Возможность повышения эффективности ГТУ за счёт регенерации тепла

УДК 621.431.75

ВОЗМОЖНОСТЬ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГТУ ЗА СЧЁТ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛА

© 2012 В. В. Кулагин, М. А. Соколов

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

Произведено исследование влияния регенерации тепла и промежуточного охлаждения рабочего тела на эффективный КПД турбовальных двигателей различных схем.

КПД эффективный, теплоперепад располагаемый, параметры цикла, регенерация тепла, охлаждение промежуточное.

Как известно, эффективный КПД современных ГТУ достигает 30, 35, 40% при уровне мощности соответственно 6, 12,

30 МВт [1], т.е. в лучшем случае 60% тепловой энергии уносится из двигателя с выхлопными газами. Одним из направлений повышения эффективного КПД установки является утилизация (регенерация) тепла выхлопных газов. Эффективность утилизации тепла зависит от степени регенерации, которая для трубчатых теплообменников изменяется в узких пределах о = 0,8...0,9 (здесь принята о = 0,85), и от параметров рабочего процесса (Гг и ж ке). Повышение величины ж к£ ведёт к уменьшению до нуля разности температур (Гт - Тк ) и регенерация становится невозможной. Поэтому на двигателях с высокими параметрами цикла регенерацию тепла необходимо применять совместно с промежуточным охлаждением [1,2].

Исследование проводилось с помощью автоматизированной системы «АСТРА» [3]. За основу для исследования закономерностей влияния регенерации и промежуточного охлаждения на эффективный КПД взят массив из 30 турбовальных двигателей со свободной турбиной (ТГ* = 1200.. .2200К,

*

ж к£ = 10...50), рассчитанных на основе НК-36СТ. Реализованные на этом двигателе КПД узлов, коэффициенты потерь, относительные отборы воздуха на охлаждение узлов и некоторые другие коэффициенты приняты одинаковыми для указанного массива двигателей. В случае регенерации и промежуточного охлаждения добавлялись, кроме того, потери полного давления в проточной части коммуникаций, связанных с теплообменником (по 3% в «холодной» и «горячей» коммуникациях).

*

Изменение ж к! осуществлялось за счёт изменения Ж кНД при постоянном произведении ж ксд'я- квд =Ю, как и на исходном двигателе.

Рассчитаны и приведены дроссельные характеристики трёхвальной ГТУ с невысокими параметрами цикла (которая представляет наибольший интерес) без регенерации и с регенерацией тепла выхлопных газов. Результаты расчёта исходного массива двигателей

С повышением температуры Тт от 1200 до 2000К эффективный КПД, как видно из рис. 1, увеличивается практически от нуля до rje = 50% (при и кv =50) или от 20% до 35% (при ж к! = 10). Функция ще =f{TT ) весьма нелинейна: наибольший прирост КПД имеет место до TY* = 1400К, а после 1400К (при л к£ = Ю) прирост КПД незначительный. Для л к£ = 50 наибольший прирост - в диапазоне от 1200 до 1600К. Далее прирост снижается практически до нуля при ТГ > 2000К.

С увеличением ж к£ эффективный КПД повышается тем больше, чем выше температура Тт , что объясняется, как известно, уменьшением потерь тепла с выхлопными газами в долях от величины подведённого тепла.

Подчеркнём, что на газотурбинном двигателе без регенерации тепла получить высокий эффективный КПД (порядка 40%) и дальнейшее его увеличение можно только при весьма высоких параметрах цикла (/«£>20 и Т*> 1600 К).

На рис. 2 приведена разность температур газа за турбиной и за компрессором (Гт - Тк ). В общем случае она изменяется от 700К (при ?г*ке = Ю и TY* = 2200К) до отрицательной величины -(минус) 500К при ж*кх = 40...50 и Тт* = 1000К). Пунктирной ли-

ниеи отмечена граница, которой соответствует прирост эффективного КПД от введения регенерации, примерно равный 3%. Все модификации, которые располагаются ниже этой линии, будем считать неэффективными.

