Спосіб збільшення коефіціента корисної дії газотурбінної установки

Спосіб збільшення коефіцієнта корисної дії газотурбінної установки шляхом збільшення тиску в камері згоряння, який відрізняється тим, що паливо частково спалюють у камері згоряння, а потім допалюють у соплових апаратах і на лопатках багатоступінчастої турбіни, газові тракти яких профілюють так, що в кожному поперечному перерізі забезпечується співвідношення швидкості плину газу, тиску, температури, щільності газу, частки тепла, що виділилося від згорілого палива, за рівнянням ù n 2 é H· x u2 - u2 = + R ср ( Тk - T)ú , ê k 1+ x ê 1+ km nср - 1 ú ë û де u , uk - швидкості течії газу в будь-якому поперечному перерізі газових трактів напрямних 3 21179 4 тим, що паливо частково спалюють у камері згоін. ряння, а потім допалюють у соплових апаратах і ( k -1) / k ö на лопатках багатоступінчастої турбіни, газові траk æ é pa ù ç1÷ (2a) u = 2RTk ê ú кти яких профілюють так, що в кожному попереч÷ k - 1 ç ë pk û ç ÷ è ø ному перерізі забезпечується співвідношення швидкості течії газу, тиску, температури, щільності або по аналогічній формулі газу, частки тепла, що виділилося від згоряння k æ T ö палива, за рівнянням (2б) ç1 - a ÷ , u = 2RTk k -1ç Tk ÷ è ø é H·x ù nср 2 (1) u2 - u2 = +R (Т k - T )ú , ê k де - k постійний показник ступеня в рівнянні 1+ x ê1 + k m nср - 1 ú ë û ізоезнтропічності де u, uk - швидкості течії газу в будь-якому по(3) pa / pk = ( ra / rk )k , перечному перерізі газових трактів напрямних де - R газова постійна, pk, pа - тиски в камері апаратів, лопаткових ступенів турбіни і в камері згоряння (КЗ) і на зрізі сопла, Tk, Ta - температури x - коефіцієнт втрат кінетичної енергії згоряння, в КЗ і на зрізі, r k, r а - щільності в КЗ і на зрізі сопотоку газу, H-теплотворна спроможність пального пла. (наприклад, гасу), х - частка тепла, що виділилося Результати розрахунків по формулах (2а), (2б) від згоряння палива, що згоріло в соплових апаране відрізняються. Всі ці формули отримані з загатах і на лопатках турбіни, km - співвідношення вильного рішення системи рівнянь зберігання маси, трат окиснювача і пального, R - газова постійна, імпульсу, енергії за умови ізоентропічності (3). Це nср=0,5(n0 + nk) - показник ізоентропи (тобто віднозагальне рішення має вид (2) і є окремим випадшення питомих теплоємностей газу при постійних ком рівняння (1), коли частка згорілого палива "х" тиску і об'ємі n=сp/cv), середній між початковим n0 і наближається до нуля. кінцевим nk показниками ізоентропи даного газовоГазові тракти зараз профілюють так, що в кожго процесу, T k, T - температури в камері згоряння й ному поперечному перетині сопла забезпечують у будь-якому поперечному перерізі газового тракспіввідношення розмірів тиску, температури, щільту. ності, швидкості плину саме по формулі (2) ізоентПорівнянний аналіз прототипу і способу, ропічної газодинаміки. Тепломассообмін із навкощо заявляється, показує, що запропонований сполишньої середою ізоентропічна газодинаміка не сіб відрізняється тим, що паливо частково спалюдозволяє, тому формула (2) не може бути застоється в камері згоряння, а потім допалюється в сована для розрахунку плину з допалюванням. соплових апаратах і на лопатках турбіни, де підвод Звичайно, ізоентропічні газові процеси в тепла до газового потоку, що розширюється, виінженерній практиці неможливі. Процеси в камері кликає неізоентропичні умови розгону потоку по згоряння і навіть у соплі супроводжуються обміном рівнянню (1), більш вигідні, чим ізоентропічні по теплом із зовнішнім середовищем, а математична відомому рівнянню (2) класичної ізоентропічної модель ізоентропічної газодинаміки це забороняє. газової динаміки Насущні проблеми розвитку техніки змусили nср ігнорувати теоретичні обмеження і були створені 2 2 (2) u - uk = 2R [Т - T] існуючі методики розрахунку, де в рівняння зберіnср - 1 k гання енергії "незаконно" приписуються енергія і поступовий спад температури потоку, незвагідравлічних втрат і навіть тепло. жаючи на підвід тепла, що забезпечує збільшення Звичайно, у ізоентропічній газодинаміці швидкості обтікання лопаток турбіни газом і швидкість плину можна розрахувати тільки збільшення к.