3. Регенераторы газотурбинных установок

Введение в схему ГТУ регенератора с сильной степени повышает её экономичность. Вместе с тем, наличие регенератора усложняет ГТУ, увеличивает её вес и габариты. Поэтому при проектировании регенераторов большое внимание уделяется простоте и компактности конструкции. В ряде газотурбинных установок требо­вания большой компактности установки и малых её габаритов при­водят даже к необходимости отказа от применения регенератора. С другой стороны, важно, чтобы гидравлические сопротивле­ния регенератора были бы по возможности минимальными, так как выгоды от применения регенерации в значительной степени снижа­ется из-за дополнительных сопротивлений, вызванных введением регенератора.

В ГТУ находят применение трубчатые, пластинчатые и вращающиеся регенераторы.

Наибольшее распространение получили трубчатые регенераторы, поверхность нагрева в которых образована большим числом трубок. Так как воздух в регенераторе находится под более высоким давлением, чем отработавшие газы, то по условиям прочности обычно воздух пропускается внутри трубок, а газы омывают трубки снаружи. При этом напряжения в корпусе получаются невысокими.

Движение нагреваемого воздуха и охлаждаемого газа может происходить по различным схемам (рис. 3.1): прямотока, проти­вотока и перекрестного тока (одноходового, двухходового и т.д.).

Рис. 3.1. Схема движения воздуха и газа в регенератора:

а - прямоток, б - противоток; в - одноходовой перекрестный ток; г - двухходовой перекрестный ток; д - трехходовой пе­рекрестный ток.

Важнейшей характеристикой регенераторов является степень регенерации, которая представляет собой отношение действительного подогрева воздуха к теоретически возможному при бесконечной поверхности нагрева:

(3.1)

3.1 Тепловой расчет регенератора

Целью теплового расчета регенератора является определение величины его поверхности нагрева. При этом используются два основных уравнения. Уравнение теплопередачи:

(3.2)

и уравнение теплового баланса

(3.3)

где: Q – количество теплоты, передаваемое от газа воздуху, кВт;

К – коэффициент теплопередачи, кВт/(м²·град);

F – поверхность теплообмена, м²,

Т^*_СР – средний температурный напор между газом и воздухом,°С;

G_В – массовый расход воздуха, кг/с;

G_Г – массовый расход газа, кг/с;

Срв – средняя изобарная массовая теплоемкость воздуха в интервале температур от T^*₂ до T^*_R, кДж/(кг·К);

Срг – средняя изобарная массовая теплоемкость газа в интер­вале температур от T^*₄ до T^*_S, кДж/(кг·К);

T^*₂ и T^*_R – температуры воздухе перед регенератором и после него, К;

T^*₄ и T^*_S – температура газа перед регенератором и после него, К;

_P – к.п.д. регенератора, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Из уравнений (3.2) и (3.3) находим:

(3.4)

Имея, в виду, что степень регенерации:

выражение (3.4) для определения поверхности нагрева получит следующий вид:

(3.5)

В последнем уравнении неизвестными величинами являются коэффициент теплопередачи К и средний температурный напор t_ср, определив которые легко вычислить поверхность нагрева. Остано­вимся на определении величин t_ср и К. Так как температуры газа и воздуха меняются вдоль поверх­ности нагрева (рис. 4.9), то средний температурный напор вычисляется по следующим формулам:

для прямотока:

(3.6)

Рис. 3.2 Характер изменения температур газа и воздуха

вдоль поверхности нагрева регенератора;

а) прямоток; б) противоток.

для противотока:

(3.7)

Для перекрестного тока средний температурный напор вычис­ляется так:

где:  - поправочный коэффициент, находится по графикам на рис. 4.10 в зависимости от степени регенерации r и параметра

Обычно в регенераторах ГТУ параметр P  1. Коэффициент теплопередачи может быть приближенно вычислен по следующей формуле:

(3.8)

где: _Г и _В - коэффициенты теплопередачи соответственно от газа к стенке и от стенки к воздуху, Вт/(м² · К).

r

Рис. 3.3. График для определения поправочного коэффициента :

1 - для одноходового перекрестного тока; 2 - для двуххо­дового перекрестного

тока; 3 - для трехходового перекрестного тока.

Коэффициент теплоотдачи _В от воздуха к стенке определя­ется по формуле:

(3.9)

где: _В – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м ^· K);

_В – кинематическая вязкость воздуха, м²/с;

d₁ – внутренний диаметр трубок регенератора, м:

_В – средняя скорость воздуха в трубках, м/c.

Коэффициенты _В и _В в формуле (3.9) берутся по средней температуре воздуха.

Коэффициент теплоотдачи _Г от газа к стенке при продольном обтекании трубок (т.е. в случае прямотока и противотока) мо­жет быть вычислен по последней формуле, если соответствующие параметры (, , ) определять для газа и вместо d₁ подставить эквивалентный диаметр межтрубного пространства d_Э, т.е.:

где: d₂ – наружный диаметр трубок, м;

S₁ – шаг трубок по ширине пучка, м;

S₂ – шаг трубок по глубине пучка, м.

Коэффициент теплоотдачи _Г от газа к стенке при поперечном обтекании трубок определяется по формуле:

(3.10)

при:

и по формуле:

(3.11)

при:

где: S₁ – поперечный шаг;

S₂ – диагональный шаг;

С_Z – поправочный коэффициент, учитывающий число рядов Z в трубном пучке, величина которого находится из графика на рис. 4.9.

Коэффициенты _Г и _Г в формулах (3.10) и (3.11) берутся для средней температуры газа.

После определения температурного напора и коэффициента теплопередачи нетрудно вычислить поверхность нагрева F по уравнению (3.4).

Рис. 3.4 График для определения поправочного коэффициента

для шахматных пучков труб.

Число трубок n регенератора можно определить из уравнения сплошности:

Откуда

(3.12)

где: _В - плотность воздуха для средней его температуры, кг/м³.

Длина трубок определяется из выражения:

(3.13)

где: d - средний диаметр трубок, м.