Численное моделирование и обобщение характеристик судовых газотурбинных установок на переменном режиме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Зо Вин Тхайк

• Зо Вин Тхайк
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зо Вин Тхайк

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И БАЗЫ ДАННЫХ

1.1. Современные судовые ГТД и работа на переменном режиме

1.1.1. База данных современных судовых ГТУ.

1.1.2. Работа судовых ГТД на переменном режиме.

1.2. Методы повышения эффективности ГТД на режимах частичных нагрузок

1.2.1. Комбинированный цикл и работа судовых КГПТУ на переменном режиме.

1.2.2. Сложный цикл и работа судовых ГТД на переменном режиме

1.2.3. Использование регулируемого соплового аппарата (РСА) в силовой турбине.

1.3. База данных по характеристикам элементов газотурбинного двигателя и комбинированной установки

1.3.1. Универсальные характеристики осевых компрессоров.

1.3.2. Эффективность системы охлаждения лопаток турбины ГТД

1.3.3. Характеристики котла-утилизатора и конденсатора.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГТД И КГПТУ НА ПЕРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ

2.1. Математическая модель.

2.2. Блок схема программы.

2.3. Структура программы.

ГЛАВА 3. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ГТД НА ПЕРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ

3.1. Обобщение характеристик ГТД на переменном режиме.

3.1.1. Обобщение характеристик однокомпрессорных ГТД со свободной силовой турбиной на переменном режиме.

3.1.2. Обобщение характеристик двухкомпрессорных ГТД со свободной силовой турбиной на переменном режиме.

3.1.3. Обобщение характеристик ГТД со свободной силовой турбиной на переменном режиме.

3.2. Повышение эффективности ГТД сложного цикла па переменном режиме.

3.3. Тестирование программы и сравнение эффективности различных типов ГТД на переменном режиме.

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ ГТУ НА ПЕРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ

4.1. Сравнение эффективности КГПТУ при изменении давления перегретого пара на номинальном режиме.

4.2. Обобщение характеристик КГПТУ для схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной с отбором пара на переменном режиме

4.3. Обобщение характеристик КГПТУ для схемы ТУК с теплым ящиком и паровой турбиной на переменном режиме.

4.4. Влияние параметров на статические характеристики КГПТУ

4.5. Сравнение эффективности КГПТУ.

4.6. Тестирование программы для КГПТУ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование и обобщение характеристик судовых газотурбинных установок на переменном режиме»

Актуальность ^ темы. В судовых газотурбинных установках существенны такие преимущества как малая удельная масса, компактность, высокая маневренность, более низкие требования к обслуживанию, малое потребление машинного масла. Вместе с тем, по экономичности газотурбинные установки (ГТУ) уступают дизельным установкам. В судовых газотурбинных установках большое значение имеет обеспечение эффективности работьь ГТУ на переменном режиме поскольку большую часть времени энергетические установки эксплуатируются на режимах частичных нагрузок. При' использовании в составе агрегата газотурбинных двигателей (ГТД) простого цикла экономичность значительно снижается при снижении мощности. Повышение эффективности на режимах частичных нагрузок обеспечивается дроблением мощности, т.е. использованием маршевых и форсажных двигателей с раздельной или совместной их работой на режимах полного хода. Это требует сложной конструкции газотурбинного агрегата за счет использования ряда двигателей и сложного редуктора. Другим способом обеспечения экономичности газотурбинного агрегата на режимах частичных нагрузок является использование ГТД сложного цикла или комбинированной газопаротурбинной установки (КГПТУ) с паротурбинным теплоутилизирующим контуром (ТУК). Разработка рациональных решений при проектировании газотурбинных двигателей и комбинированных установок, обеспечивающих эффективную работу на переменных режимах, требует информационной базы статических характеристик двигателей и установок на основе численного моделирования их работы на переменном режиме. Таким образом, разработка компьютерной программы, определение и обобщение расчетных характеристик морских газотурбинных двигателей и комбинированных энергетических установок, разработанных на базе ГТД, на переменном режиме является актуальной задачей.

