автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Численное моделирование и обобщение характеристик судовых газотурбинных установок на переменном режиме

УДК 621.165: 621.438

ЗО

ВИН ТХАЙК

ег^'

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОБОБЩЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА ПЕРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О АПР 2011

Санкт - Петербург 2011

4844647

Работа выполнена на кафедре судовых турбин и турбинных установок ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет "

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тихомиров Борис Александрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рассохин Виктор Александрович,

кандидат технических наук, доцент Ерохин Сергей Константинович.

Ведущая организация: ФГУП "ЦНИИ им. акад. А.Н.

Крылова" г. Санкт - Петербург

Защита диссертации состоится «16» мая 2011 г. .в 14— часов на заседай диссертационного совета Д 212.228.03 при Санкт-петербургском государственно морском техническом университете по адресу: 190008, г. Санкт - Петербур Лоцманская ул., д.З, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургско государственного морского технического университета

Автореферат разослан « » апреля 2011 г.

Ученый секретарь уг

диссертационного совета

д.т. н., профессор Сеньков А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В судовых газотурбинных установках существенны такие преимущества как малая удельная масса, компактность, высокая маневренность, более низкие требования к обслуживанию, малое потребление машинного масла. Вместе с тем, по экономичности газотурбинные установки (ГТУ) уступают дизельным установкам. В судовых газотурбинных установках большое значение имеет обеспечение эффективности работы ГТУ на переменном режиме поскольку большую часть времени энергетические установки эксплуатируются на режимах частичных нагрузок. При использовании в составе агрегата газотурбинных двигателей (ГТД) простого цикла экономичность значительно снижается при снижении мощности. Повышение эффективности на режимах частичных нагрузок обеспечивается дроблением мощности, т.е. использованием маршевых и форсажных двигателей с раздельной или совместной их работой на режимах полного хода. Это требует сложной конструкции газотурбинного агрегата за счет использования ряда двигателей и сложного редуктора. Другим способом обеспечения экономичности газотурбинного агрегата на режимах частичных нагрузок является использование ГТД сложного цикла или комбинированной газопаротурбинной установки (КГПТУ) с паротурбинным теплоутилизирующим контуром (ТУК). Разработка рациональных решений при проектировании газотурбинных двигателей и комбинированных установок, обеспечивающих эффективную работу на переменных режимах, требует информационной базы статических характеристик двигателей и установок на основе численного моделирования их работы на переменном режиме. Таким образом, разработка компьютерной программы, определение и обобщение расчетных характеристик морских газотурбинных двигателей и комбинированных энергетических установок, разработанных на базе ГТД, на переменном режиме является актуальной задачей.

Цель работы. Целью настоящей работы является создание информационной базы данных для проектирования судовых газотурбинных установок, обеспечивающей эффективную работу на переменных режимах.

Основные задачи исследования.

- Формирование базы данных судовых газотурбинных двигателей 3-5 поколений.

-Разработка математической модели и компьютерной программы для определения характеристик газотурбинных установок простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Определение характеристик судовых газотурбинных двигателей различного типа на переменном режиме и обобщение в виде регрессионных зависимостей от мощности.

- Разработка программы изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины для повышения эффективности судовых ГТД сложного цикла на переменном режиме.

- Определение характеристик судовых комбинированных газопаротурбиных установок на переменном режиме и обобщение в виде регрессионных зависимостей от мощности ГТД для различных схем теплоутилизирующего контура.

Основные результаты.

- Математическая модель и компьютерная программа для определения характеристик судовых газотурбинных установок простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Обобщенные зависимости для статических характеристик судовых ГТД различного типа от мощности.

- Программа изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины для повышения эффективности судового ГТД сложного цикла на переменном режиме.

- Обобщенные зависимости для статических характеристик комбинированных установок на базе судовых ГТД различного типа с паротурбинным теплоутшшзирующим контуром для повышения эффективности установки на переменном режиме.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в решении сформулированной проблемы и получении следующих научных результатов.

- Впервые получены регрессионные зависимости для статических характеристик большой выборки судовых ГТД 3-5 поколений в широком диапазоне изменения мощности.

- Для судового ГТД сложного цикла разработана программа изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины, обеспечивающая максимальное повышение КПД на переменном режиме при сохранении устойчивой работы компрессора.

- Впервые получены регрессионные зависимости для статических характеристик судовой газопаротурбинной установки на базе большой выборки ГТД и двух схем паротурбинного теплоутилизирующего контура.

Практическая ценность.

- Разработанная компьютерная программа позволяет определять статические характеристики судовых газотурбинных установок простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Полученные регрессионные зависимости для статических характеристик судовых газотурбинных двигателей различного типа и комбинированных установок с различной схемой теплоутилизирующего контура позволяют прогнозировать характеристики и производить оценку эффективности установок в широком операционном диапазоне изменения мощности при проектировании и эксплуатации.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современной базы данных на основе интернет - сайтов основных производителей судовых ГТД, использованием современных методов и программ регрессионного анализа, использованием в математической модели фундаментальных законов и уравнений термодинамики и теплообмена, верификацией программы определения характеристик ГТУ простого, сложного и комбинированного цикла, удовлетворительным соответствием результатов тестовых расчетов с характеристиками ГТД и комбинированных установок.

На защиту выносятся.

- Математическая модель и компьютерная программа для определения статических характеристик судовых ГТД простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Результаты обобщения статических характеристик современных судовых ГТД простого цикла в широком операционном диапазоне изменения мощности.

- Результаты использования программы для определения изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины ГТД сложного цикла, обеспечивающие повышение эффективности на переменном режиме.

- Результаты обобщения статических характеристик ГТУ комбинированного цикла с различной схемой паротурбинного теплоутилизирующего контура для повышения эффективности установки на переменном режиме.

Реализация результатов работы. Разработанная программа используется в учебном процессе подготовки специалистов, бакалавров и магистров СПбГМТУ, может быть использована при проектировании и эксплуатации судовых ГТД и КГПТУ в России, при разработке технического задания на проектировании судов и заказе судовых газотурбинных двигателей и комбинированных установок, а также в учебном процессе университетов в республике " Союз Мьянма ".

Апробация работы. Основное содержание работы и результаты докладывались на кафедре судовых турбин и турбинных установок по ходу выполнения работы.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 научные статьи. Доля автора в публикациях 50 %. В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликовано 3 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четыре глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем - 154с., рис.52, табл.6, список литературы включает 62 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, новизна, научное и практическое значение результатов.

В первой главе дан обзор литературы и электронных источников информации о газотурбинных двигателях, применяемых в газотурбинных агрегатах и комбинированных установках кораблей, круизных лайнеров, быстроходных паромов, яхт, морских стационарных платформ и судов для добычи, хранения и транспортировки нефти. Информация о характеристиках морских ГТД, имеющаяся в отечественной литературе, недостаточно полна. Необходимо учитывать, что ГТД постоянно модернизируются, поэтому информация быстро устаревает. На сайтах основных производителей морских газотурбинных двигателей в интернете (GE -General Electric (США), RR - Rolls-Royce(AnniM), PW - Pratt&Whitney(ClHA), ZM -Zorya - Mashproect (Украина), VPS - Vericor Power System (США)) обычно представлены современные данные, однако, объем информации даже по основным параметрам ГТД сравнительно небольшой. По имеющейся информации и специально выполненным расчетам в работе сформирована достаточно полная база данных параметров современных морских ГТД, а также характеристик компрессоров, которые необходимы для определения характеристик двигателей на переменном режиме.

Методы расчета судовых ГТД на переменном режиме разработаны в трудах Г.И.Зотикова, Л.А.Маслова, Б.В. Реброва, И.В.Котляра, В.В.Рыбалко и других авторов. Известен ряд зарубежных монографий, приведенных в списке литературы диссертации, например, таких авторов, как Cohen Н., Rogers G.F.C., Saravanamuttoo H.I.H.(2001), Walsh P.P., Fletcher P.(2004), Razak A.M.Y.(2007), где достаточно подробно рассмотрены методы расчета ГТД, в частности, морских ГТД на переменном режиме. Однако в литературе до настоящего времени нет обобщений по характеристикам ГТД на переменном режиме.

