Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения
Рассмотрены когенерационные газотурбинные установки сложного цикла с турбиной перерасширения и эффективным КПД в диапазоне 40…50 %, степенью использования располагаемой теплоты топлива 80…88 %, удельной мощностью в 1,5 большей, чем ГТД с регенерацией теплоты....
Збережено в:
| Дата: | 2006 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61412 |
| 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: | Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения / В.Т. Матвеенко, В.А. Очеретяный // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 3. — С. 50-53. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61412 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-614122025-02-09T15:38:02Z Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения Thermal characteristics of a cogenerative gas turbine unit of complex cycle with an overexpansion turbine Матвеенко, В.Т. Очеретяный, В.А. Теплоэнергетические установки Рассмотрены когенерационные газотурбинные установки сложного цикла с турбиной перерасширения и эффективным КПД в диапазоне 40…50 %, степенью использования располагаемой теплоты топлива 80…88 %, удельной мощностью в 1,5 большей, чем ГТД с регенерацией теплоты. Розглянуто когенераційні газотурбінні установки складного циклу з турбіною перерозсширення та ефективним ККД у діапазоні 40…50 %, ступенем використання теплоти палива в 80…88 %, питомою потужністю в 1,5 рази більшою, ніж ГТД із регенерацією теплоти. We consider gas turbine units of a complex cycle with an overexpansion turbine, an efficiency within the range 40–50%, a degree of the use of the fuel energy of 80–88%, and a specific power 1,5 times as great as that for a gas turbine with heat regeneration. 2006 Article Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения / В.Т. Матвеенко, В.А. Очеретяный // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 3. — С. 50-53. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61412 621.438 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Теплоэнергетические установки Теплоэнергетические установки |
| spellingShingle |
Теплоэнергетические установки Теплоэнергетические установки Матвеенко, В.Т. Очеретяный, В.А. Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения Промышленная теплотехника |
| description |
Рассмотрены когенерационные газотурбинные установки сложного цикла с турбиной перерасширения и эффективным КПД в диапазоне 40…50 %, степенью использования располагаемой теплоты топлива 80…88 %, удельной мощностью в 1,5 большей, чем ГТД с регенерацией теплоты. |
| format |
Article |
| author |
Матвеенко, В.Т. Очеретяный, В.А. |
| author_facet |
Матвеенко, В.Т. Очеретяный, В.А. |
| author_sort |
Матвеенко, В.Т. |
| title |
Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения |
| title_short |
Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения |
| title_full |
Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения |
| title_fullStr |
Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения |
| title_full_unstemmed |
Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения |
| title_sort |
теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Теплоэнергетические установки |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61412 |
| citation_txt |
Теплотехнические характеристики когенерационной газотурбинной установки сложного цикла с турбиной перерасширения / В.Т. Матвеенко, В.А. Очеретяный // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 3. — С. 50-53. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT matveenkovt teplotehničeskieharakteristikikogeneracionnojgazoturbinnojustanovkisložnogociklasturbinojpererasšireniâ AT očeretânyjva teplotehničeskieharakteristikikogeneracionnojgazoturbinnojustanovkisložnogociklasturbinojpererasšireniâ AT matveenkovt thermalcharacteristicsofacogenerativegasturbineunitofcomplexcyclewithanoverexpansionturbine AT očeretânyjva thermalcharacteristicsofacogenerativegasturbineunitofcomplexcyclewithanoverexpansionturbine |
| first_indexed |
2025-11-27T12:27:06Z |
| last_indexed |
2025-11-27T12:27:06Z |
| _version_ |
1849946468530520064 |
| fulltext |
Введение
Энергетический газотурбинный двигатель и
установка в целом должны обладать высокой
энергоэффективностью. Одновременно энерге;
тическая газотурбинная установка должна обла;
дать высокой удельной мощностью, особенно
если она работает по усложненному циклу. Требо;
вание обеспечения высокой удельной мощности
ГТУ возможно реализовать посредством проме;
жуточного подогрева газа перед силовой турби;
ной в сочетании с перерасширением газа за ней.
Повышение эффективного КПД ГТД возмож;
но за счет применения турбины перерасширения
и регенерации теплоты.
