Применение парогазовой установки в качестве источника энергии активной системы охлаждения газотурбинного двигателя

рис. 2. В качестве рабочего тела в ней может использоваться органическое рабочее тело с положительным наклоном пограничной кривой пара в T-s координатах. В этом случае процесс расширения рабочего тела будет всегда заканчиваться в области перегретого пара, а, следовательно, будет отсутствовать проблема снижения КПД турбины и эрозии её лопаток из-за появления конденсата. Большинство таких рабочих тел имеет низкую температуру плавления и достаточно высокую температуру термического разложения. Например, для органического рабочего тела СР-25 t пл =-95 ⁰ С, Т т.р. =753К [8].

Рис. 1. Схема ГТД с активной системой охлаждения:

1, 2, 3 – компрессор, камера сгорания и турбина ГТД; 4, 5, 6 – компрессор, камера сгорания и турбина ГТУ; 7, 8, 9, 10 – компрессор, теплообменники-парогенераторы и каналы охлаждения СО

ПТУ получает теплоту из теплообменников ГТУ и СО. Поэтому источником энергии СО становится парогазовая установка (ПГУ). Пар из теплообменников-парогенераторов 8, 9 поступает в ступень высокого давления 11 и ступень низкого давления 12 паровой турбины, охлаждаясь после расширения в них соответственно в регенераторах 14 и 15 . После этого он подается в

конденсирующий инжектор 13. Одна часть полученного в нем конденсата с помощью насоса 17 подается через охлаждающие стороны регенераторов 15 и 14 в теплообменники-парогенераторы 8, 9 . Другая часть насосом 18 прокачивается через холодильник 16 и поступает в конденсирующий инжектор 13 .

Рис. 2. Схема ПТУ источника энергии активной системы охлаждения: 8, 9 – теплообменники-парогенераторы; 11, 12 –ступени паровой турбины; 13 – конденсирующий инжектор; 14, 15 – регенераторы; 16 – холодильник; 17, 18 – насосы

Применение теплообменников-парогенераторов со змеевиковыми парогенерирующими каналами и конденсирующего инжектора обеспечивает надежную работу ПТУ при любых положениях летательного аппарата в пространстве и знакопеременных перегрузках. ПТУ с органическими рабочими телами находят применение в космических и глубоководных радиоизотопных энергоустановках, имеют большой ресурс и высокую надежность работы [8]. При использовании в качестве источника энергии СО только ГТУ термический КПД ГТД равен:

идеализированной СО (не учитываются дополнительные затраты тепловой и механической энергии на её функционирование).

Если в качестве источника энергии СО используется ПГУ, то термический КПД ГТД можно найти по формуле:

пгу _      ^{€ +€} пгу

^П Е        л л

⁺ "  пгу ^{+ q} 2 ^{+ q} х

= п т

гту                гту

" + "  гту + q 2 + q то Е

(1 + "гту )

= П т--------А1+• гту гту

V Па       у

V

^{( 1 +} " пгу )

1 +     -"„у пгу пгу

П а         У

,

где ℓ, ℓ гту – удельные полезные работы ГТД и ГТУ (отнесены к величине расхода воздуха через ГТД); q 2 – удельная теплота, отводимая из цикла ГТД; q ТО Σ =( q TO + q TO CO ) - удельная теплота, отводимая из теплообменников ГТУ и СО;

" гту = "  гту /" - относительная работа ГТУ; П ату = "  гту /( " гту + q то s) - коэффициент пре-

где ℓ пгу – удельная полезная работа ПГУ (отнесена к величине расхода воздуха через ГТД); q X – удельная теплота, о т водимая из цикла ПТУ через холодильник; " = "  пгу /" - относительная работа ПТУ; п ^у = " пгу/( " пгу + q х ) ^- коэффициент преобразования дополнительно подведенной теплоты в дополнительную полезную работу.

Коэффициент преобразования дополнительно подведенной теплоты в дополнительную полезную работу η а^пгу может быть приведен к виду:

П пгу =

образования дополнительно подведенной теплоты в дополнительную полезную работу [2]; П ="/ ( " + q ₂) - термический КПД ГТД с

_Л " пту ^{( 1 —} П иту)

1 +    -•-

" пгу П пту

,

где    ℓ пту    – удельная работа ПТУ;

Пту = Iшу/qто! - термический КПД ПТУ; qто s = qто + qто со ) - удельная теплота, пере- даваемая в теплообменниках-парогенераторах от воздуха к органическому рабочему телу.

Приближенно можно принять η пту ≈0,3 [8]. Обычно в ПГУ утилизационного типа отношение ℓ пту /ℓ пгу ≈0,3. В этом случае из формулы (3) получим следующую оценку величины коэффициента преобразования дополнительно подведенной теплоты в дополнительную полезную работу η а^пгу ≈0,59. Термический КПД современных ГТД равен величине η≈0,3-0,4. Тогда из формулы (2) следует неравенство:

п пг^у >  п

Так как величина η характеризует термический КПД ГТД с идеализированной СО, в которой не учитываются дополнительные затраты тепловой и механической энергии на её функционирование, то η> η 0 , где η 0 – термический КПД ГТД с обычной пассивной СО (с отбором мощности для привода компрессора СО от коробки агрегатов ГТД).

Учтя неравенства ηапгу> ηaгту и ℓ>ℓ0, где ℓ0 – удельная работа ГТД с пассивной СО, можно сделать вывод, что ГТД с активной СО, имеющей источник энергии СО в виде ПГУ, будет всегда более эффективным по сравнению с ГТД, использующим источник энергии СО в виде ГТУ и тем более эффективным по сравнению с ГТД, имеющим пассивную СО.