Цель работы. Целью настоящей работы является создание информационной базы данных для проектирования судовых газотурбинных установок, обеспечивающей эффективную работу на переменных режимах.

Основные задачи исследования.

- Формирование базы данных судовых газотурбинных двигателей 3 — 5 поколений.

-Разработка математической модели и компьютерной программы для определения характеристик газотурбинных установок простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Определение характеристик судовых газотурбинных двигателей различного типа на переменном режиме и обобщение в виде регрессионных зависимостей от мощности.

- Разработка программы изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины для повышения эффективности судовых ГТД сложного цикла на переменном режиме.

Определение характеристик судовых комбинированных газопаротурбиных установок на переменном режиме и обобщение в виде регрессионных зависимостей от мощности ГТД для различных схем теплоутилизирующего контура.

Основные результаты.

- Математическая модель и компьютерная программа для определения характеристик судовых газотурбинных установок простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Обобщенные зависимости для статических характеристик судовых ГТД различного типа от мощности.

- Программа изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины для повышения эффективности судового ГТД сложного цикла на переменном режиме.

Обобщенные зависимости для статических характеристик комбинированных установок на базе судовых ГТД различного типа с паротурбинным теплоутилизирующим контуром для повышения эффективности установки на переменном режиме.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в решении сформулированной проблемы и получении следующих научных результатов.

- Впервые получены регрессионные зависимости для статических характеристик большой выборки судовых ГТД 3 — 5 поколений в широком диапазоне изменения мощности.

- Для судового ГТД сложного цикла разработана программа изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины, обеспечивающая максимальное повышение КПД на переменном режиме при сохранении устойчивой работы компрессора.

- Впервые получены регрессионные зависимости для статических характеристик судовой газопаротурбинной установки на базе большой выборки ГТД и двух схем паротурбинного теплоутилизирующего контура.

Практическая ценность.

Разработанная компьютерная программа позволяет определять статические характеристики судовых газотурбинных установок простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

Полученные регрессионные зависимости для статических характеристик судовых газотурбинных двигателей различного типа и комбинированных установок с различной схемой теплоутилизирующего контура позволяют прогнозировать характеристики и производить оценку эффективности установок в широком операционном диапазоне изменения мощности при проектировании и эксплуатации.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современной базы данных на основе интернет — сайтов основных производителей судовых ГТД, использованием современных методов и программ регрессионного анализа, использованием в математической модели фундаментальных законов и уравнений термодинамики и теплообмена, верификацией программы определения характеристик ГТУ простого, сложного и комбинированного цикла, удовлетворительным соответствием результатов тестовых расчетов с характеристиками ГТД и комбинированных установок.

На защиту выносятся.

- Математическая модель и компьютерная программа для определения статических характеристик судовых ГТД простого, сложного и комбинированного цикла на переменном режиме.

- Результаты обобщения статических характеристик современных судовых ГТД простого цикла в широком операционном диапазоне изменения мощности.

- Результаты использования программы для определения изменения угла поворота сопловых лопаток силовой турбины ГТД сложного цикла, обеспечивающие повышение эффективности на переменном режиме.

Результаты обобщения статических характеристик ГТУ комбинированного цикла с различной схемой паротурбинного теплоутилизирующего контура для повышения эффективности установки на переменном режиме.

Реализация результатов работы. Разработанная программа используется в учебном процессе подготовки специалистов, бакалавров и магистров СПбГМТУ, может быть использована при проектировании и эксплуатации судовых ГТД и КГПТУ в России, при разработке технического задания на проектировании судов и заказе судовых газотурбинных двигателей и комбинированных установок, а также в учебном процессе университетов в республике " Союз Мьянма ".

