Поиск способов повышения мощности и КПД газотурбинных двигателей в целом и тепловых электростанций на их основе в частности составляют важную научно-техническую задачу.
Впрыск воды в тракт двигателя является одним из таких способов, это направление повышения эффективности компрессора является одновременно эффективным и дешёвым.
В ходе выполнения данной работы была разработана методика расчёта компрессора, реализующего «влажное сжатие», с использованием конечных разностей, построением одномерной меточной модели. Была проанализирована сеточная сходимость всех участков сетки, определены рекомендуемые длины шага давления для нагрева жидкой воды и для испарения воды, которые обеспечат необходимую точность, не делая расчёт излишне громоздким.
Далее расчёт был адаптирован для реального процесса на ступенях компрессора двигателя Е8–01. В результате были получены графики процесса и распределение работ по ступеням для разных количеств воды, впрыснутой на вход в двигатель. Вода уменьшает работу на ступенях, расчёт не выявил перераспределения работ между ступенями. Это может быть связано с неучтённым влиянием гидродинамических факторов. [1]
Процесс разделён на три участка — это нагрев жидкой воды, испарение воды и сжатие парогазовой смеси. Первые два участка анализируются конечно-разностными моделями.
Первый этап — нагрев — происходит следующим образом. Подводится работа, которая изменяет энтальпию как будто это адиабатный процесс (важно — процесс в своей полноте не предполагается адиабатным, так как сама же модель предполагает сток тепла в жидкую воду. Адиабатный процесс описывает только превращение работы в тепло, конечная температура определяется не через адиабату). Далее полученная теплота распределяется между газом и жидкой водой на основе теплового баланса. Полученная температура передаётся в следующий этап. Модель работает до достижения системы температуры насыщения.
Далее начинается испарение. Температура насыщения вычисляется для каждого этапа. В остальном модель аналогична предыдущей, за исключением изменения показателя адиабаты, газовой постоянной и теплоёмкости газовой фазы за счёт притока пара. Модель работает до тех пор, пока есть жидкая вода.
Третий этап рассчитывается как адиабата Пуассона со скорректированным показателем адиабаты из предыдущего этапа.
Модель была применена к компрессору двигателя Е8–01. В результате получены следующие данные.
Рис. 1. График процесса в Р,Т координатах
Рис. 2. Удельная работа компрессора в зависимости от массы впрыснутой воды
Рис. 3. Отношение работы без воды к работе с впрыском
Рис. 4. Распределение работ по ступеням компрессора Е8–01 в зависимости от массы впрыснутой воды
Результаты расчётов показывают, что работа монотонно убывает с ростом массы впрыснутой воды, однако стоит отметить, что полученный результат можно считать максимально возможным для данной массы воды. Нет учёта газодинамических факторов, сепарации капель на ротор, статор и детали корпуса компрессора, конечности коэффициента теплоотдачи. В этом и состоит главная задача этой работы — оценить максимально возможный эффект впрыска воды в компрессор.
Литература:
- Кустиков, Ю. В. Методы повышения мощности ГТД / Ю. В. Кустиков, С. В. Веретенников, В. И. Богданов. — Текст: непосредственный // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках. — Рыбинск, 2025. — С. 270–271.
