Эффективность и регулирование мощности морского газотурбинного двигателя с паровым теплоутилизационным контуром при атмосферной конденсации пара и управляющем электроприводе

Газотурбинные двигатели (ГТД), начиная с сороковых — пятидесятых годов прошлого века нашли широкое применение на транспорте и в энергетике. В авиации — это турбореактивные двигатели, двухконтурные и турбовентиляторные реактивные двигателитурбовинтовые и турбовальные двигатели и подъемные двигатели самолетов вертикального взлета и посадки. ГТД применяются в железнодорожном транспорте, это газотурбовозы и высокоскоростные турбопоезда. Хорошие тяговые качества турбовальных двигателей делают их предпочтительными для большегрузных автомобилей и транспортеров военного назначенияГТД стали основным типом двигателей боевых гу-сечных машин и используются в тракторостроении [1,2]- высокая приемистость ГТД способствует его применению в автомобилестроении. Широко внедрены ГТД различного назначения в морском транспорте: высокоскоростные боевые водоизмещающие корабли, гражданские суда морского флота и суда с динамическим поддержанием, к которым относятся суда на подводных крыльях, суда с воздушной каверной, амфибийные и скеговые суда на воздушной подушке, экранопланы и двухсферные летательные аппараты [3, 4], а также глубоководные суда промышленного назначения.

В настоящее время авиационные и морские ГТД достигли высокого конструктивного и технологического совершенства, обладают малой массой при большой агрегатной мощности и хорошей экономичностью. Это позволяет, начиная с последних десятилетий прошлого века внедрять в энергетику газотурбинные двигатели большой (120. 180 МВт) мощности.

На основе конвертации авиационных ГТД создаются передвижные (колесные и железнодорожные) электростанции с газотурбинным приводом машинных генераторов электрического тока, газотурбинные нагнетатели газоперекачивающих станций и силовые установки судов с динамическим поддержанием [5,6].

Основной задачей дальнейшего развития морских ГТД служит изыскание направлений для повышения их экономичности, которыми служат [7,8]:

— повышение начальной (на выходе из камеры сгорания) температуры газа;

— применение промежуточного охлаждения сжимаемого в компрессорах ГТД воздуха;

— использование тепла выпускного газа для подогрева сжатого воздуха в затурбинном газовоздушном теплообменнике (регенерация тепла выпускного газа) перед его поступлением в камеру сгорания;

— использование тепла выпускного газа для получения пара в утилизационном парогенераторе теплоутилизационного контура с целью выработки в паровой турбине дополнительной мощности, отдаваемой потребителю механической энергии, основная часть мощности для которого отдается ГТД;

— применение керамических материалов для облопатывания турбин генераторов газа высокотемпературных ГТД.

Для морских ГТД с ресурсом облопатывания газогенераторов (5.10)-103 часов повышение температуры газа ограничено величиной 7)! <1650 К при конвективном воздушном охлаждении сопловых и рабочих лопаток газовых турбин (с выпуском охлаждающего воздуха в проточную часть) — на охлаждение дисков и облопатывания турбин газогенераторов затрачивается (10. 12)% (и более) сжатого в компрессорах ГТД воздуха. Увеличение ресурса работы рабочих лопаток турбин газогенераторов ГТД до (20.40)-103 часов требует снижения начальной температуры газа до 1450К (либо увеличение затрат сжатого воздуха для охлаждения элементов газовых турбин) [9]. Для повышения экономичности ГТД с большим ресурсом облопатывания может быть целесообразным применение наряду с основной камерой сгорания камеры дожигания топлива (после турбин газогенератора), но в этом случае обязательно необходимо использовать тепло выпускного газа (в регенераторе либо в утилизационном парогенераторе).

Применение промежуточного охлаждения сжимаемого в компрессорах воздуха уменьшает работу, потребляемую компрессором высокого давления 7 газогенератора и тем самым увеличивает мощность силовой турбины и, следовательно, повышает экономичность морского ГТД (это рекомендовано для использования в перспективных морских ГТД фирмы Роллс-Ройс и Вестинга-уз) [10], для уменьшения массы теплообменника промежуточного охлаждения сжатого воздуха вместо трубчатых теплообменников используются пластинчатые.

Регенерация тепла выпускного газа в затурбинном газовоздушном теплообменнике есть эффективный способ повышения экономичности транспортных и энергетических ГТД, но это приводит к существенному увеличению массы газотурбинного двигателя при высокой степени регенерации тепла выпускного газа (0.75.0.80). Замена трубчатого затурбинного газовоздушного теплообменника на пластинчатый существенно снижает его массу и потому рекомендуется для перспективных морских ГТД.

Имеется опыт создания и успешной эксплуатации морских ГТД с паровыми теплоутилизационными контурами (Россия и США) [11, 12, 13]. Этот опыт распространяется на энергетические газотурбинные установки с высокой экономичностью, однако использование парового теплоутилизационного контура в газотурбинной установке приводит к очень большим конструктивным усложнениям.

