автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Принципы создания перспективных высокотемпературных газотурбинных и газопаровых установок

£661 <ШУ 5 - ' '

и ЛСАШТЯПЕТТЗ'БУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ у 0 9-1(3 УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТИХОШЛВ Виталий Г^ьевич УДК 621.165.01:621.438.082.0l/00IЛ8/:666.3-135 .

ПРИНЦИПЫ СОЗуХАНИЛ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУР1ШХ ГАЗОТУРБИННЫХ И ГАЗОПАРОВЫХ УСТАНОВОК -

Специальность 05.04.12 - ТУрбомашшш и турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени • доктора технических наук

Санк т-Пе тер<< ур г 1993

РабЬта выполнена во Всесоюзном иаучно-исследовательском технологическом институте энергетического машиностроения (ВШТИ Внергомаш).

Официальные оппоненты: академик СПб ИА1

доктор технических наук, профессор В.А.Иванов; доктор технических наук, профессор Б.А.Тихомиров; доктор технических наук, профессор Л.С.Венцшис.

Ведущее предприятие АО Ленинградский Металлический заво,

Защита диссертации состоится

.. уу«

Оияя 1993г. в часов на заседании специализированного совета

по защите диссертация на соискание ученой степени доктора наук (шифр соЬета Д 063.38.05) при Санкт-Петербургском государственном техническом университете го адресу: 195251, Г.Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, Главное здание, ауд. 25-1. -С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан. -С-Ь'¿-199 Э г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 063.38.05,

доктор-технических наук,

профессор И. П.Фаддеев

\

OEüym ХАРАКТЕП-.СТИГА РАБОТЫ

Актуальность. В рамках международной неправительственной рганизаиии "Форум учёных и специалистов за советско-амориксн-кий диалог" в стрене осуществляется крупномасштабный мяждуня-эднкй Проект "Высокотемпературные газотурбинные технологии яя энергетики и транспорта".

Ряд крупнь-х программ Проекта ориентирован на созданий ново-з поколения отечественных m/соксзконсшмнкх экологически чистых 1зотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинньгх установок (ГТУ) о ¡талями и узлами из жаропрочных неохлакдоемых конструкционных ;рамических и композиционных материалов (ЮСМ).

Дальнейшее существенное повышение тепловой экономнчностн и ¡ологичности теплоэнергетики могет быть достигнуто практически >лько в комбинированкмх гаэопяровнх установках (ГПУ) с исполь->ванием прогрессивной высокотемпературной газотурбинной твхно->гии. Это является общепризнанной тенденцией развития мирового 1ергомаиинострсения.

Не менее актуально применение высокотемпературных газотур-ihhhx технология при создании газотурбинных гезолерекачиваттс •регатов (ГПА), ГТД и ПУ для авиации, морского, «елезнодорож-iro и автомобильного транспорта.

За рубежом, в рамках национальных программ CEA и Японии, a кже региональное европейской программы ум изготовлен« и истины экспериментальны* образин керамических ГТД с начальной тем-ратурой газон 1370-1400°С и КПД до 46-4^3. Эти ГТД разработаны изготовлены известными фирмами: Даймлер-Бенц (5РГ); Аллиоон, ррет, '✓орд, Д^рнррпл Моторс (COA){ IUI, Iffll, УЕД (Япония) и др.

Проблемы создания вмеокотенперзт^ркы/ ПТУ и ГПУ решаются кже о ряде отечественных организаций: Санкт-Петербургском тех-ческом университете, МГГУ, ЦСПЛ, ВТИ..МЗЙ, ЩАМ, КАИ, JIM3, НЗЛ, МЗ, DT3 и др. С 1989г. по ВПИТИ 2М проводятся работы по соэда-п экологически чистого керамического газогенератора для ГТД щностьв 2,5 1«3т,

Проблемы осуществления Проекта "Высокотемпоратурныэ газо-рбиннме технологии для энергетики и -транспорта* обусловили тувльность разработок принципов и концепций создания высоко-мп«рптурных ГТУ и комбинированных ПТУ.

Цель рьботи. Определение и научное обоснование принципов создания перспективных высокотемпературных ИГУ и комбинированных ГПУ и в целом концепции. Эта цель определяет комплекс задач, поставленнцх и ревенных в диссертации. Важнейшие из них -- следующие:

обоснование и теоретическое исследование обобщённого термодинамического цикла высокотемпературной газотурбинной установки с адиабатными турбинами, открывшего возможность достижения максимального КПД посредством регенерации;

оптимизация параметров и структуры высокотемпературных ПГУ обобионного термодинамического цикла с регенерацией;

обоснование и теоретическое исследование термодинамического цикла высокотемпературной комбинированной ГПУ бинарного типа на основании принципа возможности снижения потери работоспособности о нижней ступени зе счёт высокой степени регенерации в высокотемпературной верхней ступени комбинированной установки ;

оптимизация параметров и структуры комбинированной ГПУ, оценка влияний на КПД и удельную работу комбинированного цикла концевой и промежуточной регенерации и дополнительного подвода теплоты перед котлом-утилизатором;

обоснование И исследование оптимальных структур высокотемпературных мощных ГТУ открытого цикла с керамическими элементами на основании нового принципа многопоточности, каскадности, модульности;

обоснование положений двухмерной теории турбомаиин на основании нового принципа преобразования системы координат, используемого при моделировании вихревого течения вязкой жидкости;

обоснование и исследование сетевого планирования и управления процессами проектирования и создания перспективных высокотемпературных ГТУ и комбинированных ГПУ на основании нового прш ципа имитационного моделирования - прогона фронта работ сетевой модели и синхронного воздействия на модель дестабилизирующими и управляющими факторами;

обоснование теоретических и расчётных методов анализа и исследования высокотемпературных ГТУ и комбинированных ГЛУ, а также прогнозирования тенденций развития ГТУ и ГПУ;

г

теоретические и расчетные исследования математических моделей разработрнних объектов.

Общая методика исследования. Для решения поставленных задач и проблем в работе применялись теоретические и точные расчётные методы, расчётные эксперименты с использованием вычислительной техники, результаты систематических наблюдений и статистических обеднений.

Научнея новизна полученных результатов состоит з определении и обосновании принципов и концепции создания перспективных высокотемпературных ГТУ и комбинированных ГПУ. .

Б результате выполненных исследований зперзьга установлено следующее:

предельней КПД высокотемпературной ГТУ достигается только за счёт всех успешных методов увеличения показателя технической эффективности (по ФлоЯду), в том числе регенерации теплоты;

максимальный КПД высокотемпературной ГТУ и его стабильность в широком диапазон« значений степени повышения давления обеспечивает промежуточная регенерация при оптимальных параметрах термодинамического цикла;

снижение потери работоспособности в нижней ступени комбинированной ГПУ бинарного типа и повышение тепловой экономичности установки могут быть достигнуты за счёт регенерации в высокотемпературной верхне- ступени ГПУ)

мошная ГТУ открытого цикла с высокотемпературными керамическими элементами может быть создана на основании использования ИИ-принципа, т.е. принципа многопоточности, каскадности,модульности, который удовлетворяет масштабному фактору и обусловливает надёжность, длительную термопрочность и ряд других важных характеристик высокотемпературных деталей из ККМ;

•рабочее тело высокотемпературных турбомаиин имеет большую вязкость и понижеянуп сжимаемость, что обусловливает необходимость учитывать в двухмерной теории турбомашин завихренность течения и вязкость несжимаемой жидкости. Такой учёт осуществлён на основании математической модели, полученной впервые с использованием в качестве естественной системы координат ортогональной сетки базового потенциального течения;

управление процессами жизненного-цикла высокотемпературных ГГУ и комбинированных ГПУ,•в частности, процессами научных исследований, проектирования, технологической подготовки производства

3

и изготовления возможно на основе оригинальной прогонки фронта сетевой модели. Оценка временных параметров сетевой модели впервые осуществлена с наперёд заданной точностью при помощи энтропии Шеннона;

прогнозирование тенденций развития ГТУ и комбинированных ГПУ необходимо и принципиально возможно на основании математическо модели Флойда с использованием разработанных в диссертации обобщён ных показателей технической эффективности.

Основные положения, выносимые на защиту. Аптор защищает теоретическое решение и обобщение крупной научной проблемы - обоснование указанных принципов и концепции, имеющих решающее значение для осуществления Проекта "Высокотемпературные газотурбинные технологии для энергетики и транспорта" и.Программы, утвержденной Распоряжением СИ СССР от 9 сентября 1903г. Г- 1С10р.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Созданы новые оптимальные структуры высокотемпературных ГТУ и ГПУ с керамическими деталями, которые, благодаря найденным глубоко принципиальным решениям и изобретениям, обеспечивают повышение КПД ПГУ до 50-55?. и КПД комбинированных ГПУ бинарного типа - свище 60

Впервые во ВШТИ Энергомаш по задания Правительства раэработо ни проекты и создаются опытные образу высокотемпературных ГПА с керамическими элементами. В этих ГПА аоплвдон принцип многопо-точности, каскадности, модульности, обоснованный в диссертации.

Апробация работы. Основные положения, результаты роботы,выводы и рекомендации сопоставлены с результатами скрупулёзных расчё ных экспериментов и с результатами, достигнутыми в мировом газотурбостроении.

Материалы и результаты провсдрнпых исследований доложены в 1988-1991гг. на: НТС ВШИ Энергомнп и ВШТИ Пнергокаш; на научно-технических семинарах по керамическим тепловым двигателям НИЦ КТД ВНИТИ Энергомаш; на семинарах секции .судовых турбинных установок ЦП НТО имени академика А.Н.Крылова; на Всесоюзной конференции "Применение керамических и композиционных материалов".

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы ь 19 научных изданиях и в 3 отчётах о научно-исследовательской работе. На 4 разработки выданы авторские свидетельства Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР. На

3 заявки имеются решения о выдаче авторских свидетельств. *

Структура и объём работ». Диссертация состоит из введения, ести глав основного содержания с выводами по каждой главе, общих ыеодоп, списка литературы, содержащего 197 наименования,и при-оженил. Работа изложена на 2ВТ страница основного текста, ллюстрирована 67 рисунками. Приложение состоит из 28 траниц машинописного тексте.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении выполнен анализ задач созда-ия и развития ГТУ и комбинированных ГПУ. Показано, что основной енденцией развития всех без исключения ГТД и ГТУ является неуклон-ое увеличение начальной температуры газов, достигаемое за счёт нтенсивного охлаждения металла и применения керамики.

