Диссертация (Исследование влияния параметров ГТУ и ПГУ на их характеристики на основе методики с детальным учетом потерь от охлаждения в газовой турбине), страница 11

На этом этапе изоэнтропийный КПД турбины ηт, а также поправочныекоэффициенты νн и γ задаются приближенно.Затем требуется ввести дополнительные исходные данные для расчетагазовой турбины: число ступеней турбины z; средний диаметр каждойступени dср, м; углы входа и выхода для сопловых решеток α0 и α1, град;86степеньреактивностикаждойступениρ;относительныйрасходохлаждающего воздуха в турбину gохл; способ охлаждения каждого венца(перфорационный, конвективный или отсутствует); относительный расходохлаждающего воздуха на каждый венец, %;среднюю температуруохлаждающего воздуха для каждого венца Tохл, оС (рисунок 3.3).Рисунок 3.3 — Окно ввода исходных данных для поступенчатого расчетагазовой турбины в программе «GTU»После этого программа выполняет детальный поступенчатый расчетпроточной части газовой турбины.

На данном этапе происходит расчеткаждой ступени газовой турбины с определением аэродинамических87параметров ступени, расходов газа и охлаждающего воздуха, основных идополнительных потерь, удельной работы, КПД и мощности (рисунок 3.4).Рисунок 3.4 — Окно с расчетом части параметров газовой турбины впрограмме «GTU»Затем производится повторный расчет тепловой схемы ГТУ по второйитерации. В итоге программа выводит все основные характеристикирассчитанной газотурбинной установки, включая КПД, расход и температурууходящих газов, а также результаты по расчету параметров ступеней газовойтурбины.С целью верификации программы произведены расчеты параметров ГТУпо тем же исходным данным, для которых выполнен аналогичный расчет в[41].Сравнениерезультатовэтихрасчетовдлянеохлаждаемойи88охлаждаемой ГТУ по первой итерации производится в таблицах 3.2 и 3.3соответственно.Как следует из приведенных расчетов, удельная работа ГТУ и КПД ГТУпри использовании программы несколько меньше, а температуры воздуха закомпрессором и газа за турбиной несколько больше, чем по приближеннойметодике, описанной в [41].

Однако полученная разница весьма мала, длятемператур и КПД относительная разница не превышает 0,7%, а дляудельной работы — не превышает 3%.Полученная разница может быть вызвана двумя причинами. Во-первых,при расчете процессов сжатия воздуха и расширения газов по программеиспользован диаграммный подход, в то время как в [41] применяетсярасчетная методика с последовательными приближениями. Во-вторых,теплофизические характеристики воздуха и продуктов сгорания в [41] взятыиз справочника [50], а в программе использованы характеристики из болеенового источника [4].Таблица 3.2 — Сравнение результатов расчетов для неохлаждаемой ГТУtb, оСРасчетпрограммы407,84По расчету из[41]405,36Абсолютнаяразница2,48Относительнаяразница0,61%td, оС583,94581,482,460,42%HГТУ, кДж/кг363,05354,608,452,38%ηГТУ0,35690,35570,00120,34%ПараметрТаблица 3.3 — Сравнение результатов расчетов для охлаждаемой ГТУ (попервой итерации)HГТУ, кДж/кгРасчетпрограммы338,41По расчету из[41]329,30Абсолютнаяразница9,11Относительнаяразница2,77%ηГТУ0,32920,32720,00200,61%Параметр893.5 Заключение к главеВ рамках данной главы выполнено описание усовершенствованнойметодики расчета охлаждаемой ГТУ на основе выполнения двух итераций,даны некоторые замечания по возможности уточнения расчетов тепловойсхемы ГТУ.Приведеноописаниекомпьютернойпрограммы,реализующейприведенный алгоритм расчета.

Разработанная компьютерная программапозволяет производить расчеты всех основных характеристик ГТУ, включаяхарактеристики охлаждаемой газовой турбины. Программа работает вшироком диапазоне начальных параметров и показывает высокую точностьрасчетов.904. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА ПОДАННЫМ ИСПЫТАНИЙ, ВЕРИФИКАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХМЕТОДИКНачальная температура газа перед газовой турбиной Tc и относительныйрасход воздуха на охлаждениеg в , являясь одними из важнейшиххарактеристик ГТУ, как правило, не входят в число показателей, которыесообщаются в публикациях большинства фирм-производителей ГТУ. Вданной главе предлагается на основе результатов приемных испытаний ГТУпо ISO с привлечением статистических закономерностей определитьрасчетом значение температуры газа перед газовой турбиной и оценитьрасход охлаждающего воздуха на номинальном режиме.4.1 Описание методики расчета начальной температуры газаОпределение начальной температуры не предусматривается нормамиприемных испытаний ГТУ по ISO [74].

Этими нормами рекомендуетсяопределять расчетом некоторую фиктивную (условную) величину Tc(ISO) изуравнения теплового баланса камеры сгорания в предположении, что нетотборов воздуха на охлаждение и уплотнение, и весь воздух, засасываемыйкомпрессором, поступает в камеру сгорания.Начальная температура по ISO отличается от истинной температуры Tcтем значительней, чем больше расход воздуха на охлаждение, т.е. чем вышезначение истинной температуры. Так, далее показано, что при температуреTc ≈ 1500оСзначениеTc(ISO) ≈ 1300оС.Пристольбольшихотличияхопределение температуры Tc(ISO) дает лишь малое представление о значении91истинной температуры.