Эффективность судовых ГТД на переменном режиме может быть улучшена рядом способов. Наиболее радикальным является использование регулируемого соплового аппарата (РСА) в силовой турбине ГТД сложного цикла с промежуточным охлаждением воздуха и регенератором. В настоящее время этот метод был выбран для ГТД WR-21, в котором достигнут КПД 42 % для 80% операционного диапазона. Этот метод требует разработки программы изменения угла поворота сопловых лопаток РСА при снижении мощности для поддержания высокой температуры газа перед турбиной и обеспечения при этом устойчивой работы компрессора, что явилось одной из задач настоящей работы.

Использование комбинированного цикла обеспечивает повышение эффективности судовой энергетической установки, имеющей в своем составе ГТД простого цикла и паротурбинный теплоутилизирующий контур (ТУК). Энергетическая установка при этом становится комбинированной газопаротурбинной установкой (КГПТУ). В работе дан анализ информации, полученной из опыта создания судовых КГПТУ. Имеющийся в литературе материал по характеристикам КГПТУ на переменном режиме весьма ограничен и требует дальнейшее развития в связи с перспективностью использования комбинированного цикла для повышения эффективности судовой энергетической установки на переменном режиме.

Выбор схемы ТУК для морских комбинированных установок, разработанных на базе газотурбинных двигателей двухвальной и трехвальной схемы со свободной силовой турбиной 3-5 поколений, определялся опытом создания морских комбинированных установок такими производителями как General Electric, Zoiya-Mashproect, Pratt&Whitney. Использовались схемы ТУК с одноуровневым по давлению котлом утилизатором (КУ) и сравнительно низким давлением пара до 5 МПа для того, чтобы получить однокорпусную паровую турбину. При низкой температуре газа на выходе из газовой турбины, характерной для морских ГТД 2 поколения, естественно было использовать низкие параметры пара за котлом - утилизатором (давление 1 - 2 МПа), при которых схема ТУК может быть открытой, с ПТ и теплым ящиком. При увеличении температуры газа за газовой турбиной до значений, характерных для морских ГТД 3-4 поколений, можно использовать две конфигурации ТУК с одноуровневым по давлению КУ. Можно сохранить открытую систему с низким давлением пара за КУ и теплым ящиком. В этом случае процесс расширения пара происходит в зоне перегретого пара (с высоким КПД ПТ), но со сниженной работой. Второй вариант ТУК предусматривает увеличение давления пара за КУ до 4 - 5 МПа, что приведет к увеличению КПД паротурбинного цикла. Но это усложнит схему ТУК, т.к она должна быть с деаэратором и отбором части пара от ПТ для деаэрации питательной воды. При этом мощность ПТ снижается за счет отбора пара, ПТ будет

очень сложный, процесс расширения будет частично в области влажного пара со сниженным значением КПД ПТ.

В проектах ZM для комбинированной установки использовались ГТД 2 поколения с низкой температурой газа на входе в КУ. Поэтому использовалась простейшая открытая схема ТУК с давлением пара порядка 1 МПа с ПТ и теплым ящиком. В дальнейшем эта схема использовалась гМ в комбинированных установках для энергетики на базе ГТД 3-4 поколения с более высокой температурой газа на входе в КУ. В СЕ и разрабатывались морские комбинированные установки на базе ГТД с более высокой температурой газа на входе в КУ и с более высоким давлением пара. Схема ТУК включала деаэратор и ПТ с отбором пара на деаэратор и, таким образом, была более сложной, чем схема ZM.

Во второй главе представлена математическая модель и программа, разработанные для расчета ГТД и КГПТУ на переменном режиме при использовании в составе пропульсивного комплекса и для привода генератора. В математической модели и алгоритме расчёта переменного режима ГТД и КГПТУ (Приложение 2) используются уравнения: сохранения расхода и энергии, сохранения момента количества движения, процесса в компрессоре и газовой турбине, баланса работы турбокомпрессора, теплового баланса в регенераторе и промежуточном охладителе воздуха, конденсаторе, деаэраторе, экономайзере и испарительно — перегревательной части КУ, учитывается зависимость удельной теплоемкости газа и воздуха от температуры. За основу взята модель профессора кафедры судовых турбин и турбинных установок СПбГМТУ Маслова Л.А для ГТД, которая дополнена сложным циклом, комбинированным циклом, регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины.

Программа состоит из 4 частей (рис.1).

В первой части программы выбирается схема ГТД и КГПТУ с одноуровневым котлом — утилизатором по давлению, тип топлива. Предусмотрены следующие схемы ГТД:

(а) одновальный ГТД блокированного типа;

(б) однокомпрессорный ГТД со свободной силовой турбиной;

(в) йвухкомпрессорный ГТД, блокированный по компрессору низкого давления;

(г) двухкомпрессорный ГТД со свободной силовой турбиной.

Для повышения термодинамической эффективности ГТД в программе предусмотрен регенератор, промежуточное охлаждение воздуха и котёл — утилизатор. В программе используется ряд вариантов ТУК.

Во второй части программы определяются параметры воздушного тракта ГТД, газового тракта ГТД, сопротивление газовоздушных трактов, воздухоохладителя; параметры паротурбинного ТУК, паровой турбины, турбогенератора, конденсатора и вспомогательных механизмов ГТД и ТУК. В модели ГТД и программе используются характеристики компрессоров, которые имеется в цифровом ввде в базе данных. Возможно использование характеристик дополнительных компрессоров или введение их в базу данных, а также применение обобщенных характеристик компрессора. База данных компрессоров (Приложение 1) создана по литературным источникам или по данным производителей соответствующих интернет - сайтов.

В третьей части программы определяются основные результаты расчёта ГТД и КГПТУ на номинальном режиме. Для расчета ГТД и КГПТУ на переменном режиме,

необходимо подтвердить прототип компрессора, который выбран на номинальном режиме. Чтобы увеличить эффективность ГТД на режимах частичных нагрузок предусмотрено использование регулирования соплового аппарата (РСА) силовой турбины, что особенно целесообразно для ГТД с регенератором. В программе при использовании РСА предусмотрен небольшой диапазон изменения угла установки

сопловых лопаток (¿Ю-кЬКУ).

В четвёртой части программы определяются основные результаты расчёта ГТД и КГПТУ на переменном режиме и выводятся в цифровом и графическом виде.

\fsia». ГГУ и »ПТУ на гмаремённсш режя*ле

Выбор схемы ГТУ

| Сиш. ГТД

: езоесвжамарфссорнвг« ГТЛ се сваФодиоЛ сизовей »ужинай

•; С-емз мл-тшци^соршао Г1Д$а«кнр«&шного не КНД |С^м^дау^вф^ор^» ЛСЗ« с«»®«!»«« турЗга?« ,

Общая »формация ГТД Ме&девегь ГТД £*8т) О

Тстгаотворнгя способность

I

■Жады»« гвяата^Д*. и) 1 газообразного юшкаа <иДж и)

'жгадзздая П<&:гутакидай греттй пар

Р«г«тратор О Ог ТГ £ ¡»аэратор

Не* упеяшцки Т\ От ТГ * вотекгягяр Озиеургатякв жгъя ■ угдазяатор ОгПТ* а««ф*»ф

1 С а**»ра«ер»м

ТУК

; * Промеж^'гочии» оааажаеяи« дезауяа __

;; ГГ «а <з£з«га>яый генератор

Ко»фф*з8*ет в шязи ГТД 5 ИТ на вин» иа» ер Сгашышш

; Выбор схемы яеея-гт«» йевмвад* вс&аяяые жжш* ж*, на иомаашшном режим«

; р-гсты на переменном с цифрой:« и

рас-чмг иг нъъкхиьхьжлл режзш* жшаш* аазшьи! аяа расчета. ** паремиачом режа»**

Рис.1. Окно компьютерной программы для расчёта ГТУ и КГПТУ на переменном

режиме.

