Расчет тепловой схемы газотурбинного двигателя, страница 2

В поиске оптимальной тепловой схемы мною были рассмотрены различные варианты простых, регенеративных и сложных тепловых циклов. При современном развитии газотурбинных двигателей рассмотрение простейшей одновальной схемы, при которой только одна турбина приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности, как перспективной не уместно, так как она накладывает ограничения на режимы работы двигателя. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха его приемистость, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (т.к. мощность ограничивается расходом воздуха), и для разгона нагрузки.

Поэтому расчет циклов в проекте приводится для многовальных ГТД, преимуществом которых является то, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке.

Двухвальный газотурбинный двигатель является наиболее простой из рассмотренных мною схем. В процессе расчета я задавался такими основными параметрами процесса, как мощностью – 100 МВт, давлением на входе – 101,3 кПа, температурой на входе – 288 К, верхней температурой цикла – 1450 К и рядом вспомогательных параметров. Двухвальная установка, по предварительному расчету, то есть без уточнения параметров цикла, как видно из графика, может иметь эффективный кпд порядка 37 %. Однако расход рабочего тела достаточно высокий - 310 кг/с, что обуславливает большие габариты установки.

Далее необходимо рассмотреть распространенную схему двухвального двигателя с регенерацией теплоты уходящих газов. В связи с введением регенерации, эффективность цикла повышается – эффективный КПД по предварительному расчету достигает отметки 41 %, при этом расход остается таким же большим – 310 кг/с.

  Также произведен расчет трехвальной схемы ГТД, преимуществом которой является эффект саморегулирования на переменных режимах за счет скольжения роторов. Эффективный кпд в предварительном расчете получился равным 40 %, при этом возрос расход воздуха до 320 кг/с – что еще увеличивает габариты установки.

  Стремясь уменьшить расход, а также увеличить полезную работу двигателя, я рассмотрел сложные тепловые схемы. Газотурбинный двигатель с циклом промежуточного охлаждения воздуха в процессе сжатия позволил снизить расход воздуха до значения 250 кг/с в предварительном и 235 кг/с в уточненном расчете. А вместе с регенерацией теплоты уходящих газов, которая покрывает потери тепла в цикле и эффективно использует температуру выхлопных газов удалось достичь эффективного кпд 46% в предварительном и 44 % в уточненном расчете.

  Также был рассмотрен сложный тепловой цикл с добавлением к промежуточному охлаждению и регенерации промежуточного подогрева рабочего тела в процессе расширения. Но несмотря на увеличение кпд до 47 % в предварительном расчете и уменьшение расхода рабочего тела до 180 кг/с, большие температуры уходящих газов - порядка 950 К означали бы значительное удорожание установки за счет необходимости применения в конструкции последних ступеней турбин и регенераторе дорогостоящих жаростойких сталей. Если снизить верхнюю температуру цикла с 1450 К до 1250 К таким образом, чтобы температура на выходе оказалась в допустимом диапазоне – ниже 600 ^оС (или 873 К), то кпд установки значительно падает – до 42 % и расход увеличивается до 240 кг/с в предварительном расчете. Следовательно, это не эффективно и для дальнейшего своего расчета я выбираю наиболее перспективный из рассмотренных – газотурбинный двигатель с промохлаждением и регенерацией.

  Исходя из детального газодинамического расчета получены все необходимые параметры цикла, рассчитаны геометрические размеры проточной части, обеспечивающей правильную работу ГТД. В итоге выполнен чертеж продольного разреза ЭГТД, описание конструкции приведено в пояснительной записке

Двигатель выполнен в стационарном исполнении, с традиционными для этого подшипниками скольжения. Компрессор двигателя двухкаскадный, следовательно, улучшаются показатели надежности его работы по сравнению с однокаскадной схемой, за счет удаления рабочей точки от линии устойчивой работы и создания более высокого запаса устойчивости (здесь оказывает влияние так называемое «скольжение» роторов). Также для антипомпажного регулирования на пусковых режимах используется ряд входных поворотных направляющих лопаток. Для обеспечения регенеративного цикла устанавливается регенеративный трубчатый воздухоподогреватель. А для цикла промежуточного охлаждения применен воздушно-жидкостный теплообменник. Для удобства ревизии и ремонта камера сгорания двигателя – выносного типа. Сопловые и рабочие лопатки турбин высокого и низкого давления выполняются охлаждаемыми из жаропрочных материалов – для повышения прочности и термической долговечности. Ротор низкого давления выполнен по трехопорной схеме для обеспечения жесткости. Корпус турбин и выходного диффузора покрыт теплоизоляционным слоем для защиты от теплового воздействия обслуживающего персонала.

Также в спецтеме проекта рассчитана упругая муфта с пакетами плоских пружин, соединяющая вал силовой турбины с валом электрогенератора. Упругая муфта обладает демпфирующей способностью, что благоприятно сказывается на совместной работе газотурбинного двигателя и турбогенератора, колебания и динамическая нагрузка на который снижаются. В графической части проекта выполнен чертеж данной муфты.

Произведен прочностной расчет узла двигателя – рабочей лопатки последней ступени силовой турбины. Этот расчет показывает надежность данного элемента. Приведен чертеж этой лопатки.

С учетом характеристик спроектированного двигателя подобрано все основное и вспомогательное оборудование для газотурбинной электростанции. Раскрыты вопросы технологии и эксплуатации данного оборудования. Графическая часть содержит компоновочный чертеж ЭГТД и технологическую схему подготовки топливного и пускового газа электростанции.

Экономический расчет показывает эффективность применения данного типа газотурбинного двигателя в составе электростанции. Срок окупаемости проекта составляет 7 лет с момента начала проектирования и строительства, и 5 лет – с начала эксплуатации.