В рамках междунеродной неправительственной организации ^орум учёных и специалистов зп советско-американский диалог" в тране осуществляется крупномасштабный международный Проект "Внсо-отемпературныя газотурбинные технологии для энергетики и трансорта". Ряд крупньгх программ этого Проекта ориентирован на созда-ие нового поколения отечественных высокоэкокомичных экологичес-и чистых ГТД и ГТУ с деталями и узльми из жаропрочных неохлаждае-ых. конструкционных керамических и композиционных материалов.

Концпици;; Пропита полностью соответствует "Программа научно-сследовательских, технологических и опытно-конструкторских работ о сЬзданию НГО "Онергомаш" и Минтякмашем СССР газоперекачивающих дизельных двигателей с жаропрочнкми узлами и деталями из конструк-ионных керамических и композиционных материалов нь 19оО-199[) го-ы", осуществляемая рядом организаций, в том числе и ВНИТИ Энер-омага - ведущей организации, координирупшей выполнения всех,работ.

Проблемы осуществления указанию; выше програш обусловили ктуальность разработки принципов и на их основе концепции созда-ия высокотемпературных ГГУ и комбинированных П1У.

Глава I . Разработка и исследование термодинамикес-их циклоп ГТУ с регенерацией. Основной тенденцией развития ГТУ удет по-прежнему позмгение начальной температуры газоэ. В бли-аПшке годы эта тенденция сохранится практически только за счет нтенсивного охлаждения металла высокотемпературных элементов ГТУ. днако в перспективе Ексокотемпературшдх ГТД уяе реально просмат-иваятся но ада возмоадости повыяенпя начальной температуры газов связи с некоторыми успехами в области термостойких конструкцион-

них керамических материалов применительно к камерам сгорания, газовым турбинам и теплообменнмм аппаратам. Большое практическое значение использования в ГТУ ШМ обусловило актуальность постановки и решения задачи разработки и исследования элективных термодинамических циклов и новых принципиальных схем высокотемпературных ГТУ с адиабатными (иеохлаждаеммми) турбинами, наиболее подходящих для использования конструкционных керамических материалов.

Теоретические и скрупулёзные расчётные исследования автора показали, в частности, что значительное увеличение начальной температуры газов при высокой оптимальной степени повдаения давления в простом термодинамшеском никло не обеспечивает кардинального решения проблемы повышения тепловой экономичности перспективных высокотемпературных ГТУ. Ото означает, что простой высокотемпературный цикл термодинамически недостаточно эМектииен. Рральный КПД такого цикла значительно меньше теоретического предела.

Существенное приближение к теоретическому пределу тепловой экономичности может быть достигнуто исключительно зг< счёт использования всех средств оптимизации-высокотемпературного термодинамического иикла ПГУ о адиабатньмн турбинами, в том число регенерации, промежуточного охлаждения при сжатии, прожиточного подогрева при расширении И утилизации теплоты уходящих газов.

Анализ опита газотурбостроения и теоретические исследования показали, что регенерация теплоты и термохимическая регенерация является весьма важными и ничем практически незаменимыми средстаа-ми достижения высокой теплйвой экономичности и экологичности высокотемпературных ГТД и ГТУ, Кроме этого, регенерация теплоты является эффективным средством значительного снижения оптимальной степени повышения давления в цикле высокотемпературной ГТУ и,следовательно, средством существенного упрощения конструкции и снижения стоимости турбомашин и повышения их экономичности за счёт уменьшения числа ступеней компрессора и турбины.

Перспектива использования в высокотемпературных ГТУ термопро' ных ККМ знаменует собой возможность устранения, наконец, существующих ограничений по максимальной температуре при входе в регенера юр, препятствующих- увеличению Начальной температуры газов в газо турбинных установках с металлическим регенератором. Однако при этом возникает встречная проблема обеспечения надежности высокоте лературных керамических элементов ГТУ, обусловленная жесткими тре 6

званиями масштабного (Тактора. Установлено, что решение этой пробло-I сопрявдно со значительным уменьшением объема, поверхности и .змероя керамических деталей камер сгорания, газовых турбин, ре-:нероторов и др.

Установлено, что термодинамический цикл РТУ с промежуточной ¡генерацией обеспечивает существенное уменьшение теплообменной 1верхности и размеров регенератора за счёт повышенных раздели-.'льного давления и плотности недорлспиривюихся газов при входе газовый тракт теплообменного аппарата. Именно поэтому цикл ГГУ промежуточной регенерацией в наибольшей мере отвечает задаче внед-!ния в высокотемпературные перспективные ГГУ тпрмопрочннх конст-'кциокных керамических и композиционных материалов.

Теоретическое и расчетное исследование математической модели !рмодикомического цикла ГГУ со "скользящим" разделительным давле-|ем при вход" п регенератор и оптимизация параметров и структуры (сокотеглтеротурной газотурбинной установки привели к разработкам ¡общинного цикла ни уровне нового принципа создания высокотемпе-1турных ГТУ. Сущность этого приичипп заключается в том, что гло-1льный максимум КПД цикла ГГУ с регркерппией и стабильность КЦД широком диапазоне значений степени повыпения давления могут л-ь достигнуты исключительно за счет промежуточной регенерации >плоты, реализуемой при установленных оптимально параметрах и 'руктуре высокотемпературной газотурбинной установки с адиабат-ми турбинами,

• На рис Л представлены три схемы ГТУ с регенерацией и соответ-■вующие им термодинамические циклы в Т,$ -диаграмме. Все схемы :ловно выбраны одновалъными и состоящими из одинакового числа эле-¡нтов: воздушного компрессора I, регенератора рекуперативного ти-1 2, камеры сгорания 3, компрессорной газовой турбины 4 и силовой 130В0Й турбины с первым 5 и вторым С отсеками, включенными по га-5вому тракту последовательно.

Схема и цикл К соответствуют приблизительно атмос<3«рному разительному давлению и традиционной ГТУ с конпевым регенератором.

Схема и цикл 0 соответствуют "скользящему" разделительному ¡зленил и разработанному обобщённому циклу с концевой или промеяу-зчной регенерацией, й зависимости от величины разделительного дя~ тения.

Схема и цикл Б соответстпупт разделительному давлению, обус-зрленночу балансом мощностей компрессора I и компрессорной турби-г 4, и известной ГТУ с промежуточной регенерацией.

На графике зависимости эффективного КПД ГТУ ту от степени

понижения давления в отсеке 6 силовой турбины С/Гт' , полученном

при условиях = ¿Ыет , Ъ^со/ет . в = ¿Ые/п . "

- степень повышения давления в компрессоре; V = Та /~ температурный коэффициент; — Т3)/(Т^/ - ^) - степень регенерации: - давление; Т - температура; точка 0, принадлежащая циклу 0, зафиксирована условно при коирдинатах ^егпл-х ' ' В общем случае оно является текущей точкой и моу.ет находиться в л>. бой части графика, в том числе и на его концах, принадлежащих циклам К и Б.

Обобщённый цикл высокотемпературной ГТУ исследован как термодинамическая система с дополнительной степенью свободы, обусловле1 ной переменным (скользящим) разделительным давлением. В качестве дополнительной независимой координаты системы вьбрань и использове на степень понижения давления Я~гз = , пропорциональная

степени наддува регенератора З^^/Ь /р^ , где р^ и ^ -

- давления рабочего тела разделительное и окружи юс.еП среды.

Изучены три важные схемы ГТУ-Р, РО и РОП, где аббревиатура обозначает следующее: Р - регенерация, 0 - промежуточное охлгждеш при сжатии и П - промежуточный подогрев при расширении.

Теоретические и расчётные характеристики термодинамических циклов высокотемпературных ГТУ Г}е-Ие/Сс£т О^) " ¿4 = Л/е /ва , где ^ , д/, - элективные КПД и мсцность; О^ - низшая теплота сгорания топлива; ^ Сят/Оа ; ¿7 , &в ~ массовые секундные расходы топлива и воздуха, получены для модификаций К,О,Б каждой из схем Р,Р0 й РСП.

На рис,2 представлены расчётные графики функций 1

Не С^к ^тз) ' На К0Т0РЫХ чётко видны локальные максимумы "*1е те*-х • определённые при оптимальных значениях .

Такие максимумы характерны для термодинамических циклов ГТУ по с:« мам Р, РО и РОП, Они отражают существенное влияние на хорактерист! ки обобщённого термодинамического цикла новой независимой координ!

ТЫ •

Представленные на рис.2 графики получены, и частности, при ^ - 288 К; Т3 - 1773 К; С = 0,85; 0,85; ^ = 0,87;

у - 0,98; Чс * 0.98; - 0,83 для схемы Р и £ = 0,01 для схем РО и РОП, где и - адиабатные КПД турбомашин •

компрессора и газовой турбины; - механический КПД; у - кот фициент полноты сгорания топлива; £ - коэффициент сохранения давления в воздушно-газовых трактах ГТУ. £

На рис.З изображены обобщённые характеристики циклов ПУ, ричём функция представляет собой зависимость локального

аксимума ^г/ям I значения которого получены на основании ис.2, от 37н . Таким образом, максимум функции 71е('7Г1<) на рис. представляет собой глобальный максимум ^^ функции

Уе^к, Характеристики ¿^.¿^соответствуют гра-

икам на рис.2.

Геометрия характеристик на рис.3 свидетельствует о существо-алии у функций и ^(^З^стациснарных точек. Напри-

ер, на кривой б графика функции уе (я^) , относящейся к модифика» ии 0 цикла ПУ по схеме Р, определена величина глобального макси-ума тах" 0,4646, которая больше величины максимума

УетА-х ~ 0,4600, принадлежащего кривой 3, относящейся к клас-ической модификации К,

Координаты стационарных точек определены также теоретическим утём.

Аналогичные характеристики получены для ряда других значений зходных данных, в том числе и начальной температуры газов.

Результаты выполненных исследований и их анализ явились осно-элием для проектных и конструктивных разработок согласно сформу-лрованному внве принципу.

На рис.2 и 3 видно, что промежуточное охлаждение при сжатии промежуточный подогрев при расширении совместно с регенерацией 5ЛЯВТСЯ также эффективными средствами повыяения КПД и удельной адностй обобщённого термодинамического цикла высокотемпературной ГУ.

Теоретические исследования показали, что по сравнении с концэ->й промежуточная регенерация обеспечивает более высокую среднюю (мпературу подвода теплоты в термодинамическом цикле ГТУ и болеэ 1зкую среднюю температуру отвода теплоты. Именно в этом и заклю-1ется основная причина сравнительно высокой термодинамической вф-1Ктивности цикла ГТУ с промежуточной регенерацией.

