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

торов. Такое устройство позволяет вращать барабан регенератора с постоянной скоростью, не зависящей от числа оборотов газотур­ бинной установки.

Основные данные газотурбинной установки следующие:

На фиг. 37 представлена схема автомобильной газотурбинной установки мощностью 120 л. с. с вращающимся регенератором ди­ скового типа фирмы «Крайслер». Установка выполнена по двух­ турбинной схеме, в которую входят турбокомпрессор и тяговая турбина, соединенная через двухступенчатый шестеренчатый ре­ дуктор с главной передачей автомобиля.

Одноступенчатый компрессор засасывает воздух и подает егочерез улитку в коллектор, расположенный в верхней части газотур­ бинной установки. Из коллектора воздух проходит через враща­ ющийся регенератор, выполненный в виде диска диаметром около 460 мм и высотой 76 мм. Регенератор, расположенный горизон-

53

тально и приводимый во вращение наружным зубчатым венцом, обеспечивает степень регенерации в пределах 86% при полной мощности и 90%— при работе с нагрузкой 25% максимальной. Движение газа и воздуха в регенераторе происходит параллельно оси вращения диска.

Благодаря качествам, присущим вращающимся регенераторам, их использование дает возможность получить высокие степени

регенерации при малых габаритах и весе регенератора. Это до­ стигается за счет возможности применения поверхностей нагрева, с весьма малыми эквивалентными диаметрами (до 0,4 мм и мень­ ше) , что приводит к достижению очень больших коэффициентов теплоотдачи при умеренных числах Нуссельта и малых гидравли­ ческих сопротивлениях ввиду небольшой абсолютной длины кана­ лов, по которым движутся теплоносители. При этом поверхность теплоотдачи вращающихся регенераторов определяется по обеим сторонам элементов, составляющих нагревательную поверхность.

Однако ряд недостатков вращающихся регенераторов позво­ ляет их использовать только пока в газотурбинных установках не­ большой мощности с невысокими степенями сжатия. К их недо-

54

Г Л А В А 3

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ РЕГЕНЕРАТОРОВ

§10. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕГЕНЕРАТОРОВ

Вгазотурбостроении применяют теплообменные аппараты по­ верхностного типа, которые по принципу передачи тепла подразде­ ляются на две основные группы — регенеративные и рекуператив­ ные. В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность тепло­ обмена попеременно омывается то одним, то другим теплоносите­ лем, сначала аккумулируя тепло, а затем отдавая его. Направле­ ние потока тепла в стенках периодически меняется. Рекуператив­ ные аппараты характеризуются передачей тепла через стенку, раз­ деляющую горячий и холодный теплоносители. Направление тепло­ вого потока в стенке остается неизменным. Они могут быть выпол­ нены с непосредственной передачей тепла от горячих газов холод­ ному воздуху через теплопередающую поверхность или в виде

системы, состоящей из двух теплообменников и насоса, прокачи­ вающего через них промежуточный теплоноситель. Промежуточный теплоноситель (жидкость) циркулирует между теплообменником с горячими газами и теплообменником с холодным воздухом, пере­ нося тепло от газов к воздуху.

Теплообменные аппараты, используемые в газотурбинных уста­ новках для подогрева воздуха перед камерой сгорания теплом от­ работавших в турбине газов, принято называть регенераторами, хотя этот термин и имеет иной смысл.

Регенераторы могут отличаться по конструкции поверхности нагрева (трубчатые, пластинчатые), но в принципе их работы главным различием будет разница в относительном направлении движения воздуха и газов. Рассматриваются регенераторы с па­ раллельным (продольным) движением и движением в перекрест­ ном направлении.

Две жидкости при параллельном течении могут двигаться в одном направлении или в прямо противоположных направлениях. Эти два вида параллельного течения называются соответственно прямотоком и противотоком.

При прямотоке температурный напор вдоль всей поверхности нагрева изменяется значительно интенсивнее, чем при противото­ ке. Однако при этом среднее значение температурного напора для противотока больше, чем для прямотока. По этой причине, при

56

одних и тех же температурах рабочих жидкостей, теплообменник с противотоком получается компактнее. Поэтому регенераторы ГТУ выполняют в основном как противоточные теплообменники с обтеканием поверхностей нагрева в продольном или перекрестном направлении.

§ 11. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА

Особенности и уравнения теплового расчета регенераторов

Поверхность нагрева регенераторов *может состоять из труб, пластин, матриц (вращающиеся регенераторы) самых различных типов и размеров. Характерными показателями являются их теп­ лоотдача и сопротивление, которые выражаются в критериальной

сопротивления, зависящей в общем случае для нешероховатых по­ верхностей при турбулентном движении от Re. Кроме того, раз­ личают w — скорость, которая определяется по узкому сечению, d — определяющий размер: для труб — диаметр круглой трубы; для каналов и труб некруглого сечения вводится понятие эквива­ лентного диаметра d3. Поскольку силы давления действуют по сечению f, через которое протекает поток, а силы трения — вдоль смоченного периметра U, то ds выбирают так, чтобы отношение обеих сил соответствовало такому же отношению для круглой трубы. Тогда

