Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах
Приведений взаємозв'язок швидкості витікаючого струменя гидропарової турбіни з термодинамічними і конструктивними параметрами сопла Лаваля. Показано, що поліпшення показників ГПТ досягається при використовуванні дифузора сопла Лаваля з центральним робочим тілом. Розроблена методика розрахунку о...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України
2007
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/31452 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах / И.Ф. Чемерис // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 214-219. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-31452 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-314522012-03-09T12:20:46Z Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах Чемерис, И.Ф. Приведений взаємозв'язок швидкості витікаючого струменя гидропарової турбіни з термодинамічними і конструктивними параметрами сопла Лаваля. Показано, що поліпшення показників ГПТ досягається при використовуванні дифузора сопла Лаваля з центральним робочим тілом. Розроблена методика розрахунку основних параметрів дифузора, довжини і кута розкриття, як при наявності центрального тіла так і при його відсутності. Intercommunication of speed outgoing stream of steam-fluid turbine is shown with the thermodynamics and structural parameters of nozzle Laval. It is shown that the improvement of the steamfluid turbine indexes is achieved using the Laval’s nozzle run-out with a central working body. The method of computation of the basic parameters of run-out, length and opening angle both central body and without is resulted. 2007 Article Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах / И.Ф. Чемерис // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 214-219. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/31452 622.012:620.9 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Приведений взаємозв'язок швидкості витікаючого струменя гидропарової турбіни з термодинамічними і конструктивними параметрами сопла Лаваля. Показано, що поліпшення показників ГПТ досягається при використовуванні дифузора сопла Лаваля з центральним робочим тілом. Розроблена методика розрахунку основних параметрів дифузора, довжини і кута розкриття, як при наявності центрального тіла так і при його відсутності. |
| format |
Article |
| author |
Чемерис, И.Ф. |
| spellingShingle |
Чемерис, И.Ф. Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах Геотехническая механика |
| author_facet |
Чемерис, И.Ф. |
| author_sort |
Чемерис, И.Ф. |
| title |
Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах |
| title_short |
Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах |
| title_full |
Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах |
| title_fullStr |
Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах |
| title_full_unstemmed |
Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах |
| title_sort |
выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С.Полякова НАН України |
| publishDate |
2007 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/31452 |
| citation_txt |
Выработка дополнительной электроэнергии на базе гидропаровых турбин в шахтных энергокомплексах / И.Ф. Чемерис // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2007. — Вип. 73. — С. 214-219. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT čemerisif vyrabotkadopolnitelʹnojélektroénergiinabazegidroparovyhturbinvšahtnyhénergokompleksah |
| first_indexed |
2025-07-03T11:54:25Z |
| last_indexed |
2025-07-03T11:54:25Z |
| _version_ |
1836626650476838912 |
| fulltext |
214 Выпуск № 73
УДК 622.012:620.9
канд. техн. наук И. Ф. Чемерис
(ИГТМ НАН Украины)
ВЫРАБОТКА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БАЗЕ
ГИДРОПАРОВЫХ ТУРБИН В ШАХТНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСАХ
Приведений взаємозв'язок швидкості витікаючого струменя гидропарової турбіни з тер-
модинамічними і конструктивними параметрами сопла Лаваля. Показано, що поліпшення
показників ГПТ досягається при використовуванні дифузора сопла Лаваля з центральним
робочим тілом. Розроблена методика розрахунку основних параметрів дифузора, довжини і
кута розкриття, як при наявності центрального тіла так і при його відсутності.
ADDITIONAL ELECTRIC POWER GENERATION ON BASIS OF
STEAM–FLUID TURBINES IN MINE ENERGY COMPLEXES
Intercommunication of speed outgoing stream of steam-fluid turbine is shown with the thermo-
dynamics and structural parameters of nozzle Laval. It is shown that the improvement of the steam-
fluid turbine indexes is achieved using the Laval’s nozzle run-out with a central working body. The
method of computation of the basic parameters of run-out, length and opening angle both central
body and without is resulted.