Принципиальная особенность оптимальной с точки зрения тепло» 1Й экономичности ГТУ с промежуточной регенерацией состоит в том, о в схеме газотурбинной установки отборы полезной мощности осу-ствляются от обеих турбин - высокотемпературной Т1, включённой | промежуточного регенератора, и низкотемпературной Т2, включён-й за ним.

Расчётные исследования показали, что КПД перспективных высокотемпературных ГТУ с керамическими деталями и с промежуточной регенерацией может быть получен на уровне 50-55$ при начальной температуре газов не вдае 1500°С и степени регенерации не более 65%,

Глава 2 . Моделирование высокотемпературных ГТУ и их элементов. Разработка принципов создания высокотемпературных ГТУ и комбинированных ГПУ основана на использовании теоретических и точных расчётных методов исследования математически моделей, расчётных экспериментов с применением вычислительной техники, результатов систематических наблюдений и статистических обобщений.

В выполненном исследовании разработаны математические модели, методология исследований и точных термодинамических расчётов, а также алгоритмическая основа численных экспериментов.

Теоретические вопросы моделирования рассмотрены в аспектах общих свойств моделей и особенностей моделирования - имитационного и кибернетического.

Разработана компактная универсальная аппроксимация таблиц термодинамических свойств воздуха и продуктов сгорания топлив

У ~ X гхр (а. + ¿>х/7'),

где у - прямыеуиЬ , £пгЛ0(ь) или обратные Ь(р'Ь) .

^(^/ь У^у интегральные термодинамические функции, определённые в специальных таблицах при каком-либо фиксированном значении параметра состояния газа ^ , зависящего от состава продуктов сгорания, лежащем в пределах от 1,0 до 1,5; X - аргумент; а, в,/г-

- параметры аппроксимации; учк. - киломольная энтальпия, кДгУкмол

- температура, °С; уи. - молекулярная масса, кг/кмоль; ")Г0 -

- относительное давление.

Зависимости прямых и обратных функций у от параметраучте ны двумя способами, имевиими практическое значение г при помощи линейной функции

где индексы вин относятся к аппроксимациям у соответственно для воздуха / уй ■ 1,0/ и "чистых" продуктов сгорания / р •= 1,5> при помощи функций Я-« '¿?(р) И .

Постоянные аппроксимации а, в, определены аналитически на базе трех заданных табличных значений {{/¿, • ¿= 1.2,3, удовлетворяющих условию Хл — }/Х) Х3 40

. С*1 - % Ъ3 п - *)/&>г {х3 /Х,)\

- у ^ - &^/л;-; , ¿«1,2,3.

Кроме зтого, получены зависимости у9 /Э^Ы.) и це оС - коэффициент избытка поядуха в продуктах сгорания.

Величина относительной погрешности-всех аппроксимация может ыть получена сколь угодно малой, но выходят.ей за пределы 0-0,005.

Разработана методология теоретического и расчётного исследова-ия характеристик обобшённого термодинамического цикла высокотемие-1турН0й ГГУ с адиабатными турбинами и турбинами, работающими С вешним теплообменом (охлаждением и подогревом).

В математическую модель термодинамического цикла высокотемпе-втурной ГГУ введена дополнительно важная независимая координата, арактеризуюиая степень адиабатности высокотемпературной газовой урбины, представлявшая собой отношение температур у охлаждаемой турбины и 2?под = Т4под//'Г4 ~ у подогреваемой турби-ы, например, у турбины со сгоранием топлива непосредственно в ке-эмической проточной части. Новая независимая координата обеспечи-зет оптимизацию характеристик ГТУ с учётом внешнего теплообмена высокотемпературных газовых турбинах. Необходимость такого моделирования обусловлена возможностью использования в высокотемпера->'рных ГГУ различных термостойких конструкционных материалов -•таллических сплавов, термобарьерных покрытий в сочетании с метал-гсескими сплавами, керамики и композитов и, следовательно, воз-жностыэ варьирования степени адиабатности турбины, как например, следующих случаях: интенсивно охлаждаемых жаропрочных металлкчес-IX сплавов ~ ^охл МИНИМУМ I» умеренно охлаждаемых жаро-

>очных металлических сплавов с термостойкими термобарьерными покры-!ями. I > ^охл ^охт минимум;неохлаждаемых керамики и компотов 2^0ХЛ = I; -подогреваемых керамики и композитов ^ Разработана математическая модель высокотемпературной газо-!Й турбины, в которую введена новая независимая координата и ко-|рая учитывает э(}^екты от взаимодействия процессов распирения с ением и внесшего теплообмена. На основании этой модели получены счнённые соотношения для определения работы газовой турбины о есним теплообменом Нт охл или Нт П0Д и количеств теплоты, отво-мой при охлаждении турбины ^охл или подводимой при еэ подогра-^под' Например,-для охлаждаемой турбины уточнённый соотноси?-я имеют вид:

НТ ОХЛ ' °Р ^БХ > V ПОЛ ОХЛ

где

Н' ОХЛ ■ Ср ^'вх ОХЛ 'У"ОХЛ'

£охл - - Ят)/(Я/^) - коэффициент

поторь охлаждения; ср - изобарная теплоёмкость; Я - газовая постоянная; к - показатель иэоэнтропы; Твх - температура при входе в тур бину; - степень понижения давления в турбине; Пол ~ поли"

тропный КПД турбини.

Важно отметить, что полученные общие выражения для функций •~А)хл и ^"под в час,ГИ1К случаях приводятся к известным соотношениям, определяющим коэффициент возврата теплоты и работу при изотермическом расширении,

Использование в математической модели высокотемпературной ПТУ полученных новых выражений для работы турбины и количества теплоты обеспечило учёт вариаций независимой координаты или У^роп и повьшение точности расчётов. Например, снижение относительной ошибки при определении работы турбины с внешним теплообменом составляет величину, равную I/ ^ пол - I.

Разработана математическая модель структуры потоков в ПТУ, которая обеспечивает высокую точность расчётов термодинамического цикла газотурбинной установки за счёт учёта во всех узловых точках ^ этого цикла изменений коэффициента избытка воздуха

У <> ^ /Ч,

где - теоретически необходимая масса воздуха для сжигания I ю топлива, В высокотемпературных РТУ такие изменения значительны. Они обусловлены отборами из компрессоров и сбросами в высокотемпературные гааовыа турбины больших количеств охлаждающего воздуха, вводами в камеры сгорания больших количеств топлива, утечками воздуха и газов. Кроме этого, в связи с зависимостью изобарной теплоёмкости газов от температуры в высокотемпературных ГТУ значительно влияние на параметры состояния рабочего твлв параметра состава^ который непосредственно определяется коэффициенты.! избытка воздуха. Существенный вклад в поншенип точности термодинамических раса

ётов даёт учёт влияния коэффициента избытка воздуха на молекуляр-[ую массу рабочего тела.

Разработана алгоритмическая модель термодинамического цикла омбинированной ГПУ. Её верхняя ступень представляет собой высо-отемпературную ГТУ с регенерацией, промежуточным охлаждением при жатии и промежуточным подогревом при расширении. Нижней ступенью ПУ служит паротурбинная'установка с котлом-утилизатором, рассчи-аннал на умеренные параметры водяного пара.

Алгоритмическая модель предназначена для выполнения числен-ых экспериментов с использованием вычислительной техники. Она до-ускает изменение в заданных пределах своей структуры, что обеспе-ивает возможность выполнения расчётных исследований применительно

12-ти вариантам термодинамических циклов высокотемпературных ГУ по схемам без регенерации теплоты, Р, РО и РОП.

Глава 3 . Разработка имитационной модели двухмерного

ихревого течения вязкой жидкости для_высокотемпературных

азовых турбин. Сильное влияние КПД компрессора и турбины на тепло-ую экономичность и удельную мощность ГГУ обусловило проблему не-клонного развития двух- и трёхмерной теории турбомашин, основное »значение которых - служить научным базисом и обеспечивать соэда-ие надёжных и высокоэкономичных турбомашин.

Несмотря на большие успехи аэродинамики компрессоров и газо-лс турбин, достигнутые главным образом в связи с широким использо-шием аэрогидродинамических экспериментов и ЭВМ, теоретические :пекты этой проблемы всё еиё ожидают своего решения. Актуальной з-преянему остаётся разработка двух- и трёхмерной теории тече-1я а высокотемпературных турбомашинах.

Исследования показали, что аэрогидродинамика турбомаяин висогго-'мпературных ГТУ имеет, наряду с известными, недостаточно иэучен-и существенные особенности, которые нужно учитывать в двух- и >ёхыерной теории. Эти особенности обусловлены следушими причина-

В соответствии с известной формулой Сатерленда уИ = С0П.ъ1 [ тЗ/2 / ст + С) J ,

1е для воздуха С = ПО К, динамический коэффициент вязкости увеличивается с возрастанием температуры. Например, при увеличении мпературы воздуха от 1000 до 1800°С величина уо- возрастает в 34 раза, а величина кинематического коэффициента вязкости

у> «= ju- Jf> , где f - плотность газа, при условии fr ~ ш comí, ьоарастает в ещё большей мере, - в 2,16 раза.

Из основного уравнения механики жидкости и газа Навье-Стокса

f = f>~F-graU(jb -t- JLyz¿ c¿¿y V) ч- 2. ^¿v^é),

где V- вектор скорости; -¿. - время; F - вектор массовых сил; 5 - тензор скоростей деформаций; /> ~ давлениэ,

Непосредственно следует, что с увеличением уК роль слагаемых, зависящих от вязкости, возрастает. Отбрасывание этих слагаемых С целью упростить математическую модель, как эти принято в двухмерной теории турбомашин, при высоких температурах газа и, следовательно, при больших значениях вязкости становится грубим И необоснованным допущением.

Кроме этого, при уьеличешш температуры газа заметно уменьшаются критерии динамического подобия газовых потоков - число Рейнольдса = V С ¡S) и число Маха Ü- v/KTrt , где

- характерный линейный размер, что такте неоСходими учитывать при разработках математических моделей проточных частей высокотемпературных турбомашин.