При определении характеристик ГТД и КГПТУ на переменном режиме в качестве исходных данных из базы данных принимаются параметры ГТД, полученные при расчете номинального режима, в частности, эффективная мощность Ие,, теплотворная способность топлива, степень повышения давления, коэффициент регенерации, температура влажного воздуха на входе в компрессор Ть температура газа на входе в турбину высокого давления Т3, внутренние КПД турбин т)„ механические КПД роторов г)м, коэффициент неполноты сгорания т|гор и принимаются характеристики компрессора прототипа. Потери давления газа и воздуха в газовоздушном тракте учитываются заданием относительной потери безразмерной работы расширения газа. При использовании промежуточного охлаждения воздуха исходными данными являются кратность охлаждения воздуха в воздухоохладителе, температура охлаждающей воды Т„, потеря давления и повышение температуры воды в воздухоохладителе. Предусмотрено использование части расхода воздуха для

8

охлаждения элементов турбины. Для расчёта КПТГУ задаются параметры пара в зависимости от схемы ТУК. Для расчета переменного режима из базы данных заданы число ступеней турбин, приняты КПД направляющего венца и степень реактивности первой ступени р. Если не требуется большой точности определения характеристик ГТД, можно сразу задавать степень понижения давления газа в турбине высокого давления (ГОД) в зависимости от угла поворота лопаток при использовании РСА силовой турбины. Внутренний КПД турбин изменяется в зависимости от скоростной характеристики. Если известна степень понижения давления в ТВД, то безразмерная работа расширения газа, а также степень понижения давления газа в турбине низкого давления (ГОД) и силовой турбине, плотность тока в выходном сечении первого направляющего венца турбин определяются в зависимости от числа ступеней и отношения площадей сечений, полученных из расчёта номинального режима турбин. Определяется степень понижения давления при дросселировании газа и воздуха в газовоздушном тракте и общая степень повышения давления при известной относительной величине потери изоэнтропийной работы. По характеристике компрессоров определяются КПД, относительный расходный параметр Ф4 и относительная частота вращения ротора компрессора. Поскольку на сайте и в литературе невозможно было найти прототип компрессора для высоких значений степени повышения давления л-^15 для расчета ГТД двухвальной однокомпрессорной схемы со свободной силовой турбиной на переменном режиме применяется обобщенная характеристика компрессора. Если есть воздухоохладитель между компрессорами, относительный расход воздуха КНД на переменном режиме влияет на изменение температуры воздуха на входе в компрессор высокого давления. Учитывается изменение расхода охлаждающего воздуха в турбине, который влияет на параметры газа и работу ГТД. При использовании регенератора или котла -утилизатора на переменном режиме определяются относительный коэффициент регенерации Г и утилизации ¡Г. При расчете мощности паровой турбины КГПТУ на переменном режиме давление в конденсаторе Р^ изменяется в соответствии с изменением расхода пара при постоянных значениях расхода и температуры охлаждающей воды. Изменение разницы температур Tinch Point' КУ на переменном режиме определяется при известной площади пароперегревательной и испарительной поверхностей. В зависимости от механической схемы используются методы расчета эффективной работы ГТД, характерные для случаев применения ГТД для привода генератора или в составе пропульсивного комплекса.

В третьей главе рассмотрены двухвальная однокомпрессорная схема со свободной силовой турбиной; трехвальная двухкомпрессорная схема со свободной силовой турбиной; трехвальная двухкомпрессорная схема с регенератором и промежуточным охлаждением воздуха в процессе сжатия, в которой предусмотрен поворот направляющих лопаток первой ступени силовой турбины. Последний вариант соответствует схеме, принятой в ГТД Rolls - Royce WR - 21 для обеспечения высокой эффективности ГТД в широком диапазоне изменения нагрузки. Задачей расчетного исследования в данном случае было определение углов поворота направляющих лопаток, обеспечивающих наиболее широкий диапазон изменения режима при сохранении устойчивой работы компрессоров.

Параметры ГТД на номинальном режиме, обозначенные индексом 0 и используемые в качестве исходных данных для расчета ГТД на переменном режиме,

взяты из сайтов производителей двигателей: General Electric (LM 2500, LM2500+, LM2500+G4, LM500, LM 1600), Сатурн (М70ФРУ), Rolls - Royce (MT 30, SPEY SM1C, WR - 21), Siemens (GT 35), American Technologies - Pratt&Whitney (MFT8) и дополнены расчетами при создании базы данных морских ГТД.

В работе приведены результаты расчёта основных двухвальных и трехвальных морских ГТД простого цикла 3-5 поколений, определены и обобщены в виде регрессионных зависимостей статические характеристики основных типов ГТД. Анализ регрессионных зависимостей для основных характеристик судовых ГТД на переменном режиме свидетельствует о том, что регрессии имеют высокую доверительную вероятность оценки и практически мало отличаются для двухвальных и трехвальных ГТД. Это позволило получить общие регрессии для основных характеристик всей выборки рассмотренных ГТД при несколько сниженной доверительной вероятности оценки, но при сохранении адекватности регрессий (рис. 2).

(а) (б)

1.8

1.6

® 1.4 •о

lu

0.8

у = 0.8873x2 - 1.7298х + 1.S34S

02

RJ=0.9 Iii

0.4

0.6

0.8

♦ LM1600 ■ SPEYSM1C A GT35

X MFT8 X МТ30 • LM2500

+ LM500 - LM2500+ - Ш250СЖ34

о М70ФРУ peipeccg«

\2 Ne/NeO

12 1

о 0.8

ео.б

«0.4 0^

у = 0.8531х+0.15 R' = 0.9989

0 02 0.4 0.6 0.8 1

» LMI600 ■ SPEYSM1C A GT35

X MFT8 Ж МТЗО • LM2500

+ LM500 • LM250CH- - LM2500K»

о М70ФРУ —регрессия

12 Ne/NeO

(В)

- -0.1617x2 + 0.5323Х + 0.6314

« LM1600 ■ SPEYSM1C A GT35 Ne/NeO

X MFT8 ж МТЗО • Ш2500

+ LM500 - LM2500+ - LM2500+0!

о М70ФРУ рефессия J

(Г)

f

1.2 1.1 1

<= 0.9

Ц 0.8

U 0.7 0.6 0.5 0.4

у = -0.2269x2 + 0.906х + 0.3247

R1- .9923

0.2

0.4

0.6

0.8

« LM1600 ■ SPEYSM1C A GT35

X MFT8 X МТЗО • LM2500

+ LM500 - LM2500+ - LM2500H34

О М70ФРУ ——рефессия

U

Ne/NeO

Рис. 2. Зависимость относительных значений (а) удельного расхода топлива, (б) расхода топлива, (в) температуры газа на входе в турбину и (г) расхода газа от относительной мощности ГТД.

Рассмотрено влияние угла поворота направляющих лопаток силовой турбины на характеристики ГТД. В связи с тем, что для двухвальных ГТД КПД компрессора уменьшается при закрытии (уменьшении угла) направляющих лопаток силовой турбины, зависимость удельного расхода топлива от мощности на переменном режиме практически не изменяется (рис.3).

Рис.3. Зависимость относительного значения удельного расхода топлива ГТД ЬМ2500 от относительной мощности при различных значениях угла поворота направляющих лопаток силовой турбины.

Для трехвапьных ГТД при закрытии (уменьшении угла) направляющих лопаток силовой турбины получено некоторое снижение удельного расхода топлива на переменном режиме (рис.4).

Рис.4. Зависимость относительного значения удельного расхода топлива ГТД БРЕУ БМ1С от относительной мощности при различных значениях угла поворота направляющих лопаток силовой турбины.

По сравнению с ГТД простого цикла преимущества ГТД сложного цикла, такого как ХУЛ - 21, включают улучшение эффективности в полном операционном диапазоне с радикальным улучшением при низкой нагрузке. Существенная экономия топлива достигается за счет использования теплообменника в области высокой температуры. Высокая температура воздуха до камеры сгорания сокращает количество топлива, требуемого для получения расчетной температуры газа на входе турбину.

Промежуточное охлаждение воздуха на входе в компрессор высокого давления снижает работу сжатия воздуха. При уменьшении температуры воздуха в компрессоре высокого давления увеличивается эффективность регенератора. Основной эффект улучшения эффективности работы ГТД на переменном режиме - использование регулируемого соплового аппарата (РСА) силовой турбины, который изменяет сечение проточной части. РСА полностью открыт при полной нагрузке и закрывается

на частичных нагрузках. Это обеспечивает повышение эффективности во всем диапазоне мощности за счет поддержания высокой температуры газа на частичных нагрузках. Регенератор может, таким образом, эксплуатироваться полностью, обеспечивая характерную плоскую кривую расхода топлива, (а) (б)

№ЛЧеО

-О -5

-2 --7

--3

1.3 1.2 1.1 1

0.9 0.8 0.7 0.6

0 0.2 0.4 0.6

0 -2

-5 —1—-6 —в— -7 —ж—

--4 --9

Рис.5. Зависимость относительных значений (а) удельного расхода топлива (б) температуры газа на входе в турбину ГТД сложного цикла от относительной мощности без РСА и с РСА при различных значениях угла поворота направляющих лопаток силовой турбины.

