмосферного давления на величину потерь в выходном тракте.

После этого можно переходить к расчету турбомашин. Для проектирования турбин нужно по действительным теплоперепадам определить адиабатные.

3.2. Примеры выполнения уточненного расчета тепловой схемы и определения выходных параметров ГТУ

3.2.1. Уточненный расчет тепловой схемы двухвальной ГТУ с регенерацией теплоты уходящих газов

Выбираем для ГТУ, расчет которой дан в п. 2.3.1, в соответствии с рис.2.3 номинальное значение = 7. КПД турбомашин принимаем в соответствии с заданием. Уточнение теплофизических характеристик рабочих тел турбомашин: воздуха для компрессора и продуктов сгорания для турбин – производим по средней температуре в начале и конце процесса.

Расчет ведем в следующей последовательности:

1. Удельная работа сжатия воздуха в компрессоре:

, кДж/кг

где с_рк = 1,01 кДж/(кг·К), = 290 К, =0,87, = 1,40;

· кДж/кг.

2. Температура воздуха за компрессором:

К.

3. Средняя температура процесса сжатия воздуха в компрессоре:

К или = 141,4 °С.

4. Уточняем теплофизические свойства воздуха по средней температуре процесса сжатия (прил. 1,2) (уточненным величинам присваиваем индекс `):

кДж/кг; ; .

5. Уточненное значение удельной работы сжатия компрессора:

кДж/кг.

6. Уточненное значение температуры воздуха за компрессором:

К.

7. Уточненное значение средней температуры процесса сжатия воздуха в компрессоре:

К.

Ввиду малости изменения значения средней температуры процесса сжатия воздуха в компрессоре, дальнейшего уточнения теплофизических параметров воздуха не требуется.

 

8. Определяем коэффициент избытка воздуха продуктов сгорания по формуле или рис.2.2:

9. Степень расширения продуктов сгорания в турбинах ГТУ:

10. Удельная работа расширения турбины компрессора:

кДж/кг, кДж/кг.

11. Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора:

К

где кДж/кг;

К.

12. Средняя температура процесса расширения продуктов сгорания в турбине компрессора:

К или ºС

13. Уточняем теплофизические свойства продуктов сгорания при средней температуре процесса расширения и коэффициенте избытка воздуха

кДж/кг; ; .

14. Уточняем температуру продуктов сгорания за турбиной компрессора и среднюю температуру процесса расширения в турбине компрессора:

К;

К

Поскольку изменение средней температуры продуктов сгорания составляет 2,9 К, то дальнейшего уточнения значений теплоемкости и показателя адиабаты не требуется.

 

15. Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора:

,

 

16. Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине:

.

17. Определяем теплофизические свойства продуктов сгорания при начальной температуре продуктов сгорания в силовой турбине (изменением величины а вследствие подмешивания в проточную часть охлаждающего воздуха пренебрегаем):

кДж/кг; ; .

18. Определяем работу расширения силовой турбины:

кДж/кг

кДж/кг.

19. Вычисляем температуру продуктов сгорания за силовой турбиной:

, К

К.

20. Определяем среднюю температуру процесса расширения продуктов сгорания в силовой турбине:

или =590,3 °С.

21. Определяем теплофизические свойства продуктов сгорания при средней температуре процесса расширения в силовой турбине:

кДж/кг; ; .

22. Уточняем значение работы расширения силовой турбины:

.

23. Уточняем значение температуры продуктов сгорания за силовой турбиной:

К.

24. Уточняем значение средней температуры процесса расширения продуктов сгорания в силовой турбине:

К.

Дальнейшего уточнения теплофизических параметров расширении продуктов сгорания в силовой турбине не требуется.

 

25. Удельная полезная работу ГТУ:

кДж/кг.

26. Определяем нагрев воздуха в регенераторе:

К.

27. Температура воздуха на выходе из регенератора (на входе в камеру сгорания):

К.

28. Уточняем теплофизические свойства воздуха (прил.З) при температуре

кДж/кг.

29. Количество теплоты воздуха, поступающего в камеру сгорания:

кДж/кг.

30. Теплофизические свойства продуктов сгорания при процессе подвода теплоты в камере сгорания:

кДж/кг.

31. Количество теплоты, подведенное в камере сгорания:

кДж/кг

32. Эффективный КПД газотурбинной установки:

.

33. Расход воздуха в цикле, обеспечивающий номинальную мощность:

кг/с.

34. Расходы рабочего тела для турбин ГТУ:

кг/с,

кг/с.

По полученным расходам рабочего тела на турбины и компрессор и адиабатным теплоперепадам осуществляют проектирование или моделирование компрессора и расчет проточной части турбин.

3.2.2. Пример уточненного теплового расчета трехвальной схемы на номинальный режим

Выбираем для ГТУ, расчет которой дан в п. 2.3.2, в соответствии с рис.2.4 номинальное значение =17 (далее ). КПД турбомашин принимаем в соответствии с заданием. Алгоритм уточненного расчета аналогичен приведенному выше. Поэтому ниже не приводится полное изложение примера расчета, а дана последовательность шагов. Расчет ведем в следующей последовательности:

; ;

; ; ;

; ;

; ; ;

После получения значения температур уточняются теплофизические характеристики рабочих тел турбин и компрессоров по средним температурам процессов и расчет повторяют.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Манушин Э.А., Михальцев В.Е., Чернобровкин А.П. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. – М: Машиностроение, 1971. – 447 с.

2. Стационарные газотурбинные установки: Справочное пособие/Под ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. – Л.: Машиностроение, 1989. – 543 с.

3. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки. – М.: Высшая школа, 1979. 254 с.

4. Шнеэ Я.И., Капинос В.М., Котляр И.В. Газовые турбины. 4.1. – Киев: Высшая школа, 1976. – 296 с.

5. Ревзин Б.С., Тарасов А.В., Марковский В.М. Тепловой расчет схем приводных газотурбинных установок на номинальный и переменный режимы работы. Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2001. – 61 с.

 

Приложение 1

Истинная удельная теплоемкость продуктов сгорании природного газа

Приложение 2

Истинный Показатель адиабаты продуктов сгорании природного газа