Физические параметры газа и воздуха относят к средней тем­ пературе потока. Для учета влияния длины каналов I вводят со­ ответствующую поправку при коротких каналах в зависимости от

1

отношения — . d

Расчет регенераторов газовых турбин производится на основа­ нии общих методов расчетов теплообменных аппаратов. Особенно­ стью такого расчета является необходимость рассматривать ра­ боту регенератора в общей схеме газотурбинной установки. Это значит, что следует учитывать отрицательное влияние гидроди­ намического сопротивления регенератора на к. п. д. газотурбин­ ной установки наряду с экономическим эффектом, получаемым от использования тепла отработавших газов турбины в регенера­ торе. Другую особенность расчета регенератора составляет нали­ чие определенного соотношения между составами и объемами го­ рячего и холодного теплоагентов, которые обусловлены работой всей газотурбинной установки. Следствием этого обстоятельства является то, что регулирование эффективности теплоотдачи по обе

57

стороны поверхности нагрева возможно только изменением гидро­ динамических показателей всего регенератора. Указанные особен­ ности расчета регенераторов рассмотрены в гл. 4, где разработана методика определения оптимальных параметров регенераторов ГТУ.

Если для теплообменников целью расчета является опреде­ ление поверхности нагрева или конечной температуры рабочих жидкостей, то в расчетах регенераторов обычно определяют по­ верхность нагрева по заданным значениям температур газа и воздуха.

Поверхность нагрева F определяют из совместного решения уравнений теплопередачи и теплового баланса.

где t's и ta— температура газа при входе и выходе в ° С;

С и te— температура воздуха при входе и выходе в °С; G, и G,— весовой расход газа и воздуха в кг/сек.

Коэффициент теплопередачи вычисляют по значениям коэффи­ циентов теплоотдачи а, отнесенным к средним температурам газа и воздуха. В расчетах регенераторов К считают постоянной вели­ чиной, так как изменение а по длине каналов регенератора вслед­ ствие однофазности процесса несущественно.

Коэффициент теплопередачи

Выражение коэффициента теплопередачи от газа к воздуху для плоской стенки имеет вид

бзаго

Xзагр

5 8

При расчете регенераторов ввиду малой толщины стенок и при­ нимаемым мерам против загрязнений их термическими сопротив­ лениями пренебрегают и тогда вместо выражения (13) можно на­ писать

Для гладкотрубных регенераторов коэффициент теплопередачи обычно считают как для плоской стенки, так как толщина трубок, применяемых в регенераторах, мала (б=0,5-5-2 мм).

Если коэффициент теплопередачи отнести к наружной поверх­ ности нагрева, то тогда

где dz— наружный диаметр трубок в мм\ de— внутренний диаметр трубок в мм.

Теплопередача через оребренную поверхность

С целью интенсификации теплопередачи и уменьшения габари­ тов регенератора газотурбинных установок в них могут найти применение оребренные поверхности нагрева: например, трубки с продольным оребрением типа регенератора ХТГЗ (см. § 22) или поверхности, составленные из волнистых листов (см. § 24).

Если пренебречь термическим сопротивлением стенки, то урав­ нение теплоотдачи от газа к стенке и от стенки к воздуху будет иметь следующий вид:

59

при mh -*■ О

при mh-*-oo

,,= lm=lY v =V ^ -

Отсюда следует, что при малом значении mh, когда его можно принять равным значению угла гиперболического тангенса, в прак­ тических расчетах можно пренебречь влиянием % на теплообмен, а следовательно, принять температуру ребра равной температуре стенки. Пределом значений mh, удовлетворяющим указанному

В регенераторах с оребрением для лучшего использования оребрения величина mh должна укладываться в указанные пределы хотя бы на номинальном режиме.

При значениях параметра mh>0,4 в формулу (16) вместо аг подставляют приведенное значение коэффициента теплоотдачи со стороны оребрения aZnp, учитывающее коэффициент эффективно­

сти ребер Ер, а также коэффициент, учитывающий неравномер­ ность распределения тепловой нагрузки по поверхности ребра

(см. напр. [35]).

Определение аг для трубок с продольным прямым оребре­ нием производится по формуле

,__ Ы г — ПрЬ) аг + (2пр h + ПрЬ) аг Ер

где Пр — число ребер на одной трубке.

Теплоотдача при продольном обтекании

Коэффициенты теплоотдачи аг и а в являются величинами, за­ висящими от режима движения, конфигурации поверхности, физи­ ческих свойств рабочих тел и условий потока. Их определение ос­ новывается на опытных данных, обработанных в критериальной форме на основе теории подобия. Закономерности, устанавливае­ мые теорией подобия, дают возможность распространить результа­ ты отдельных исследований на целый ряд подобных между собой явлений. Зная критерий теплового подобия Нуссельта, легко опре­

делить коэффициент теплоотдачи a = Nu— .В регенераторах дви- d

жение рабочих тел является всегда вынужденным и турбулентным. Ламинарный режим движения может наблюдаться лишь при очень

61

ё