Были рассчитаны и проанализированы зависимости ще =ДГг, ж кі) для шести типов массивов двигателей, включая исходный массив и пять его модификаций (табл. 1): два варианта установки регенератора (после свободной турбины и до неё) и для каждого из них два варианта установки охлаждения (с охлаждением перед КВД и с охлаждением перед КСД). Результаты расчёта двигателя с регенератором, установленным за газогене-

ратором и с охлаждением перед КСД, не приведены. Рассчитывались и массивы двигателей с охлаждением рабочего тела, но без регенерации тепла: результаты их не приведены, так как они практически не оказывают влияния на полученные закономерности изменения эффективного КПД.

Таблица 1. Массивы двигателей

№ Исходный массив Рег. за свТ Рег. перед свТ Охл. перед к.ВД Охл. перед к. СД

1

2

3

4

5

6

-тт*{к1}=10

тт*{к!}=20

тт*{к!}=30

тт*{к1}=40

тт*{к1}=50

Рис. 1. Эффективный КПД как функция ТТ и л кЕ

Рис. 2. Разность температур как функция ТТ и к ^

Результаты расчёта массива двигателей с регенерацией тепла выхлопных газов

Регенерация тепла (как следует из рис. 3) принципиально изменяет характер влияния степени повышения давления на эффективный КПД. С увеличением ж К£ он не повышается (как показано для исходного массива двигателей на рис. 1), а снижается (в

основном диапазоне температур: например, при Тт = 1450К и увеличении ж ^ от 10 до 50 эффективный КПД снижается вдвое от 40 до 20%). Это объясняется снижением располагаемой разности температур (Гт - Тк ), которая оказывает ключевое влияние на эффективность регенерации тепла. Чем выше ж к£ и ниже температура Тт , тем меньше

располагаемая разность (Гт - Тк ). Она снижается до нуля и становится даже отрица-

*

тельной при ж ке=20, 30, 40 и 50 и соответственно Гг*<1400, 1800, 2000, 2200К (рис. 2). Во всех этих случаях регенерация не имеет смысла.

Таким образом, на эффективность двигателя с регенерацией тепла при снижении ж к£ оказывают противоположное влияние два фактора: эффективный КПД исходного

двигателя (без регенерации) снижается (рис. 1), а эффективность собственно регенерации Аще значительно повышается (рис. 4).

Поэтому оптимальная степень повышения давления ж к£ ор,на двигателе с регенерацией тепла (рис. 5) значительно меньше её значения на двигателе без регенерации ([4], рис. 5.12) при одной и той же температуре газа.

----------- тт*{к1}=10

.....♦-..... тт*{к1}=20

—  — тт*{к!}=30 тт*{к1}=40 ----------- тт‘{к1}=50

Рис.З. Эффективный КПД двигателей с регенерацией выхлопных газов как функция ТТ и к ^

АПе 20% -15% -10% -5% -0% --5% --10% --15% -

----------- п*{к1}=10

----....... п*{к1}=20

—  — тт*{к!}=30 -кг- тт*{к1}=40 ----------- п*{к1}=50

1200 1400

1600 1800

2000 2200 Т* К

г г

Рис.4. Разность между эффективными КПД двигателей с регенерацией тепла выхлопных газов и без неё

Рис. 5. Эффективный КПД двигателей с регенерацией тепла выхлопных газов как функция ТТ и л К£

Как видно из рис. 5, оптимальная степень повышения давления на двигателе с регенерацией тепла, при которой обеспечивается максимальное значение эффективного КПД, равна 5, 7 и 12 соответственно при Гг*=1000, 1400 и 2000К, что в 5-10 раз меньше, чем на двигателе без регенерации.

