Потери энергии в газотурбинной установке. Мощность и кпд гтд

В реальных ГТУ, как и в других видах энергетических установок, часть энергии, вырабатываемой двигателем, не доходит до потребителя и безвозвратно теряется из цикла. Все потери энергии в ГТУ разделяются на внутренние, изменяющие термодинамическое состояние рабочего тела; и внешние, не влияющие на состояние рабочего тела.

К внутренним потерям энергии в ГТУ относят:

• внутренние потери в компрессоре, которые учитываются внутренним КПД компрессора – . К внутренним потерям компрессора относят:

• профильные потери, обусловленные трением потока воздуха или газа о профильную часть лопаток (потери от трения и вихреобразования в пограничном слое на поверхности рабочих и направляющих лопаток, потери от вихреобразования в вихревом закромочном следе, потери в скачках уплотнений);

• концевые потери, обусловленные наличием торцевых поверхностей лопаток и радиальных зазоров у вершин лопаток;

• другие внутренние потери, возникающие за пределами лопаток от трения ротора о воздух, смешения потоков и т.д.

• внутренние потери в газовой турбине, которые учитываются относительным внутренним КПД турбины – . К этим потерям (как и для компрессора) относят профильные, концевые и другие внутренние потери в проточной части газовой турбины;

• потери теплоты в камере сгорания, которые учитываются с помощью теплового КПД камеры сгорания – ;

• потери на гидравлическое сопротивление в воздушном тракте ГТУ (гидравлические потери в воздухопроводах, регенераторах, воздухоохладителях);

• потери на гидравлическое сопротивление в газовом тракте ГТУ (гидравлические потери в газопроводах, камере сгорания и регенераторе);

• потери, связанные с расходом воздуха на охлаждение турбинных деталей (лопаток, дисков и т.д.).

Внутренние потери ГТУ учитываются внутренним КПД:

Где: – внутренняя полезная работа ГТУ, [кДж/кг];

– действительное количество теплоты, затрачиваемое в камере сгорания на нагрев воздуха от температуры Т₂ до Т₃, [кДж/кг];

– расход топлива, [кг/с];

– расход воздуха, [кг/с];

– низшая теплота сгорания топлива, [кДж/кг].

К внешним потерям энергии в ГТУ относятся:

• потери на трение в подшипниках компрессора, учитываемые механическим КПД компрессора – ;

• потери на трение в подшипниках турбины, учитываемые механическим КПД газовой турбины – ;

• потери на трение в подшипниках и зацеплениях редуктора, учитываемые механическим КПД редуктора – ;

• потери вследствие утечки газа через концевые уплотнения;

• затраты энергии на привод навешенных механизмов.

Внешние потери ГТУ учитываются механическим КПД установки:

где: – эффективная работа ГТУ, [кДж/кг];

– сумма внешних потерь энергии, [кДж/кг].

Наличие потерь энергии видоизменяет характер процессов, протекающих в реальной установке, по сравнению с теоретическим циклом (рис. 56):

При сжатии воздуха в компрессоре конечная точка 2, характеризующая термодинамическое состояние рабочего тела на выходе из компрессора, смещается по изобаре вправо относительно теоретической точки – (процесс сжатия воздуха происходит с увеличением энтропии рабочего тела).

Аналогично, с увеличением энтропии рабочего тела, протекает процесс расширения газа в газовой турбине.

Конечная точка – 4, характеризующая термодинамическое состояние газа на выходе из газовой турбины, смещается по изобаре вправо относительно теоретической точки – .

Внутренние и внешние потери в ГТУ учитываются эффективным КПД, равным отношению эффективной работы к действительному количеству теплоты, затраченной на нагрев воздуха в камере сгорания:

В последние годы ГТД стали широко применяться на судах на подводных крыльях (СПК) и воздушной подушке (СВП), которые используются в качестве скоростных пассажирских и грузопассажирских судов на паромных переправах.

Проводятся работы по дальнейшему совершенствованию ГТД в направлении повышения технического ресурса и топливной экономичности, создания более надежных конструкций и простых в обслуживании.

Перспективным считается направление по применению в ГТД лопаток из керамических и металлокерамических материалов, что позволяет повысить t° газа перед турбиной без охлаждения лопаток.

Например: на двигателях FT–9 (США) предполагается, ставить сопловые лопатки сплошные керамические, а рабочие с металлокерамическим покрытием. Это позволит повысить t° газа перед ТВД свыше 1370°С и обеспечить ресурс наиболее нагретых деталей до 10 тыс.ч.