к.д. ГТУ. За рахунок часткового згоідеальну. Про рівень неточності розрахунків дає ряння палива в соплових апаратах і на лопатках уявлення такий приклад-прийнято, що втрати в турбіни досягається більш висока швидкість плину соплах складають 3-5% теоретичної ізоентропічної продуктів згоряння на лопатках турбіни, чим при швидкості. Проте у формулах для розрахунку ізоентропічному засобі розширення газу і, швидкості плину (2) показник ізоентропи "k" не відповідно, підвищений к.к.д. ГТУ. чітко визначений і приймається звичайно середнім Ця ознака єдостатньою у усі х випадках, на які із розмірів показників на початку процесу і напоширюється обсяг правового захисту, що проприкінці. У той же час навіть невеличкі відхилення ситься. його розміру, наприклад 2,2-3,5% від k = 1,4дають Теоретичне обгрунтування можливості здійсті ж 3-5%, що рахуються втратами. нення запропонованого винаходу виконано на осУ теорії експериментальних газових процесів нові нової теорії неізоентропічної газової динаміки, [3] розрахунки виконуються з більшою точністю - з опублікованої в 2003 році в монографії [3]. Нова урахуванням перемінності теплоємностей газу, а теорія є більш загальної в порівнянні з класичною також з урахуванням засобу підводу тепла і це ізоентропічною газовою динамікою [4] і ін. і вклюзабезпечує одержання результатів, більш близьчає останню в якості окремого випадку. Вона не ких до реальних. тільки забезпечує поліпшення точності розраІзоентропічні формули (2), (2а) можна одержахунків, але і дозволяє одержати якісно нові можти, інтегруючи рівняння 2-го закону термодинаміки ливості пояснення раніше недоступних для робез урахування втрат, тобто записаного у вигляді зуміння газодинамічних явищ. Швидкості плину газів розраховують по формулах класичної ізоентропічної газодинаміки [4] і æ u2 c p ·dT + dç ç 2 è ö ÷ = 0, ÷ ø (4) 5 21179 6 де сp - теплоємність газу при постійному тиску. ням повного рівняння 2-го закону термодинаміки Проте ізоентропійні плини можуть існувати æ u2 ö тільки теоретично і самими вигідними в загально÷ = TdS + dQ , (5) c p ·dT + dç ç 2 ÷ му випадку не є. Теорія експериментальних газоè ø вих процесів [3] показує, що можна одержати де S -ентропія, Q-кількість зовнішнього тепла, швидкості плину значно більші, якщо раціонально тобто підведеного в систему ззовні. організувати неізоентропічний робочий процес Інтегруючи це рівняння і використовуючи ідеї розширення газу з горінням у потоку. [3], можна одержати такі формули, що дозволяють Якщо ізоентропічні формули (2б), (2а) отримааналізувати енергетичні характеристики газових ні з окремого випадку рівняння 2-го закону термоплинів при горінні, динаміки, що у реальній природі неможливі, то неізоентропічні формули в [3] отримані інтегруван u 2 - u2 = 0 Tk ö ù n ср 2 æ 2 é Hx ç ÷ Q - ò c pdT » ê -R (Т k - T0 )ú ç ÷ 1+ x ç ÷ 1+ x ê1 + k m nср - 1 ú T0 ë û è ø é H·x ù n u2 - u2 = ê - R ср (Тk - T0 )(1+ hp )ú , (6) 0 nср - 1 ê 1+ km ú ë û x - коефіцієнт утрат кінетичної енергії, h де p коефіцієнт незоентропІчності (відповідно до [3] x = - hp /(1 + h p ) ), Н - теплотворна спроможність палива, km - співвідношення компонентів палива (окиснювача і пального), nср - середнє значення показника ізоентропи, рівне відношенню питомих теплоємностей газу при постійному тиску і постійному обсязі n=cp/сv, T k, Т 0 - кінцева і початкова температури газового процесу. Теоретичні і