Современная двухмерная теории и вытекающие из üfiü аналитические методы расчёта решёток профилей турбомишн осноианм на использовании фундаментальной гипотезы Ирьндтля. Согласно этой гипотезе, движение жидкости s окрестности тьйрдого тола мо.кно разделить на две части: на область очень тонкого пограничного слоя вблизи тела, где трение играет сущестьвнпу» роль, и ни область пне этого слоя, где трением можно пренебрегать. НеучВт трения приводит к простейшей вэрогидродинамической модели потенциального движения кипи ости, которая описывается известными ураьпениями:

üUv\'m О, ГО ¿¡¡К О.

Именно на отой математической основе построена двухмерная теория турбомашин. Этапами теоретического решения, известной прямой задачи, когда определяется обтекание профиля заданной формы, расположенного в решётке, потоком вязкого'сжимаемого газа, являются: определение поля скоростей потенциального течения несжимаемой жидкости через решётку; расчёт пограничного слоя Ирандтля; учёт сжимаемости жидкости; определение профильных потерь в решётке.

Прямая задача по существу является внешней задачей гидродинамики, то есть задачей изучения обтекания тел безграничным потоком

идкости. В действительности же, и это важно подчеркнуть, задача эучения обтекания решёток профилей, система межлопаточных каналов оторых представляет собой проточную часть турбомапины, является нутренней задачей гидродинамики, то есть задачей изучения течения идкости, окружённой твёрдыми стенками.

В газотурбостроении многочисленными наблюдениями установлено, то потоки воздуха и газа п турбомашинах ГТУ всегда являются тур-улентными и вихревыми во всей области течения. Диссипация энергии турбомашине происходит по всему сечению межлопаточного канала гшётки профилей, а не только в пограничном слое. Поэтому исполь-уемал в двухмерной теории турбомашин математическая модель потен-иального движения жидкости неадекватно отражает сущность действи-эльних процессов и, следовательно, является некорректной и нужда-гся в уточнении.

В выполненном исследовании решена актуальная проблема - разра-отка основных положений двухмерной теории турбомашин з рамках ^утренней задачи гидродинамики на основании нового принципа пре-5разования координат, обеспечивающего моделирование вихревого те-зния вязкой несжимаемой жидкости без разрушения существующей кон-*пции двухмерной теории, то есть с сохранением преемственности горий, и ^нрариантность \<ате;.;яти"еских моделей.

Сущность нового принципа заключается в аргументированном пре-5разовании переменных ¿^ » *?(х,у) в двухмерном

завнении переноса вихрей

9йФ . ЭЧ> ЭйФ ОФ ЗЛУ _ илл„.

^ » ^(х,у) - функция тока плоского вихревого течени^яэ-зй несжимаемой жидкост^ определяемая соотношениями Ух » ,

У = —; Д = . + —- двухмерный оператор Лапласа; у эх 5>У2

^х ~ проекции на оси координат вектора скорости вихревого ;чения вязкой жидкости. Переменные являются сопряжёнными

>рмоническими функциями и служат в двухмерной теории турбомаиин зответственно потенциалом скоростей, определяемым соотношениями

ш = , уу = , и функцией тока плоского потенциаль-

* ЭХ У э ^ _

зго течения несжимаемой жидкости, определяемой соотношениями

уух - , и/у = - , где И/ и Н/ - проекции на оси

эординат комплексной скорости Ц/= \л/х + I Н^у гипотетическо-

з течения, которое в.выполненном исследовании считается базовым

зтенциальным течением несжимаемой жидкости. Отметим, и это важно

45

подчеркнуть, что в двухмерной теории турбомашин модель базового течения является основной, а в выполненном исследовании - вспомогательной, оп^здйлякик!.! вс"оот»рниук! (¡истоку коорглнат

Аналогично комплексной скорости базового течения У\/ определена комплексная скорость изучаемого вихревого течения V = V х + Цг •

Практическое использование в двухмерной теории указанного выше преобразования переменных кардинально меняет принцип решения задач и обеспечивает высокую результативность. Это показано на примерах применительно к частной форме уравнения переноса вихрей - к так называемому уравнению с заданной зивихренностью

эх2 Т( У

где 4-СУО- заданная функция,

которое получается при условиях = У'АА^ - 0. &ги условия

вполне уместны при изучении апостериори структуры вихревого течения без претензий на одновременное иэучеиие априори также ещё и его предистории, то есть эволюции вихревого течения вязкой жидкости, В результате которой сформировалась структура изучаемого течения по влиянием воздействия вязкости жидкости.

Путём разработанного преобразования переменных уравнению с заданной завихренностью удалось придать удобную для исследования форм

В этой форме уравнение легко решается методом конечных разностей в прямоугольной декартовой системе координат

. При

0тоы Прямолинейная ортогональная сетка $ = соп-; / и ¿^ * сеп3 В которой строится разностная схема решения последнего дифференциа; кого уравнения, в прямоугольной декартовой системе координат ОХУ в Общем случав является криволинейной ортогональной сеткой классичеа го потенциального плоского течения, рис,4.

Использование имитационного моделирования-позволяет варьировав допустимых пределах видом задаваемой функции При этом доп; стимие пределы и сам вид функции могут быть определены на основании обобщения опытных данных по полям скоростей Ух «= • V* (х.у) и . |Л. - К, (х,у) при помощи известного соотноше ни« . *

Путём дифференцирования функции = ^ £ гЛ(х,у), <^э(х,у) 3 получены соотношения = ( Vx - и/х)/и/г

и " ^х ^ х ~ ^у ^у) , из которых, в частности,

следуйт, что при условии О ^ » и,

следовательно, векторы Т^ и Й/* в этом случае коллинеарны. Таким образом, на основании допущения о совпадении линий тока базового потенциального и вихревого течений можно получить важное условие ^ *= М7 [¿>(х,у)} , которое обеспечивает преобразование указанных выше дифференциальных уравнений с частными производными в соответствующие обыкновенные дифференциальные уравнения. Интегрирование обыкновенных дифференциальных уравнений в этом случае осуществляется вдоль изолиний , то есть поперёк плоского вихревого

течения вязкой жидкости.

Таким образом, в разработанном принципиальном подходе к моделированию плоского вихревого течения вязкой несжимаемой жидкости важную роль играет модель гипотетического базового потенциального течения. В этом и состоит преемственность двухмерных теорий турбо-иагаин вновь разработанной и классической. Важное значение достигнутой преемственности теорий состоит в том, что получена уникальная возможность репать принципиально новые вопросы двухмерной теории турбомашин на основании широкого использования огромного арсенала банка зиаиий, добытых в течение десятилетий при помощи хорошо развитого математического аппарата аналитических функций.

■Глава 4 . Разработка и исследование перспективных высокотемпературных комбинированных парогазовь'х и газопаровцх установок. В настоящее время общепризнано, что сооружение в широких масштабах комбинированных установок (КУ) кардинально решает проблему повышения экономической эффективности и экологической чистоты теплоэнергетики.

Анализ современного состояния и перспективы развития парогазовых (ИГУ) и гаэопаровых установок (ГПУ) закономерно привёл к необходимости признать, наконец, что дальнейшее использование неэкономичных низкотемпературных ПГУ недопустимо и что в теплоэнергетике должно быть принято новое направление гтрекмуаествекного развития и широкого применения прежде всего комбинированных ГПУ бинарного типа с максимально возможной газотурбинной мощностью. Это направление соответствует Проекту "Высокотемпературные газотурбинные технологии для энергетики и транспорта".

Основные компоненты высокотемпературных комбинированных ГПУ бинарного типа, как выяснилось, следующие: в верхней ступени бинарного цикла - высокотемпературная ГТУ с регенерацией и с охлаждаемой водяным паром металлической газовой турбиной или с адиабатной керамической газовой турбиной, а в нижней ступени - паротурбинная установка (ПТУ) с умеренными параметрами пара. 1ГГУ может быть создана на базе освоенного промышленностью надёжного и относительно недорогого паротурбинного оборудования и котла-утилизатора (низконапорного парогенератора) с одной или несколькими ступенями давления. Аналогичная концепция применима в судовом газотурбостроении.

Таким образом, в новой ситуации надлежит вернуться к актуальной задаче комплексного исследования термодинамического цикла и структуры перспективных высокотемпературных комбинированных газопаровых установок. Основная цель поставленной задачи - разработка обоснованных конструктивных предложений по увеличению КПД перспективных комбинированных ГПУ и существенного упрощения га структуры на основе нового принципа создания высокотемпературных газопаровых установок бинарного типа.

Тепловая экономичность П!У характеризуется КОД, выраженным известной формулой:

или в относительных малых приращениях:

где 7гту и 7пт\> " »»утренние КПД соответствующих термод!

комических циклов ГПУ, 1"ГУ и ПТУ; jig- = QACf(QXc + - сте

пень бинарности; £jKC - теплота топлива, сжигаемого в камере crof ния ГТУ; $д0П - теплота дополнительного топлива, сжигаемого перед котлем; A??- относительные малые приращения соответст-

вующих КПД; AfigКj, Kg - коэффициенты влияния, причё;

К1 " 1 - -W ?гпу» «2 * 1 - Ггту /V 7гпу

В случае ^-доп = т0 есть ПРИ Уоловии •= I, комбинированная ГПУ становится чисто бинарной установкой.

В выполненном исследовании цикл комбинированной ШУ интерпретирован как термодинамическая система, состоящая из двух взаимосвя' занных термодинамических подсистем - циклов ГТУ и ПТУ. Из выражени

и

для ^гпу и следует, что КПД термодинамической системы опре-

деляется идентичными КПД её подсистем в соответствии с эмерджент-ностью свойств, то есть в соответствии с принципиальной несводимостью свойств системы к сумме свойств её составных частей и невыводимостью из последних свойств целостного объекта.

Исследование ГПУ с системных-позиций, и, в частности, учёт эмерджентности свойств системы позволило более глубоко изучить и понять сущность и источник феномена высокого КПД ГПУ и на этой основе обоснованно поставить и решить задачу оптимизации структуры и параметров подсистем КУ - ГТУ и ПТУ как взаимосвязанных частей целостного объекта, а также самого объекта - высокотемпературной комбинированной газопаровой установки бинарного типа.

В работе основательно изучена функция " ^пту ^ух^ •

где ТуХ - температура уходяших из ГТУ газов, поступагаих в котёл-утилизатор, выраженная как обычно в виде произведения ^Гтуа где = (Тух - Т6) / (Тух - Тх) - КПД утилизации; Т^ и Т6 - тем-

пературы при вхеде в когарессор ГГУ и при выходе из котла-утилизатора, рис. 5; - внутренний КПД паровой турбоустоновки.