Совершенствование конструкций ГТД идет па пути создания отдельных модулей.

ГТД модели 570 (США) мощностью 5,15 МВт состоит из 5 легко отделяемых один от другого отбалансированных модулей:

- компрессора;- камеры сгорания;

- турбины газогенератора;

- силовой турбины и коробки приводов.

Такая конструкция удобна в эксплуатации и при ремонте.

Она позволяет силами обслуживающего персонала на месте заменять неисправные модули без дополнительной балансировки всего двигателя. Это значительно сокращает сроки ремонта и трудоемкость обслуживания двигателя.

На базе хорошо зарекомендовавшего себя двигателя LM–2500 создан новый LM–5000 (США), мощность морского варианта которого составляет 22 - 36 МВт.

КПД двигателя около 39%.

Он приспособлен для работы на жидком и газообразном топливе, а также на топливных смесях.

При создании новых ГТД ставят целью уменьшить удельный расход топлива на 10 - 15% и снизить эксплуатационные расходы.

Фактический рабочий процесс в ГТУ отличается от теоретического цикла, что объясняется в основном наличием потерь в турбине и компрессоре. Потери в турбине могут быть учтены относительным внутренним КПД турбины, (он лежит в пределах 0,8 - 0,9).

Эффективный КПД ГТУ несколько ниже, т.к. он учитывает механические потери в турбине и компрессоре, а также потери давления в трубопроводах и камерах сгорания. Механический КПД ГТУ лежит в пределах 0,96 - 0,98.

Внутренний КПД ГТУ возрастает с повышением максимальной температуры перед турбиной и понижением температуры окружающей среды. Температура газов при входе в турбину в современных ГТУ судового типа, рассчитанных на длительный срок службы, принимается в пределах 973 - 1123К (700 - 850°С).

При этом степень повышения давления лежит в пределах (6 - 9). Коэффициент избытка воздуха колеблется в пределах (4,5 - 6,5). Эффективный КПД ГТУ может достигать 28 - 30%.

В перспективе в условиях использования материалов повышенной жаропрочности он может быть еще выше.

Применение ГТД в ЭУ транспортных судов сдерживается в последнее время из-за возросших цен на топливо. Судовладельцы судов с ГТУ вынуждены принимать соответствующие меры. Так, с целью экономии топлива было принято решение о замене ГТД на дизели на контейнеровозах типа «Евролайнер» (после 8 лет эксплуатации).

Замена ГТУ произведена и на австралийских балкерах «Айрон Карпентарна» и «Айрон Кертис» дедвейтом по 45430т.

Таким образом, наблюдается тенденция, с одной стороны, к отказу от применения ГТУ на водоизмещающих транспортных судах, а с другой - к использованию ГТД с целью повышения экономичности СЭУ других типов.

Кроме того, известно использование ГТД в судовом исполнении на нефтедобывающих судах, где важное значение приобретают их достоинства:

-малые массогабаритные показатели;

-высокая надежность;

-приспособленность для работы на добываемом топливе (газовом или нефтяном).

Применение местного топлива позволяет снизить эксплуатационные расходы.

Поскольку ГТД является более уравновешенным двигателем, то установка ГТД на буровых платформах вместо ДВС позволяет облегчить конструкции из-за снижения вибрации, уменьшить площадь буровых платформ и их размеры за счет большей энергонасыщенности (удельная мощность ГТД 108 - 195кВт/м², ДГ 43 - 86кВт/м²).

Кроме того, благодаря небольшим массогабаритным показателям ГТД можно создать силовой блок, сборку, монтаж и испытание которого производить на берегу.

Это сокращает сроки постройки объекта и снижает его стоимость.

Большое количество теплоты, которая требуется при эксплуатации морских буровых установок, может быть получено путем утилизации выпускных газов ГТД.

Т.О. электрическую и тепловую энергию получают от одного работающего источника.

Применение ГТД авиационного типа в составе СЭУ дает ряд преимуществ:

- уменьшение общей площади МО (до 10%);

- сокращение числа вспомогательных механизмов;

- упрощение управлением установкой;

- снижение численности машинной команды;

- уменьшение капитальных затрат вследствие меньшей стоимости оборудования и его монтажа.

Этим ГТД, однако, присущи и серьезные недостатки, основным из которых следует считать их не высокую экономичность, по сравнению с дизельными двигателями, обусловленную большими тепловыми потерями.