Выработка дополнительной электроэнергии при утилизации шахтного мета-
на в газопоршневых установках (ГПУ) перспективна при использовании эн-
тальпии горячей воды системы охлаждения ГПУ в реактивных гидропаровых
турбинах (ГПТ), работающих по принципу Сегнерова колеса. Такая турбина
является устройством, преобразующим в сопле Лаваля энтальпию потока горя-
чей воды системы охлаждения ГПУ в кинетическую энергию потока двухфаз-
ной пароводяной смеси, образующейся при истечении из сопла Лаваля. Реак-
тивная сила пароводяной струи используется для вращения ротора ГПТ и меха-
нически связанного с ним электрогенератора, вырабатывающего дополнитель-
ную электроэнергию. В [1] была дана предварительная оценка эффективности
использования ГПТ для утилизации тепловой энергии, однако при этом отсут-
ствовал учет целого ряда факторов, что обусловило необходимость разработки
методики расчета основных показателей работы ГПТ.
Тяговое усилие, действующее на ротор гидропаровой турбины, и опреде-
ляющее ее выходную мощность, пропорционально расходу и скорости парово-
дяной струи на срезе сопла. Теоретическая скорость истечения пароводяной
струи на срезе сопла может быть определена из выражения, приведенного в [2]
sc 2000 hv ⋅= , м/с (1)
где теплосодержание sh = 22121 )( TSSii ⋅′−′−′−′ , кДж; 1i ′ , 2i ′ , 1S′ , 2S′ - соответствен-
но энтальпии и энтропии воды в начале и на срезе сопла, Т2 - температура на
срезе сопла, соответствую давлению насыщения, К.
Относительное количество пара
"Геотехническая механика" 215
2
221
2
)(
r
TSS
x
⋅′−′
= , кг/кг .
Расход горячей воды на одно сопло при трехсопловой схеме
31
G
G = .
Расходная скорость пароводяной струи может быть определена по методике,
приведенной в [3], как
( )
( )[ ] 220c
21
1c
21
р2р1с.р 1
1
ρρ ⋅−⋅−
⋅
+
⋅
−⋅
=+=
xFF
xG
F
xG
vvv , (2)
где v1р и v2р - соответственно расходные скорости жидкой и газовой фаз, м/с;
F0 и Fc – соответственно площади поперечного сечения горловины и среза со-
пла, м2; ρ 1 и ρ 2 - соответственно плотности жидкой и газовой фаз, кг/м3.
Истинное объемное газосодержание
( )
c
02c 1
F
FxF ⋅−−
=β .
Истинные скорости жидкой v1 и газовой v2 фаз определятся как
β−
=
1
1
1
pv
v ;
β
pv
v
2
2 = .
Расчет параметров для гидропаровой турбины газопоршневой установки
фирмы «Jenbacher» GMS 620 дает значение х2 = 0,103; vc = 230 м/с. Из анализа
выражения (1) следует, что для повышения мощности гидропаровой турбины
необходимо увеличивать разность энтальпий рабочей среды или рационально
использовать кинетическую энергию выходящей из сопла пароводяной струи
для создания дополнительного крутящего момента турбины [4]. Для определе-
ния тенденций изменения параметров (длины и диаметра) диффузора сопла Ла-
валя гидропаровой турбины целесообразно получить зависимость, связываю-
щую параметры рабочей среды с параметрами сопла. Используя зависимость
для расхода сжимаемой рабочей среды [5] и уравнение неразрывности потока
получим
сс2
с
0
с
c )(2 γ
ρ
εα ⋅−⋅⋅⋅⋅⋅= PPg
F
F
v , м/с, (3)
216 Выпуск № 73
где α = µ2/ 221 m⋅− µ - коэффициент расхода. Для сопла µ = 1,0; ε - коэф-
фициент расширения (находится по графику или формуле [5]); Р2 и Рс – давле-
ния в начале и в конце диффузора; γс и ρс – удельный вес и плотность в конце
диффузора.