При уменьшении угла поворота РСА возрастает Т3 (рис.5,б) и снижается Ь е (рис.5,а), уменьшается диапазон изменения мощности, при котором двигатель на переменном режиме имеет Ье < 1 (рис.5,а). Однако при этом сокращается диапазон устойчивостей работы компрессора (рис.7). На рис.5 (а, б) зависимости ¿.(Л^) при изменении угла поворота лопаток РСА построены до достижения мощности, при которой нарушается устойчивая работа компрессора. В связи с этим были выполнены расчеты переменного режима ГТД при условии сохранения Тъ. Для этого определена соответствующая программа изменения угла поворота лопаток РСА (рис.6) и режимная линия компрессора (рис.8) при изменении мощности.

1.4 1.3

о 1.2

51.1

4>

1

0.9 0.8

а

-2 ч 1 \

\ V

с "" —

-5

0.2

0.4

0.6

-•-ГТД С РСА

--О-- ГТД без РСА

0.8 1 №ЛУе0

Рис.6. Зависимость относительного значения удельного расхода топлива от относительной мощности ГТД сложного цикла без РСА и с РСА при изменении угла поворота направляющих лопаток РСА силовой турбины.

(а)

(б)

1

1 Фк

Фк

-е- о —¿Г- -1 -2 -И- -3 -Ж--4—И--5 —А" -б — -7 -©- ..5 -&- -9

Рис.7. Линия частичных нагрузок на характеристиках (а) КНД и (б) КВД при различных значениях угла поворота направляющих лопаток силовой турбины.

(а)

(б)

Рис.8. Линия частичных нагрузок на характеристиках (а) КНД и (б) КВД при изменении угла поворота направляющих лопаток силовой турбины.

Тестирование программы выполнено путем сравнения расчетных зависимостей удельного расхода топлива от мощности с зависимостями, полученными при испытаниях ГТД. На рис.9 приведены эти зависимости для двухвального и трехвального двигателей простого цикла и трехвального двигателя сложного цикла. В трех типах ГТД наибольшую эффективность на переменном режиме обеспечивает сложный цикл.

При использовании РСА влияние поворота лопаток в направляющем венце первой ступени силовой турбины на удельный расход топлива ГТД простого цикла незначительно. Применение РСА в ГТД сложного цикла позволяет значительно снизить удельный расход топлива. Расчетные и опытные зависимости соответствуют друг другу, что свидетельствует об удовлетворительной точности работы программы.

Рис. 9. Сравнение эффективности ГТД на переменном режиме:

-данные производителей,

.....расчет.

В четвертой главе представлены результаты использования программы для определения характеристик КГПТУ на переменном режиме.

Для того чтобы установить соотношение эффективности КГПТУ с различными схемами ТУК были выполнены расчеты КГПТУ на номинальном режиме. Результаты представлены в таблице 1 для различных ГТД 3-5 поколении. Параметры пара на номинальном режиме устанавливаются в зависимости от схемы ТУК. Температура газа на выходе из силовой турбины обеспечивает верхний предел для температуры перегретого пара. Однако достаточная разница температур уходящего газа и пара ДТ| а 50 — 100К необходима, чтобы ограничить размер пароперегревателя. Разница температуры 'Pinch Point' КУ ДТга|п»10 - 25К, которая влияет на паропроизводительность, - важный параметр для парового процесса. Чем меньше ДТтш, тем выше КПД ПТУ, но с уменьшением нагрузки АТт|„ уменьшается.

При расчете параметров КГПТУ на номинальном режиме, обозначенных индексом 0, для схемы ТУК 1 (с теплым ящиком) и схемы 2 (с деаэратором и паровой турбиной с отбором пара) приняты следующие исходные данные: давление в деаэраторе 0.2 МПа, разница температуры 'Pinch Point' КУ 25 К, разница температуры между газом и паром 80 К, давление в конденсаторе 0.01МПа, Р0 =2- 4 МПа (схема ТУК с деаэратором) Р„ = \-2МПа (схема ТУК с теплым ящиком), КПД паровой турбины 0,81, КПД электрогенератора 0,96.

Таблица 1.

Схема ТУК с

и s я и п ГТД « Чр 3 £ч я « а ч: 0 £ Схема ТУК с теплым ящиком и ПТ деаэратором и паровой турбиной с отбором пара

и о •в* в Давление перегретого пара, МПа

С ■в* 5 m ^ 1 1.5 2 2 3 4

Эффективный КПД КГПТУ, %

3 LM2500 37 48.4 48.9 49.1 48.6 48.9 49

4 LM2500+ 39 49.3 49.7 49.9 49.4 49.5 49.6

5 LM2500+G4 41,2 51.6 52 52.2 51.6 51.8 51.9

3 UGT15000 35 44.5 44.7 44.8 44.2 44.3 44.2

4 UGT25000 36,5 47.1 47.4 47.6 47.1 47.2 47.3

5 МТЗО 40 49 49.2 49.3 48.8 48.8 48.8

Расчеты показывают, что, несмотря на низкое давление пара за КУ, схема ТУК с ПТ и теплым ящиком при одинаковых значениях КПД ПТ для всех рассмотренных ГТД (в пределах заданных исходных данных расчета) более эффективна при значительно более простой конфигурации ТУК и ПТ. Поэтому схему ТУК с теплым ящиком и низкими параметрами пара для современных морских ГТД можно рассматривать как вполне обоснованную. Обе эти схемы рассматривались при определении характеристик Kl 11 1 У на переменном режиме. Повышение давления перегретого пара для схемы ТУК с деаэратором мало влияет на КПД КГПТУ, который не выше, чем в схеме ТУК с теплым ящиком. Таким образом, использование более сложной схемы ТУК с высоким давлением пара, деаэратором и паровой турбиной с отбором пара не только не дает преимуществ по эффективности комбинированной установки, а даже уступает более простой схеме ТУК с низким давлением пара и теплым ящиком.

Программа дает возможность определить характеристики комбинированной установки при работе ГТД на переменном режиме. Для расчета переменного режима взяты относительные величины (давление и температура перегретого пара) по данным испытаний, приведенных в работах таких авторов, как Kehlhofer R., Беляев И.Г., имеющихся в списке литературы диссертации. На рис.10 - 13 представлены статические характеристики КГПТУ в виде зависимостей относительных параметров КГПТУ от относительной мощности ГТД. Результаты обобщены для двухвальных и трехвальных ГТД при различной конфигурации ТУК (с ПТ и теплым ящиком и с ПТ с отбором пара и деаэратором). Достаточно большая выборка ГТД позволила получить уравнения регрессии для основных характеристик КГПТУ.

При расчете КГПТУ на переменном режиме сохранены исходные данные номинального режима. Зависимости относительных параметров КГПТУ от относительной мощности ГТД (отнесено к параметрам номинального режима) аппроксимированы одной регрессией для каждого параметра для всех рассмотренных двухвальных и трехвальных ГТД и схем ТУК с ПТ и теплым ящиком и с ПТ и деаэратором с очень высокой доверительной вероятностью оценки. Получены

регрессионные зависимости для следующих относительных параметров: паропроизводительности КУ Б, мощности КГПТУ, давления пара в конденсаторе Тк, давления перегретого пара Р .

й = -0.2176х Л* + 0.9465 х Л', + 0.2706 , Л2 =0,996;

Нкгпту = 0.9669 хЛе+ 0.0339, Л2 = 0,998;

Рк = 0.0106хМе2+0.354хлГ+0.6352, Л2 = 0,997;

-0.2943х./Т,2+0.9743х +0.3198, Л2 =0,982.