розрахункові дослідження методом теорії експериментальних газових процесів показують, що при горінні, наприклад, палива гасповітря, можна створити умови, при яких, незважаючи на підвід тепла за рахунок горіння, енергія йде в основному на збільшення швидкості течії. При аналізі неізоентропічного плину з підводом тепла надо враховувати знаки зміни ентропії. Якщо плин, наприклад, у соплі ізоентропічний, то засіб профілювання сопла відомий, а швидкість у будь-якому перетині сопла обчислюється по ідеальній формулі (2). Основний метод теорії експериментальних процесів (ТЕГП) [3] - це теоретичне пояснення отриманих експериментальних даних. Відповідно до цього провадяться обчислення швидкості плину по обмірюваних параметрах тиску і температури на початку і наприкінці газового процесу. Проте ці параметри можуть бути і результатом уявного експерименту. Таким чином, задаючи початкові і кінцеві параметри плину, можна обчисляти швидкості плину і, оскільки ТЕГП - теорія більш загальна, чим існуюча ізоентропічна (і яка включає останню як окремий випадок), то вона, крім швидкості плину, дає повну картину взаємодії газової системи з зовнішнім середовищем через коефіцієнт утрат кінетичної енергії або через коефіцієнт неізоентропічності. ТЕГП пропонує формули для обчислення цих коефіцієнтів, що забезпечує можливість аналізу причин втрат і оптимізації їх, що дає значні переваги. (1) Якщо розмір прохідного перетину надається більше або менше оптимального, що забезпечує dS = 0, тобто ізоентропічность, то можливі такі варіанти. 1-ий вариант-площа проходного перерізу менше, ніж потрібно для забезпечення умови dS = 0. Якщо плин ізоентропічний дозвуковий, то відбувається просто зменшення витрати потоку, тому що збільшення швидкості газу в цьому перетині неможливе-нема енергетичних резервів, а зміна ентропії в мінус, тобто dS v 0 законами природи не допускається. Якщо плин ізоентропічний надзвуковий, то відбувається ударно-хвильове гальмування потоку. Проте у випадку, коли в потоку з'являється надлишкове тепло, наприклад за рахунок допалювання компонентів, то з'являються енергетичні резерви і швидкість потоку збільшується за рахунок додаткового розширення газу, але вже не по згаданим вище рівняннях (2а), (2б), а по новому неізоентропічному рівнянню (1) (або (6)) і робоче тіло - газ чинить прискорення потоку в межах наявних енергетичних резервів теплових або навіть за рахунок ентропійних резервів (але тільки в межах плюсових ентропійних резервів). 2-ой вариант-площа проходного перерізу більше, ніж потрібно для забезпечення максимально можливої ізоентропічної швидкості плину газу. Швидкість зменшується, температура збільшується, щільність зменшується. Додатково підведене тепло тепер йде на збільшення температури потоку, ентропія росте, що не обмежується законами природи. Якщо потік цілком гальмується, то температура його досягає максимально можливої температури гальмування, а ентропія - максимуму. Суть запропонованого засобу пояснюється схемою, де на фігурі 1 зображена схема газотурбінного устрою, що здійснює запропонований спосіб збільшення к.к.д. ГТУ. Схема ГТУ, що здійснює запропонований засіб збільшення к.к.д., показаний на Фіг.1. Він має камеру згоряння 1, довжина котрої менше, ніж у традиційної ГТУ, соплові апарати 2, турбіну з щаблями лопаток 3, компресор 4, наприклад, електрогенератор 5, який обертається турбіною 6. 7 21179 8 Довжина камери згоряння 1 зменшена для забезряння однаковий (1,5-2,0МПа), тому що в першому печення неповного згоряння компонентів палива випадку газ (робоче тіло ГТУ) баластіровано велитак, щоб вони догоряли в соплових апаратах і на кою кількістю повітря і цілком спалено, а в другому лопатках турбіни 3. Повітря під тиском подається в випадку (по запропонованому засобу) має майже камеру згоряння компресором 4, а пальне (настехіометричне масове співвідношення компоненприклад, гас) насосом 7. тів палива порядку 16 і спалено не цілком, щоб Запропонований засіб збільшення к.