Важно подчеркнуть, что за счёт регенерации тепла выхлопных газов можно получить высокий эффективный КПД {г\е=40-45%) ТВаД с низкой степенью повышения давления в компрессоре (тг Ks~l 0), но при достаточно высокой температуре газа перед турбиной (Гг*=1400...1700К). На двигателе без регенерации тепла такие КПД могут быть получены только при весьма высо-

*

ких параметрах цикла (к ,^=30...40 и Гг*=1600...1800К).

Результаты расчёта двигателей с регенерацией тепла выхлопных газов и охлаждением рабочего тела перед компрессором ВД

Расчёты выполнялись при условии, что температура воздуха перед каскадом ВД снижалась от величины Гввд (на двигателе без промежуточного охлаждения) до величины 300 К. При этом затраты на охлаждение «охладителя» (воды) и её прокачку не учитывались, а потери в проточной части теплообменника принимались по 3% в «холодной» и «горячей» коммуникациях.

Результаты расчётов приведены на рис. 6 - 8. Из них видно, что, во-первых, на двигателях с регенерацией тепла выхлопных газов и промежуточным охлаждением рабочего тела (как и без него) максимальное значение КПД г|е обеспечивается при 10 при

умеренных значениях температуры ТГ = = 1200 ... 1600К (рис. 6). Во-вторых, охлаждение при указанных низких значениях ж kv (близких к оптимальным) и температуре газа Гг*=1200; 1400; 1600 и 1800К даёт прирост эффективного КПД соответственно 7; 5; 4 и 3% (рис. 7), а по сравнению с исходным двигателем - 9, 12, 15 и 17%) (рис. 8).

Рис. 6. Эффективный КПД двигателей с регенерацией тепла выхлопных газов и охлаждением рабочего тела

перед компрессором ВД

т

тт’{к1}=10

тт*{к!}=20

тт*{к1}=30

*  — *-------- тт*{к1}=40

-------- гт'{к1)=50

Рис. 7. Изменение эффективного КПД двигателей с регенерацией тепла выхлопных газов под влиянием охлаждения рабочего тела перед компрессором ВД

----------- тт‘{к1}=10

............ тт*{к!}=20

— — тт*{кЕ}=30

-----*--- тт*{к!}=40

----------- тт*{к1}=50

Рис. 8. Изменение эффективного КПД двигателей, обусловленное совместным влиянием регенерации тепла выхлопных газов и охлаждения рабочего тела перед компрессором ВД

В результате при указанных температурах ТТ и весьма низкой степени повышения давления (п ке~10) обеспечиваются значения КПД г}е=38; 44; 48 и 50%. На исходном двигателе такие КПД можно получить, как уже отмечалось, только при весьма высоких параметрах цикла.

Результаты расчёта двигателей с регенерацией тепла выхлопных газов и охлаждением рабочего тела перед компрессором СД

Промежуточное охлаждение рабочего тела в процессе его сжатия в компрессоре ведёт к увеличению эффективного КПД двигателя. Возникает вопрос о выборе места охлаждения: перед каскадом компрессора ВД или СД. Результаты выполненных расчётов представлены на рис.9, 10.

*

При НИЗКИХ Ж к2, как следует из рис. 10, эффективный КПД в большинстве случаев снижается на 1...6%, что объясняется сниже-

*

нием величины охлаждения воздуха от Гкнд

до принятого значения температуры воздуха после охлаждения Гвсд = 300К (по сравнению с её снижением от Гксд ). При высоких ж к£ = 40...50 он повысился на 2...3%, что не представляет большого интереса.

Результаты расчёта массива двигателей с регенератором, установленным за газогенератором

Регенерация тепла выхлопных газов становится невозможной в широком диапазоне параметров цикла, где разность температур рабочего тела за свободной турбиной и компрессором (Гт - Тк ) становится отрицательной (рис. 2). Существенно большая величина этой разницы и, соответственно, более значительный подогрев воздуха за компрессором обеспечивается, если установить регенератор за газогенератором (за турбиной НД - перед свободной турбиной). Результаты расчётов с такой перестановкой регенератора приведены на рис. 11 - 13.