Регрессии для отношения АГт]п/А7"тш0 имеют пониженную доверительную вероятность оценки в пределах адекватности и различаются для схем ТУК с ПТ и теплым ящиком и с ПТ и деаэратором. Снижение этой величины при уменьшении мощности ГТД для схемы ТУК с ПТ и теплым ящиком более значительно, чем для схемы ТУК с ПТ и деаэратором, что должно учитываться при выборе ДГ^ на номинальном режиме (рис.10).

Рис.10. Зависимости относительного значения разницы температур А^п/лСо КУ (Pinch Point) от относительной мощности ГТД (LM2500, LM2500+, LM2500+G4, М70ФРУ, UGT15000, SPEY SM1C, МТЗО, LM1600, MFT8).

Сравнение эффективности ГТД и КГПТУ. Зависимости относительного значения удельного расхода топлива КГПТУ от относительной мощности ГТД для различных конфигураций ТУК практически совпадает и весьма мало отличается для двухвальных и трехвальных ГТД. Это позволило получить единую регрессию для относительного значения удельного расхода топлива от относительной мощности для всей выборки ГТД и двух рассмотренных конфигураций ТУК в пределах адекватности регрессии. На рис. 1 Г'дано сравнение регрессий для зависимостей относительного удельного расхода топлива ГТД и КГПТУ от относительной мощности для двух рассмотренных конфигураций ТУК для всей выборки двухвальных и трехвальных ГТД. Из рисунка видно, что комбинированная установка становится более эффективной при снижении мощности ГТД для всех рассмотренных ГТД и конфигураций ТУК. Снижение относительного значения удельного расхода топлива составляет для Л^ =0,4 примерно 4-6%.

1

1 .? 0.8 1 £

о.б

I £ £ 0.4

Л о. »

02 0

И if

у--0.73 76 t2 + 2.1566x -0.41835 ^

/ у '

У kyy=-n 7R Чу! + ■> 414 lv . (1 7?ns

R2-l

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Ne/Ne0

- регрессия дня ТУК с теплым ящиком

- регрессия дня ТУК с деаэратором

Рис.11. Сравнение эффективности ГТД и КГПТУ для схем ТУК с деаэратором и теплым ящиком на переменном режиме: зависимость относительного значения удельного расхода топлива от относительной мощности ГТД (ЬМ2500, ЬМ2500+, ЬМ2500+С4, М70ФРУ, ШТ15000, БРЕУ БМЮ, МТЗО, ЬМ1600, МРТ8).

Влияние параметров КГПТУ на статические характеристики. Для того чтобы сделать полученные статические характеристики универсальными, не зависящими от исходных параметров номинального режима, представлены результаты расчета и регрессии для статических характеристик КГПТУ на базе одного из ГТД в широком диапазоне изменения параметров номинального режима для схем ТУК с теплым ящиком и с деаэратором. Получены уравнения регрессий для относительного удельного расхода топлива при изменении каждого из исходных параметров номинального режима. Изменение исходных параметров практически не влияет на относительный удельный расход топлива КГПТУ при различных значениях относительной мощности ГТД. Высокая доверительная вероятность для регрессий позволяла свести их в одну регрессию для всех задаваемых параметров в пределах адекватности регрессии. Уравнение регрессии Ь^^ =0.3067хАГе2 + 0.6893хЛГе + 1.3835, R2 = 0,99 для удельного расхода топлива получено при различных значениях температуры охлаждающей воды, давления в конденсаторе, разницы температуры между газом и паром, разницы температуры КУ (Pinch Point) для схемы ТУК с теплым ящиком и с деаэратором.

На рис. 12 представлены зависимости относительного значения минимальной разницы температур ATmialATmin0 (Pinch - Point) КУ от относительной мощности ГТД для двух конфигураций ТУК. Величина ДТтщ в значительной степени определяет диапазон изменения мощности ГТД. В схеме ТУК с деаэратором величина ДТ™„ снижается быстрее, чем в схеме с теплым ящиком. Это надо учитывать при выборе ATmj„o. Например, в схеме с теплым ящиком при ATmin0 = 20 К, ДТт;„ = 5 К при

Ne = 0,4, а в схеме с деаэратором при Ne= 0,5.

1.4

о

Ёи

€1-2 >>

s

... 3SxJ - 0.99 R2 - 0.9< 5х + 1.5545 13

i к.

у = 0.325 >х;-0.738х R!-0.9869 +1.4131

0.2

0.4

0.6

— регрессия КГПТУ для схем ТУК с

теплым ящиком и с деаэратором -'-регрессия ГТД__

0.8 1 Ne/NeO

5 a

о s

0.8 0.6 0.4 0.2

» i?/

J

//JfX /

А

0.2

0.4

0.6

0.8

-25 К-

-20 К-

•15 К

—♦ — 25 К—» —20 К—*—15 К

1

Ne/NeO

Рис.12. Зависимость относительного значений разницы температуры КУ А^/ДГ^о (Pinch Point) КГПТУ на базе ГТД LM 2500+ от относительной

мощности ГТД: ------- схема ТУК с

теплым ящиком, - схема ТУК с

деаэратором и паровой турбиной с отбором пара.

На рис.13 показана зависимость относительного значения удельного расхода топлива КГПТУ на базе ГТД ЬМ 2500+ от относительной мощности ГТД (схема ТУК с теплым ящиком) при различных значениях угла поворота сопловых лопаток регулируемого соплового аппарата (РСА) силовой турбины ГТД. В отличие от трехвальных ГТД с регенератором и промежуточным охлаждением воздуха в процессе сжатия использование РСА в ГТД не дает существенного повышения эффективности КГПТУ на переменном режиме. На режиме частичных нагрузок КПД компрессора двухвального ГТД со свободной силовой турбиной быстро уменьшается при снижении мощности. Поэтому эффективность ГТД на переменном режиме изменяется незначительно. При этом обеспечение постоянной температуры газа на выходе из ГТД при использовании РСА в силовой турбине увеличивает мощность паровой турбины, но недостаточно для существенного снижения удельного расхода топлива.

1.5

0

г-

1 1.3 >»

Н

Е 1.2 И

и

* 1.1 1

—»—КШГУбезРСА Ne/Ne0

— •»- - КГПТУ С РСА

—й—LM2500+ s

Рис.13. Зависимость относительного значения удельного расхода топлива КГПТУ на базе ГТД ЬМ 2500+ от относительной мощности ГТД (схема ТУК с теплым ящиком) без РСА и с РСА при изменении угла поворота сопловых лопаток РСА силовой турбины ГТД.

Тестирование программы представляло определенные сложности из-за отсутствия в литературе информации по статическим характеристикам комбинированной установки. Были использованы некоторые характеристики КГПТУ, полученные по данным испытаний на переменном режиме и приведенные в работах Беляева И.Г. (рис.14) и КеЫЬоГег Я. (рис.15). Результаты сравнения свидетельствуют об удовлетворительном соответствии результатов.

(а)

(б)

1 0.8 , 0.6 « 0.4 02 0

0.2

0.4

0.6

-регрессия из расчета КГПТУ на базе ряда ГТД - гарактсрисшка КУ

0.8 1 Cr/GrO

н

0.4 0.2

0.2

0.4

0.6

0.8

-регрессия из расчета КГПТУ на базе

ряда ГТД - характеристика КУ

1

Gr/GrO

Рис.14. Сравнение расчетных (регрессия на базе ГТД ЬМ 2500, ЬМ2500+, ЬМ2500+04, М70ФРУ, иСТ15000, БРЕУ БМ1С, МТЗО, ЬМ1600, МП8 для двух схем ТУК) и опытных зависимостей относительных значений расхода пара (а) и температуры газа за котлом (б) от относительного расхода газа ГТД.

Рис.15. Сравнение расчетной зависимости относительного значения КПД КГПТУ от относительной мощности ГТД (регрессия на базе ГТД ЬМ 2500, ЬМ2500+, ЬМ2500К}4, М70ФРУ, ШТ15000, БРЕУ 8М1С, МТЗО, ЬМ1600, М1Т8 для двух схем ТУ) с характеристикой КГПТУ.

Для проверки адекватности использования обобщенной характеристики компрессора при больших л к для однокомпрессорного ГТД было произведению тестирование путем сравнение эффективности ГТД ЬМ 500 при использовании известного прототипа и обобщенной характеристики компрессора. На рис. 16 представлено сравнение относительных значений удельного расхода топлива от относительной мощности ГТД ЬМ 500 для этих вариантов характеристики компрессора.