к.д. забезпечити згоряння компонентів палива в сопздійснюється, наприклад, у такий спосіб. Для зручлових апаратах і на лопатках турбіни. ності розгляду і порівняння з відомим засобом заЗбільшення к.к.д. ГТУ через більш високі темдамо тиск у камері згоряння, наприклад 1,5ператури потоку і більші питомі об'єми газу на ло2,0МПа. патках турбіни й у проміжних соплових апаратах При роботі ГТУ звичайним відомим засобом достатньо очевидно. Адже на втрати при стискукомпоненти палива, наприклад гас, і повітря пованні і проштовхуванні баластового повітря недаються в КЗ під тиском у співвідношенні порядку раціонально і незворотньо витрачається енергія 3,5-7, взаємодіють один з одним, горять, гатеплотворної спроможності гасу. зифікуються при тиску 1,5-2МПа. Звичайно камера Збільшення швидкості плину газу при роботі згоряння проектується так, щоб забезпечити повне ГТУ запропонованим способом можна довести, згоряння палива при температурі більш 2000К. виконавши порівняльні розрахунки по формулах Проте після згоряння палива продукти згоряння традиційної газодинаміки (2а), (2б) і по формулах розбавляють стиснутим повітрям до (1) або (6) більш загальної неізоентропічної газоспіввідношення витрат повітря і пального не мендинаміки. Більш високі швидкості плину газу на ше, чим 32 так, щоб температура гальмування лопатках турбіни забезпечують збільшення к.к.д. газу на лопатках турбіни не перевищувала 970ГТУ. 1000К. Інакше турбіна може загубити працезІзоентропічні формули (2а), (2б) є окремими датність. випадками більш загальних неізоентропічних фоУ сопловому апараті реактивної турбіни часрмул (1),(6), тому при наявності в потоку тепла, що тина загального перепаду тиску газу перетворитьдодатково виділяється, можливості реалізації біся у швидкісний напір, а частина, що залишилася, льшої швидкості плину явно більші. використовується на лопатках турбіни. При цьому Параметри газу в проточному тракті традиційенергія газу перетворюється в механічну енергію ного ГТУ, у будь-якому перетині його, розраховуобертання, наприклад электрогенератора або ються по відомим ізоентропічним формулам, оскомпресора або ін. Реактивні турбіни звичайно новою яких є рівняння ізоентропічності (3) і закони багатоступінчасті. зберігання маси, імпульсу, енергії. Для здійснення запропонованого засобу треба Методика розрахунку ГТУ, що працює по запроектувати КЗ так, щоб паливо в ній тільки гапропонованому способу, декілька більш складна, зифікувалося і досягало температури порядку тому що вра ховує неізоентропічність процесу роз800К, а частина, що залишилася недопаленой, ширення потоку, що горить. Основою цієї методипотім горіла за межами КЗ, тому довжина КЗ менки є система рівнянь, що складається з тих же заше традиційної. Є й інші засоби недопалення паконів зберігання маси, імпульсу, енергії і рівняння лива, наприклад за рахунок східчастої або ін. попроцесу, запропонованого в [3], із змінним показдачи одного з компонентів у потік продуктів ником замість рівняння ізоентропічності (3) із згоряння. постійним показником. Опис методики Далі в потік продуктів згоряння, що продовжує дослідження неізоентропічних процесів і приклади горіти, добавляють трохи повітря для забезпеченїї використання приведені в [3]. ня оптимального (майже стехіометричного співвідАналіз термодинамічних циклів ГТУ показує ношення витрат повітря і гасу порядку 16) і газ перевагу запропонованого засобу. На Фіг.2 поканадходить у сопловий апарат, розширюється в заний у координатах: тиск (р) - питомий об'єм (v) ньому, досягає великої швидкості плину (більшої, термодинамічний цикл традиційного