Материал: Гидрогазодинамика. учебное пособие. Муравьев А.В., Кожухов Н.Н

минимальное статическое давление. Здесь статические давления потоков сравниваются.

Рис. 4.5. Расширение струи

Скорость эжектируемого потока в сечении запирания не может превысить скорости звука. При этом наблюдается максимальный расход эжектируемого газа и максимально возможная величина коэффициента эжекции n . Дальнейшее понижение давления на выходе из эжектора не приводит к увеличению n и G2(явление, аналогичное работе сопла Лаваля, когда в его сжатом сечении достигнута звуковая скорость, при которой расход через сопло становится максимальным и не зависящим от давления на выходе из сопла). Такой режим работы эжектора называется критическим.

Параметры эжектора, при которых достигается максимальное значение коэффициента эжекции, определяют из условия 2 1. Это условие позволяет определить соответствующие величины скорости 1 и отношения полных дав-

лений p01 . Дальнейшее возрастание перепада давлений приводит к увеличе-

p02

нию скорости 1 и площади сечения F1 . Если p01 достаточно велико, то рас-

p02

ширяющаяся струя газа заполняет все сечения камеры смешения, для прохода газа не остается места. Такое явление называется запиранием эжектора.

4.2.3. Характеристики эжектора

Если эжектор работает при различных соотношениях исходных парамет-

ров газов (например, при разных степенях сжатия эжектируемого газа p04 или

p02

разных отношениях полных давлений на входе p01 ), то его расход G4 и коэф-

p02

фициент эжекции n могут меняться. Зависимости между переменными параметрами эжектора называются его характеристиками.

80

На рис. 4.6 представлена сетка полученных экспериментально характеристик эжектора с суживающимся эжектирующим соплом и цилиндрической ка-

мерой смешения, для которого отношение площадей F1 0,725 и температуры

F2

торможения смешиваемых потоков одинаковы. Характеристики показывают

зависимость степени сжатия эжектируемого газа p04 от коэффициента эжекции

p02

n при нескольких отношениях p01 . Опытные точки, по которым построены

p02

характеристики, получены при постоянных давлениях p01 и p02 последова-

тельным понижением статического давления на выходе из диффузора p4 . При этом уменьшается статическое давление во входном сечении камеры смешения и возрастают скорость и расход эжектируемого газа, тогда как расход эжектирующего газа изменяется незначительно при 1 1 или вовсе не меняется при

1 1. В результате увеличивается коэффициент эжекции n .

При критическом режиме, когда скорость эжектируемого газа в сечении запирания достигает скорости звука, коэффициент эжекции n становится мак-

симальным (для данного отношения p01 ) и не изменяется с дальнейшим пони-

p02

жением давления на выходе из эжектора.

Рис. 4.6. Характеристики эжектора с суживающимся эжектирующим соплом и цилиндрической камерой смешения

На докритических режимах, некоторое уменьшение степени повышения

давления p04 с увеличением коэффициента эжекции связано с ростом потерь в

p02

камере смешения и диффузоре при возрастании расхода. Увеличение p01 при-

p02

81

водит к росту «напорности» эжектора, т. е. степени повышения давления p04 ,

p02

но при этом уменьшаются предельные значения коэффициента эжекции, так как растет площадь сверхзвуковой эжектирующей струи в сечении запирания F1 и уменьшается сечение эжектируемого потока.

Пунктирная линия на рис. 4.6 соединяющая предельные точки кривых

p01 const сетки характеристик, ограничивает область реальных режимов

p02

эжектора. С увеличением полных давлений p01 она приближается к оси орди-

p02

нат и при некотором значении p01 max пересекается с ней. Точка пересечения, в

p02

которой степень повышения давления p04 достигает максимума для данного

p02

эжектора, а коэффициент эжекции равен нулю, соответствует режиму запирания эжектора.

Иногда используются характеристики другого типа, например, отражающие зависимость коэффициента эжекции от полного давления эжектирующего газа p01 при постоянных величинах p02 и p04 .