Существующие конструкции ГТД с паровыми теплоутилизационными контурами (ПТУК) имеют ограниченную область применения (водоизме-щающие суда и стационарные электростанции) из-за необходимости использования воды для конденсации отработавшего пара при вакууме.

Использование ГТД с ПТУК для передвижных электростанций энергопоездов и морских судов с динамическими принципами поддержания возможно при существенном упрощении конденсационной системы парового теплоутилизационного контура путем замены вакуумной конденсации отработавшего в паровой турбине пара на атмосферную конденсацию водяного пара с применением воздуха окружающей среды для охлаждения отработавшего пара и его конденсации. Однако в технической литературе нет сведений о таких комбинированных газопаротурбинных установках.

Методы регулирования мощности морских и энергетических газотурбинных двигателей, разработанные в шестидесятых годах прошлого века, очень упрощены принятыми допущениями и не позволяют учесть влияние затрат сжатого воздуха для охлаждения деталей газовых турбин, изменения расхода топлива и геометрии сопловой решетки первой степени силовой турбины на параметры газотурбинного двигателя [8, 14].

Одной из задач диссертационной работы служит определение наиболее рационального способа регулирования ГТД, в этом случае необходимо силовую турбину, отдающую свою мощность потребителю механической мощности, кинематически отделить от ротора газогенератора, что позволяет при регулировании мощности ГТД получить более свободное управление двигателем. Выделение силовой турбины самостоятельным объектом позволяет ввести кроме подачи топлива еще один регулирующий параметр — поворот сопловой лопатки первой ступени силовой турбины. Отделение силовой турбины от газогенератора и введение второго управляющего параметра позволяют применить наиболее рациональные способы регулирования мощности ГТД, к числу которых относятся: постоянная начальная температура газа на всех режимах работы, задание рационального закона изменения удельного расхода топлива на долевых режимах работы ГТД и обеспечение минимального расхода топлива при заданном спектре режимов работы ГТД с ПТУК.

Привод насосов системы автоматического регулирования (САР) от газогенератора затрудняет управление органами регулирования, поэтому одним из возможных способов управления органами регулирования служит автономный электропривод регулирующих органов — угловое положение шайбы роторного плунжерного насоса и управление поворотом сопловых лопаток в первой ступени силовой турбины. Поэтому в задачи настоящего исследования вошли вопросы обеспечения устойчивости механизмов управления при использовании электропривода.

Если насос САР приводится от ротора генератора газа, а принятый способ регулирования мощности требует изменить частоту вращения ротора газогенератора, но это приводит к усложнению управления, и поэтому целесообразно все органы управления сделать электроприводными с питанием от автономного источника.

В литературе практически отсутствует теория регулирования работы ГТД при электрическом приводе управляющих элементов и основной задачей можно считать разработку математической модели управления с учетом основных нелинейностей в исполнительных механизмах, к которым относятся сухое трение и люфт.

Все изложенное ставит следующие задачи для научных исследований по теме «Эффективность и регулирование мощности морского газотурбинного двигателя с паровым теплоутилизационным контуром при атмосферной конденсации пара и управляющем электроприводе»:

— разработка математической модели для учета влияния давления и температуры рабочей среды на изобарную теплоемкость в процессах сжатия и расширения в элементах морского ГТД;

— разработка методики расчета эффективности морского ГТД с учетом изменения теплоемкостей воздуха и газа в процессах сжатия и расширения;

— разработка методики расчета параметров пара и производительности утилизационного парогенератора в составе морского ГТД;

— выполнение расчетных исследований для определения рациональных параметров утилизационного парогенератора и оптимальных параметров газотурбинного двигателя в системе комбинированной морской газопаротурбинной установки (газотурбинный двигатель с паровым теплоутилизационным контуром);

— выполнение расчетных исследований по обоснованию применения атмосферной конденсации отработавшего пара при использовании в качестве охлаждающей среды окружающего воздуха;

— разработка метода определения параметров пара на выходе из утилизационного парогенератора на долевых режимах работы парового утилизационного контура в составе морской комбинированной газопаротурбинной установки;

— разработка методики расчета параметров ГТД на долевых режимах работы при неизменяемой геометрии сопловых решеток силовой турбины;

— разработка математической модели высоконапорного осевого компрессора;

— математическое обоснование оптимального способа регулирования мощности морского газотурбинного двигателя;

— разработка методики рационального способа регулирования мощности многорежимного ГТД с оценкой требуемой геометрии сопловой решетки первой ступени силовой турбины;

— выполнение расчетных исследований эффективности парового теплоутилизационного контура на долевых режимах работы морского ГТД в системе газопаротурбинной установки (с оценкой целесообразности применения ПТУК в многорежимной комбинированной морской газопаротурбинной установки;

— разработка математической модели системы автоматического регулирования частоты ГТД с учётом сухого трения и люфта в электроприводных исполнительных механизмах.

