книги из ГПНТБ / Гельфенбейн Л.Г. Регенераторы газотурбинных установок

Л. Г. ГЕЛЬФЕНБЕИН

канд. техн. наук

РЕГЕНЕРАТОРЫ

ГАЗОТУРБИННЫХ

УСТАНОВОК

МАШП43

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО-

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

М о с к в а 1 9 6 3

w T

В книге обобщен опыт работы по регенераторам газотурбинных установок отечественных и зарубежных заводов и научно-исследовательских организаций. При-_ ведены результаты, экспериментальных исследований эффективных поверхностей нагрева и определены опти­ мальные параметры регенераторов. Дан анализ кон­ струкций и необходимых расчетов по изысканию вы­ сокоэффективных регенераторов.

Книга предназначена для научных работников и инже­ неров, занимающихся исследованием и проектированием теплообменных аппаратов газотурбинных установок; она также может быть использована студентами втузов.

Рецензент канд. техн. наук В. И. Буланин

Редактор инж. А. С. Мелеев

Редакция литературы по энергетическому, металлургическому, строительному, дорожному и подъемно-транспортному машиностроению

Зав. редакцией Н. М. ЗЮЗИН

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВПрограмме КПСС сказано «... интенсивное развитие про­ мышленности потребует крупных прогрессивных сдвигов в ее структуре. Особенно возрастает роль новых отраслей, обеспечиваю­ щих наибольший технический прогресс. Менее эффективные виды топлива и энергетики, сырья и материалов будут все более выте­ сняться высокоэффективными, причем резко возрастет их комп­ лексное использование»1.

Всвете этих указаний еще актуальнее становится проблема создания высокоэкономичных газотурбинных установок (ГТУ).

Простота конструкции, малые габариты и вес делают весьма целе­

для перекачивающих магистральных газопроводов, локомотивов, судов, химического и металлургического производства, для авто­ мобилей.

Современные газотурбинные установки имеют значительно меньшие вес и размеры по сравнению с паротурбинными и тре­ буют меньшей численности обслуживающего персонала; их к. п. д. при сравнительно небольшой мощности превосходит к. п. д. паро­ силовой установки. Для успешного внедрения ГТУ в производство, необходимо еще более повысить экономичность газотурбинных установок.

Современный метод повышения к. п. д. ГТУ реализуется по мно­ гим направлениям и в том числе за счет увеличения числа ступе­ ней сжатия и сгорания или применения регенерации. Первое на­ правление связано с усложнением управления многовальными агрегатами, а второе — с ростом размеров регенераторов.

1 Программа Коммунистической партии Советского Союза. Изд. «Правда», 1961, стр. 68.

3

Влияние степени регенерации на внутренний к. п.д. ГТУ со­ гласно выражению (2) показано на фиг. 3, а некоторые цифровые величины даны в табл. 1.

Рассмотрение графиков показывает, что регенератор является эффективным средством повышения внутреннего к. п. д. ГТУ.

Коэффициент полезного действия ГТУ увеличивается с ростом степени регенерации, и его максимальному значению для выбран­ ной степени регенерации соответствует вполне определенная оп­ тимальная степень сжатия, которая уменьшается с увеличением степени регенерации (табл. 1). Степень сжатия, при которой полу­ чается максимальный к. п. д. двигателя, является, оптимальной степенью сжатия.

Таблица 1

Зависимость внутреннего к. п. д. от степени сжатия и от степени регенерации

Удельная работа, определяемая для данного случая коэффи­ циентом полезной работы (отношение' полезной работы установки к работе, развиваемой турбиной), равным [20]

ЧтЧк

при прочих равных условиях оказывается больше, чем в схемах без регенераторов, если учесть понижение оптимальной степени сжатия при увеличении степени регенерации.

§ 2. ВЛИЯНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА НА К. П. Д. ГТУ

При окончательной оценке экономичности действительного цикла с регенерацией необходимо учитывать сопротивление воз­ душного и газового трактов установки. Сопротивление газовоз­ душного тракта всей установки складывается из сопротивления камеры сгорания, соединительных газопроводов, а при использо­ вании тепла отходящих газов в регенераторе — и сопротивления регенератора. Величина этих сопротивлений определяется в основ­ ном сопротивлением самого регенератора, которая и оказывает значительное влияние на к. п. д. цикла.

7

Внутренний к. п. д. ГТУ с учетом гидравлических потерь по газовоздушному тракту имеет следующее выражение для цикла со ступенчатым сжатием и расширением (фиг. 4) [62]:

V*. - относительное сопротивление с воздушной стороны; Дв

Д/?г и Др„ - перепад давлении, эквивалентный величине сопротивления, в кг/м2-,

пчисло ступеней цикла.

роне, в ф раз превышающий перепад дав­ ления на низкой стороне, дает, один и тот же эффект в смысле понижения к. п. д.

§ 3. СОВМЕСТНЫЙ УЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ И ВРЕДНОГО ВЛИЯНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

При определении степени регенерации для выбранного цикла ГТУ задаются допустимой потерей давления, которая связана с включением в схему регенератора. По заданной потере давления производят расчетную и конструктивную разработки регенератора, который должен обеспечить заданные величины степени регенера­ ции и гидравлических потерь. Для определения того, в каких со-

8

отношениях величины степени регенерации и гидравлических потерь дают то или иное' увеличение или уменьшение потерь в цикле, можно воспользоваться следующим выражением для к. п. д. цикла со ступенчатыми процессами сжатия и расширения [63]:

1

При п= 1 это же выражение пригодно для одноступенчатого цикла. Характер кривых к. п. д. согласно выражению (5) иллю­ стрирует фиг. 6, а и б, по которой легко оценить экономию в рас-

ходе тепла от введения регенерации с учетом влияния возрастающих сопротивлений. Так, например, сопоставление кривых фиг. 6,6

тия экономия тепла составляет около 21%. Но если введение ука­ занной степени регенерации влечет за собой дополнительные потери давления около 10% (£=0,1), то в соответствии с графи­ ком, приведенным на фиг. 6, б, расход тепла уменьшается не на 21%, а всего примерно на 17%. Таким образом, при,указанном, росте сопротивлений, вызванном включением регенератора, прин­ ципиально возможно достигнуть примерно 80% экономии.

9