Уточненный расчет тепловой схемы ГТУ

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.

Для продуктов сгорания углеводородных топлив, разбавленных воздухом для обеспечения обычно применяемых в ГТУ температур, значения 𝑐_𝑝т и k определяются по кривым приложения 1 и 2 в зависимости от температуры газа и коэффициента избытка воздуха, ɑ определяется по кривым рисунка 3. Для оценочных расчетов а в интервале температур: воздуха Т_в=400...900К, продуктов сгорания перед турбиной Т_г=800...2000 К - можно воспользоваться интерполяционной формулой:

Рисунок 3 - Коэффициент избытка воздуха для

сжигания углеводородного топлива при p=const.

 

Уточненный расчет тепловой схемы двухвальной ГТУ с регенерацией теплоты уходящих газов:

Выбираем для ГТУ, расчет которой дан в разделе 2 (таблица 2.1.) номинальное значение π_к = 5. 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:

 

2. Температура воздуха за компрессором:

 

3. Средняя температура процесса сжатия воздуха в компрессоре:

 

 

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

 

 

5. Уточненное значение удельной работы сжатия компрессора:

 

 

6. Уточненное значение температуры воздуха за компрессором:

 

 

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

 

 

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 рисунку 3: 𝛼=3.

 

9. Степень расширения продуктов сгорания в турбинах ГТУ:

 

10. Удельная работа расширения турбины компрессора:

 

11. Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора:

 

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

 

13. Уточняем теплофизические свойства продуктов сгорания при средней температуре процесса расширения и коэффициенте избытка воздуха 𝛼=3:

 

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

 

Поскольку изменение средней температуры продуктов сгорания составляет:

 

 

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):

 

18. Определяем работу расширения силовой турбины:

 

19. Вычисляем температуру продуктов сгорания за силовой турбиной:

 

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

 

 

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

 

22. Уточняем значения работы расширения силовой турбины:

 

 

23. Уточняем значение температуры продуктов сгорания за силовой турбиной:

 

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

 

 

Дальнейшего уточнения теплофизических параметров расширении продуктов сгорания в силовой турбине не требуется, т.к.:

 

 

25. Удельная полезная работу ГТУ:

 

 

26. Определяем нагрев воздуха в регенераторе:

 

 

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

 

28. Уточняем теплофизические свойства воздуха при температуре Т_р и а=∞:

 

 

29. Количество теплоты воздуха, поступающего в камеру сгорания:

 

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

 

 

31. Количество теплоты, подведенное в камере сгорания:

 

 

32. Эффективный КПД газотурбинной установки:

 

 

33. Расход воздуха в цикле, обеспечивающий номинальную мощность:

 

 

34. Расходы рабочего тела для турбин ГТУ:

 

 

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

 

Выводы по расчету схемы ГТУ

На основании результатов расчета строятся зависимости Н_е=f(π_к) и η_e=f(π_к), выбирается расчетное значение π_к0:

· для ГТУ простой схемы:

при температуре Т_г=1100К: π_к0=10 (при π_к=6, Н_{е max}=140,5 кДж/кг; при π_к=10, η_{е max}=0,227);

при температуре Т_г=1250К: π_к0=13 (при π_к=9, Н_{е max}=196,7 кДж/кг; при π_к=13, η_{е max}=0,273).

Выбор обусловлен тем, что данное значение находится при максимуме η_e=f(π_к).

Кроме того, при выборе π_ко обычно принимают во внимание температуру продуктов сгорания на выходе из турбины, которая не должна превышать 800К.

· для базовых ГТУ с регенератором:

при температуре Т_г=1100К: π_к0=5 (при π_к=6, Н_{е max}=130,8 кДж/кг; при π_к=5, η_{е max}=0,285);

при температуре Т_г=1250К: π_к0=6 (при π_к=9, Н_{е max}=186,5 кДж/кг; при π_к=6,

η_{е max}=0,340).

Выбор обусловлен тем, что данное значение находится в области максимального значения η_e, так как максимальный эффективный КПД обеспечивает максимальную экономичность ГТУ.

На основании всего вышеизложенного можно сделать вывод о том, что повышение температуры перед турбиной повышает удельную эффективную работу и КПД цикла, но также и повышает степень сжатия компрессора.

Также исходя из графика влияния регенерации (представленного ниже), мы видим, что введение в цикл регенерации повышает эффективный КПД цикла, но это не является способом увеличения удельной эффективной работы.

График влияния регенерации на удельную эффективную работу и эффективный КПЦ цикла [Т_г=1310К]