Получено вполне удовлетворительное совпадение результатов расчета для случая использования компрессора с Щ =14 (ЬМ 500). В распоряжении автора не было прототипа компрессора с более высоким значением п к . Однако полученный результат позволяет достаточно обоснованно использовать обобщенные характеристики компрессора для ГТД с более высоким як, что показано на рис. 9 при тестировании программы для двухвального ГТД по результатам сравнения расчета эффективности ГТД с данными испытаний.

ч с и

0.95

i >>

! С 09 ; и 1 ы

: 0.85

0.8

0.3

0.5

0.7

0.9

----гарактеристики КПТГУ

Ne/Ne0

- регрессия из расчета КГПТУ на базе ряда ГТД

Рис. 16. Сравнение эффективности ГТД ЬМ 500:

— применение прототипа компрессора;

— применение обобщенной характеристики компрессора.

В заключительной части сформулированы основные выводы по работе. 1. Разработана программа определения характеристик судовых ГТД и КГПТУ на переменном режиме. Программа тестирована на основе имеющихся в литературе и на сайтах производителей статических характеристик основных типов морских ГТД и комбинированных установок на переменном режиме. Программа и полученные в работе результаты обобщений характеристик обеспечивают сравнительную оценку параметров и эффективности судовых ГТУ простого, сложного и комбинированного цикла для различных конфигураций двигателей и комбинированных установок.

2. Сформирована база данных основных параметров морских ГТД 3-5 поколений, необходимых для определения характеристик двигателей и комбинированных установок на переменном режиме. Для двигателей простого цикла, выполненных по двухвальной и трехвальной схемам с большой выборкой ГТД, получены регрессионные зависимости основных относительных параметров от мощности.

3. Для сложного цикла программа позволила установить для каждого режима работы ГТД угол поворота РСА, обеспечивающий сохранение температуры газа перед турбиной и высокую эффективность при устойчивой работе компрессоров. Расчетным путём определено положение режимных линий на характеристиках компрессоров ГТД, что позволяет установить режимы работы, которые могут быть реализованы в практике эксплуатации без применения противопомпажной защиты.

4. Приведены результаты расчёта КГПТУ на номинальном и переменном режимах, построены и обобщены в виде регрессионных зависимостей статические характеристики КГПТУ. Для расчетного исследования были взяты схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной с отбором пара и ТУК с теплым ящиком и паровой турбиной. Для КГПТУ, разработанных на базе ГТД двухвальной и трехвальной схем, получены регрессионные зависимости относительных параметров КГПТУ от относительной мощности ГТД. Выборка ГТД 3-5 поколений составляла 4 двигателя двухвальной схемы и 5 двигателей трехвальной схемы. Эффективность схемы ТУК с тёплым ящиком несколько выше на номинальном режиме. Эффективность схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной несколько выше на переменном режиме. Различие регрессий для рассмотренных схем ГТД и конфигураций ТУК весьма мало, что позволило обобщить статические характеристики КГПТУ одной зависимостью при сохранении адекватности регрессии.

5. Рассмотрено влияние исходных параметров ТУК на статические характеристики КГПТУ. Получена общая регрессионная зависимость относительного значения удельного расхода топлива КГПТУ от относительной мощности ГТД для всей выборки исходных параметров ТУК. Установлена зависимость минимальной разницы температуры между газом и паром в КУ от мощности ГТД. В схеме ТУК с деаэратором величина ДГ^ снижается более значительно при снижении мощности ГТД по сравнению со схемой ТУК с теплым ящиком, что необходимо учитывать при выборе параметров ТУК на номинальном режиме.

6. Определено изменение удельного расхода топлива в зависимости от относительной мощности на режимах частичных нагрузок. Установлены количественные соотношения для удельного расхода топлива для трех вариантов цикла ГТУ. Наибольшую эффективность на режимах частичных нагрузок обеспечивает сложный цикл с РСА силовой турбины. Комбинированный цикл по эффективности и диапазону изменения мощности уступает сложному циклу. Использование РСА силовой турбины приводит к значительно меньшему повышению эффективности на режимах частичных нагрузок по сравнению со сложным циклом. В простом цикле двухвального и трехвального ГТД - наибольшее снижение эффективности ГТД на переменном режиме.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах. В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ:

1. База данных современных морских газотурбинных двигателей /Тихомиров Б.А, Зо Вин Тхайк // Журнал «Морские интеллектуальные технологии». 2010. № 4. С. 23-29 (автор-50%).

2. Характеристики современных судовых газотурбинных двигателей на переменном режиме /Тихомиров Б.А, Зо Вин Тхайк // Журнал «Морские интеллектуальные технологии». 2011. № 1. С. 41-47 (автор - 50%).

3. Характеристики судовых комбинированных газопаротурбиных установок на режимах частичных нагрузок /Тихомиров Б.А, Зо Вин Тхайк, Журнал «Морские интеллектуальные технологии». 2011. № 1. С. 36-41 (автор - 50%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 28.03.2011. Зак. 4132. Тир.70.1,1 печ. л.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И БАЗЫ ДАННЫХ

1.1. Современные судовые ГТД и работа на переменном режиме

1.1.1. База данных современных судовых ГТУ.

1.1.2. Работа судовых ГТД на переменном режиме.

1.2. Методы повышения эффективности ГТД на режимах частичных нагрузок

1.2.1. Комбинированный цикл и работа судовых КГПТУ на переменном режиме.

1.2.2. Сложный цикл и работа судовых ГТД на переменном режиме

1.2.3. Использование регулируемого соплового аппарата (РСА) в силовой турбине.

1.3. База данных по характеристикам элементов газотурбинного двигателя и комбинированной установки

1.3.1. Универсальные характеристики осевых компрессоров.

1.3.2. Эффективность системы охлаждения лопаток турбины ГТД

1.3.3. Характеристики котла-утилизатора и конденсатора.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГТД И КГПТУ НА ПЕРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ

2.1. Математическая модель.

2.2. Блок схема программы.

2.3. Структура программы.

ГЛАВА 3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ГТД НА ПЕРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ

3.1. Обобщение характеристик ГТД на переменном режиме.

3.1.1. Обобщение характеристик однокомпрессорных ГТД со свободной силовой турбиной на переменном режиме.

3.1.2. Обобщение характеристик двухкомпрессорных ГТД со свободной силовой турбиной на переменном режиме.

3.1.3. Обобщение характеристик ГТД со свободной силовой турбиной на переменном режиме.

3.2. Повышение эффективности ГТД сложного цикла па переменном режиме.

3.3. Тестирование программы и сравнение эффективности различных типов ГТД на переменном режиме.

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ГТУ НА ПЕРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ

4.1. Сравнение эффективности КГПТУ при изменении давления перегретого пара на номинальном режиме.

4.2. Обобщение характеристик КГПТУ для схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной с отбором пара на переменном режиме

4.3. Обобщение характеристик КГПТУ для схемы ТУК с теплым ящиком и паровой турбиной на переменном режиме.

4.4. Влияние параметров на статические характеристики КГПТУ

4.5. Сравнение эффективности КГПТУ.

4.6. Тестирование программы для КГПТУ.

Актуальность ^ темы. В судовых газотурбинных установках существенны такие преимущества как малая удельная масса, компактность, высокая маневренность, более низкие требования к обслуживанию, малое потребление машинного масла. Вместе с тем, по экономичности газотурбинные установки (ГТУ) уступают дизельным установкам. В судовых газотурбинных установках большое значение имеет обеспечение эффективности работьь ГТУ на переменном режиме поскольку большую часть времени энергетические установки эксплуатируются на режимах частичных нагрузок. При' использовании в составе агрегата газотурбинных двигателей (ГТД) простого цикла экономичность значительно снижается при снижении мощности. Повышение эффективности на режимах частичных нагрузок обеспечивается дроблением мощности, т.е. использованием маршевых и форсажных двигателей с раздельной или совместной их работой на режимах полного хода. Это требует сложной конструкции газотурбинного агрегата за счет использования ряда двигателей и сложного редуктора. Другим способом обеспечения экономичности газотурбинного агрегата на режимах частичных нагрузок является использование ГТД сложного цикла или комбинированной газопаротурбинной установки (КГПТУ) с паротурбинным теплоутилизирующим контуром (ТУК). Разработка рациональных решений при проектировании газотурбинных двигателей и комбинированных установок, обеспечивающих эффективную работу на переменных режимах, требует информационной базы статических характеристик двигателей и установок на основе численного моделирования их работы на переменном режиме. Таким образом, разработка компьютерной программы, определение и обобщение расчетных характеристик морских газотурбинных двигателей и комбинированных энергетических установок, разработанных на базе ГТД, на переменном режиме является актуальной задачей.