Апробация работы. Основное содержание работы и результаты докладывались на кафедре судовых турбин и турбинных установок по ходу выполнения работы.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 научные статьи. Доля автора в публикациях 50 %. В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликовано 3 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четыре глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем -154с., рис.52, табл.6, список литературы включает 62 наименования.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Зо Вин Тхайк

Выводы по результатам главы 4

1. Приведены результаты расчёта КГПТУ на номинальном и переменном режимах, построены и обобщены в виде регрессионных зависимостей статические характеристики КГПТУ. Для расчетного исследования были взяты схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной с отбором пара и ТУК с теплым ящиком и паровой турбиной. Для КГПТУ, разработанных на базе ГТД двухвальной и трехвальной схем, получены регрессионные зависимости относительных параметров КГПТУ от относительной мощности ГТД. Выборка ГТД 3-5 поколений составляла 4 двигателя двухвальной схемы и 5 двигателей трехвальной схемы. Эффективность схемы ТУК с тёплым ящиком несколько выше на номинальном режиме. Эффективность схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной несколько выше на переменном режиме. Различие регрессий для рассмотренных схем ГТД и конфигураций ТУК весьма мало, что позволило обобщить статические характеристики КГПТУ одной зависимостью при сохранении адекватности регрессии.

2. Рассмотрено влияние исходных параметров ТУК на статические характеристики КГПТУ. Получена общая регрессионная зависимость относительного значения удельного расхода топлива КГПТУ от относительной мощности ГТД для всей выборки исходных параметров ТУК. Установлена зависимость минимальной разницы температуры между газом и паром в КУ от мощности ГТД. В схеме ТУК с деаэратором величина А7тт снижается более значительно при снижении мощности ГТД по сравнению со схемой ТУК с теплым ящиком, что необходимо учитывать при выборе параметров ТУК на номинальном режиме.

Заключение

1. Разработана программа определения характеристик судовых ГТД и КГПТУ на переменном режиме. Программа тестирована на основе имеющихся в литературе и на сайтах производителей статических характеристик основных типов морских ГТД и комбинированных установок на переменном режиме. Программа и полученные в работе результаты обобщений характеристик обеспечивают сравнительную оценку эффективности судовых ГТУ простого, сложного и комбинированного цикла для различных конфигураций двигателей и комбинированных установок.

2. Сформирована база данных основных параметров морских ГТД 3—5 поколений, необходимых для определения характеристик двигателей и комбинированных установок на переменном режиме. Для двигателей простого цикла, выполненных по двухвальной^ и> трехвальной схемам с большой выборкой ГТД, получены регрессионные зависимости основных относительных параметров от мощности.

3. Для сложного цикла программа позволяет установить для' каждого режима работы ГТД угол поворота РСА, обеспечивающий сохранение температуры, газа перед турбиной и высокую эффективность при устойчивой работе компрессора. Расчетным путём определено положение режимных линий на характеристиках компрессоров ГТД, что позволяет установить режимы работы, которые могут быть реализованы в практике эксплуатации без применения противопомпажной защиты.

4. Приведены результаты расчёта КГПТУ на номинальном и переменном режиме, построены и обобщены в виде регрессионных зависимостей статические характеристики КГПТУ. Для расчетного исследования были • взяты схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной с отбором пара и г

1 ТУК с теплым ящиком * и паровой турбиной. Для КГПТУ, разработанных на базе ГТД двухвальной и трехвальной схем, получены регрессионные зависимости относительных параметров КГПТУ от относительной мощности ГТД. Выборка ГТД 3-5 поколений составляла 4 двигателя двухвальной схемы и 5 двигателей трехвальиой схемы. Эффективность схемы ТУК с тёплым ящиком несколько выше на номинальном режиме. Эффективность схемы ТУК с деаэратором и паровой турбиной несколько выше на переменном режиме. Различие регрессий для рассмотренных схем ГТД и конфигураций ТУК весьма мало, что позволило обобщить статические характеристики КГПТУ одной зависимостью при сохранении адекватности регрессии.

5. Рассмотрено влияние исходных параметров ТУК на статические характеристики КГПТУ. Получена общая регрессионная зависимость относительного значения удельного расхода топлива КГПТУ от относительной мощности ГТД для всей выборки исходных параметров ТУК. Установлена зависимость минимальной разницы температуры между газом и паром в КУ от мощности ГТД. В схеме ТУК с деаэратором величина АТтт снижается более значительно при снижении мощности ГТД по сравнению со схемой ТУК с теплым ящиком, что необходимо учитывать при выборе параметров ТУК на номинальном режиме.