На основании результатов обширных исследований и обработки статистических данных получена важная аппроксимация (рис.б)

где 7пту - максимальный КПД ПТУ с котлом-утилизатором, который может Сыть получен при данной температуре Тух в комбинированной ГПУ бинарного типа за счёт использования теплоты уходящих из ГТУ газов; = (Ю3К)"* (Тух - Тц) - безразмерная разность темпе-

ратур; а,в, П. - параметры аппроксимации. Например, в интервале Тух от 393 до 1000 К а = - 0,0763643, в - -0,7458476, П, = 0,8353203.

С увеличением начальной температуры газов Тд в ГТУ простого цикла температура газов за турбиной Т^ Г^х обтно увеличивается.

Исследования показали, что независимые переменные 0/~к, Т", <?* и р^ оказывают сложное влияние на температуру Тух. Для однозначного определения последней необходимо получить и использовать оптимальную величину ^ соответствующую максимальному КДД ГПУ.

При выборе оптимальных параметров ГПУ важно исходить из новых позиций, отвечавших пека ещё небольшим, но крайне важным успехам в создании термопрочных конструкционных керамических и композиционных материалов. В перспективе их применение в высокотемпературных газовых турбинах, в регенераторах и в других элементах ГТУ открыв' от путь к дальнейшему совершенствовании КУ, Именно с этой целью в

данной работе поставлена и решена задача оптимизации верхней и нижней ступеней ГПУ. При этом особое внимание уделено структурам ГПУ с минимальным, по возможности, числом ступеней в турбомашинах.

Регенератор в ПТУ, как известно, является сильнейшим фактором, влияющим на оптимальную по КПД степень повышения давления Cf^^ . В ГГУ с большой степенью регенерации величина С?"^ получается сравнительно невысокой и турбомашины - наиболее простыми и, следовательно, более надежными. Например, при Тд = 1Ь00°С и G"= 0,85

~ 1,то сУ'чественно меньше, чем в цикле ГГУ без регенерации.

Регенератор в ПГУ было принято считать неэффективным. Так оно И есть в области II00°C. Однако в данной работе доказано,

что при более высоких температурах Тд роль регенератора становится вполне положительной.

За счёт повышения температурц газов перед котлом можно существенно увеличить КПД ПТУ (рис.6). Идея сбрасывать в котёл отходя-шие газы ГТУ со сжиганием перед котлом дополнительного количества топлива известна и хорошо проработана.

В настоящем исследовании также изучена целесообразность дожигания перед котлом топлива, но применительно к новым условиям.

Установлено, что при условии I температура газов перед

котлом увеличивается от T¿¡_ до Тд (рис.5) и определяется равенством г- - К гЛе (КЯКГ1 (%-Т^/

- WJ ^-(QrlGr?)¡(cff/cfr

(j ~ расход газов; СрГ - средняя изобарная теплоёмкость газов; индекс д относится к параметрам потока газов зо камерой дожигания топлива, установленной перед котлом.

В действующих и перспективных отечественных ГГУ при начальной температуре газов Т3 в пределах от 785-920°С до 9Ь0-12&0°С температура за турбиной равна соответственно 330-430 и 4С0-545°С. При указанных температурах Т КПД ПТУ находится п пределах (рис.6) 0,16-0,28.

В высокотемпературных П'У сложного термодинамического никла IOOA и 100В, разработанных в Японии в соответствии с государственной программой "Лунный свет", Т3 = 1300 и I400°C, а \ = Тух равна соответственно 608 и 660°С. При этим КПД ПТУ увеличился до 0,305 и 0,325.

Максимальная температура перегретого пара Тп в паротурбинных блоках высокого давления находится на уровне 540-570°С. И только в 20

отдельных, исключительных, случаях реализована температура ТП=650°С, С понижением давления пара Рп до 9-4 МПа максимальная температура Тп снижается до 480-500°С.

Сравнение указанных вше температур Тух и Тп показывает, что разность Тух - Т^ находится в допустимых пределах и обеспечивает при соответствующих давлениях пара необходимый температурный напор Л во всех элементах котла-утилизатора. Однако в перспективе

за счёт значительного увеличения Тд и соответственно при неизменной Тп следует ожидать заветного увеличения разности Т^х - Тп и потери работоспособности в цикле нижней ступени ГПУ бинарного типа.

Снизить потерю работоспособности термодинамической системы можно несколькими способами, например, повьиением Тп или уменьшением ТуХ§ Ограниченные возможности попызеиия оптимальной температуры Тп обусловили необходимость разработки элективного способа уменьиения температуры Т,,„ при входе в котёл-утилизатор.

Потеря работоспособности изолированной термодинамической системы аЬс определена на основании уравнения Пои-Стодолы где Т0 - температура окружающей среды; Л £>с - увеличение энтропии системы в результате протекающих в ней необратимых процессов. Это уравнение представлено в безразмерной форме Л 7* — ~~ У ту/V > где ук » I - ТрТух - КДД обратимого цикла Карно; а Ь /<Зго •

Огег =. акс О- ?гту ) при = 1 и агРр=<$не (1-\гу ) с+ "РИ < /.

В выполненном исследовании принято во внимание, что в КУ бинарного типа максимальная работа нижней ступени равна работе идеального треугольного цикла, соответствующей количеству теплоты при изобарном охлаждении уходящих газов в интервале температур и Т^ за вычетом количества теплоты Т( Л50 , где Л &„ - изменение энтропии в изобарном процессе охлаждения уходящих газов. В результате получена более совершенная характеристика для оценки потери работоспособности = ??пту/ где / - (с£/с£) [т, КГух -—т})\£п (Тух /Т,) - термический КПД обратимого треугольного цикла.

Расчёты показали, что при Т1 - 280 К, Т6 « 393 К и при двух значениях Тух » 600 и 1400 К 0,2834 и 0,3240, а А^ш 0,0859 И 0,1327, то есть л у при прочих равных условиях возрастают в разной степени, соответственно в 1,143 и 1,545 раза.

Итак, перспектива создания бинарных ГПУ с высокотемпературными ГТУ при Т-, = 1500-1800°С и даже выше, естественно, должна бала

сопровождаться постановкой и решением задачи о совершенствовании верхней и нижней ступеней КУ, что и сделано в настоящей работе.

Возможны различные пути решения поставленной задачи. Некоторые из них хорошо известны. Это, во-первых, уже отмеченное выше увеличение температуры пара в нижней.ступени ГПУ и, во-вторых, использование сложного термодинамического цикла с высокой общей степенью повышения давления. Например, в ПГУ 100 А и 100 Б при = 55 получены сравнительно невысокие значения ТЛ,Х = 608 и 660°С. Более высокую величину С^ мокло получить в многоагрегатных ГТУ, разработанных научной школой профессора В.В.Уварова в Ш'ГУ им,Н.Э.Баумана.

Особый интерес, как выяснилось, представляет использование в КУ высокотемпературной ГГУ с регенерацией.

Вопрос об использовании в ГНУ низкотемпературных ГТУ с регенерацией уке рассматривался 30 лет тому назад, но не привёл к положительному результату.

На основании анализа н точных численных экспериментов, выполненных в настоящей работе с учётом коэффициента потери работоспособ ности £к у , сделан принципиально важный вывод о том, что отрицательный результат и неудачи исследований прошлых лет обусловлены исключительно недостаточно высокой начальной температурой газов в ГГУ Тд и поэтому они не могут быть экстраполированы в область существования современных и, тем более, перспективных высокотемпературных ГТУ.

В последнее время много внимания уделяется разработке и созданию высокотемпературных рекуператоров и регенераторов на осиоье тер-мопрочиой керамики. Находящиеся в эксплуатации керамические тепло-обменные аппараты и перспективы их развития позволяют рассчитывать на возможность широкого применения в перспективных высокотемператур них ГТУ надёжных и эффективных теплообменньтх аппаратов из ШШ с рабочей температурой газов 1200-1400°С и даже выше. Таким образом, но вал постановка задачи об использовании в высокотемпературных КУ ГТУ с регенератором в настоящее время становится не только актуальной, но и вполне реальной.

Результаты теоретических исследований и численных эксперименте полностью подтвердили правильность разработанной и изложенной выше концепции, В основании этой концепции лежит новый принцип возможности снижения потери работоспособности п нижней ступени за счёт ре генерации в высокотемпературной верхней ступени комбинированной ГШ бинарного типа. 22

Иллюстрацией ко всему изложенному визе могут служить рис.7-9, на которых представлены в качестве примеров некоторые расчётные характеристики разработанных и исследованных высокотемпературных ГПУ.

На рис.7, представлены расчётные графики функции 7" б)

где - внутренний КПД. Эту функцию определяют только три независимые координаты математической модели цикла ГТУ с концевой регенерацией - ОГкч "С , <5 . При этом независимые координаты математической модели цикла ПТУ учитываются автоматически благодаря использованию выражения для и аппроксимации для '"/ПТу-

При увеличении параметра <Г = Тд/Т'^ (на рис.7 - начальной температуры газов Тд ¡функция ^'/rпv претерпевает глубокие качественный и количественные изменения. Например, при Тд = ПОО°С ГПу 1(акс

» 0,527 достигается тгри 5 = 0 и ^к^' = 9,3,в то время кек при Т3 = Г300 и Г500°С % макг. = 0,576 и 0,6150 достигаются при (Г » 0,65 и СОТ - 10,В к 15,5. Иначе говсря, при приблизительно Тд гг ПСО-П50 С использование регенерации в ГПУ не приводит к повы-сениы КПД КУ, что подтверждает правильность выводов исследователей прошлых лет.

Повышение температуры Тд сверх П50°С смгщвет глобальный максимум функции ( 6*) из области СГ*» 0 в область высоких значений степени регенерации С> 0, что по данным рис.? иллюстрируют следующие цифры :

Т3, °С П00 1300 1500

О- 0 0,85 0 0,05 0 0,65

' 9,3 10,2 25,5 10,8 28,7 Г5,5

%гп/ияк8'527 0(526 °'565 0,576 °1603 0,615

Итак, при Т3 > П50°С использование в ГПУ высокотемпературной ГТУ с концевым регенератором при высоких значениях степени регенерации, например, при С =• 0,85 приводит к заметному приросту абсолютного Щ * ( И8КС) б- = 0,85-(^- ) 6"= 0 и относитель-ного^#гпу ^¿гпуЯ 7*гпу макс* <5- 6'85 КПД комбинированной ГПУ. Определённые для кежцой температуры Тд при соответствующих значениях ег= 0,85 Л и У^у изменяются следующим образом:

Т3, °С 1100 1300 1500

-0,00 1,20 2,05

-0,15 2,08 3,33

й^гпу«- ' 23

Исследования показали, что использование в ГПУ промежуточной регенерации менее эффективно, чем использование конпевой регенерации. При оптимальных условиях и не слишком больших значениях степени расширения в отсеке 6 силовой турбины ^ (см.схему 0 на рис.1) промежуточная регенерация также даёт ошут§мыЙ выигрыш в КПД ГПУ. Например, замена в. верхней ступени ГПУ концевого регенератора на промер-точный при Тд = 1500°С и СЗ" = 0,85 может обеспечить величину степени наддува регенератора «1,5 пеной снижения относительного КОД комбинированной установки на 0,5Й.