Если ставится задача получения максимально возможной степени повы-

шения давления эжектируемого газа p04 , то эффективным оказывается эжек-

p02

тор, в котором эжектирующий газ подается через сопло Лаваля. Следует отметить, что такие сверхзвуковые эжекторы целесообразно использовать при малых коэффициентах эжекции (до n = 0,5…0,6). Если отношение полных давле-

ний p01 становится меньше критического, характеристики эжектора с соплом

p02

Лаваля значительно ухудшаются. Поэтому, если эжектор работает в широком диапазоне режимов, целесообразно использовать суживающееся сопло.

82

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕМЕНТАХ ПАРОТУРБИННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

Энергоустановки с паротурбинным приводом уже разрабатываются во многих промышленно развитых странах мира для стабилизации энергопотребления в стационарных электрогенерирующих установках и в автономных электрических системах для отдельных производств и учреждений. Мировые тенденции развития энергетических систем при одновременном сокращении потребления углеводородного топлива и охраны окружающей среды обязывают специалистов нашей страны искать адекватные пути развития. Решение использовать водород в качестве экологически чистого компонента топлива при полноте сгорания до 99,8% для этих энергоустановок в России является новаторским.

Разработка эффективных технологий производства энергии с использованием водорода является одной из актуальных задач. Отечественными и зарубежными экспериментальными и расчетно-теоретическими исследованиями установлено, что в перспективе наиболее эффективными могут стать водородные энергоустановки паротурбинного и парогазового циклов.

Анализ современных энергоустановок различного типа (турбоустановки на органическом и водородном топливе, поршневые энергоустановки, когенерационные энергоустановки, энергоустановки на возобновляемых источниках) отечественных и зарубежных производителей показывает, что энергетическая эффективность лежит в пределах КПД от 0,3 до 0,6. При этом водородная энергоустановка имеет КПД больше чем у мировых аналогов.

Таких высокие показатели достигаются за счет следующих технических решений:

-использование высококалорийного топлива, сжигаемого при оптимальном стехиометрическом соотношении компонентов;

-разработка новой вихревой камеры сгорания парогенератора;

-использование регенерации теплоты для снижения расхода топлива (кислорода и водорода), при охлаждении элементов парогенератора (камер сгорания и испарения) конденсатом перегретого пара с последующей его подачей

вкамеру сгорания.

Тенденция развития современных турбоустановок на органическом или водородном топливе направлена на увеличение начальных параметров рабочего тела (T 600..800 К, МПа). Водородная турбоустановка (рис. 5.1) имеет начальные параметры пара перед турбиной: температура до 1200 К и давление до 7 МПа, что предполагает достаточно высокую её энергетическую эффективность.

83

Рис. 5.1. Энергоустановка: 1 – парогазогенератор; 2 – турбонасосный агрегат; 3 – турбина; 4 – водяной насос; 5 – электрогенератор; 6 – масляный насос; 7 – теплообменник; 8 – трубопроводы системы смазки; 9 – вентиль

Отличительной особенностью также является то, что водородный высокотемпературный парогенератор (рис. 5.2) непосредственно соединен с высокооборотной турбиной, что исключает наличие протяженных паровых трубопроводов из дорогостоящих спецматериалов. Так как пар с высокими параметрами вырабатывается и используется непосредственно в самой разрабатываемой энергоустановке, то это дает возможность ей работать как в автономном режиме, так и в составе ТЭС. Наряду с этим, важной особенностью энергоустановки является ее компактность, что позволяет создавать на ее основе мобильные энергетические комплексы для наземных космических систем.

Использование в качестве топлива водорода и кислорода позволяет обеспечить полную экологическую чистоту установки. Энергоустановка соответствует технико-экономическим показателям мирового уровня [12].

5.1.Общие подходы к моделированию

При проектировании сложных технических систем математическое моделирование является единственным средством, позволяющим на этапе проектирования рассмотреть поведение конструктивных элементов в реальных условиях эксплуатации.

Это в полной мере относится к рассматриваемой водородной парогенераторной установке. В данной установке процесс получения рабочего тела для турбины (перегретого водяного пара) реализуется в парогенераторе за счет впрыска воды в продукты сгорания кислородно-водородного топлива при вы-

84