ГТУ - і ГТУ, ніж ізоентропічна швидкість плину) і температури що працює по запропонованому засобу. Лінія 1-2 гальмування потоку біля 1000К, що забезпечує ілюструє процес стиску повітря при подачі його в довгострокову безпеку роботи турбіни. камеру згоряння (наприклад, компресором) і є заДалі газ надходить на лопатки турбіни, прогальною для двох аналізованих замкнутих циклів, довжуючи горіти, розширюється, давить на лопатлінія 2-3 - згоряння і газифікацію палива при ки, примушуючи турбіну обертатися. Питомі енерпостійному тиску, пунктирна - 3-4-5'-6'-7'-8' гетичні параметри газу в міжлопаточному просторі ізоентропічне розширення продуктів згоряння в збільшуються за рахунок тепла, що виділяється традиційному ГТУ від тиску в камері згоряння до при горінні, а питома робота турбіни надаються атмосферного тиску. Якщо розглядати процес більше, ніж при традиційному ізоентропічному габільш докладно, то виявляється, що при відводі зовому процесі. енергії від потоку газу на лопатках турбіни лінія Далі газ надходить у сопловий апарат другого відхиляється вліво і приходить у точку 5. Анащабля і процес повторюється в порядку, описанологічно на ділянці 6-7 на лопатках другого щабля му ви ще. турбіни. Тому газовий процес декілька Питомі параметри стана газу в КЗ, у соплових відхиляється від ізоентропічного. апаратах і на лопатках турбіни, що працює відоАналогічні точки термодинамічного циклу, що мим і запропонованим засобами, відрізняються, працює по запропонованому способу, не повністю хоча тиск подачі компонентів палива в камеру згозбігаються з зазначеними вище, тому що, хоча 9 21179 10 тиски в цих точках і однакові, але питомі об'єми ряння компонентів, що дозволяє розширити прорізні. дукти згоряння до більш високої температури, чим Відношення питомих об'ємів у будь-якому пеу традиційному ракетному двигуні і, відповідно, рерізі проточного тракту й у КЗ для двигуна, що більшого питомого об'єму. Відповідно, площа працює по запропонованому способу, виявляється діаграми і, виходить, енергія для корисного викобільшим, ніж для традиційного, тобто запропонористання, виявляється більшою, чим площа ваний спосіб згоряння палива забезпечує більш діаграми традиційного ГТУ, тому ГТУ, що працює глибоке розширення продуктів згоряння. по запропонованому способу, має більший к.к.д., Суцільна лінія 2-3п - процес подачи повітря в чим традиційний. Збільшення к.к.д. ГТУ забезпеКЗ, газифікація і часткове згоряння гасу при тому ж чує зменшення витрати палива (наприклад, гасу) і постійному тиску, суцільна лінія 3п-4п-5п-6п-7п-8п одержання економічного ефекту. - розширення з допалюванням у соплових апараВикористані джерела тах дво хступінчатої турбіни і на лопатках ЇЇ в ГТУ, 1. Казанджан П.К. і ін. Теория авиационных що працює по запропонованому способі. Для двигателей. -М.: Ма шиностроение, 1983.-217с. порівняння пунктиром показана лінія 2. Теория воздушно-реактивных двигателей. ізоентропічного розширення 3n - 4'n - 5'n - 6'n - 7'n Под ред. С.М. Шляхтенко. - М. Машиностроение, - 8'n. 1975.-566с. Положення лінії 3п-8п вище лінії 3п-8'п при 3. Головач А.Г. Теория экспериментальных гапідводі тепла якісно обгрунтовано сучасною терзових процессов. Тернопіль: модинамікою [5] і ін. Кількісну оцінку дає теорія "Підручники&Посібники".2003,-144с. неізоентропічної газової динаміки [3]. 4. Абрамович Г.И. Прикладная газовая динаПроцес розширення з горінням відбувається мика. - М.: Гостехиздат, 1954. -824с. не ізоентропічно (тобто без енергообміну з зовні5. Кирилин Е.А. Техническая термодинамика. шнім середовищем), а неізоентропічно з підводом М.: Энергия, 1974. - 720с тепла від допалювання продуктів неповного зго 11 Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 21179 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601