Приведенные выше численные данные, полученные в результате скрупулёзных теоретических и расчётных исследований, подтверждают обоснованность сформулированного в настоящий работе нового принципа возможности аффективного снижения потери работоспособности в нижней ступени и повьшения КПД комбинированной ГПУ бинарного типа за счёт регенерации теплоты в высокотемпературной верхней ступени гезопаровой установки. Реализация этого принципа позволяет получить при начальной температуре газов Тд * 1500°С КПД ГПУ свыше 60$ при степени регенерации 85$.

На рис.8 представлены расчётные графики функции характеризующие изменение относительной величины ^хтгу'^'гту/гпу' где внутренняя мощность. Видно, что использование в ГПУ Г*ГУ с

концевым регенератором при высоких (3* и низких приводит к заметному увеличению газотурбинной мощности в КУ.

На рис.9 представлены графики функции которые иллюстрируют влияние на КПД ГПУ степени бинарности Видно, что применение в КУ бинарного типа дсжигания топлива перед котлом-утилизатором с цельп увеличения КПД ГПУ даёт положительный эффект только при начальной температуре газов до I100-1150°С. При этом можно получить до 0,5-1,0?' (абсолютных) приращение КПД ГПУ при (э«»0, что хорошо согласуется с известными данными.

При высоких начальных температурах газов, с вше П50°С, дожигание топлива перед котлом-утилизатором не даёт повышения КПД ГПУ ни п каких значениях ОГ^ и <3 . Следовательно, в высокотемпературных ГПУ дожигяяие топлива может при необходимости использоваться, но исключительно как средство воздействия на объект регулирования при управлении режимами КУ.

В вьполненном исследовании получены также другие важные характеристики П1У, в том числе зависимости У » ^^ (Як, 3/~тг) ^ верхней ступени КУ по схемам Р, РО и РОП.у^-^ «<р£гпу ^ &

" Т^д ,'С , Анализ этих и других характеристик пока-

зал, что не все пути, эффективные для автономных ГГУ и ПТУ, также эффективны и для ГПУ. Например, КПД автономных ГТУ по схемам Р, РО и РОП неуклонно возрастает (см.рис.2). При использовании этих же самых схем в составе комбинированных ГПУ схема РО оказывается малоэффективной.

Что касается опенок эффективности применения в ПТУ паровой регенерации и промежуточного перегрева пара, то такие оценки фактически даны на основании аппроксимации зависимости = "^пту 'Тух^'

которая представлена на рис.6 графиком I.

Глава б . Разработка концепции создания высокотемпературных мощных ГТУ с использованием конструкционных керамических материалов. В числе кардинальных средств, обеспечивающих создание перспективных высокотемпературных ГТУ с адиабатными турбинами, отвечающих современным тенденциям развития мирового газотурбостроения в части окологичности, высокой тепловой экономичности и обоснованной политики капиталовложений, являются термостойкие конструкционные керамические и композиционные материалы и эффективные технологические процессы производства на них надёжных керамических деталей и узлов высокотемпературных газотурбинных установок.

Применение термостойких ККМ для высоконагруженннх деталей ГТУ потребовало радикального пересмотра традиционной концепции проектирования в газотурбостроении, основанной на использовании охлавдае-мых жаропрочных металлических сплавов, и разработки новых принципов создания высокотемпературных мощных автономных ГТУ и ГТУ, предназначенных для использования в качестве верхней ступени КУ.

Идея использования КК!1 в газовых турбинах ненова. Ещё в 60-70-х годах были предприняты попытки внедрить термопрочную керамику в существующие газовые турбины и спроектировать на её основе новые. В частности, фирмой Броун Бовери был разработан проект Н1САТ, в котором по возможности были учтены специфические свойства термостойкой керамики. Эти попытки привели к глубокому пониманию сложности проблемы и к осознанию необходимости искать и находить принципиально новые, нетрадиционные подходы к проектированию высокотемпературных ГТУ на основе термопрсчных ККМ. Опыт мирового керамического газотурбостроения полностью подтвердил правильность этих выводов.

Опытами установлено, в частности, что конкретные керамические материалы обнаруживают изменчивость основных характеристик в широком диапазоне. Зто связано с различными дефектами керамической дета-

¿¿Г

ли, зависящими от её размеров, площади поверхности и объема, а также от исходного сырья и технологии изготовления деталей.

Влияние указанных вше особенностей на удачные конструкции керамических деталей и узлов высокотемпературных ГТУ состоит в том, что все эти керамические детали проектируются на минимальные размеры, поверхность и объем с учётом жестких требований масштабного фактора. Именно поэтому все создянкь-е до сих пор высокотемпературное 1ТД с керамическими высокотемпературными элементами имеют ограниченные мощность до 100-300 кВт и габаритные размеры рабочих колёс керамических гаэовьзс турбин до 200-ЗС0 мм.

В настоящей работе идеи проекта Н1САТ, разработанного фирмой Брсун Бовери, получили дальнейшие существенное развитие.

На основании теоретических и расчётных исследований и конструкторских проработок обоснован новый принцип многопоточности, каскад-ности, модульности (ИКМ-принчип), который открывает практически неограниченнь-е возможности создания мощных ГТУ открытого цикла с надежными высокотемпературными керамическими элементами, удовлетворяющими жестким требованиям масштабного фактора.

По заданию Правительства во ВНИТИ Энергомаи разработаны проекты и создаются опытные образцы высокотемпературных ГТУ с керамическими элементами на основании МКМ-приншпа.

В главе сформулированы практические рекомендации по проектированию керамических деталей и узлов высокотемпературных ГТУ.

Изучены и рассмотрены основнь« особенности принципов модульности, каскадности и многопоточности ГТУ, использованных при разработке многопоточных каскадно-модульных высокотемпературных ГТУ с керамическими элементами (МКМ-ГТУ).

Исходя Из равенства критериев аэрогидродинамического подобия турбомашин: (5 У^ /Гс/^хЛ 1, - Л , л/п/0 =

= Л/[(с<гре» У%: ) , у= 7 (С,„р , П-пр ), **/>),

где ¿7Пр»/?Пр - приведенные расход и частота вращения; Трх, рЕХ -температура и давление рабочего тела при входе в турбомашину; у -КПД турбомашины; /ЗГ~- степень попияения или понижения давления в турбомашине; с/ - наружный диаметр колеса турбомаиинн, при условиях постоянства параметров рабочего телп при входе в турбомашину получены важные соотношения (с/^с/г~) и

Л— с/2 /1 » где индексы I и 2 относятся к двум разным турбомашинам. На основании этих соотношения разработаны основные типы многопоточных каскадно-модульных структур высокотемпературных ГТУ с керамическими элементами, гмеуэдих практическое значение. 26

На рис.Ю в качестве примера представлена одна из таких структур планетарного типа - принципиальная схема трехкаскадной ГГУ с двухкратным разукрупнением и кногопоточными вторым и третьим каскадами, скомпонованными из турбокомпрессорных модулей среднего и высокого давления.

Схемы многопоточных каскадно-модульньгх РТУ разработаны с целью решения ряда важных проблем:

уменьшение в необходимых масштабах размеров керамических высокотемпературных элементов ГТУ большой мощности, достигаемое за счёт последовательного разукрупнения потока воздуха на параллельные потоки в соответствии с условием <5. = ¿. $,д , а после подогрева

а у»/ </а

этих потоков в камерах сгорания - последовательного укрупнения параллельных потоков газа п общий поток в соответствии с условием (5Г , где у = 1,2,... ; ^ - обшее число параллельных ■¡потоков воздуха и газа;

повышение КПД процесса сжатия за счёт разбиения этого процесс« на ступени-каскады низкого, среднего и высокого давления, обеспечивающие выбор в допустимых пределах оптимальных значений степеней повышения давления Условии ^¿^к >

у = 1,2,..., к , где /г.- общее количество ступеней-каскадов сжатия, и максимальных КПД ^З»

формирование однотипных модулей - турбокомпрессоров низкого, среднего и высокого давления, объединяемых в структуры на основан!»' модульных принципов и модальных технологий;

дифференцированный выбор материалов для турбомашин и газо-воз-душных коммуникаций, соответствук.ши.х температурам рабочего тела.

Разработанные МКМ-ГТУ попускают усложнение тепловых схем и структур за счёт ^пользования секций концевых или промежуточных регенераторов, охладителей воздуха между ступенями-каскадами сжатия, дополнительных камер сгорания между ступенями-каскадами расширения, а также котла-утилизатора и соответствующего паротурбинного оборудования, при наличии которых МКМ-ГТУ становится комбинированной ГПУ.

Связанное с удовлетворением требований масштабного фактора уменьшение наружного диаметра турбомвтпн до 180-240 мм сопряжено с уменьшением КПД малогабаритных компрессоров и газовых турбин. В связи с этим в главе исследовано влияниэ снижения КПД турбомашин на КПД высокотемпературной МКМ-ГТУ с адиабатными турбинами.

Выполненный аиилиэ показал, что повышение КПД ГТУ за счёт увеличения начальной температуры газов и исключения потерь энергии от

¿7

охлаждения высокотемпературных газовых турбин достаточно велико и оно не только полностью компенсирует все дополнительные потери энергии в малогабаритных турбомашинах, но и обеспечивает при этом существенно более высокие КПД МКМ-ГТУ, чем обычных высокотемпературных ГТУ с охлаждаемыми металлическими полноразмернши турбинами.

В настоящей работе поставлена и решена задача исследования, структурной надежности многопоточных каскадно-модульных высокотемпературных ГТУ с адиабатными турбинами. Необходимость такого исследования обусловлена сложностью и многоэлементностью структуры МКМ-ГТУ.

