Соевого компрессора и турбины
При наложении характеристики турбины на характеристику компрессора получают их совмещенную характеристику.
Цель совмещения характеристик турбины и компрессора заключается в нахождении точек согласованной их работы, построения по этим точкам линии рабочих режимов, по которой можно расчетом определить мощность и экономичность ГТУ на различных режимах. На основных рабочих режимах нужно иметь также достаточный запас по устойчивой работе компрессора.
Исходными уравнениями, определяющими согласование параметров турбомашин ГТУ при переменном режиме работы, являются:
Уравнение баланса расходов (на примере двухвальной ГТУ):
Gт = Gк – Gохл – Gут + Gтоп , (2.4)
где Gт – расход рабочего тела через турбину; Gк – расход воздуха через компрессор; Gохл – суммарный расход отбираемого от компрессора воздуха на охлаждение турбин; Gут - расход утечек через лабиринтные уплотнения; Gтоп - расход топлива через камеру сгорания.
Уравнение отношения давлений для той же двухвальной системы можно записать так:
, (2.4)
Для трехвальной схемы:
(2.6)
Уравнение баланса мощностей представляет собой равенство мощностей компрессоров с приводящими их турбинами и полезной нагрузки с учетом механических потерь. Например данное уравнение для турбины и компрессора запишется следующим образом:
, (2.5)
или
, (2.6)
где Lк и Lт – соответственно работа сжатия в компрессоре и работа расширения в турбине;
для силовой турбины:
. (2.7)
Рассмотрим совмещение характеристик турбины и компрессора на примере двухвальной ГТУ. Поскольку массовые расходы через турбину и компрессор, а также их степени расширения и сжатия, связаны между собой, то отложенные на осях универсальной характеристики компрессора πк и Gк нетрудно пересчитать на πт и GТ. Характеристику турбины виде зависимости (2.3) наносят на универсальную характеристику компрессора. Она имеет вид семейства кривых Т3 = соnst (рис. 2.4,а) с вершинами в точке πк = 1, Gк = 0. Заметим, что в формуле (2.3) отношение T3/T3’ можно
|
| |
|
|
|
|
а) б)
Рис 2.4. Совмещенная характеристика компрессора и турбины
с нанесенной линией рабочих режимов (ЛРР):
а) – при постоянной температуре воздуха;
б) – при переменной температуре воздуха
заменить выражением τ/τ’ , где τ = Т3/Тат. Тогда для совмещения характеристик необходимо на горизонтальной оси откладывать не физический (измеренный), а приведенный расход и вместо изотерм Т3 = соnst нанести кривые τ = соnst (рис. 2.4,б). Кривая τ’ соответствует расчетному отношению Т3/Тат. Слева от нее линии τ будут характеризовать зимние режимы работы, когда Тат < 288 К, а справа от τ’ кривые τ отвечают или летним режимам, когда Тат > 288 К, или режимам частичных нагрузок, при которых Т3 < Т3’ . Если анализ работы ГТУ выполняют для переменной мощности при постоянной температуре воздуха, удобнее пользоваться диаграммой (рис.6.4,а), а если при переменной температуре воздуха, то диаграммой (рис. 6.4, б). Точки линии рабочих режимов можно определить из уравнения баланса мощностей компрессора и приводящей его турбины (2.8):
, (2.8)
где срк и срт – средние массовые теплоемкости соответственно в процессах сжатия в компрессоре и расширения в турбине; m = 
, где k – показатель адиабаты в процессе сжатия; m’ = 
, где k’ – показатель адиабаты процесса расширения.
Поскольку Gк и Gт, πк и πт связаны между собой уравнениями (2.3), (2.4), (2.6), то, задавшись πк, можно определить Т3 и, следовательно, положение рабочей точки на характеристике компрессора. Совокупность этих точек образует линию рабочих режимов. Для каждой точки на линии рабочих режимов по расстоянию ее от ближайших изодром можно узнать частоту вращения п. Для определения п нужно располагать конкретной характеристикой осевого компрессора. Зная Gк, πк, Т3 и оценивая срт, ηт и ηк , определяем полезную мощность и эффективный КПД, что и является конечной целью расчета. При определении КПД регенеративных ГТУ учитывают возможное изменение степени регенерации. Опытом проектирования и обработки результатов испытаний ГТУ установлено, что расчеты на переменный режим приводных ГТУ удобнее всего вести, задаваясь значениями πт или πк.
Существует два способа управления ГТУ открытого цикла: 1. Изменением температуры продуктов сгорания перед турбиной (Т3)за счет уменьшения расхода топливного газа, при слабо меняющейся частоте вращения. 2. Совместное изменение расхода продуктов сгорания и его параметров при сильно меняющейся частоте вращения. Второй способ является предпочтительным, так как дает более высокие значения к.п.д. ГТУ.