2. Вспомогательные коэффициенты для расчета тепловой схемы и последовательность расчета

Расчет ведем на один килограмм рабочего тела на входе в компрессор, отразив разницу в расходах турбины и компрессора через условный коэффициент .

Где – расходы охлаждающего воздуха, утечек воздуха через лабиринтовые уплотнения (и в регенераторе) и топлива соответственно, отнесенные к расходу воздуха.

По данным практики следует принимать для ГТУ:

при = 800 – 900 °С = 0,035 – 0,045,

при = 900 – 1050 °С = 0,04 – 0,06.

и обычно находятся в пределах 0,01 – 0,02, и для предварительных расчетов их можно принять равными друг другу (при высококалорийном топливе).

Тогда для = 1100 – 750 °С, = 0,94 – 0,975.

При уточненном расчете схем (см. рис. 1.1,б,в) принимаем соответственно два или три значения в зависимости от числа турбин ГТУ.

Из баланса мощностей турбокомпрессорного вала в двухвальной ГТУ следует: или , то есть

Для трехвальной ГТУ или ГТД соответственно (рис. 1.1,в)

и

Если весь воздух, отбираемый на охлаждение, подмешивается в проточной части к продуктам сгорания до силовой турбины, то для неё = 1,0.

Относительное значение механических потерь в подшипниках и на привод вспомогательных механизмов зависит от величины единичной мощности. В долях от полезной мощности они могут составлять 2 – 4 %, т.е. = 0,96 – 0,98. Для двух- и трехвальных ГТУ механический КПД на каждом валу можно оценить в пределах 97 – 99 %.

Количество теплоты, сообщаемое воздуху в регенераторе, при расчете тепловых схем обычно учитывается с помощью степени регенерации . Температура воздуха после регенератора

, К

Удельное количество теплоты воздуха, поступающего в камеру сгорания:

, кДж/кг,

где – средняя удельная изобарическая теплоемкость, определяемая по кривым прил. 1 ( ) для температуры

Для обычного уровня температур можно принять =1,02 – 1,04 кДж/(кг·К).

Подведенное в камере сгорания количество теплоты на 1 кг воздуха

, кДж/кг,

где – средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания при температуре , определяемая также по прил. 1.

В первом приближении можно принять

= 1,08 – 1,12 кДж/(кг·К).

Химический недожог топлива учитывается с помощью КПД камеры сгорания, величина которого во многом зависит от вида топлива. Для углеводородных топлив = 0,98 – 0,995 (более высокие значения для легких дистиллятных топлив и природных газов).

3. Пример теплового расчета схемы с заданными коэффициентами

   1. Пример теплового расчета схемы двухвальной гту открытого цикла с регенерацией теплоты уходящих газов

Задано: = 25 МВт, = 1173 К, = 0,72, = 0,09, =290 К, = 1,013·10⁵ Па, топливо – природный газ. Кроме того, задан тип схемы (рис. 1.1,б).

Принимаем в соответствии с рекомендациями пп. 2.1-2.2:

= = 0,895; = 0,87; = 0,995; = 0,975;

= 0,035; = 0,015; = 0,015; = 0,965; = 0,98;

=1,01 кДж/(кг·К); = 1,40; = 1,15 кДж/(кг·К);

= 1,333; = 1,05 кДж/(кг·К); = 1,10 кДж/(кг·К).

Расчет сводим в табл. 2.1.

Для ГТУ без регенератора схема расчета остается в основном такой же, только = , так как =0, и гидравлические потери по тракту обычно не превышают 5 % ( ≤0,05). Для вариантных расчетов схем рекомендуется задавать для регенеративных ГТУ – 3…12, для ГТУ простого цикла – 10…30.

После выполнения расчета строятся зависимости и (рис. 2-3), выбирается расчетное значение .

Величину для желательно выбирать

– базовых ГТУ с регенератором – в области максимальных значений как , так и , потому что это обеспечивает высокую экономичность при наименьших размерах ГТУ

– для ГТУ простой схемы – между максимумами и .

При этом часто исходят из возможности моделирования экспериментально отработанного компрессора, а для схемы (рис. 1.1,в) – компрессоров, опытные характеристики которых известны.

Для этого предварительно определяют расход воздуха для расчетного режима по следующей схеме:

– выбирают; , кг/с.

Здесь необходимо иметь в виду, что целесообразно выбор и расчет увязывать с возможностью использования экспериментально отработанного компрессора, характеристики которого известны. Подбор модельного компрессора осуществляется как по расходу и напору, так и по подходящей удельной быстроходности.

Кроме того, при выборе обычно принимают во внимание температуру продуктов сгорания на выходе из турбины при заданной температуре на входе. Желательно для ГТУ средней мощности, особенно при наличии регенерации теплоты уходящих газов, чтобы не превышала 773…823 К (500…550°С). В противном случае необходимо выполнять последние ступени турбины из никелевых сплавов, а регенераторы – из жаростойких сталей, что существенно повышает стоимость установки.

Таблица 2.1

Пример расчета тепловой схемы двухвальной ГТУ

с регенерацией теплоты уходящих газов с целью выбора

№ п/п	Величина	Обозначение	Расчетная формула	Размерность	Варианты						Примечание
					1	2	3	4	5	6
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1	Степень повышения давления в компрессоре		Задаем	-	3	4	5	7	9	12
2	Комплекс работы сжатия компрессора			-	0,369	0,486	0,584	0,744	0,873	1,034	=1,4
3	Удельная работа сжатия компрессора			кДж/кг	124,1	163,6	196,6	250,4	294,1	348,1
4	Температура воздуха за компрессором			К	412,9	452,0	484,6	537,9	581,1	634,6
5	Суммарная степень расширения турбинах			-	2,73	3,64	4,55	6,37	8,19	10,92

Продолжение табл.2.1

6	Удельная работа расширения турбины компрессора (ТВД)			кДж/кг	131,3	173,0	207,8	264,7	310,9	368,1
7	Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора			К	1058,9	1022,6	992,3	942,8	902,6	852,9
8	Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора (ТВД)			-	1,59	1,86	2,13	2,69	3,29	4,29	=1,33
9	Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине			-	1,72	1,96	2,14	2,37	2,49	2,55
10	Удельная работа расширения силовой турбины (ТНД)			кДж/кг	138,4	162,8	176,4	187,8	189,1	182,9
11	Удельная эффективная работа			кДж/кг	132,2	155,6	168,5	179,4	180,7	174,7
12	Температура продуктов сгорания за ССТ (ТНД)			К	938,5	881,0	838,9	779,5	738,2	693,9

Окончание табл.2.1

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
13	Нагрев воздуха в регенераторе			К	378,4	308,9	255,1	174,0	113,1	42,7
14	Температура воздуха за регенератором			К	791,4	760,9	739,7	711,9	694,2	677,3
15	Количество теплоты, подведен-ное к воздуху в регенераторе			кДж/кг	789,4	758,9	737,9	710,1	692,5	675,6
16	Количество теплоты, подведен-ное к продуктам сгорания в КС			кДж/кг	455,8	486,2	507,3	535,0	552,6	569,5
17	Эффективный КПД			-	0,289	0,318	0,331	0,334	0,325	0,305

Рис. 2.3. Зависимость удельной эффективной работы и эффективного КПД от степени отношения давлений в цикле ГТУ (пример п. 2.3.1)

Рис. 2.4.Зависимость удельной эффективной работы и эффективного КПД от степени отношения давлений в цикле ГТУ (пример п. 2.3.2)