Объектом задачи структурной надежности являются разработанные структурные схемы надежности, соответствующие тепловым схемам ККМ-ГГУ, под которыми понимаются специальные представления условий, при которых работают или не работают исследуемые газотурбинные установки. Задача анализа структурной схемы надежности состоит в установлении зависимости параметра надежности системы РГГу от парамет> ров надежности Рэ её отдельных элементов и схемы их соединения. Такой анализ позволил выделить тепловые схемы МКМ-ГГУ, наиболее соответствующие и приспособленные для решения конструкторских задач надежности. По существу именно в этом и состоит цель выполненного исследования, на основании которого в работе сделаны следующие выводы:

решение проблемы повшения начальной температуры газов и улучшение таким путем всех характеристик ГТУ в перспективе ориентировано на широкое использование термостойких конструкционных кер« мических материалов. Однако специфические особенности ККМ диктуют необходимость коренным образом пересмотреть концепцию конструирования высокотемпературных ГГУ;

в данной стратегии доминирующим являются жесткие требования масштабного фактора, необходимость удовлетворения которых должна была привести и привела в выполненном исследовании к разработке нового принципа конструирования высокотемпературных мойных ГГУ с адиабатными турбинами - к многопоточности, каскадности, модульности (МКМ-приниип);

возможны различные конкретные реализации МКМ-приниипа, начине от простых структур с параллельно включенными элементами и кончая сложными системами с параллельно-последовательньзли и последователь но-параллельными системами автономных элементов. В связи с этим в работе выполнено обоснование ¡.Ш-приннипэ с привлечением аппарата структурной надежности тепловых схем МКМ-ПГУ; 28

выполненные исследования трех классов МКМ-ГГУ, имеющих практическое значение, показали, что МШ-приниип находится в хорошем согласии со свойствами структурной надежности построенных на его основе тепловых схем ШШ-ГГУ.

В выполненном исследовании показано, что экономик» обусловила необходимость осуществления оптимального управления всеми компонентами жизненных циклов вновь создаваемого единичного объекта и совокупности объектов. При этом под компонентами жизненного ыикла понимаются, как обычно, процессы научных исследований, проектирования, технологической подготовки производства, изготовления, эксплуатации и ликвидации новой техники, то есть высокотемпературных ГТУ и комбинированных ГНУ.

В данной главе решена проблема управления процессами жизненного цикла вновь создаваемого объекта на основинии нового принципа имитационного моделирования путем прогона фронта работ сетевой модели и синхронного воздействия на модель случайными дестабилизирующими и целенаправленными стабилизирующими факторами.

На основании энтропии Шеннона разработано новое условие, обеспечивающее оценку временных параметров сетевой модели с наперед заданной точностью: Т - Т ¿умин —•• , где Т гумакс, ^ у- ~ - временные продолжительности ребра-работы с^- сетевого графика / С -начало,^' - конец/; допустимая оиибка измерения величины Т ¿: , заданная априори.

^ Разработанные принцип имитационного моделирования и подход к оценке временных параметров ребер-работ сетевого графика применимы в сетевом планировании и управлении (СПУ), в системах автоматизированного проектирования (САПР) и в других автоматизированных системах, математической моделью которых служит направленный граф.

Глава 6 . Научно-техническое прогнозирование тенденций развития газотурбинных установок. Экстраполяция показателей технической эффективности газотурбинных и комбинированных газопаровых установок является важнейшим направлением научно-технического прогнозирования, под которым в пироком смысле понимается система вероятностных оценок возможных путей развития науки и техники и их ожидаемых результатов, а также определение необходимых для этого ресурсов,

В данной главе научно-техническое прогнозирование выполнено о целью разработки обоснованной концепции развития высокотемпературных газотурбинных установок на Аазе уравнений Флойдас£х/У|£-к(м-х) и ун5)(у-т)= Ср/-+С], где Т^-рремн; М и X - число возможных й успешных методов; у- показатель технической гффектирности. «д

На основании хорошо зарекомендовавшей себя математической модели Флойда, разработанной и пироко используемой фирмой "Локхид эйр-¡<рифт", а также на базе обсбпенных в главе статистических данных по характеристикам ГТД и ГГУ разработана методология научно-технического прогнозирования тенденций изменения важнейших показателей технической эффективности стационарных газотурбинных установок - начальной температуры газов, КОД ГГУ с регенерацией и без регенерации и срока окупаемости регенератора рекуперативного типа.

В выполненном исследование показатели технической эффективности получены в виде следующих новых обобщенных какропереиенных:

Й-7к/?кмакс. 4= Ч1 7 к-

' ^р/^гту- I. где накс - КПД обрати-

мого цикла Карно, выраженные через температуру при входе в компрессор ГГУ и начальные температуры гаэов соответственно Тд и Тд макс; Т3 М£ШС - максимальная температура газов в цикле ГГУ, например, сте-хиометрическая температура; "*]- КПД ГГУ; "£'ГТу - срок службы ГГУ; £ » 1,5/(3600 Я/р - О ,13) - срок окупаемости регенератора; 1,5 - коэффициент резерва; 0,13,1/год - норма амортизационных отчи-слений;/1р= (ФГК ¡<Р*Р?Г П^ ~ V [(I-®?/6 3 >

Ср - средняя изобарная теплоёмкость воздуха при его подогреве в регенераторе; К„ ^ I - коэффициент использования мощности ГТУ; Кр -коэффициент теплопередачи в регенераторе; ^ - величина поправочного фактора на перекрёстный ток; Тг » 8760, ч/год; /V - мощность ГГУ; £г)в - расход воздуха; Ст - стоимость топлива, руб/кДж; С -стоимость единицы поверхности регенератора, руб/м^; - КПД

ГТУ с регенерацией и без неё; степень регенерации.

На рис.II и 12 обобщены результаты научно-технического прогнозирования тенденций развития ГГУ, получении» в главе в виде кривых обшей тенденции (трендов) Т3 (-Ь ), Т3р ( Ь ), ^(-Ь) , и

Тренды Тд ( -¿, ), ^Сь)* изображенные на рис. II, полу-

чены на основании попарно сгруппированных статистических данных, относящихся в каждой паре данных к двум модификациям одной и той же ГГУ - с регенерацией и без регенерации. Поэтому тренд Тд ( -Ь ) является общим для трендов и "*}(-Ь) •

Полученные при одинаковых трендах Тд ( ) тренды ^¡р (¿)и ^¡("Ь) убедительно демонстрируют существенное преимущество по КПД ГГУ с регенерацией. Ото преимущество (в прошлом, настоящем и будущем) обусловленно физическими причинами, выраженными неравенствами 4--"7Г7Г%'> ° м Р»<3. Этими же неравенствами обу-

словлена весьма важная тенденция неуклонного и значительного 1в де-ЗО

сятки раз) снижения я перспективе срока окупаемости регенератора, обнаруженная и исследованная в данной главе.

На рис.12 кривые 1 и 2 изображают тренды Тдр ( 1 и Тд , хорошо иллюстрирующие ситуация,.в которой оказалось газстурбострое-ние в связи о ограничением начальной температуры газов в ГТУ с регенерацией пределом Тд2^Ю00°С, обусловленным максимально допустимой температурой газов при входе в металлический регенератор Т^ *600°С.

Кривые 6,6, изображавшие тренды ^ (-Ь) и 7}(Ь), соответствуют тенденциям изменения температур Тдр и Тд и свидетельствуют о полной утрате преимушеств по тепловой экономичности газотурбинными установками с регенерацией. Поэтому доминирующее положение заняли высокотемпературные ГТУ без регенерации с охлаждаемыми газовыми турбинами, а их развитие стало концепцией газотурбостроення.

Кривые 3 и 7, изображающие тренды Тдр( -Ь ) и /'-£), знаменуют появление в газотурбостроении принципиально новой тенденции существенного увеличения начальной температуры газов и КПД высокотемпературных ГТД за счёт применения высокотемпературных адиабатных керамических газовых турбин и высокотемпературных керамических вращающихся регенераторов. Стремительный подъем тренда %,/тЬ) свидетельствует о больших потенциальных возможностях и перспективности высокотемпературных ГТУ с регенерацией, создаваемых на базе термостойких конструкционных керамических материалов.

Выполненный э глиае анализ исходного дифференциального уравнения математической модели Флойда привёл к научно обоснованному важному новому принципу невозможности достижения предельно высокого при заданной начальной температуре газов КПД высокотемпературной ГТУ с адиабатными турбинами без использования предельно высокой регенерации теплоты.

основное вывода

Г. С целью обеспечения достоверности в разработке концепции создания и стратегии развития перспективных высокотемпературных ГТУ и комбинированных ГПУ, в диссертации .реализовано научно-техническое прогнозирование тенденций развития технических систем, разработана И использована методология научно-технического прогнозирования тенденций изменения важнейших показателей технической эффективности газотурбинных установок - начальной температуры газов, КПД ГТУ с регенерацией и без регенерации, срока окупаемости регенератора рекуперативного типа. а)

Методология основана на хорошо проверенной и широко используемой математической модели Флойда. Это даёт основание рекомендовать её к применению в газотурбостроении.

2. В диссертации разработаны, реализованы и рекомендуются к использованию в гаэотурбостроении шесть непротиворечивых принципов создания перспективных высокотемпературных ГТУ и комбинированных. ГПУ бинарного типа, допускающих их интеграцию в концепцию перспективного газотурбостроения.

2.1. Принцип возможности достижения предельно высокого КПД ГГУ только за счёт всех успешных методов увеличения показателя технической эффективности, в том числе регенерации теплоты.

2.2. Принцип возможности достижения глобального максимума фективного КПД регенеративного цикла ГТУ и стабильности КПД в широком диапазоне значений степени повыиения давления в цикле исключительно за счёт промежуточной регенерации теплоты при оптимальных параметрах и оптимальной структуре газотурбинной установки с адиабатными турбинами.

2.3. Принцип преобразования координат в двухмерном уравнении Стокса на основании сопряженных гармонических функций базового потенциального течения в ^'еокотемпгратуриых '»урйсмалинах.

2.4. Принцип возможности снижения потерь работоспособности в нижней ступени и увеличения КПД комбинированной установки за счёт регенерации теплоты в высокотемпературной верхней ступени газопаровой установки бинарного типа.

2.Б, Принцип многопоточнссти, каскадности, модульности создания мощных ГТУ с высокотемпературными элементами из термостойких конструкционных керамических материалов.

2.6. Принцип имитационного моделирования процессов управления в автоматизированных системах путем прогона фронта работ сетевого графика и синхронного воздействия на сетевой график случайными дестабилизирующими и целенаправленными управляющими факторами.