В работе [1] показано, что эффективный КПД
ГТД с ТП и Р при всех значениях начальной тем;
пературы газа и оптимальных степенях повыше;
ния давления в двигателях выше, чем в ГТД про;
стого цикла, на 25 % относительных.
50 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 3
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Розглянуто когенераційні газотурбінні
установки складного циклу з турбіною
перерозсширення та ефективним ККД у
діапазоні 40…50 %, ступенем викорис�
тання теплоти палива в 80…88 %, пито�
мою потужністю в 1,5 рази більшою, ніж
ГТД із регенерацією теплоти.
Рассмотрены когенерационные га�
зотурбинные установки сложного цикла
с турбиной перерасширения и эффек�
тивным КПД в диапазоне 40…50 %, сте�
пенью использования располагаемой
теплоты топлива 80…88 %, удельной
мощностью в 1,5 большей, чем ГТД с ре�
генерацией теплоты.
We consider gas turbine units of a com�
plex cycle with an overexpansion turbine,
an efficiency within the range 40–50%, a
degree of the use of the fuel energy of
80–88%, and a specific power 1,5 times as
great as that for a gas turbine with heat
regeneration.
УДК 621.438
МАТВЕЕНКО В.Т., ОЧЕРЕТЯНЫЙ В.А.
Севастопольский национальный технический университет
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
КОГЕНЕРАЦИОННОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
СЛОЖНОГО ЦИКЛА С ТУРБИНОЙ ПЕРЕРАСШИРЕНИЯ
– удельная теплоемкость;
G – массовый расход;
Н – удельная работа;
k – показатель адиабаты;
m = (k – 1)/k – показатель степени;
Q – удельная теплота;
S – энтропия;
Т – температура;
π – степень повышения давления в компрессоре
и расширения газа в турбине;
η – КПД турбомашин;
σ – степень регенерации теплоты;
ε – относительные потери давления в проточной
части двигателя;
ГТД – газотурбинные двигатель;
ГТУ – газотурбинная установка;
ДК – дожимающий компрессор;
КС – камера сгорания;
КСП – промежуточная камера сгорания;
ПП – промежуточный подогрев;
Р – регенерация;
СТП – силовая турбина перерасширения;
ТКУ – турбокомпрессорный утилизатор;
ТП – турбина перерасширения.
Индексы:
в – воздух;
во – охлаждающий воздух;
г – газ;
дк – дожимающий компрессор;
к – компрессор;
м – механический;
см – смесь;
т – турбина;
тк – турбина компрессора;
тт – теплотехнический.
pC
На рис. 1 изображена схема ГТД сложного
цикла с промежуточным подогревом газа и сило;
вой турбиной перерасширения. ПП газа произ;
водится в промежуточной камере сгорания. Теп;
лота от газа после СТП передается в регенераторе
сжатому в компрессоре воздуху перед камерой
сгорания. Далее, газ подается в охладитель газа,
который в когенерационной установке выполня;
ет роль теплогенератора.
Введение промподогрева газа в ГТД с ТП и Р
повышает удельную мощность двигателя. Иссле;
дования характеристик циклов ГТД сложных
циклов [2] показали, что относительное увеличе;
ние удельной мощности в цикле ГТД с ПП, СТП
и Р по отношению к ГТД простого цикла состав;
ляет 50 %.
Когенерационная ГТУ в целом должна обла;
дать высоким уровнем использования теплоты
топлива при работе установки. Такую задачу в ко;
генерационной ГТУ сложного цикла решает тур;
бокомпрессорный утилизатор, который образо;
ван турбиной перерасширения совместно с
дожимающим компрессором и охладителем газа
между ними.
Метод решения задачи
На диаграмме T;S (рис. 2) представлен цикл
когенерационной ГТУ сложного цикла с ПП,
СТП и регенерацией теплоты. Температура газа
перед СТП Т3,2 равна Т3, где Т3 – начальная тем;
пература газа в двигателе.
Параметры рабочего цикла в проточной части
ГТД сложного цикла приведены в работе [2], где
предложена математическая модель цикла высо;
котемпературного ГТД с ПП, СТП и Р.