Цель работы. Целью настоящей работы является создание информационной базы данных для проектирования судовых газотурбинных установок, обеспечивающей эффективную работу на переменных режимах.

Основные задачи исследования.

- Формирование базы данных судовых газотурбинных двигателей 3 — 5 поколений.

-Разработка математической модели и компьютерной программы для определения характеристик газотурбинных установок простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Определение характеристик судовых газотурбинных двигателей различного типа на переменном режиме и обобщение в виде регрессионных зависимостей от мощности.

- Разработка программы изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины для повышения эффективности судовых ГТД сложного цикла на переменном режиме.

Определение характеристик судовых комбинированных газопаротурбиных установок на переменном режиме и обобщение в виде регрессионных зависимостей от мощности ГТД для различных схем теплоутилизирующего контура.

Основные результаты.

- Математическая модель и компьютерная программа для определения характеристик судовых газотурбинных установок простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Обобщенные зависимости для статических характеристик судовых ГТД различного типа от мощности.

- Программа изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины для повышения эффективности судового ГТД сложного цикла на переменном режиме.

Обобщенные зависимости для статических характеристик комбинированных установок на базе судовых ГТД различного типа с паротурбинным теплоутилизирующим контуром для повышения эффективности установки на переменном режиме.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в решении сформулированной проблемы и получении следующих научных результатов.

- Впервые получены регрессионные зависимости для статических характеристик большой выборки судовых ГТД 3 — 5 поколений в широком диапазоне изменения мощности.

- Для судового ГТД сложного цикла разработана программа изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины, обеспечивающая максимальное повышение КПД на переменном режиме при сохранении устойчивой работы компрессора.

- Впервые получены регрессионные зависимости для статических характеристик судовой газопаротурбинной установки на базе большой выборки ГТД и двух схем паротурбинного теплоутилизирующего контура.

Практическая ценность.

Разработанная компьютерная программа позволяет определять статические характеристики судовых газотурбинных установок простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

Полученные регрессионные зависимости для статических характеристик судовых газотурбинных двигателей различного типа и комбинированных установок с различной схемой теплоутилизирующего контура позволяют прогнозировать характеристики и производить оценку эффективности установок в широком операционном диапазоне изменения мощности при проектировании и эксплуатации.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современной базы данных на основе интернет — сайтов основных производителей судовых ГТД, использованием современных методов и программ регрессионного анализа, использованием в математической модели фундаментальных законов и уравнений термодинамики и теплообмена, верификацией программы определения характеристик ГТУ простого, сложного и комбинированного цикла, удовлетворительным соответствием результатов тестовых расчетов с характеристиками ГТД и комбинированных установок.

На защиту выносятся.

- Математическая модель и компьютерная программа для определения статических характеристик судовых ГТД простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Результаты обобщения статических характеристик современных судовых ГТД простого цикла в широком операционном диапазоне изменения мощности.

- Результаты использования программы для определения изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины ГТД сложного цикла, обеспечивающие повышение эффективности на переменном режиме.

Результаты обобщения статических характеристик ГТУ комбинированного цикла с различной схемой паротурбинного теплоутилизирующего контура для повышения эффективности установки на переменном режиме.

Реализация результатов работы. Разработанная программа используется в учебном процессе подготовки специалистов, бакалавров и магистров СПбГМТУ, может быть использована при проектировании и эксплуатации судовых ГТД и КГПТУ в России, при разработке технического задания на проектировании судов и заказе судовых газотурбинных двигателей и комбинированных установок, а также в учебном процессе университетов в республике " Союз Мьянма ".

Апробация работы. Основное содержание работы и результаты докладывались на кафедре судовых турбин и турбинных установок по ходу выполнения работы.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 научные статьи. Доля автора в публикациях 50 %. В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликовано 3 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четыре глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем -154с., рис.52, табл.6, список литературы включает 62 наименования.

Выводы по результатам главы 4

1. Приведены результаты расчёта КГПТУ на номинальном и переменном режимах, построены и обобщены в виде регрессионных зависимостей статические характеристики КГПТУ. Для расчетного исследования были взяты схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной с отбором пара и ТУК с теплым ящиком и паровой турбиной. Для КГПТУ, разработанных на базе ГТД двухвальной и трехвальной схем, получены регрессионные зависимости относительных параметров КГПТУ от относительной мощности ГТД. Выборка ГТД 3-5 поколений составляла 4 двигателя двухвальной схемы и 5 двигателей трехвальной схемы. Эффективность схемы ТУК с тёплым ящиком несколько выше на номинальном режиме. Эффективность схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной несколько выше на переменном режиме. Различие регрессий для рассмотренных схем ГТД и конфигураций ТУК весьма мало, что позволило обобщить статические характеристики КГПТУ одной зависимостью при сохранении адекватности регрессии.

2. Рассмотрено влияние исходных параметров ТУК на статические характеристики КГПТУ. Получена общая регрессионная зависимость относительного значения удельного расхода топлива КГПТУ от относительной мощности ГТД для всей выборки исходных параметров ТУК. Установлена зависимость минимальной разницы температуры между газом и паром в КУ от мощности ГТД. В схеме ТУК с деаэратором величина А7тт снижается более значительно при снижении мощности ГТД по сравнению со схемой ТУК с теплым ящиком, что необходимо учитывать при выборе параметров ТУК на номинальном режиме.

Заключение

1. Разработана программа определения характеристик судовых ГТД и КГПТУ на переменном режиме. Программа тестирована на основе имеющихся в литературе и на сайтах производителей статических характеристик основных типов морских ГТД и комбинированных установок на переменном режиме. Программа и полученные в работе результаты обобщений характеристик обеспечивают сравнительную оценку эффективности судовых ГТУ простого, сложного и комбинированного цикла для различных конфигураций двигателей и комбинированных установок.

2. Сформирована база данных основных параметров морских ГТД 3—5 поколений, необходимых для определения характеристик двигателей и комбинированных установок на переменном режиме. Для двигателей простого цикла, выполненных по двухвальной^ и> трехвальной схемам с большой выборкой ГТД, получены регрессионные зависимости основных относительных параметров от мощности.

3. Для сложного цикла программа позволяет установить для' каждого режима работы ГТД угол поворота РСА, обеспечивающий сохранение температуры, газа перед турбиной и высокую эффективность при устойчивой работе компрессора. Расчетным путём определено положение режимных линий на характеристиках компрессоров ГТД, что позволяет установить режимы работы, которые могут быть реализованы в практике эксплуатации без применения противопомпажной защиты.

4. Приведены результаты расчёта КГПТУ на номинальном и переменном режиме, построены и обобщены в виде регрессионных зависимостей статические характеристики КГПТУ. Для расчетного исследования были • взяты схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной с отбором пара и г

1 ТУК с теплым ящиком * и паровой турбиной. Для КГПТУ, разработанных на базе ГТД двухвальной и трехвальной схем, получены регрессионные зависимости относительных параметров КГПТУ от относительной мощности ГТД. Выборка ГТД 3-5 поколений составляла 4 двигателя двухвальной схемы и 5 двигателей трехвальиой схемы. Эффективность схемы ТУК с тёплым ящиком несколько выше на номинальном режиме. Эффективность схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной несколько выше на переменном режиме. Различие регрессий для рассмотренных схем ГТД и конфигураций ТУК весьма мало, что позволило обобщить статические характеристики КГПТУ одной зависимостью при сохранении адекватности регрессии.

