Анализ влияния показателей газотурбинных установок на базе конвертированных авиационных двигателей на эффективность их работы в автономном режиме и в составе электростанций

з_э = с_рв [(и е з_к з_тг / р_к ^{(k-1) / k}) - 1] [(р_к ^{(k-1) / k} - 1)/ з_к] /

с_{р усл} [и - 1- (р_к ^{(k-1) / k} - 1)/ з_к], (1)

где для максимальной действительной работы цикла выражение оптима-льной степени повышения давления воздуха в компрессоре:

р_{к опL} = (ие з_тг з_к) ^{k / 2 (k -1)} (2)

ГТУ со свободной турбиной.

Достоинство этой схемы в том, что требуется меньшей мощности пусковых устройств, но ГТУ отличается худшей приемистостью. Свободную турбину разрабатывают обычно на обороты электрогенератора. Для нее в рамках диссертации получены и представлены выражения КПД ГТУ, максимальной степени понижения давления в свободной турбине и оптимальной степени повышения давления воздуха в компрессоре:

з_э = с_рв [и е₁ з_ст (р_ст ^{(k - 1) / k} - 1)/ (е₂ р_к ^{(k - 1) / k} )] /

с_{р усл} [и - 1- (р_к ^{(k -1) / k} - 1)/ з_к], (3)

максимальная степень понижения давления в свободной турбине

р_{ст max} = [(1 + ие з_тг з_к)² / 4 ие з_тг з_к] ^{k / (k -1)} (4)

и оптимальная степень повышения давления воздуха в компрессоре

р_{к опт} = [(1 + ие з_тг з_к)/2] ^{k / (k -1)}, (5)

где поправочные коэффициенты, учитывающие изменение свойств рабочего тела:

е = с_рг (1 - (1/ р_тг ^{(kг - 1) / kг} )) / с_рв (1 - (1/ р_тг ^{(k-1) / k} )); (6)

е₁ = с_рг (1 - (1/ р_ст ^{(kг - 1) / kг} )) / с_рв (1 - (1/ р_ст ^{(k-1) / k} ));

е₂ = р_тг ^{(kг - 1) / kг} / р_тг ^{(k - 1) / k} ;

cтепень понижения давления газа в турбине газогенератора р_тг ? р_к / р_ст; з_к - КПД компрессора; р_к - степень повышения давления воздуха в ком-прессоре; р_ст - степень понижения давления газа в СТ; степень повышения температуры и = Т_г / Т_н; k - показатель адиабаты для воздуха; k_г - пока-затель адиабаты для газа; с_рв и с_рг - средние удельные теплоемкости возду-ха и газа; Т_н - температура окружающей среды; Т_г - температура газа за камерой сгорания; с_русл - условная средняя теплоемкость рабочего тела в процессе подогрева его в камере сгорания; р_тг - степень понижения давле-ния газа в турбине газогенератора; з_тг - КПД турбины газогенератора; з_ст - КПД свободной турбины. Отметим, что при выводе приближенного выражения (3) допускаем равенство работ турбины и компрессора газогенератора, и отношение температур Т_г / Т_т ? р_тг ^{(kг - 1) / kг}, где Т_т - температура газа за турбиной газогенератора. Кроме того считаем, что возврат отобранного от компрессора воздуха в проточную часть отсутствует и механический КПД, учитывающий потери в рото-ре газогенератора, равен 1.

На рис.1, 2 представлены графики р_{к опт}, р_{ст max} и КПД ГТУ в зависимости от основных параметров процесса: степени повышения тем-пературы и и степени повышения давления воздуха в компрессоре р_{к опт} при КПД: компрессора з_к = 0, 8; турбины газогенератора з_тг = 0, 92; свободной турбины з_ст = 0, 92.

На графики нанесены значения (_*) р_к компрессора и КПД ГТУ взятые из книги «Теория воздушно-реактивных двигателей» под общей редакцией д.т.н. С.М.Шляхтенко и расчет (?) доц. Б.М. Осипова (КГТУ им. А.Н. Туполева) по лицензионной ПК ГРАД.

1.2. Двухвальная ГТУ с двухкаскадным компрессором без свободной турбины. По своим свойствам эта ГТУ занимает промежуточное положе-ние между ГТУ без СТ и ГТУ со СТ.

Выражение КПД ГТУ, с учетом баланса мощностей свободного вала (вал компрессора и турбины высокого давления), запишем

з_э = (L_тнд - L_кнд) / с_{р усл} [и - 1 - (р_к ^{(k-1) / k} - 1)/ з_к], (7)

где L_тнд - работа турбины низкого давления; L_кнд - работа компрессора низкого давления. Расчет L_тнд и L_кнд производился с КПД агрегатов: з_к = 0, 8; з_кнд = з_квд = 0, 84; з_тнд = з_твд = 0, 92.

L_кнд = р L_к, (8)

где р - коэффициент распределения работ в компрессоре, в расчетах принят равным 0, 4; L_к - работа компрессора ГТУ.

На рис. 3, 4 представлены расчетные графики КПД ГТУ в зависи-мости от р_к компрессора и степени повышения температуры и.

Для использования ГТУ в составе ГТЭС, на рис. 5 представлены графические зависимости температуры выхлопного газа Т_с из ГТУ от сте-пени повышения температуры и и р_к компрессора.

Как видим, на расчетном режиме работы КПД двухвальной ГТУ меньше, чем КПД одновальной ГТУ и связано это с КПД компрессоров и турбин. Поэтому для повышения КПД ГТУ целесообразно использовать ее в сложных схемах (циклах), где за счет охлаждения воздуха и подвода теплоты распределяют параметры газа и воздуха по турбинам и компрессорам, чтобы обеспечить максимальную эффективность ГТУ.

Вместе с тем отметим, что двухвальные ГТУ с р_к компрессора более 5 и степенью повышения температуры и более 5, 03 могут иметь КПД ГТУ более 35% и температуру газов на выходе Т_с из ГТУ более 850К, что делает их востребованными для ПГУ.