Диссертация (Исследование влияния параметров ГТУ и ПГУ на их характеристики на основе методики с детальным учетом потерь от охлаждения в газовой турбине)

2ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………..………………………………………………………..1ОБЗОРЛИТЕРАТУРНЫХИСТОЧНИКОВПО5ТЕМЕДИССЕРТАЦИИ……………………………………………………………...111.1 Существующие способы охлаждения ГТУ………………………..111.2 Современные материалы и способы изготовления лопатокгазовых турбин…………………………………………………………..251.3 Классификация дополнительных потерь в охлаждаемой газовойтурбине…………………………………………………………………...271.4 Обзор существующих методов расчета охлаждаемой газовойтурбины и тепловой схемы ГТУ………………………….……..……...311.5 Заключение по главе……….………………………………………..352 МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ОХЛАЖДАЕМОЙ СТУПЕНИГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ………………………………………………………..372.1 Суть рассматриваемого метода……….……………………………..372.2 Течение в сопловых или рабочих решетках с учетом толькоаэродинамических потерь………………………………………………..412.3 Течение в сопловых или рабочих решетках с учетомаэродинамическихпотерьидополнительныхпотерьотконвективного охлаждения……….……………………………………..462.4 Течение в сопловых или рабочих решетках с учетомаэродинамических потерь, потерь при конвективном и пленочнозаградительном охлаждении………………………………....................512.5 Приближенный подход к расчету потерь в сопловых и рабочихрешетках в общем случае……………………………………………….532.6 Расчет температур газа за решетками……………………………...5532.7Уточнениеаэродинамическихпотерьвмежлопаточныхканалах……………………………………………………………………2.8Анализвлиянияразличныхфакторовна57величинудополнительных потерь…………………………………………………602.9 Общий алгоритм расчета охлаждаемой ступени………………….662.10 Заключение по главе……………………………………………….733 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ГТУ И ОПИСАНИЕРАЗРАБОТАННОЙ ПРОГРАММЫ…………………..……………………..753.1 Методика расчета тепловой схемы ГТУ по первой итерации…….763.2 Замечания по использованию формулы ВТИ……………………..823.3 Методика расчета тепловой схемы ГТУ по второй итерации…...833.4 Описание разработанной компьютерной программы «GTU»……843.5 Заключение по главе………………………………………………...894ОПРЕДЕЛЕНИЕНАЧАЛЬНОЙТЕМПЕРАТУРЫГАЗАПОДАННЫМ ИСПЫТАНИЙ, АНАЛИЗ И ДОПОЛНЕНИЕ МЕТОДИКИISO……………………………………………………………………………..904.1 Описание методики расчета начальной температуры газа..………904.2 Верификация разработанной методики расчета ГТУ на основесравнения с результатами конструкторских расчетов………………..944.3 Заключение по главе………………………………………………...1015 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ГТУ И ПГУ………………………………....1025.1 Пример поступенчатого теплового расчета охлаждаемой газовойтурбины и расчета ГТУ по двум итерациям……………………..……1025.2 Влияние начальной температуры газов и степени сжатия вкомпрессоре на параметры ГТУ…………………………….…............1105.3 Влияние КПД компрессора на параметры ГТУ……….…….……11945.4 Влияние допускаемой температуры металла на параметрыГТУ……………………………………………………………………….1245.5 Влияние начальной температуры газов и степени сжатия вкомпрессоре на параметры парогазовой установки…………………..1265.6 Заключение по главе………………………………………………...135ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ………………………………………………………138СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ…………………………………..140СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….148ПРИЛОЖЕНИЕ А.

ТЕКСТ ПРОГРАММЫ «GTU»………………………..1565ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследованияНаправление отечественной энергетики, связанное с развитием ираспространением газотурбинных и парогазовых установок, является весьмаперспективным. Непрерывно совершенствуются подходы к расчету тепловыхсхем и элементов современных газотурбинных установок (ГТУ) ипарогазовых установок (ПГУ). Значительное внимание уделяется разработкепрогрессивных технологий сжигания топлива и улучшению экологическихпоказателей установок.В последние годы существенно возрос интерес к энергетическим ГТУ иПГУ, особенностям их работы и оптимизации их параметров. Эффективностьпроизводства электроэнергии газотурбинными энергетическими установкамизависит, прежде всего, от степени повышения давления воздуха вкомпрессоре и температуры газа перед газовой турбиной.Повышение начальной температуры газа Tс не только ведет кувеличению экономичности ГТУ, но и улучшает некоторые другиехарактеристики, в частности, увеличивает коэффициент полезной работы,ведет к снижению габаритов и стоимости ГТУ.

Например, увеличениеначальной температуры газа от 800 до 1200оС при отношении давления вкомпрессоре ε = 20 дает повышение экономичности (экономию топлива) на23% при одновременном возможном сокращении габаритов установки.Увеличение начальной температуры газов возможно двумя способами:использованием жаропрочных материалов и покрытий для деталей,подвергаемыхвоздействиювысокойтемпературы,иприменениемохлаждения этих деталей. Темп роста жаропрочности материалов проточнойчасти газовых турбин после 60-х годов XX века значительно уступает ростуначальной температуры газа, поэтому основным средством, позволяющимгарантировать надежность работы ГТУ в этих условиях, является создание6высокоэффективных систем охлаждения, прежде всего, для лопаточногоаппарата проточной части.