5. Рассмотрено влияние исходных параметров ТУК на статические характеристики КГПТУ. Получена общая регрессионная зависимость относительного значения удельного расхода топлива КГПТУ от относительной мощности ГТД для всей выборки исходных параметров ТУК. Установлена зависимость минимальной разницы температуры между газом и паром в КУ от мощности ГТД. В схеме ТУК с деаэратором величина АТтт снижается более значительно при снижении мощности ГТД по сравнению со схемой ТУК с теплым ящиком, что необходимо учитывать при выборе параметров ТУК на номинальном режиме.

6. Определено изменение удельного расхода топлива в зависимости от относительной мощности на режимах частичных нагрузок. Установлены количественные соотношения для удельного расхода топлива для трех вариантов цикла ГТУ. Наибольшую эффективность на режимах частичных нагрузок обеспечивает сложный цикл с РСА силовой турбины. Комбинированный цикл по эффективности и диапазону изменения мощности уступает сложному циклу. Использование РСА силовой турбины приводит к значительно меньшему повышению эффективности на режимах частичных нагрузок по сравнению со сложным циклом. В простом цикле двухвального и трехвального ГТД - наибольшее снижение эффективности ГТД на переменном режиме.

1. Арсеньев JI. В., Тырышкин В.Г., Богов И.А., Подобуев Ю.С., Е.Е.Левин. Стационарные газотурбинные установки. — Л.: Машиностроение, Ленигр. отдление, 1989г. — 543с.

2. Венцюлис Л. С., Рыбалко. В.В., H.A. Марчуков. Турбипист флота М.: Воениздат, 1988г.-352с.

3. Трухний А.Д. Исследование работы ПГУ утилизационного типа при частичных нагрузках. Теплоэнергетика, №1, 1999г.

4. Курзон.А.Г., Юдовин Б. С. Судовые комбинированные энергетические установки. Л.: Судостроение, 1981г. -216 с.

5. Топунов A.M. Теория судовых турбин. — Л.: Судостроение, 1985г. 472 с.

6. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчёт: М.: Машиностороение,4-е изд., 1991г. 512с.

7. Попов Н.С., Изотов С.П., Антонов В.В. Транспортные машины с газотурбинными двигателями,- Л.Машиностроение. Ленингр. 1987г. 259 с.

8. Богомолов E.H. Рабочие процессы в охлаждаемых турбинах газотурбинных двигателей с перфорированными лопатками. М.: Машиностроение, 1987г. — 160с.

9. Беляев И.Г. Эксплуатация судовых утилизационных установок. — М.:Транспорт, 1987г.- 175с.

10. Ермилов В.Г. Теплообменные аппараты и конденсационные установки.-Л.: Судостроение, 1974г —221с.

11. П.Курзон А.Г., Маслов Л.А. Судовые турбинные установки: Л.: Судостроение, 1991г. 192с.

12. Маслов Л.А. Судовые газотурбинные установки. -Л.: Судостроение, 1973 г.-400с.

13. Слободянюк Л.И., Поляков. В.И. Судовые паровые и газовые турбины и их эксплуатации.-Л.: Судостроение,!983г. — 357 с.

14. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки. — М.: Высш. школа, 1979г.-254с.

15. Асеньев A.B., Тырышкин В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами.- Л.: Машиностроение, Ленингр. Отделение, 1982г. — 247с.

16. Сорока Я. X. Теория и проектирование судовых газотурбинных двигателей. Л.: 1982г. — 111с.

17. Цанев С. В., Буров В. Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. — М.: Издательство МЭИ. 2002г. -584с.

18. Котляр И.В. Частичные и переходные режимы работы судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение, 1966г. - 286с.

19. Рыбалко В.В. Корабельные комбинированные энергетические установки, 1999. — 142с.

20. Гофлин А. П., Шилов В.Д. Судовые компрессорные машины. Л.: Судостроение, 1977г. - 272 с.

21. Рыбалко. В.В., Гончаров. С. П. Корабельные комбинированные энергетические установки. ВМИИ, СПб, 2003г. — 442с.

22. Артемов Г. А., Волошин В.П., Захаров Ю. В., Шквар А. Я. Судовые энергетические установки. — JT.: Судостроение, 1987г, 480с.

23. Клименко А. И. Транспортные газотурбинные двигатели. 1970. — 44с.

24. Селезнев К. П., Галеркин Ю. Б., Анисимов С. А., Митрофанов В. П., Подобуев Ю. С. Теория и расчет турбокомпрессоров. J1.: Машиностроение, Ленингр. Отделение, 1986. - 392с.

25. Курзон А. Г. Основы теории и проектирования судовых паротурбинных установок. Л.: Судостроение, 1974. - 535с.

26. Манушин Э. А. Комбинированные энергетические установки с паровыми и газовыми турбинами. Итоги науки и техники. Серия турбостроение, 1990, т. 4,- 179с.

27. Трояиовский Б. М., Филиппов Г. А., Булкин А. Е. Паровые и газовые турбины атомных электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1985 — 256с.

28. Castles G., Willett F.T., Reed G. Economic benefits of hybrid drive propulsion for DDG-51 class ships. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008. June 9-13, 2008, Berlin, Germany. GT2008-50053.

29. Aye N., McAndrews G., Mendenhall B. Marine gas turbine package for the Korean Navy PKX program. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008. June 913, 2008, Berlin, Germany. GT2008-50098.

30. Hatcher S. D., Driscoll M. J., Boughner A. L. Unique replacement method developed for the US navy's newest gas turbine powered warship. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008. June 9-13, 2008, Berlin. GT2008-50114.

31. Casson R., English C., Newman S., Timbrell L. Integrating MT30 into the UK's future aircraft carrier-power at the heart of the electric propulsion system. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008. June 9-13, 2008, Berlin. GT2008-50206.

32. Soares C. A handbook of air, land and sea application, Pb.Buttcrworth-Heinemann, 2007. p.750.

33. Saarlas M. Steam and gas turbine for marine propulsion, US Naval institute, Annapolis: Maryland, 1987. — p.39. http://books.google.ru.

34. Abbot J. W., Baham G. J. COGAS a new look at Naval Propulsion. Naval Engineering Journal, Oktober, 1974. -p.41-55.

35. COGES plant ordered for cruise ships offer 80% NOx reduction. Marine Engineers Review. June, 1998. -p. 21.

36. Kehlhofer R, Rukes B, Hannemann F, Stirnimann F, Combined Cycle Gas and steam turbine power plants. 3rd ed, Penn Well Publishing Company, 2009. -p.433.

37. Cohen H., Roger G.F.C., Saravannamuttoo H.I.H. Gas Turbine theory. Longman group Limited, 1996, 4h Edition. p. 442.

38. Lakshminarayana B. Fluid dynamic and heat transfer of turbomachinery. 1996. p.435.

39. Boyce M. P. Gas turbine engineering handbook. 3rd ed., 2006, Elsevier Inc. -p.935.

40. Razak A.M.Y. Industrial gas turbines performance and operability. 2007, Woodhead publishing Limited. — p.602.

41. Logan E. Jr., Roy R. Handbook of turbo machinery. 2nd ed., 2003, Marcel Dekker Inc. p.800.

42. Ganapathy V. Industrial boilers and heat recovery steam generators. Design, applications and calculations. ABCO Industries Abilene, Texas, USA, 2003, Marcel Dekker Inc. p.648.

43. Rainer K. Gas turbine performance. San Diego, California. 2005. p. 131 -146.

44. Colin R. The WR-21 Intercooled Recuperated Gas Turbine Engine Integration Into Future Warships, Proceedings of the International Gas Turbine Congress. Tokyo, November 2-7, 2003.

45. Gresh T. M. Compressor performance Aerodynamics for the User. 2nd ed., 2001.-p.201.

46. Badeer G. H., GE's LM2500+G4 aeroderivative gas turbine for marine and industrial application. LM™ product marketing leader. Industrial aeroderivative gas turbine. 2005, GE Company, www.geae.com.

47. Boyce M. P., Handbook for cogeneration and combined cycle power plants. The American Society of Mechanical Engineers, 2004. p.560.

48. Ganapathy V. Waste heat boiler deskbook. 1991, the Fairmont press Inc. -p.399.

49. Rangwala A. S. Turbo Machinery dynamics design and operation. 2005, McGraw-Hill Companies, - p.535.

50. Walsh P. P., Fletcher P. Gas turbine performance. 2nd ed., 2004. p.631.61. www.nzl.ru.62. www.natmus.dk/cons/tp.