Анализ выражений (2) и (3) показывает, что для увеличения скорости исте-
чения пароводяной струи и, соответственно, мощности турбины необходимо
уменьшать соотношение между площадью на срезе сопла Fc и площадью гор-
ловины F0. Для приближения полученного значения vc к выражению для теоре-
тической скорости истечения по (1) необходимо выполнить диффузор сопла
Лаваля для адиабатического парообразования узким и длинным, т.е. угол рас-
крытия диффузора должен быть не более 30 – 60, а длина достаточна для окон-
чания процесса адиабатического испарения. Следует отметить, что уменьшение
угла раскрытия диффузора и увеличение его длины приведут к повышению
гидравлического сопротивления и дополнительным потерям на трение, что
должно быть учтено при умножении разности энтальпий по выражению (1) или
разности давлений по выражению (3) на коэффициент полезного действия тур-
бины
При движении горячей воды по диффузору давление в канале падает, жид-
кость вскипает, образуя новую фазу – пар. Температура пара ниже температуры
жидкости (жидкость перегрета). Эта температурная неравновесность обуслов-
лена тем, что передача тепла от воды к пару является функцией времени и тре-
бует определенной длины диффузора для того, чтобы метастабильность исчезла
и система стала равновесной. При невысоких температурах и давлениях, в на-
шем случае, длина диффузора сопла Лаваля, размещенного на вращающемся
роторе ГПТ, может быть существенным недостатком, требующим специальных
конструктивных решений. При начальной скорости пароводяной струи 30 м/с –
50 м/с и длительности процесса парообразования 0,015 с длина диффузора со-
пла может составит 0,45 м– 0,75 м. Как показано в [6], при прочих равных усло-
виях объем парообразования пропорционален боковой поверхности диффузора,
следовательно ее увеличение позволит уменьшить длину диффузора и ускорить
процесс парообразования.
Анализ литературных данных показывает [7], что ввод центрального тела
позволяет уменьшить линейные размеры диффузора, увеличить его централь-
ный угол и площадь парообразования диффузора. При этом, при равной удель-
ной частоте появления зародышей парообразования на единицу площади боко-
вой поверхности, ожидается увеличение выхода паровой фазы гидропаровой
смеси, повышение ее скорости, а следовательно, и крутящего момента турбины.
Для сравнения полученных результатов для диффузоров различных типов при-
няты равными диаметры d1 входных сечений диффузоров и равные площади Fc
выходного сечения диффузоров. Проведем сравнение габаритных показателей
диффузоров с центральным рабочим телом и без него при равенстве d1 и Fc,
"Геотехническая механика" 217
обеспечивающих одинаковые расходные характеристики в соответствии с урав-
нением неразрывности потока.
Диаметр входного сечения диффузора
в
1
1 100
27,1
ρ⋅
⋅
=
G
d ,
где ρв – плотность жидкости, кг/м3.
Площадь выходного сечения диффузора
сс
1
c ρ⋅
=
v
G
F ,
где vс – скорость движения парожидкостной смеси на выходе диффузора; ρс –
плотность парожидкостной смеси на выходе диффузора, кг/м3.
Для определения длины диффузора и общей боковой площади (без цен-
трального тела и с ним) используем расчетную схему, приведенную на рисунке.
Рисунок – Расчетная схема диффузора с центральным телом
Боковая поверхность диффузора без центрального рабочего тела рассчиты-
вается по известной формуле боковой поверхности усеченного конуса
Используя тригонометрические зависимости, определяем длину диффузора
без центрального рабочего тела
( )121
2
2
1
dd
tg
Lдиф −⋅= α . (4)
( )21
1
1
2
2
dd
cos
L
S диф
б +⋅⋅= α
π
.
218 Выпуск № 73
Длина диффузора с центральным телом
⋅⋅
⋅−⋅+⋅
=
2
8
4427,1
1
2
1
2
1
2
c
2 α
tgdn
dndnF
Lдиф , (5)
где n – коэффициент, характеризующий кратность зазора между диаметром
диффузора d2 и диаметром центрального тела dцт в зависимости от диаметра d1
при заданном расходе. В приведенных далее расчетах для получения сравни-
тельных результатов для заданного расхода коэффициент n определялся сле-
дующим образом. Для диффузора без центрального тела при предельном рас-
четном угле (α = 300) определялась длина диффузора Lдиф1 по формуле (4), ко-
торая приравнивалась к величине Lдиф2 по формуле (5), и при этом условии оп-
ределялось значение коэффициента n, который для последующих вариантов
диффузора с центральным телом при заданном расходе оставался неизменным.