6. Определено изменение удельного расхода топлива в зависимости от относительной мощности на режимах частичных нагрузок. Установлены количественные соотношения для удельного расхода топлива для трех вариантов цикла ГТУ. Наибольшую эффективность на режимах частичных нагрузок обеспечивает сложный цикл с РСА силовой турбины. Комбинированный цикл по эффективности и диапазону изменения мощности уступает сложному циклу. Использование РСА силовой турбины приводит к значительно меньшему повышению эффективности на режимах частичных нагрузок по сравнению со сложным циклом. В простом цикле двухвального и трехвального ГТД - наибольшее снижение эффективности ГТД на переменном режиме.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зо Вин Тхайк, 2011 год

1. Арсеньев JI. В., Тырышкин В.Г., Богов И.А., Подобуев Ю.С., Е.Е.Левин. Стационарные газотурбинные установки. — Л.: Машиностроение, Ленигр. отдление, 1989г. — 543с.

2. Венцюлис Л. С., Рыбалко. В.В., H.A. Марчуков. Турбипист флота М.: Воениздат, 1988г.-352с.

3. Трухний А.Д. Исследование работы ПГУ утилизационного типа при частичных нагрузках. Теплоэнергетика, №1, 1999г.

4. Курзон.А.Г., Юдовин Б. С. Судовые комбинированные энергетические установки. Л.: Судостроение, 1981г. -216 с.

5. Топунов A.M. Теория судовых турбин. — Л.: Судостроение, 1985г. 472 с.

6. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчёт: М.: Машиностороение,4-е изд., 1991г. 512с.

7. Попов Н.С., Изотов С.П., Антонов В.В. Транспортные машины с газотурбинными двигателями,- Л.Машиностроение. Ленингр. 1987г. 259 с.

8. Богомолов E.H. Рабочие процессы в охлаждаемых турбинах газотурбинных двигателей с перфорированными лопатками. М.: Машиностроение, 1987г. — 160с.

9. Беляев И.Г. Эксплуатация судовых утилизационных установок. — М.:Транспорт, 1987г.- 175с.

10. Ермилов В.Г. Теплообменные аппараты и конденсационные установки.-Л.: Судостроение, 1974г —221с.

11. П.Курзон А.Г., Маслов Л.А. Судовые турбинные установки: Л.: Судостроение, 1991г. 192с.

12. Маслов Л.А. Судовые газотурбинные установки. -Л.: Судостроение, 1973 г.-400с.

13. Слободянюк Л.И., Поляков. В.И. Судовые паровые и газовые турбины и их эксплуатации.-Л.: Судостроение,!983г. — 357 с.

14. Костюк А.Г., Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки. — М.: Высш. школа, 1979г.-254с.

15. Асеньев A.B., Тырышкин В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами.- Л.: Машиностроение, Ленингр. Отделение, 1982г. — 247с.

16. Сорока Я. X. Теория и проектирование судовых газотурбинных двигателей. Л.: 1982г. — 111с.

17. Цанев С. В., Буров В. Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. — М.: Издательство МЭИ. 2002г. -584с.

18. Котляр И.В. Частичные и переходные режимы работы судовых газотурбинных установок. Л.: Судостроение, 1966г. - 286с.

19. Рыбалко В.В. Корабельные комбинированные энергетические установки, 1999. — 142с.

20. Гофлин А. П., Шилов В.Д. Судовые компрессорные машины. Л.: Судостроение, 1977г. - 272 с.

21. Рыбалко. В.В., Гончаров. С. П. Корабельные комбинированные энергетические установки. ВМИИ, СПб, 2003г. — 442с.

22. Артемов Г. А., Волошин В.П., Захаров Ю. В., Шквар А. Я. Судовые энергетические установки. — JT.: Судостроение, 1987г, 480с.

23. Клименко А. И. Транспортные газотурбинные двигатели. 1970. — 44с.

24. Селезнев К. П., Галеркин Ю. Б., Анисимов С. А., Митрофанов В. П., Подобуев Ю. С. Теория и расчет турбокомпрессоров. J1.: Машиностроение, Ленингр. Отделение, 1986. - 392с.

