Размещено на http://www.allbest.ru/

КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

Преимущества использования регулируемого соплового аппарата в силовой турбине ГТУ

Емельянов Н.Э., студент

Карышев А.К., профессор, к. т. н.

Основное содержание исследования

В научно-технической литературе довольно часто упоминается о регулировании газотурбинных установок с помощью поворота лопаток соплового аппарата силовой турбины [1, 3, 4]. Однако имеющиеся теоретические сведения и экспериментальные данные не достаточны для более полного описания его преимуществ. Именно это обстоятельство, наряду с техническими сложностями, определяет скептическое отношение к использованию РСА у отечественных производителей. В зарубежной практике турбиностроения, напротив, установки с регулируемым сопловым аппаратом давно и успешно применяются. Примером может послужить машина PGT-10 компании General Electric.

Регулирование поворотом лопаток РСА помогает более эффективно эксплуатировать двигатель на частичных нагрузках [5], способствует увеличению маневренности и приспособляемости к переменным погодным условиям, приводит к снижению расхода топлива.

Поворот лопаток соплового аппарата турбины позволяет [4, 6]:

регулировать расход газа через турбину;

изменять формы треугольников скоростей (это снижает потери в лопаточных решетках на нерасчетных режимах);

перераспределять работу между ступенями турбины и ее каскадами.

Использование регулируемого соплового аппарата в силовой турбине, как второго регулирующего фактора (помимо топливного клапана), при разных программах регулирования позволяет эксплуатировать двигатель в широком диапазоне режимов без существенного снижения кпд и с минимальным расходом топлива. Это особенно актуально для ГПА, которые часто работают при переменной нагрузке.

В [7] описан принцип изменения расхода рабочего тела, как при использовании РСА в первой ступени силовой турбины, так и в промежуточной и последней ступенях.

Из приведенных расчетов видно, что для изменения расхода достаточно осуществить поворот лопатки СА первой ступени на определенный угол, тем самым изменив площадь проходного сечения СА. Если же РСА используется в промежуточной, либо последней ступени ССТ, то для такого же изменения расхода, потребуется поворачивать лопатки СА на больший угол, т.е. до тех пор, пока проходное сечение не изменится настолько, что перепад давления в первой ступени будет соответствовать требуемому изменению расхода. Как следствие - работа ступеней с большими углами атаки и меньшими внутренними КПД (Рисунок 1). Исходя из этого, и принимая во внимание то, что в настоящее время чаще применяются двух - и трехступенчатые силовые турбины, более эффективным будет применение РСА в первой ступени силовой турбины.

Рисунок 1 - Сравнение регулирования двухступенчатой турбины поворотом лопаток РСА: I - регулируется первый СА; II - регулируется второй СА

Преимуществами установки РСА в первой ступени являются:

изменение расхода рабочего тела не требует значительного изменения угла установки сопловых лопаток, что приводит к небольшому падению эффективности ступени и турбины;

поворот лопаток соплового аппарата первой ступени не вызывает изменение степеней понижения давления в последующих ступенях;

более активное влияние поворота сопловых лопаток первой ступени на характеристики турбины газогенератора и возможность изменения (поддержания) ее параметров.

При повороте сопловых лопаток турбинной ступени происходит изменение угла б₁, а значит - угла атаки при натекании потока на рабочие лопатки и внутреннего КПД ступени. В [7] проанализировано влияние прикрытия либо раскрытия лопаток соплового аппарата на преобразование формы треугольников скоростей (Рисунок 2), изменение степени реактивности и удельной работы. Кроме качественного анализа, в научно-технической литературе практически не представлены количественные соотношения, отражающие влияние изменения угла б₁ на характеристики ступени турбины.

Рисунок 2 - Изменение треугольников скоростей ступени турбины при повороте лопаток соплового аппарата: - для б₁<б_1РАСЧ

При уменьшении угла выхода из соплового аппарата снижение степени реактивности происходит на всех диаметрах турбины, что приводит к уменьшению внутреннего КПД ступени. Особенно сильно КПД начинает снижаться, после того как степень реактивности в корне уменьшается до нуля или становится отрицательной. Следовательно, диапазон регулирования в сторону прикрытия РСА ограничивается значением угла б₁, при котором с близка к нулю.

Анализ приведенных в литературе данных показал, что в настоящее время нет обоснованных представлений о диапазоне регулирования (изменениях б₁).

Регулирование турбины с помощью РСА приводит к перераспределению работы между ступенями [6] (или перераспределению степеней понижения давления р_Т*). Это явление рассматривается в связи с изменением характеристик ступени (Рисунок 3).

Рисунок 3 - Распределение степени понижения давления по ступеням

Раскрытие СА увеличивает расход и, следовательно, мощность турбины, прикрытие СА оказывает обратное влияние. Из рисунка следует, что при раскрытии СА ступени турбины и G_пр = const (если расход газа через турбину ограничивается каким-либо проходным сечением) происходит резкое уменьшение ее мощности.

сопловый аппарат силовая турбина топливный клапан

Рисунок 4 - Характеристика турбины с регулируемым сопловым аппаратом первой ступени

Таким образом, применение регулируемого соплового аппарата в силовой турбине ГТУ обладает неоспоримыми преимуществами - стабильная работа установки на переменных режимах, снижение расхода топлива на 4% в среднем за год [1], более высокие значение кпд на переменных режимах работы, по сравнению с регулированием только топливным клапаном. Однако, остается еще ряд проблем, которые требуют более детального решения:

1) Нужно разработать надежную конструкцию системы поворота СА, которая обеспечит работу установки на протяжении всего срока эксплуатации.

2) Разработать методику профилирования лопаток, слабо чувствительных к углам входа потока б₁.

3) Создать эффективную программу регулирования двигателя, которая позволит динамически изменять как положение РСА ССТ, так и ВНА компрессора.

Список использованных источников

1. Варивода О.А., Васин О.Е., Ревзин Б.С. Экономический эффект от оптимизации программы регулирования в приводных ГТУ. Газотурбинные технологии, 2001, № 4, С.32-33.

2. Комаров О.В. Исследования и одномерная оптимизация проточной части свободных силовых турбин с регулируемой первой ступенью приводных ГТУ и ГТД. Автореф. дис. … к. т. н. Екатеринбург, 2005, 24 с.

3. Михальцев В.Е., Панков О.М., Юношев В.Д. Регулирование и вспомогательные системы газотурбинных и комбинированных установок. Москва, Машиностроение, 1982.257 с.

4. Нечаев Ю.Н., Федоров P. M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Москва, Машиностроение, 1977.312 с.

5. Ревзин Б.С. Газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2002.269 с.

6. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. Москва, Машиностроение, 1986.432 с.

7. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. Москва, Машиностроение, 1970.610 с.

Размещено на Allbest.ru