В такой ситуации желательно иметь метод оценкиистинной температуры Tc.Уравнение теплового баланса камеры сгорания принимаем в виде [41],практически совпадающим с ISO:Gк  B  Gв hc  Gк  Gв hb  BK т  hтп кс ,(4.1)где hс — энтальпия газов на выходе из камеры сгорания; hb — энтальпиявоздуха на входе в камеру сгорания; Gк — расход воздуха на входе вкомпрессор; Gв — полный расход воздуха, отбираемый из компрессора наохлаждение и уплотнения; B — расход топлива, подаваемого в камерусгорания; Kт — низшая теплота сгорания топлива; hтп — энтальпия топлива,подаваемого в камеру сгорания; ηкс — коэффициент использования теплатоплива в камере сгорания.Энтальпию hс представим по правилу смешения через энтальпиювоздуха hв и энтальпию чистых продуктов сгорания hпс:Gк  B  Gв hc  Gк  L0 B  Gв hв  1  L0 B  hпс ,(4.2)где L0 — теоретически необходимое количество воздуха для полногосгорания одного килограмма топлива.Заменяя левую часть (4.1) на правую часть (4.2), после преобразованийполучим уравнение теплового баланса камеры сгорания в следующем виде:g в aahв  (1  a )hпс  hb (1  b)  d;hв  hbGк  L0 BB; b; d  bK т  hтп кс ,Gк  BGк  B(4.3)(4.4)где обозначеноg в Gв.Gк  B(4.5)В (3) коэффициенты a, b и параметр d — известны из данных испытанийГТУ по ISO, энтальпия hb может быть рассчитана на основе результатовиспытаний.92Таким образом, уравнение (4.3) является однозначной зависимостьюотносительного расхода воздуха на охлаждение (и уплотнение) g в оттемпературы газа перед турбиной Tc.

Энтальпии hв, hпс — известные функцииот температуры газа перед турбиной, определяемые по [50].Для определения двух неизвестных величин g в и Tc необходимо ещеодно соотношение между ними, в качестве которого принимаем формулуВТИ, дающую весьма точную оценку для большинства существующих ГТУ:g в  0,02  0,32 10 3 Tc  Tw  .(4.6)Здесь величинаgв GвGк  B  Gв(4.7)является расходом охлаждающего воздуха, отнесенным к расходу газа навходе в турбину; Tw — максимальная температура металла лопаток.Между величинами g в и g в имеется тождественное соотношение:gв g в.1  g в(4.8)Приравнивая (4.8) и (4.6), получим уравнениеg в 0,02  0,32 10 3 (Tc  Tw ) ,1  g в(4.9)где g в определяется по (4.3) и для рассматриваемого режима испытанийзависит только от температуры Tc.

Следовательно, соотношение (4.9) естьуравнение для определения температуры Tc.Значение Tc, находимое из (4.9), зависит от Tw, которое либо надо знать,либо его следует принять, исходя из оценки длительной прочности металла.Для современных стационарных высокотемпературных газовых турбинтипичными являются Tw = 800-850оС.По значению Tc, используя (4.9), найдем g в и расход охлаждающеговоздуха Gв.93Пример расчета. На основе приведенной методики выполнен расчетначальной температуры газов для ГТУ 9FB фирмы «Дженерал Электрик»,результаты тепловых испытаний которой приведены в [47].Для температуры воздуха перед компрессором 15оС взяты следующиезначения основных величин: электрическая мощность Nэ = 286,51 МВт;расход тепла в камеру сгорания Q = 744,44 МДж/с; расход воздуха на входе вкомпрессор Gк = 633,33 кг/с; энтальпия воздуха на выходе из компрессора,рассчитаннаяпоотношениюдавленийиКПДкомпрессораhb = 406,24 кДж/кг; теплотворная способность Kт + hтп = 49444 кДж/кг.

Врасчетах принято L0 = 17 кг/кг; ηкс = 0,995.По этим данным найдены ηэ = 0,3849; B = 15,056 кг/с.По (4.4) определены значения величин, входящих в (4.3):a = 0,58203; b = 0,02322; d = 1142,38 кДж/кг.При найденных параметрах, используя (4.3) и принимая зависимости hви hпс от температуры Tc по таблицам [50], методом подбора решаемуравнение(4.9)инаходимтемпературугазапередтурбинойисоответствующие расходы охлаждающего воздухапри Tw = 800оС: Tc = 1502оС, Gв = 136,1 кг/с;при Tw = 850оС: Tc = 1485оС, Gв = 118,3 кг/с.Температура газа по ISO также может быть определена из уравнения(4.3), в котором следует положить g в = 0, как рекомендовано в ISO. Решаяего методом подбора, получим Tc(ISO) = 1312оС, что полностью совпадает сданными [47], где отмечается, что истинная температура газа перед турбиной(по экспертной оценке авторов) на 150-200оС выше температуры газов поISO.Пример расчета показывает, что предлагаемая методика позволяетрассчитать начальную температуру газа с погрешностью (в данном случае)около 15-20оС.94С использованием разработанной компьютерной программы «GTU»произведен детальный поступенчатый расчет газовой турбины, входящей всостав ГТУ 9FB.Число ступеней газовой турбины z = 3, при этом по данным [58]охлаждение организовано для всех венцов, кроме рабочих лопаток последнейступени.

Сопловые аппараты первой и второй ступеней имеют конвективнопленочное охлаждение, а третьей ступени — конвективное охлаждение. Врасчете принято, что рабочие лопатки двух первых ступеней имеютконвективно-пленочное охлаждение, а расход охлаждающего воздухараспределен по венцам пропорционально разностям между локальнойтемпературой газа в проточной части и температурой металла лопатки.Значение допускаемой температуры металла принято Tw = 800оC.Расчет по программе произведен для диапазона значений Tc, для каждогоиз которых определено значение конечной температуры газов за турбинойTух. Согласно данным испытаний [47] на номинальном режиме для указаннойгазовойтурбины значение температурыуходящих газов составляетTух = 642,8оС.