При другом расходе рабочей среды определение коэффициента n велось по
формуле
c
2
1
1
1
1
27,1
2
2
2
2
2
2
F
d
Ltgd
d
Ltgd
n
дифдиф
⋅−
⋅
⋅
⋅+
±
⋅
⋅
⋅+
=
αα
Диаметр центрального тела определится как
( )112 2
2
2 ddntgLd дифцт −⋅−
⋅= α
.
Диаметр диффузора с центральным телом
122 2
2 dtgLd диф +
⋅= α
.
Боковая поверхность диффузора с центральным телом
( )
( )12
2
2
112
2
2
cos
2
2
sin
2
2
2
4
dd
L
ddntgL
SSS
диф
диф
бдифбцтб +
⋅+
−⋅−
⋅
⋅=+=
α
π
α
α
π
"Геотехническая механика" 219
В таблице приведены параметры диффузоров конического сопла Лаваля с
центральным телом и без него при различных расходах горячей воды и углах
диффузора. Для данных таблицы n изменяется в пределах 4,8 – 1,7.
Таблица – Параметры диффузоров с центральным телом и без него
Параметры конического сопла, м
Параметры конического сопла
с центральным телом, м
Угол диффузора α
100 200 300 400 500 600
Lдиф1 Sб1 Lдиф1 Sб1 Lдиф1 Sб1 Lдиф2 Sб2 Lдиф2 Sб2 Lдиф2 Sб2
G1 = 3,61 кг/с
0,732 0,164 0,363 0,082 0,239 0,055 0,239 0,096 0,177 0,076 0,143 0,064
G1 = 4,6 кг/с
0,527 0,09 0,261 0,045 0,172 0,03 0,172 0,059 0,137 0,05 0,11 0,042
G1 = 5,6 кг/с
0,443 0,067 0,22 0,034 0,146 0,023 0,146 0,043 0,115 0,036 0,093 0,03
G1 = 6,77 кг/с
0,398 0,055 0,197 0,028 0,13 0,019 0,13 0,037 0,111 0,036 0,092 0,032
Анализ данных таблицы показывает, что для диффузора с центральным те-
лом при различных расходах жидкости длина диффузора меньше, а площадь
боковой поверхности больше, чем у диффузора без центрального тела. Послед-
нее свидетельствует о возможности существенного (почти в 2 раза) увеличения
боковой парообразующей поверхности диффузора и сокращения его длины для
гидропаровой турбины, снабженной соплом Лаваля с центральным рабочим те-
лом и используемой для выработки дополнительной электроэнергии путем ути-
лизации избыточного тепла газопоршневых установок переработки шахтного
метана в тепловую и электрическую энергии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Булат А.Ф., Чемерис И.Ф. Научно-технические основы создания шахтных когенерационных энергетиче-
ских комплексов.- Киев: Наукова думка, 2006.- 176 с.
2. Положий С.В. К вопросу расчета параметров потока при адиабатическом парообразовании. Изв.ТПИ,
т.125,1964. – С.33-44.
3. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.-М.: Энерго-
атомиздат, 1990. – 367 с.
4. Пат. 2217596 RU, F 01 D 1/32. Турбина / Воробьев Р.Н., Зелинский А.М. (RU).- 2002110753/06, Заявл.
24.04.2002. Опубл. 27.11.2003.
5. Макаров А.Н., Шерман М.Я. Расчет измерительный и регулирующих дроссельных устройств. М: Метал-
лургиздат, 1953.- 159 с.
6. Авдеев А.А., Майданик В.Н. , Шанин В.К. Методика расчета вскипающих адиабатных потоков // Тепло-
энергетика.- 1977.- № 8.- С. 67 – 69.
7. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования.- М.: Машиностроение,
1968.- 385 с.
|