Анализ термодинамических параметров зарубежных малоразмерных газотурбинных установок

Рассматриваются основные термодинамические и эксплуатационные параметры зарубежных одновальных газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности в расчетной точке (стандартные атмосферные условия, номинальная нагрузка) по материалам от­крытой печати, а также  производится расчет с последующим анализом полученных данных.

При проектировании двигателей и газотурбинных установок (ГТУ) полезно использовать для принятия проектных решений базу данных по уже выполненным (отечественным и зарубежным) проектам и изготовленным установкам. Однако часто такую информацию найти бывает трудно. В то же время из различных источников удается собрать отдельные сведения об аналогах. Авторами предлагается для нахождения неизвестных параметров ГТД (ГТУ) использовать методы идентификации моделей, сформированных с использованием систем моделирования.

В данном случае использована разработанная в НИЛ САПР-Д УГАТУ система имитационного моделирования ГТД и ГТУ DVIGwT 6.1. С ее помощью выполнено косвенное исследование данных, взятых из открытых источников,  с последующим подбором неизвестных характеристик и параметров с целью наполнения базы данных (БД) прототипов и аналогов.   Насколько известно авторам такие работы, по крайней мере, для малоразмерных ГТУ не проводились. В то же время сейчас актуально создание отечественной малоразмерной ГТУ перспективной схемы, аналогичной новым зарубежным образцам (одновальная схема, с последовательным преобразованием вырабатываемого переменного тока в постоянный и затем вновь в переменный, но с фиксированной частотой).

В качестве аналогов были выбраны серийно изготавливаемые зарубежные ГТУ фирм: Capstone C30, C60, C200 мощностью  30, 60 и 200кВт соответственно, Elliot TA-100 (=100 кВт), Turbec Т100 (=100 кВт),  Opra 1.9 ( =1900кВт),  Ingersoll Rand 250 (=250кВт). В России аналогичные ГТУ или не выпускаются или имеют конверсионное исполнение и уступают зарубежным ГТУ по эмиссионным характеристикам, ра­бочему ресурсу и другим показателям.

Для получения недостающих основных параметров зарубежных ГТУ вы­полнены расчеты с помощью системы имитационного моделирования  DVIGwT 6.1. при этом исходя из имеющихся, весьма ограниченных данных были построены в системе DVIGwT 6.1 модели ГТУ с дожимным топливным компрессором и без него. Было известно, что ГТУ Орrа 1.9 имеет схему с редуктором и без регенератора, Ingersoll Rand 250 - с редукто­ром. На рис. 1 представлен разрез ГТУ Elliot TA-100.

Расчет проводился методом подбора неизвестных параметров, таких как: степень повышения давления в компрессоре, степень понижения давления в турбине, степень регенерации, температура газов перед турбиной, коэффици­енты потерь полного давления по отдельным узлам, расхода воздуха, к.п.д. ос­новных узлов с целью получения результатов совпадающих с имеющейся ин­формации по параметрам ГТУ.

Рисунок 1 - Схема ГТУ Elliot TA-100.

Результаты расчета и основные эксплутационные параметры установок представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Сводная таблица параметров зарубежных ГТУ.

Примечания

1  * - представленные данные учитывают наличие дожимного компрессора.

2  -    расчет выполнялся без учета наличия котла-утилизатора.

В результате проведенных расчетов были получены основные парамет­ры рабочего цикла выбранных ГТУ (температуры и давления по тракту в ха­рактерных сечениях, удельный расход топлива, расход воздуха и т.д.) в рас­четной точке.

Из данных представленных в таблице видно, что все установки имеют большой межремонтный ресурс работы (24000 - 80000ч), что говорит об их вы­сокой надежности в эксплуатации. Такой ресурс обеспечивается, прежде всего, умеренными значениями температуры газа перед турбиной (1180-1220 К), а также применением газовоздушных и гидравлических подшипников скольже­ния, гибридных подшипников с керамическими телами качения. Результаты моделирования показывают, что высокие параметры установок достигнуты за счет применения регенераторов с неплохой степенью регенерации (=0,8).Следует обратить внимание на низкий уровень выброса окислов азота (на уровне 3.. .24 ррm при работе на природном газе). Все представленные машины имеют высокую частоту вращения, что позволяет выполнить их более компактными и с лучшими массогабаритными характеристиками. Отсутствие редуктора на многих установках и применение одновальной схемы позволяет уменьшить уровень шума (до 62 дБА).

В виду недостаточности информации по ГТУ параметры основных уз­лов были приняты согласно размерности и возможных ориентировочных дан­ных каждой из установок. Вследствие этого полученные данные нельзя счи­тать абсолютно достоверными, но можно принять их удовлетворительными и с достаточной степенью точности использовать в дальнейших расчетах и при выборе параметров проектируемых малоразмерных ГТУ.

Выводы

1  В ходе проведенного анализа были выявлены характерные признаки зарубежных аналогов одновальных газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности:

-    электрический к.п.д. (26-30%);

-    наличие рекуператора с высокой степенью регенерации;

-    высокая надежность и большой ресурс работы;

-    высокая частота вращения ротора;

-    низкая эмиссия NO_x

-    уровни к.п.д. узлов:

-     компрессора(80-82%);

-     турбины(83-85%);

-  температура газов перед турбиной-1180-12200К;

-   степень регенерации 80.

2 Установки с программой регулирования (Capstone С30,С60,С200) лучше соответствуют задаче обеспечения высокой эффективности ГТУ при изменении нагрузки и климатических усло­вий. Выбор программы регулирования n = const для установок Ingersoll Rand 250 и Орга 1,9 связан с наличием в схеме редуктора. Следует отметить, что Elli­ott ТА-100, несмотря на наличие в схеме высокоскоростного генератора и сило­вой электроники, также имеет программу регулирования n = const негативно сказавшеюся на нагрузочных и климатических характеристиках.

Заключение

             Приведенную методику и полученные результаты анализа термодинамических параметров зарубежных малоразмерных газотурбинных установок можно использовать при выборе параметров и программы регулирования в качестве справочной информации. Данные расчетов из-за незначительного объема исходной информации следует использовать с известной осторожностью и, при получении дополни­тельной информации, термодинамический анализ этих микротурбин следует повторить по разработанной методике. Также следует учитывать то, что мно­гие данные взяты из рекламных проспектов.