25. Курзон А. Г. Основы теории и проектирования судовых паротурбинных установок. Л.: Судостроение, 1974. - 535с.

26. Манушин Э. А. Комбинированные энергетические установки с паровыми и газовыми турбинами. Итоги науки и техники. Серия турбостроение, 1990, т. 4,- 179с.

27. Трояиовский Б. М., Филиппов Г. А., Булкин А. Е. Паровые и газовые турбины атомных электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1985 — 256с.

28. Castles G., Willett F.T., Reed G. Economic benefits of hybrid drive propulsion for DDG-51 class ships. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008. June 9-13, 2008, Berlin, Germany. GT2008-50053.

29. Aye N., McAndrews G., Mendenhall B. Marine gas turbine package for the Korean Navy PKX program. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008. June 913, 2008, Berlin, Germany. GT2008-50098.

30. Hatcher S. D., Driscoll M. J., Boughner A. L. Unique replacement method developed for the US navy's newest gas turbine powered warship. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008. June 9-13, 2008, Berlin. GT2008-50114.

31. Casson R., English C., Newman S., Timbrell L. Integrating MT30 into the UK's future aircraft carrier-power at the heart of the electric propulsion system. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008. June 9-13, 2008, Berlin. GT2008-50206.

32. Soares C. A handbook of air, land and sea application, Pb.Buttcrworth-Heinemann, 2007. p.750.

33. Saarlas M. Steam and gas turbine for marine propulsion, US Naval institute, Annapolis: Maryland, 1987. — p.39. http://books.google.ru.

34. Abbot J. W., Baham G. J. COGAS a new look at Naval Propulsion. Naval Engineering Journal, Oktober, 1974. -p.41-55.

35. COGES plant ordered for cruise ships offer 80% NOx reduction. Marine Engineers Review. June, 1998. -p. 21.

36. Kehlhofer R, Rukes B, Hannemann F, Stirnimann F, Combined Cycle Gas and steam turbine power plants. 3rd ed, Penn Well Publishing Company, 2009. -p.433.

37. Cohen H., Roger G.F.C., Saravannamuttoo H.I.H. Gas Turbine theory. Longman group Limited, 1996, 4h Edition. p. 442.

38. Lakshminarayana B. Fluid dynamic and heat transfer of turbomachinery. 1996. p.435.

39. Boyce M. P. Gas turbine engineering handbook. 3rd ed., 2006, Elsevier Inc. -p.935.

40. Razak A.M.Y. Industrial gas turbines performance and operability. 2007, Woodhead publishing Limited. — p.602.

41. Logan E. Jr., Roy R. Handbook of turbo machinery. 2nd ed., 2003, Marcel Dekker Inc. p.800.

42. Ganapathy V. Industrial boilers and heat recovery steam generators. Design, applications and calculations. ABCO Industries Abilene, Texas, USA, 2003, Marcel Dekker Inc. p.648.

43. Rainer K. Gas turbine performance. San Diego, California. 2005. p. 131 -146.

44. Colin R. The WR-21 Intercooled Recuperated Gas Turbine Engine Integration Into Future Warships, Proceedings of the International Gas Turbine Congress. Tokyo, November 2-7, 2003.

45. Gresh T. M. Compressor performance Aerodynamics for the User. 2nd ed., 2001.-p.201.

46. Badeer G. H., GE's LM2500+G4 aeroderivative gas turbine for marine and industrial application. LM™ product marketing leader. Industrial aeroderivative gas turbine. 2005, GE Company, www.geae.com.

47. Boyce M. P., Handbook for cogeneration and combined cycle power plants. The American Society of Mechanical Engineers, 2004. p.560.

48. Ganapathy V. Waste heat boiler deskbook. 1991, the Fairmont press Inc. -p.399.

49. Rangwala A. S. Turbo Machinery dynamics design and operation. 2005, McGraw-Hill Companies, - p.535.

50. Walsh P. P., Fletcher P. Gas turbine performance. 2nd ed., 2004. p.631.61. www.nzl.ru.62. www.natmus.dk/cons/tp.