Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Целью термогазодинамического расчета любой тепловой машины является определение основных удельных параметров и расхода воздуха , обеспечивающего требуемую мощность .

Расчёт простой газотурбинной установки (ГТУ) открытого типа по циклу Брайтона выполняется по общепринятому алгоритму, в котором на первом этапе определяются параметры процесса сжатия воздуха в компрессоре, такие как температура за компрессором, энтальпии воздуха в начале и конце процесса сжатия:

и ,

где , и - энтальпии воздуха соответственно при температуре , и стандартной температуре , принятой за начало отчёта энтальпий в расчёте.

При этом средняя теплоёмкость воздуха в процессе сжатия:

.

Температура газов за турбиной определяется по формуле

.

Коэффициент избытка воздуха:

где и .

Энтальпия газа перед турбиной:

.

Параметры газа за турбиной:

.

Средняя теплоёмкость газа в процессе расширения:

.

Объёмная доля воздуха в продуктах сгорания:

где , - молекулярные массы воздуха и чистых продуктов сгорания.

Молекулярная масса продуктов сгорания находится по формуле:

.

Газовая постоянная продуктов сгорания:

где R = 8,314 кДж/кг – универсальная газовая постоянная.

Уточненное значение рассчитывается по формуле:

.

Затем по уточненному значению температуры определяются значения энтальпий воздуха, продуктов сгорания и газовой смеси после турбины.

.

Работа расширения одного килограмма газа в турбине определяется по формуле:

.

После чего вычисляется работа, затрачиваемая на сжатие одного килограмма воздуха в компрессоре:

.

Работа ГТУ на валу агрегата находится по формуле:

,

где .

Расход газа через турбину и расход воздуха, подаваемого компрессором:

,

где αу = 0,005 – 0,02 – коэффициент, характеризующий дополнительные расходы воздуха на утечки через уплотнения компрессора и турбины.

Расход топлива B , мощность газовой турбины Nm и мощность, потребляемая компрессором Nk , находятся по формуле:

.

.

.

В заключение расчета определяется коэффициент полезного действия ГТУ:

.

Повышение температуры газа перед турбиной позволяет применять более высокие степени сжатия, оптимальные значения которых увеличиваются с ростом температуры. В связи с этим одновременное повышение температуры и степени сжатия является наиболее эффективным способом повышения удельной работы цикла и КПД. Однако увеличение степени сжатия приводит к увеличению избытка воздуха с образованием оксидов азота. Поэтому одним из важнейших показателей для проектирования высокоэффективных газотурбинных установок является проведение исследований газодинамического цикла при температуре перед турбиной, равной 1700 ºС, и различных степенях сжатия воздуха в компрессоре. Результаты такого моделирования для различных степеней сжатия компрессора приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Расчетные варианты ГТУ при различной степени сжатия

Построив аналогичные зависимости по результатам других вариантов расчета и проведя анализ зависимостей температур, можно убедиться в том, что со снижением степени сжатия область граничных температур цикла существенно сужается. При этом температура на входе в камеру сгорания (выход компрессора) уменьшается, а температура за турбиной увеличивается, поэтому снижение степени сжатия для высокотемпературных камер сгорания нежелательно, так как в этом случае существенно возрастает тепловая нагрузка на лопатки турбины.

Пример графической зависимости изменения температур от изменения удельной энтропии на каждом участке цикла для первого моделируемого варианта приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Тепловая диаграмма варианта 1

Зависимость коэффициента полезного действия ГТУ от степени сжатия показана на рисунке 2. Очевидно, что с увеличением сжатия в компрессоре КПД двигателя существенно возрастает, но в то же время возрастает и коэффициент избытка воздуха, а также доля кислорода в выходящих газах.

Рисунок 2 – Изменение КПД ГТУ

Описанная выше последовательность термодинамического расчета высокотемпературной камеры сгорания и полученные значения параметров математической модели ГТУ являются результатами исследования, проведенного в рамках выполнения научно-исследовательской работы по теме: «Проведение теоретических и имитационных экспериментальных исследований, разработка технических решений и моделей, направленных на снижение вредных выбросов продуктов горения топлива в перспективных ГТУ при высокой температуре сгорания (1700 ºС и выше)».

Выводы

1. Исследования математической модели ГТУ показывают, что наиболее рациональным является при проектировании высокотемпературной камеры сгорания использовать диапазон степеней сжатия от 20 до 35 с тем условием, что такие параметры могут реализовать существующие осевые компрессоры серийных установок.

2. С увеличением сжатия πк в компрессоре от 5 до 35 КПД ГТУ возрастает практически в два раз а – от 24,1 до 43,5%.

Научно-исследовательская работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Государственного контракта 14.516.11.0040 от 29.03.2013 г.

Рецензенты:

Зайченко Виктор Михайлович, д.т.н., заведующий лабораторией Федерального государственного бюджетного учреждения науки « Объединенный институт высоких температур » Российской академии наук (ОИВТ РАН) , г. Москва .

Геча Владимир Яковлевич, д.т.н., проф ессор , заместитель генерального директора ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» (Российское космическое агентство), г. Москва .