4.2. Расчет давления газов за последней ступенью гтд

1. Давление газа (продуктов сгорания) в конце процесса расширения в ГТ принимаем из следующих соображений.

а) продукты сгорания, покидающие ГТД, последовательно, по газовому тракту до выхода в атмосферу, преодолевают суммарное аэродинамическое сопротивление (∆p_ГВТ) в составе:

∆p_ГВТ = p_НВ + [∆p_ДИФ + ∆p_КУ + ∆p_КОНФ + ∆p_{Г ТРАКТ} + (∆p_ДТ – ∆p _{С-ТЯГИ ДТ})]. (4.11)

Здесь:

∆p_ДИФ – повышение давления в диффузоре (местное сопротивление), соединяющий выходной диффузор ГТД с КУ;

∆p_КУ – падение давления по газовому тракту собственно КУ (∆p_КУ = 1,891 3,004 кПа – перепад полных давлений в газовом тракте котла-утилизатора, в зависимости от нагрузки [16].

Примечание. ∆p_КУ вычисляется как сумма местных потерь и потерь давления на трение с учетом геометрии каналов газового тракта котла-утилизатора, например, по методике, изложенной в [3]);

∆p_КОНФ – понижение давления в конфузоре (местное сопротивление), соединяющем КУ с газоотводящим трактом;

∆p_{Г ТРАКТ} – потери давления в газоотводящем тракте, соединяющий КУ с дымовой трубой, определяются как сумма потерь давления на местных сопротивлениях и потерь давления на трение с учетом геометрии газоотводящего тракта;

(∆p_ДТ – ∆p _{С-ТЯГИ ДТ}) – перепад давлений в дымовой трубе (с эффектом самотяги).

p_НВ – атмосферное давление. Выброс отработавших газов осуществляется в атмосферу через дымовую трубу. Расчетное давление наружного воздуха согласно [12] здесь принято:

p_НВ = 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).

Точный расчет составляющих аэродинамического сопротивления газового тракта можно выполнить по соответствующей методике [13].

Давление газов за выходным диффузором ГТД (на выходе из ГТД) можно определить по формуле:

p_Н = p_НВ + ∆p_ГВТ. (4.12)

2. Приближенный расчет диффузора ГТД и оценку параметров продукта газовой смеси за ГТД, перед соединительным диффузором с котлом-утилизатором, можно выполнить следующим образом.

В выходной части ГТД, непосредственно за последней ступенью, расположен спрямляющий аппарат и выходной диффузор. Рассмотрим их как одно устройство (диффузор), пренебрегая потерей давления в спрямляющем аппарате вследствие его малой величины.

Применение диффузора за последней ступенью турбины позволяет уменьшить давление в потоке непосредственно за последней ступенью по отношению к давлению среды, в которую производится выход газов из турбины. Вследствие этого увеличивается располагаемый тепловой перепад и, как следствие, возрастает мощность и КПД турбины. Однако выходной диффузор турбины увеличивает габариты и металлоемкость турбины, усложняет конструкцию турбины. Оптимальная конструкция диффузора может быть получена в результате вариантных расчетов совместно с проточной частью ГТД.

Процесс сжатия газа в диффузоре в h,s-диаграмме представлен на рис. 14.

Для диффузоров ГТ степень повышения давления (ε_{Д ГТ} = p_Н / p₄) обычно выбирается в пределах:

ε_{Д ГТ} = 1,01… 1,1.

Давление продукта сгорания топлива за последней ступенью ГТД, бар:

p₄ = p_Н / ε_{Д ГТ} .

Повышение давления в диффузоре, бар:

∆p_{Д ГТ} = p_Н – p₄ .

3. Степень расширения газов в турбине:

ε₂ = p₃ / p₄ . (4.13)

4. Давление газов на входе в КУ, с учетом потери давления в соединительном диффузоре, руководствуясь данными испытаний для нагрузки ПГУ близкой к номинальной, бар

p_{4 КУ} = p₄ – ∆p_ДИФ. (4.14)

Рис. 14. Процессы в h,s-диаграмме продукта сгорания топлива в ГТД от выхлопа с ГТД до выхода в атмосферу ГТД: Диф. КУ – диффузор, соединяющий выхлоп ГТД с КУ; Тракт КУ – газовый тракт КУ; Конф. КУ – выходной диффузор газового тракта КУ; ГОТ – газоотводящий тракт; ДТ – дымовая труба

4.3. Оценка температуры газов на выходе из последней ступени ГТД в действительном (необратимом) процессе без учета воздуха на охлаждение проточной части. Расчет температуры газов за последней ступенью ГТД с учетом схемы охлаждения проточной части турбины обычно определяется по методикам фирм-изготовителей ГТД, которые обычно не публикуются [16]. Рассмотрим расчет температуры газов за последней ступенью ГТД в два этапа. В качестве первого приближения будем полагать, что рабочее тело на выходе из ГТД – воздух (преобладающий компонент продукта сгорания). Поэтому, на данном этапе, все параметры рабочего тела будем вычислять для воздуха.

В зависимости от исходных данных температура газов на выходе из последней ступени ГТД (рис.13) в действительном (необратимом) процессе (t₄) может быть определена следующими путями.

Вариант №1. Температура t₄ известна (задана). В этом случае алгоритм вычислений следующий.

1) h _RO2, h _H2O , h _N2 , h_возд = f(t₄);

2) h₄ = r_RO2 ∙h _RO2+ r_H2O ∙h _H2O+ r_N2 ∙h _N2+ r_В ∙h_возд;

3) S⁰₃ = f(t₃);

4) S⁰_{4 t} = S⁰₃ – μR ln (p₃ / p₄);

5) t_{4 t} = f(S⁰_{4 t});

6) h_{4 t} = f(S⁰_{4 t});

7) ℓ_{т t} = h₃ – h_{4 t} ;

8) ℓ _т = h₃ – h₄ ;

9) η^т_oi = ℓ_т / ℓ_{т t} = (h₃ – h₄)/( h₃ – h_{4 t}).

Вариант №2. Задано значение КПД ГТД (η^т_oi).

1) S⁰₃ = f(t₃);

2) S⁰_{4 t} = S⁰₃ – μR ln (p₃ / p₄);

3) t_{4 t} = f(S⁰_{4 t});

4) h_{4 t} = f(S⁰_{4 t});

5) ℓ_{т t} = h₃ – h_{4 t} ;

6) ℓ_т = ℓ_{т t} ∙ η^т_oi;

7) h₄ = h₃ – ℓ_т ;

8) задаемся рядом значений температур t₄ ,

например, от t₄ = t_{4 t} с шагом ∆t до t₄ ≈ 1,1 ∙ t_{4 t} ;

9) для каждого значения t₄ вычисляем энтальпии компонентов газовой смеси:

h _RO2, h _H2O , h _N2 , h_В = f(t₄);

10) для каждого значения t₄ вычисляем энтальпию газовой смеси:

h_{4 Г} = r_H2O ∙h _H2O + r_RO2 ∙h _RO2 + r_N2 ∙h _N2 + r_В ∙h_В;

11) путем интерполяции, при условии, что h₄ = h_{4 Г} находим температуру газов за последней ступенью ГТД:

t₄ = f(h₄ = h_{4 Г}).

ПРИМЕЧАНИЕ. Вычисление энтальпии газообразного продукта сгорания топливной смеси за последней ступенью ГТД в действительном процессе (h₄) рекомендуется выполнять по правилу смешения компонентов газовой смеси с учетом воздуха, поступающего на охлаждение лопаточного аппарата проточной части газовой турбины.