Располагаемая удельная теплота в процессе (9;
6), которая может быть направлена на теплофи;
кацию от охладителя газа в ГТД с ПП, СТП и Р
равна:
, (1)
где
; и
.
Значения температур газа в формуле (1) при;
нимают следующими:
Отметим, что , где
εп – коэффициент, учитывающий потери давле;
ния в трактах проточной части двигателя.
Для оценки теплотехнических характеристик
ГТД с ПП, СТП и Р, имеющих в своем составе ус;
тройство для внешней утилизации теплоты, при;
меняется удельный показатель – теплотехничес;
кий (общий) КПД, который определяется по
формуле:
, (2)
где Нп = Нстп – Ндк – удельная полезная ра;
бота;
η = η + + −тт м п т 1 2 р( )/( )Н Q Q Q Q
π = π π = ε π π πстп т1 т2 п к дк тк/
( )⎡ ⎤⎡ ⎤= + π − η = − η − π⎣ ⎦ ⎣ ⎦
;n
2 1 k k 5 4 т2 т21 ( 1)/ ; 1 1 .
mТ Т T T
μ = = 0,12
р2 рг3 2 3/ ( / )с с Т Т
≈р6 р2с с= Θ = =5 1 2 2 1 т 6 1/ ; / ; /Т Т Т Т k Т Т
μ = = μ = Θ =0,12
5 р5 рг3 5 3 г рг3 рг3 5/ ( / ) ; / ;с с Т Т с с
{ }= μ μ Θ − μ − σ μ Θ − μΘ1 рг г 5 5 т 5 5 2( ) ( )T с k
= − − σ − =т р5 5 р6 6 р5 5 р2 2( ) ( )Q с T с T с T с T
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 3 51
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Рис. 1. Схема когенерационной ГТУ сложного
цикла с турбиной перерасширения:
К – компрессор; КС – камера сгорания;
ТК – турбина компрессора; КСП – камера
сгорания промежуточная; СТП – силовая
турбина перерасширения; ДК – дожимающий
компрессор; Р – регенератор; ОГ – охладитель
газа, ТТ – теплофикационный теплообменник;
ОТ – охладитель теплоносителя.
Qт – удельная полезная теплота (определяется
по формуле (1))
Нстп = В[(1 – /3)μгсмΘ3,2ηтк(1– ) +
+ Θсм2ηт2(1 – )] – удельная работа СТП,
здесь πтк = πт1, В = Т1 .
Ндк = В [μkт( – 1)/ ηдк] – удельная работа ДК
в процессе (6;7),
Q1 = В(1 – ){Θ – μ[1 + ( – 1)/ηк]} – удель;
ная теплота подогрева воздуха в КС без учета ре;
генерации теплоты в процессе (2;3),
Q2 = В (1 – )(Θ – Θсм1) – теплота подогрева
газа в КСП в процессе (4,1см;3,2),
Qp = В σ(1 – ){Θcм2[1 – ηт2(1 – )] – μ[1 +
+ ( – 1)/ηк]} – теплота подогрева воздуха пе;
ред КС за счет регенерации в процессе (2–8).
Величины относительных значений темпера;
тур следующие: Θ = Т3/Т1; Θсм1 = Т4,1см/Т1;
Θсм2 = Т4,2см/Т1; Θсм3,2 = Т3,2см/Т1.
Результаты исследований
Анализ теплотехнических характеристик ГТД
с ПП, СТП и Р производился при изменении ве;
личины степени повышения давления в ком;
прессоре πк, различных начальных температурах
газа Т3, степени регенерации теплоты σ, а также
изменении степени перерасширения газа в сило;
вой турбине и следующих исходных данных:
ηк = 0,87; ηтк = 0,86; = 0,07…0,17;
ηдк = 0,87; ηт = 0,92; ε = 0,8;
Т1 = 288 К; Т6 = 323; Т3 = 1223…1573 К.
Величина степени регенерации принималась
от 0,75 до 0,85, а πдк от 1,75 до 3,0.
На рис. 3 показаны зависимости теплотехни;
ческого (ηтт) и эффективного (ηе) КПД, а также
удельной теплофикационной мощности и удель;
ной мощности цикла ГТД с ПП, СТП и Р от из;
менения степени повышения давления πк в дви;
гателе при πдк = 2,25, σ = 0,8 и начальной
температуре газа Т3 = 1473 К.