Рис. 9. Эффективный КПД двигателей с регенерацией тепла выхлопных газов и охлаждением рабочего тела

перед компрессором СД

------♦........ тт*{к!}=20

— » — тт*{к!}=30

------*--------тт*{к1}=40

> тт*{к!)=50

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Т' > К

Рис. 10. Изменение КПД двигателя с регенерацией тепла при переносе охлаждения из канала перед КВД в канал перед КСД

---------- тт*{к!}=10

....♦-..... тт*{к!}=20

--- ------ тт*{к!}=30

----*--- тт*{к!}=40

---------- тт*{к!}=50

Пе

50%

40%

30%

20%

1000 1200 1400 1900 180D 2000 2200 7“г* , К

Puc.ll. Эффективный КПД двигателей с регенератором, установленным за газогенератором Лп

------------- п*{1}=10

......♦------- и'{1}=20

----- ------ п *{Z}=30

------*------тт"(Х}=40

------*------- п *{Х}=50

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 7"г*, К

Рис. 12. Влияние перестановки регенератора (за газогенератор) на эффективный КПД двигателей

h 4 1—-—^  Г

' г.Л br-'**'* J к"*"" J г к  тг*{к1}=10 — тт*{к1}=20

А г ^ ^  тт*{к1}=30 А--- тт*{кХ}=40

і і / .4 ' J Г

1  1 тт*{кХ}=50

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Т‘ , К

Рис. 13. Разность между эффективным КПД двигателя с регенератором, установленным за газогенератором, и исходного двигателя

Перестановка регенератора на двигателе с высокими параметрами цикла ведёт, как и следовало ожидать, к увеличению эффективного КПД. Он увеличивается на 6; 8; 9 % при соответственно ж hv=30; 40 и 50 и Тт =1400; 1600 и 1800К (рис. 12), но при низких ж kv (порядка 10) эффективный КПД снижается при тех же температурах газа на 1 ...3%, что объясняется более значительным влиянием уменьшения удельной мощности свободной турбины из-за уменьшения температуры газа перед ней В условиях НИЗКОГО значения Ж св. т.

Результаты расчёта двигателей с регенератором, установленным за газогенератором, и охлаждением рабочего тела перед компрессором ВД Результаты расчётов представлены на рис. 14 - 17.

Влияние собственно охлаждения в условиях, когда регенератор установлен за газогенератором, показано на рис. 15. Оно весьма заметно отличается от влияния охлаждения в условиях, когда регенератор установлен за свободной турбиной (рис. 7). Там

охлаждение приводит к повышению эффек-

sj; sj;

тивного КПД при всех значениях ж Ks и Тт . Здесь при высоких Тт >1400К оно, наоборот,

_ ^

приводит К снижению КПД при всех Ж к£.

Влияние перестановки регенератора в условиях работы двигателя с охлаждением рабочего тела перед КВД показано на рис. 16. В рассматриваемом случае пе-рестановкапри всех рассматриваемых значениях Ж к£ и Тт приводит к уменьшению эффективного КПД (от 1 до 9%). Без охлаждения перестановка регенератора приводит при низких к менее значительному снижению ще, а при высоких ж к^~ даже к повышению ще.

Эффективный КПД рассматриваемых двигателей при 7Tkv=10 и Тт =1200; 1400; 1600; 1800К равен соответственно //е=34; 39; 41 и 42% (рис. 14), что на 5; 7; 8 и 9% выше по сравнению с КПД исходного массива двигателей (рис. 17), но на 4; 5; 7; 8% меньше, чем на двигателе с регенерацией тепла и охлаждением рабочего тела перед компрессором ВД (рис. 16).