Наиболее распространенной и на данный моментпрактическиединственноиспользуемойвоздушногоохлаждения,котораяявляетсяотличаетсясистемарядомоткрытогосущественныхпреимуществ по сравнению с другими способами.Всвязисуказаннымиобстоятельствами, наначальномэтапепроектирования ГТУ и ПГУ возникает задача по выполнению достаточноточных расчетов охлаждаемых ГТУ с учетом всех дополнительных потерь,возникающихвследствиеналичиясистемыоткрытоговоздушногоохлаждения в газовой турбине. В настоящее время практически отсутствуютподробные методики такого расчета, а учет потерь на охлаждение всуществующей литературе ограничивается лишь общими соображениямиили применением приближенных зависимостей, которые, как правило, необеспечивают достаточную точность вычислений в широком диапазонерассматриваемых параметров ГТУ.Цели и задачи работыОсновными целями диссертационной работы являются:1) разработка методики поступенчатого теплового расчета проточнойчастиохлаждаемойгазовойтурбины,атакжеусовершенствованиесуществующих методик расчета охлаждаемой ГТУ;2) определение влияния некоторых параметров охлаждения (расходохлаждающего воздуха, угол выхода воздуха в проточную часть и пр.) навеличину дополнительных потерь в ступени;3) проведение расчетов ГТУ в широком диапазоне начальныхпараметров (начальная температура Tс и отношение давлений в компрессореε), исследование влияния начальных параметров на характеристики простойодновальной ГТУ;4) исследование влияния начальных параметров ГТУ на характеристикиутилизационной ПГУ, в составе которой работает рассчитанная ГТУ.7Научная новизна работыВрамкахвыполнениядиссертационнойработыразработанаиапробирована новая методика расчета охлаждаемой ступени газовой турбиныс учетом дополнительных потерь, возникающих вследствие наличия системыоткрытого охлаждения.

На базе методики расчета охлаждаемой ступенисформулирована методика расчета охлаждаемой ГТУ.Впервые выполнены расчеты экономических показателей и параметровГТУ в диапазоне начальных температур до 2000оС и в диапазоне отношенийдавления в компрессоре от 10 до 60.Разработанспособ определенияначальнойтемпературыгазовойтурбины по данным тепловых испытаний на ТЭС при отсутствии измеренийначальной температуры.Получен вывод о существовании максимума КПД утилизационной ПГУпри условии ограничения максимальной температуры металла лопаток вгазовой турбине и максимальной температуры пара в паровой турбине.Теоретическая и практическая значимость работыНа основе сформулированных методик в среде Delphi разработанакомпьютерная программа для расчета параметров охлаждаемой ГТУ, котораяможет быть использована для предварительной оценки характеристик ГТУ вширокомдиапазоненачальныхпараметровнаначальнойстадиипроектирования установок.Способ определения начальной температуры газовой турбины поданным тепловых испытаний может быть рекомендован в качестве полезногодополнения к существующим нормам ISO.8Методология и методы исследования, степень достоверностирезультатовДостоверность теоретических выкладок обосновывается применениембазовых физических законов и уравнений механики, аэродинамики итермодинамики.Численные расчеты выполнены с использованием компьютернойтехникииприменениемобщепризнанныхматематическихметодоввычислений.Верификация численных расчетов проведена на основе сравнениянекоторых полученных результатов с опубликованными данными потепловым испытаниям ГТУ, а также с данными производителей ГТУ,опубликованными в открытых источниках.Положения, выносимые на защиту:1.

Методика детального расчета охлаждаемой газовой турбины с учетомдополнительныхпотерь,возникающихвследствиеналичиясистемывоздушного охлаждения.2. Методика уточненного расчета охлаждаемой ГТУ.3. Методика расчета начальной температуры газа в газовой турбине поданным тепловых испытаний ГТУ.4. Результаты расчетов характеристик охлаждаемых ГТУ в диапазоненачальных температур газа Tс от 1000 до 2000оС и отношений давления ε от10 до 60.5. Результаты расчетов характеристик простой утилизационной ПГУ, всоставе которой работает рассчитанная ГТУ, при условии ограничениямаксимально допускаемых температур металла газовой турбины и паровойтурбины.9Апробация результатов работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались наследующих научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах:— международные научно-технические конференции студентов иаспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва,2013-2016 гг.);— всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых испециалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении» (Москва,2015 г.);— научный семинар кафедры Паровых и газовых турбин, ФГБОУ ВО«НИУ «МЭИ»;— заседание кафедры Паровых и газовых турбин, ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ».ПубликацииПо результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатныхработ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 5 докладовв сборниках трудов научно-технических конференций.Структура и объем работыДиссертационная работа изложена на 182 страницах и состоит извведения, 5 глав, заключения, списка условных обозначений, спискалитературы и одного приложения.