— получение условий устойчивости САР частоты вращения ГТД при использовании электрических двигателей в качестве приводов для регулирующих органов;

— исследование влияния люфта и сухого трения на устойчивость САР частоты вращения ГТД.

5.3 Выводы по главе 5.

В главе 5 были рассмотрены вопросы стабилизации частоты вращения ГТД с помощью замкнутых систем автоматического регулирования. Для контуров регулирования, не превышающих 2-ой порядок, были найдены необходимые и достаточные условия устойчивости. Сухое трение и люфт в рассматриваемых системах автоматического регулирования учитывались в виде типовых, существенных нелинейностей. Все результаты были получены аналитическими методами качественного исследования динамических систем на плоскости состояний.

Условия устойчивости (отсутствие автоколебаний) представлены в виде разбиений пространства соответствующих параметров (коэффициентов) замкнутой системы автоматического регулирования.

Рассмотрены вопросы регулирования частоты вращения двухвального ГТД с помощью двухконтурного управления — воздействием по двум управляющим параметрам: подаче топлива в камеру сгорания и повороту сопловых лопаток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследования, выполненные в настоящей работе, позволили получить следующие результаты:

1) Разработанный способ учета изменения теплоёмкости рабочей среды позволяет учесть влияние давления и температуры рабочей среды на ее теплоемкость.

2) Выполненные при широком изменении параметров ГТД с ПТУК по газовой и паровой частям расчеты показали:

— наибольшая экономичность ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации пара достигается при повышении давления воздуха в компрессоре (ах) пк =12.14(16) при начальной температуре газа Т’г = 1423.1623К соответственно и различном давлении пара на выходе из утилизационного парогенератора р" ш = 1.5.9.0МПа. Этот результат позволяет упростить конструкцию газогенератора ГТД при использовании ПТУК, сделав его однороторным. Для повышения эффективности высоконапорного компрессора можно использовать промежуточное охлаждение воздуха при его сжатии, разделив компрессор на части низкого и высокого давления в однороторном генераторе газа (что позволяет повысить КПД ГТД на 2−3%);

— наибольший КПД ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации отработавшего пара (Рконд = 0.1 МПа) достигается при давлении пара на выходе из.

УПГ р" пп ~ {р*пп)опт = 3.0.6.0МПа: (р'пп)опт = 3.0.4.5МПа при Г-=1373к и (Рпп)опт = 4.5.6.0мПа при Т’г =1623К. Этот результат подтверждается реализованной в США комбинированной газопаротурбинной установкой фирмы Дженерал Электрике на базе ГТД LM2500;

— в морском ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации отработавшего пара можно получить сравнительно высокую экономичность (обеспечить значения эффективного КПД rjel = 0.40.0.41) при температуре газа на выходе из камеры сгорания Т*г = 1523.1623 К, повышении давления воздуха в компрессоре кк = 12.14 и давлении пара на выходе из УПГ р’пп = 4.5.6.0МПа;

— наличие ПТУК несколько снижает эффективность ГТД из-за увеличения потери давления в газовом тракте (снижает КПД ГТД на 0.3 — 1.2% при потере давлении в газовом тракте Арупг = 1.5.4.5кПа), но позволяет получить дополнительную мощность в ПТ, равную 0.13.0.40 от мощности газотурбинного двигателя в зависимости от его параметров;

— ГТД с ПТУК при атмосферной конденсации отработавшего пара целесообразно применять там, где нет доступа к воде, т. е. для передвижных электростанций, энергопоездов, морских судов с динамическим принципом поддержания (судов на подводных крыльях и судов на воздушной подушке), так как конденсация пара осуществляется воздухом окружающей среды;

3) Усовершенствован метод расчета параметров ГТД при ПТУК с неизменяемой геометрией компрессора и силовой турбиныразработан метод расчета параметров ПТУК на долевых режимах работы ГТД.

4) Разработан метод расчета параметров ГТД на долевых режимах работы при заданном удельном расходе топлива.

5) В работе дано теоретическое обоснование регулирования мощности морского ГТД при неизменяемой температуре газа на выходе из камеры сгорания.

6) На основе вариационного исчисления разработан новый метод оптимального регулирования мощности ГТД при наличии ПТУК, обеспечивающий минимальный расход топлива на каждом долевом режиме работы двигателя.

7) Разработанная в работе математическая модель управляющего электропривода предоставляет возможность получать новые знания о причинах появления в исполнительных механизмах электроприводов релаксационных колебаний и проектировать электроприводы с параметрами, заведомо исключающими возникновение подобных явлений.

8) Решение задачи устойчивости системы автоматического регулирования частоты вращения одновального ГТД при учете таких существенных нели-нейностей как «мертвая зона», «скачок», «гистерезис» позволяет понять причины возникновения в таких системах автоколебательных режимов и найти пути их устранения.