3. Реализация обоснованных в диссертации принципов может обеспечить при начальной температуре газов Г500°С и степени регенерации 85% повышение КПД перспективных высокотемпературных ГТУ до БО-55?5 (¡абсолютных) и комбинированных Г11У бинарного типа - евьше 6055.

Публикации основных научных результатов, включённых в диссертацию:

Тихоплав В.Ю. Исследование процессов расширения с внешним теплообменом //Труды НТО СИ им.акад.А,Н.Крылова. Судовые турбинные установки: Материалы по обмену опытом. Вып. 197. JI. : Судостроение, 1973. С.136-151.

2. Тихоплав В.Ю. К расчёту процессов расширения и сжатия реальных газов при наличии внешнего теплообмена в турСомашинах//Энергома-шиностроение. 1974. № I. С.17-19.

3. Тихоплав В.Ю., Осауленко В.И.,3аварскнй А.Д. Совершенствование оперативного управления на основе имитационного моделирования// Судостроение. 1932. № 5. С.32-35.

4. Тихоплав В.Ю. Метод решения научных и технических задач гидродинамики и теплопрвводности//Труды НТО СП им.акад.А.Н.Крылова. Ирхангельское обл.правл.ОНТИ, 1982. 49 е.: ВШ1/С6. реф.НИР и ОКР. >р. МФ. 1983. Вып. 10. С.21.

5. Тихоплав В.Ю. О моделировании процесса управления//Судостро-жие. 1984. U 5. С.43-46.

6. Тихоплав В.Ю., Маньковский И.А. О формировании планово-учёт-1ых единиц при постройке судов//Судостроение. 1985. № 5, С.50-54.

7. Тихоплав В.Ю. Использование ¡энтропии Шеннона для оценки ла-жметров сетевой модели//ПрредовоЙ производственно-технический опыт: !ежотраслевой реферативный сборник. Сер.ЭО, 1986. '? 3. С.39.

8. Тихоплав В.Ю, Об использовании образующей сети Жуковского в 'идродинамине турбомащин//ВИШТИ. Депонированные научные работы. !989. № 2 (208). С. 132.

9. Тихоплав В.Ю, Об одном подходе к развитию теоретических ие-одов расчёта вязких вихревых течений жидкости з турбомашинах//Энер-етика.../Изв.высш.учеб.заведений /. 1989. » 2. С.75-81.

10. Тихоплав В.Ю. Энтропийная оценка временных параметров сете-ой модели управления//ВИНИТИ. Депонированные научные работы. 1989.

2 (208). С.132.

11. Тихоплав В.Ю., Шилов Г.А., Петров Ю.В., Сенюков В.Д. Сб птимизации некоторых параметров процесса проектирования //Энергома-иностроение. 1989. » 7. С.38-41. '

12. Тихоплав В.Ю., Кириллов И.И., Тихоплав Т.С. Исследование иклов ГТУ с регенерацией//Пром. теплотехника.1990.т.12,№2.С.49-Б5.

13. Тихоплав В.Ю., Сударев A.B., Орлов А.П. Выбор структуры вы-окотемпературной газотурбинной установки с керамическими'элемэнта-и//Пром. теплотехника. 1990. т.12, »4. С,77-89.

14. Тихоплав В.Ю. Оптимизация термодинамического цикла ГГУ с промежуточной регенерацией//Энергетика... Дюв.высш.учеб.заведений/. 1990.ff II. C.6&-7I.

15. Тихоплав В.Ю., Кириллов И.И. Состояние и перспективы развития комбинированных парогазовых и гаэопаровых установок//Пром.теплотехника. 1991. Т. 13, If 2. С.68-35.

16. Тихоплав В.Ю..Тихоплав Т.С. Универсальная аппроксимация таблиц Ривкина//Энергетика.../Изв.высш.учеб.заведений/. 1991.

9. С.90-94.

17. Кириллов И.И., Сударев A.B., Тихоплав В.Ю. О перспективе псвыаения экономичности ГТУ//Сборник трудов ВНИТИ Энергомаш. Л.: Недра. Ленингр. отделение, 1991. С.98-103..

18. Тихоплав В.Ю. Оптимизация цикла ГТУ с регенерацией//Сбор-ник трудов ВНИТИ Энергомаш. Л.: Недра.Ленингр.отделение, 1991.

19. A.c. 1525235 СССР. Рабочее колесо турбомешины/СГ.А.Шишов, В.Ю.Тихоплав, В.Д.Сенюков, Ю.В.Петров. 1989.

20. A.c. 1525286 СССР. Лопатка турбомаиины/ Г.А.Шипов, В.Ю.Ти-хоплав, В.Д.Сенюков, Ю.В.Петров. 15в9.

21. А.с.1663214 СССР. Газотурбинная установка/ А.В.Сударев, И.И.Кириллов, Г.И.БогорадовскиЯ, Г.А.Шилов, А.Н.Цуриков, В.Ю.Тихоплав, С.Л.Егоров, 199I.

22. A.c. 1677346 СССР. Лопатка турбомаиины / И.И.Кириллов, В.Ю.Тихоплав, В.Д.Сенюков, Г.А.Шилов, Ю.В.Петров. 1991.

23. Способ работы ГТУ/ В.Ю.Тихоплав, И.И.Кириллов, А.В.Сударев //Положит.реяение по заявке " 4С70С32/06 от 29.01.91.

24. Ротор для прочностных испытаний/ И.К.Сурков, В.Д.Сенюков, В.Ю.Тихоплав//Положит.решение по заявке № 4780058/06 от 19.07.91.

25. Способ работы ГТУ/ В.Ю.Ткхоплав//Положит.решение по заявке 4891422 от 27.06.91.

26. Проведение комплекса исследований по совершенствованию тепловых схем и узлов ГТУ на основе использования конструкционных керамических материалов: Отчёт о НИР. .7 Гос.регистр.01090005388/ ВПТИ Энергомаш. Л.: 1908. 145 с.

27. Выбор параметров элементов и узлов газогенератора и разработка вариантов их компоновочных решений: Разработка перспективной высокотемпературной ГТУ с использованием конструкционных керамических материалов: Отчёт о НИР. £ Гос.регистр. 01890057768/ ВНИТИ Энергомаш. Л.: 1989. 100 с.

28, Разработка конструкций высокотемпературного турбокомпрес-сорного модуля высокого давления ТКВД: Разработка и исследование структуры высокотемпературной ГТУ с керамическими элементами: Отчёт о НИР. » Гос.регистр. 01900064104/ ВНИТИ Энергомаш. Л.: 1990.

179 с.

29. Тихоплав В.Ю. Научно-техническое прогнозирование в газо-турйостроении //Энергетика... (Изв. высш. учеб, заведений). 1992. « 3. С.3-11.

tí

N

ci

Í¿TT N -ЕЗ?

u

Г «i

It

I

Мб m

SM

m

1 ч

"7 2 H

m £

7

13

15

<Sf »r/t

Hi 18'

I

2D — &

Р» с. 3

г

'i / 5

7 / í

1Û

IS 20 Щ

Ял

£

*

V í

с

е

13

Е

t-'tflf ", Pi

Рис. S

Off

0

ЗГ«»5 1

1 Ts- ¡SPO'C )¿f

0,6 >1,M5

лУ У/

й'ь « -Íí M Ofi ír^ris M—06-irzzh

€мя. 9.

J Я

ПОДПИСИ К РИСУНКАМ В АВТОРЕФЕРАТЕ ТИХОПЛАВА В.Ю.

Рис.1. К сравнительному анализу циклов ГТУ Рис.2Л.-2.3. Характеристики цикла ГТУ по схемам Р, РО, РОП Т3 = 1773К; Т1 = 283 К; 6"= 0,65; 7 » 0,05; 7 =0,8?; ^ = 0,98; 7с»0,93; £ =0,83. Г М

Рис.3. Обобщённые характеристики циклов ГТУ по схемам Р, РО,

РОП

I - РО^; 2 - Р0К; 3 - Рк; 4 - РОП0; 5 - Р0о; 6 - Р ; 7 - РОПб; 8 - РОб; 9 - Рб

Рис.4. Схема базового течения и его ортогональная сетка а - в координатной плоскости ХОУ; б - в координатной плоскости^ О Рис.б. Термодинамический цикл ГПУ в Т, £ - диаграмме а - ГТУ с КР; б - ГТУ с ПР; 1-2-5-3-4-4 -4^-6-1 и 1-2-5-3-4^3^4-4а-6-1 - циклы ГТУ (верхняя ступень ГПУ);

- цикл ПТУ (нижняя ступень ГПУ); Рн - давление насыщения пара; Рк - давление конденсации пара

Рис.6. Заьисимости упту • "7пту (Тух) о, а, а, ф, ;* - опытные данные;

1-7 - расчётные данные

Рис.7. Зависимость от УГК , Ть , 6Г КПД, ГПУ при^" Г»0

Рис.8. Зависимость от ТГ^у 7^1 в отнопения мощностей

Ч1т*укУгег/№т ПРИ ^Т2 =

Рис.9. Зависимость от

КОД ГПУ -%.ГПУ Рис.10. Принципиальная схема трехкзскадной ГТУ с двухкратным разукрупнением и многопоточным вторым и третьим каскадами

1-3 - компрессоры низкого среднего и высокого давления; 4 - камера сгоранкз; 6-7 - турбины высокого, среднего н Нйзкого цавйснил; 8 - силовая турбина;'9 - полезная нагрузка (электрогенератор, напЬ^те.-^ природном газа и проч»)| нсмйр яаокзда (</«• Х- ксяйчэство ыодулйй в каскаде ( % - I? ^ ■ 4)

Рис.II. ГрафйкЯ тенденций изменения яо времен;»! а - начальной тыпбратуры газов Тд и КПД ГТУ о регенератором 7 р и бгз регёмфатйра ^ $ б - срока окупаемости регенератора -З'»; [- % ! й- Тд (-Ь); 3 - ; 4 - > топливо - природный

'аз;'6 - 3„М, «нтво - мазут; время»

цла> щ - статистические данные! X - прогноз.

РкоЛ2, Графики тенденций изменения во времени:

л - Чр(±>,п Ш > ЧМ)

1,5 - 2,6 - <о «■ 0; 3,7 - С = 0, керамические ГТД;

4-б"«0, сложный цикл; б - степень регенерации (р); время;

номера точек обозначают соответствующие статистические данные; х - прогноз.

ОттМ^яно но гот,,,у,■ с'/П ;'/".¥ Зш^ 105 „?ъмлс