тт*{к!}=10 тт*{к1}=20 тт*{к!}=30 тт*{к!}=40

тт*{к!}=50

Рис. 14. Эффективный КПД двигателя с регенератором тепла, установленным за газогенератором, и охлаждением рабочего тела перед компрессором ВД

тт*{к1}=10

тт*{к1}=20

тт*{к1}=30

п*{к!}=40

п*{к!}=50

Рис. 15. Изменение эффективного КПД двигателя с регенератором, установленным за газогенератором, при введении охлаждения рабочего тела перед компрессором ВД

тт*{к!}=10 тт*{к1}=20 тт *{к1}=30 тт*{к!}=40 ' тт*{к!}=50

Рис. 16. Влияние перестановки регенератора (за газогенератор) на эффективный КПД двигателя в условиях его работы с охлаждением рабочего тела перед компрессором ВД

тт*{к1}=10

------♦....... тт*{к1}=20

----- ------- тт*{кЧ=30

------А-------тт*{к1}=40

------------- тт*{к1}=50

Рис. 17. Разность между эффективным КПД двигателя с регенерацией тепла перед свободной турбиной и охлаждением рабочего тела перед компрессором ВД и исходного двигателя

Дроссельные характеристики двухвальной ГТУ без и с регенерацией тепла выхлопных газов

рактеристикам. Как следует из рис. 18,а прирост эффективного КПД, обусловленный влиянием регенерации, примерно со-

На основе двигателя НК-36СТ рассчи- ответствует полученным выше законо-

таны дроссельные характеристики ГТУ с мерностям, а по режиму он изменяется нетрёхступенчатым компрессором НД и с учё- значительно,

том изменения КПД узлов согласно их ха-

N{3}. кЕт бссрсг.----------эог. оаСТ

а

ГЧ|о , кВ -5езоєг.-------------------------дог. заСТ

13С0

12С0

11С0

10С0

9С0

8С0

**

у

У У

200С 200Э 4С00 0X0 ООЭО 700С \{н}. кВ

ві№ні:йі

: )ні ни СТ

N (СІ . кВт

Г.ші. уа СТ

20СО ЗООЭ 4000 5000 6000 7030

М{е> . кВт -----безоэг.--------оег. зг СТ

д

Рис. 18. Дроссельные характеристики ГТУ

ММ.кЫ -безрег.--------------------рег. за і~Т

Проделанные расчёты позволяют сделать следующие выводы:

1. Получены закономерности изменения эффективного КПД и влияния регенерации тепла на его прирост (или снижение) для 6 вариантов массивов двигателей, включая исходный массив (из 30 двигателей) и 5 вариантов с регенерацией тепла: исходный массив (без регенерации); с регенерацией тепла (выхлопных газов); с регенерацией тепла и охлаждением рабочего тела перед компрессором высокого давления; с регенерацией тепла и охлаждением рабочего тела перед компрессором среднего давления; с регенератором, установленным за газогенератором (перед свободной турбиной); с регенератором, установленным за газогенератором и охлаждением рабочего тела перед компрессором высокого давления.

2. За счёт регенерации газов можно обеспечить такой же высокий эффективный КПД ще = 40...45%, как и на двигателях с весьма высокими параметрами цикла (Гг = 1600 ... 1800К; ж кх = 30...40), но при низкой степени

*

повышения давления ж кі ~ 10 и достаточно высокой температуре газа перед турбиной Т*= 1400...1700К.

3. При ж кі = 5,7 и 9 соответственно температуре Гг* = 1200, 1400 и 1600К прирост эффективного КПД за счёт регенерации тепла выхлопных газов составляет А?/е = 2,7 и 11%.

4. Промежуточное охлаждение рабочего тела перед компрессором высокого давления (дополнительно к регенерации) ведёт к увеличению эффективного КПД еще на Arje = 7,5 и 4% при тех же параметрах рабочего процесса.