Из представленных зависимостей на рис. 3
видно, что в зоне оптимальных по ηе степенях
повышения давления в двигателе ηтт достигает
значений 0,83…0,85. С увеличением πк теплотех;
нический КПД несколько растет. При увеличе;
нии начальной температуры газа Т3 в двигателе в
зоне оптимальных ηе теплотехнический КПД
растет в пределах 0,83…0,88.
воG
πк
m
−πт2
n
воG
во2G
к
mπ
во
G
πдк
m
рг3
c
−πт2
n
−πтк
n
вo2G
52 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 3
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Рис. 2. Цикл ГТД с промежуточным подогревом газа,
турбиной перерасширения и регенерацией теплоты.
Рис. 3. Зависимости теплотехнического ηηтт и
эффективного ηηе КПД, а также удельных
мощностей nуд и nуд.т для ГТД с ПП, СТП и Р от
изменения ππк при Т3 = 1473 К, ππдк = 2,25 и σσ = 0,8.
Если в ГТД простого цикла максимальное зна;
чение удельной мощности достигается при мень;
ших значениях πк, чем πк оптимальное для ηе, то
в ГТД с ПП, СТП и Р nуд растет с увеличением πк.
С такой же интенсивностью увеличивается
удельная тепловая мощность nуд.т с ростом πк.
При изменении πк от 5 до 10 nуд.т возрастает в
1,25 раза при незначительном изменении эффек;
тивного КПД двигателя.
На рис. 4 изображены зависимости теплотех;
нического и эффективного КПД, а также удель;
ных мощностей в ГТД с ПП, СТП и Р от измене;
ния πдк при оптимальном значении πк.
Ранее [2] закономерности изменения ηе = f(T3,
πдк) показали, что оптимальные значения πдк
составляют 2,25…2,75. При уменьшении πдк
несколько падает величина ηе, однако наблю;
дается интенсивный рост ηтт. Поэтому, вы;
брав πдк в пределах 1,8…2,2 и потеряв пример;
но 0,2…0,4 % по экономичности на валу
двигателя, получим увеличение ηтт до 4 %.
Уменьшение πдк положительно влияет на ин;
тенсификацию теплообмена в регенераторе,
уменьшает габариты проточной части охлади;
теля газа.
В целом теплотехнический КПД с изменением
степени регенерации σ остается практически на
прежнем уровне, хотя эффективный КПД двига;
теля при этом растет и может при Т3 = 1473 К,
σ = 0,85 и πдк = 2,5 достигнуть 50 %.
Выводы
1. Усложнение цикла ГТД с регенерацией пу;
тем введения промподогрева и перерасширения
газа за силовой турбиной позволяет существенно
улучшить теплотехнические характеристики ГТУ.
2. Теплотехнический КПД ГТД с ПП, СТП и Р
в зависимости от температуры газа в двигателе
составляет 83…88 %, что соответствует современ;
ным требованиям технологий энергосбережения.
3. ГТД сложного цикла с турбиной перерасши;
рения является установкой когенерационного
типа с высоким уровнем использования теплоты
топлива, а также большей долей выработки эле;
ктрической энергии по сравнению с когенераци;
онной установкой, выполненной на базе ГТД
простого цикла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Матвеенко В.Т., Киркин И.А. Результаты
исследования характеристик циклов судовых
ГТД с турбиной перерасширения и регенерацией
теплоты // Вестник СевГТУ: Сб. научн. трудов. –
Севастополь, 1998. – Вып 15. – С. 103–105.
2. Матвеенко В.Т. Характеристики циклов
когенерационной газотурбинной установки с
промежуточным подогревом газа, турбокомпрес;
сорным утилизатором и регенерацией теплоты //
Пром.теплотехника. – 2003. – Т. 25, № 5. –
С. 41–44.
Получено 03.10.2005 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 3 53
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Рис. 4. Зависимости теплотехнического ηηтт и
эффективного ηηе КПД, а также удельных
мощностей nуд и nуд.т для ГТД с ПП, СТП и Р от
изменения ππдк при Т3 = 1473 К, ππк = 7 и σσ = 0,8.
|