5. Установка регенератора за газогенератор ведёт к увеличению эффективного КПД на 6, 8 и 9% только на двигателе с вы-

*

сокими параметрами цикла: при ж й; = 30, 40, 50 и соответственно Гг* = 1400, 1600 и 1800К. На двигателях с невысокими параметрами цикла (ж кх ~ 10 при тех же температурах) эффективный КПД снижается на 1... 3%.

6. Перенос охлаждения (перед компрессором СД вместо ВД) при низких ж к£ приводит к снижению эффективного КПД, а при высоких ж кх ведёт к его несущественному увеличению.

7. Из всех 6 модификаций рассматриваемого массива двигателей третья (с регенерацией тепла выхлопных газов и охлаждением рабочего тела перед КВД) имеет самые высокие значения эффективного КПД, а шестая (с регенератором, установленным за газогенератором, и охлаждением рабочего тела перед КВД) - самые низкие.

8. Расчёт дроссельных характеристик подтверждает полученные закономерности влияния регенерации на эффективность ГТУ.

Проведённое исследование является предварительным. Проект двигателя с регенерацией тепла и промежуточным охлаждением требует конструкторской проработки, тщательного гидравлического расчёта проточной части коммуникаций теплообменников и экспериментальной проверки расчётов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании Постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010.

Библиографический список

1. Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок [Текст]: учеб. Кн.З. Основные проблемы: начальный уровень проектирования, газодинамическая доводка, специальные характеристики и конверсия авиационных ГТД / В.В. Кулагин, B.C. Кузьмичев [и др.]; под общ. ред. В.В. Кулагина. -М.: Машиностроение, 2005. - 462 с.

2. Соколов, М. А. Предварительное исследование закономерностей изменения эффективного КПД турбовальных двигателей различных схем с регенерацией тепла и промежуточным охлаждением рабочего тела [Текст] / М.А. Соколов, B.C. Кузьмичев, В.В. Кулагин [и др.] // Вестн. СГАУ. - 2011. -№3(27). -4.4. - С. 21-30.

3. Ткаченко, А.Ю. Автоматизированная система термогазодинамического расчёта и анализа (АСТРА-4) газотурбинных двигателей и энергетических установок [Текст] / [А.Ю. Ткаченко и др.] // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов междунар. науч.-техн. конф. 28-30 июня 2011г. - Самара: СГАУ, 2009. -4.2. - С. 80-82.

4. Кулагин, В.В. Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергети-

ческих установок [Текст]: учеб.Кн.1. Основы теории ГТД. Рабочий процесс и термогазодинамический анализ ;Кн.20сновы теории ГТД.

Совместная работа узлов выполненного двигателя и его характеристики /В.В. Кулагин.-2-е изд.М.: Машиностроение, 2003. - 615 с

IMPROVING THE EFFICIENCY OF GAS TURBINES BY REGENERATING HEAT

© 2012 V. V. Kulagin, M. A. Sokolov

Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov

Preliminary study of heat recovery and intermediate cooling of working medium effect over the turboshaft engine effective efficiency is carried out.

Effective efficiency, mailable heat drop, cycle parameters, heat recovery, intermediate cooling of working medium.

Информация об авторах

Кулагин Виктор Владимирович, кандидат технических наук, профессор кафедры теории двигателей летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: kulvv@ssau.ru.Область научных интересов: теория газотурбинных двигателей, начальный уровень проектирования ГТД, идентификация математических моделей ГТД.

Соколов Максим Алексеевич, студент, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: mxpain@yandex.ru.Область научных интересов: теория газотурбинных двигателей, проектирование ГТД.

Kulagin Viktor Vladimirovich, Candidate of technical Science, Professor at Aircraft Engine Theory Department, Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: kulvv@ssau.ru. Area of research: gas turbine engines theory, initial level of gas turbine engine design, identification of mathematical model of gas turbine engines.

Sokolov Maxim Alekseevich, student of Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (national research university). E-mail: mxpain@vandex.ru. Area of research: gas turbine engines theory, gas turbine engine design.