<!DOCTYPE article
PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20190208//EN"
       "JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
 <front>
  <journal-meta>
   <journal-id journal-id-type="publisher-id">Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine engineering and technologies</journal-id>
   <journal-title-group>
    <journal-title xml:lang="en">Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine engineering and technologies</journal-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология</trans-title>
    </trans-title-group>
   </journal-title-group>
   <issn publication-format="print">2073-1574</issn>
   <issn publication-format="online">2225-0352</issn>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">31367</article-id>
   <article-categories>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="ru">
     <subject>СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ</subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="toc-heading" xml:lang="en">
     <subject>SHIP POWER PLANTS AND PROPULSION SYSTEMS</subject>
    </subj-group>
    <subj-group>
     <subject>СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ</subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    <article-title xml:lang="en">DETERMINATION OF OPTIMAL DEGREE OF PRESSURE GROWTH IN GAS-TURBINE INSTALLATIONS</article-title>
    <trans-title-group xml:lang="ru">
     <trans-title>ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СТЕПЕНИ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ</trans-title>
    </trans-title-group>
   </title-group>
   <contrib-group content-type="authors">
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Иванов</surname>
       <given-names>Вадим Александрович </given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Ivanov</surname>
       <given-names>Vadim Alexandrovich </given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <email>iva-perm@rambler.ru</email>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-1"/>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author">
     <name-alternatives>
      <name xml:lang="ru">
       <surname>Ильин</surname>
       <given-names>Роман Альбертович </given-names>
      </name>
      <name xml:lang="en">
       <surname>Ilyin</surname>
       <given-names>Roman Albertovich </given-names>
      </name>
     </name-alternatives>
     <email>kaften.astu@mail.ru</email>
     <xref ref-type="aff" rid="aff-2"/>
    </contrib>
   </contrib-group>
   <aff-alternatives id="aff-1">
    <aff>
     <institution xml:lang="ru">Астраханский государственный технический университет</institution>
     <country>ru</country>
    </aff>
    <aff>
     <institution xml:lang="en">Astrakhan State Technical University</institution>
     <country>ru</country>
    </aff>
   </aff-alternatives>
   <aff-alternatives id="aff-2">
    <aff>
     <institution xml:lang="ru">Лаборатория нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН при АГТУ</institution>
     <city>Астрахань</city>
     <country>Россия</country>
    </aff>
    <aff>
     <institution xml:lang="en">Laboratory of Alternative Energy Sources of Saratov Science Centre of RAS under ASTU</institution>
     <city>Astrakhan</city>
     <country>Russian Federation</country>
    </aff>
   </aff-alternatives>
   <volume>2014</volume>
   <issue>4</issue>
   <fpage>81</fpage>
   <lpage>85</lpage>
   <self-uri xlink:href="https://vestnik.astu.ru/en/nauka/article/31367/view">https://vestnik.astu.ru/en/nauka/article/31367/view</self-uri>
   <abstract xml:lang="ru">
    <p>В практике проектирования газотурбинных установок особое внимание уделяется выбору оптимальной степени повышения давления в цикле. От её значения зависит величина эффективной удельной работы установки и, следовательно, величина эффективного КПД. Большинство газотурбинных установок в своем составе имеет свободную силовую турбину, где степень понижения давления в газовой турбине зависит от степени повышения давления в компрессоре. Рассмотрена схема газотурбинной установки со свободной турбиной. Выведена зависимость для определения эффективного КПД установки. Построены зависимости основных термодинамических параметров газотурбинной установки от степени повышения давления. Расчетный анализ показал, что с увеличением степени повышения давления от оптимальной по работе цикла до оптимальной по степени понижения давления в свободной турбине, относительная скорость увеличения эффективного КПД становится в три раза меньше относительной скорости уменьшения работы цикла. Такое соотношение скоростей может оказаться недостаточным для повышения эффективного КПД цикла за счет уменьшения его работы. В результате, процесс увеличения эффективного КПД путем увеличения степени повышения давления становится неэффективным. Показано, что оптимальные по работе и эффективному КПД цикла степени повышения давления находятся в интервале между значениями, соответствующими максимуму работы и максимуму степени понижения давления в свободной турбине.</p>
   </abstract>
   <trans-abstract xml:lang="en">
    <p>While designing gas-turbine installations the special attention is paid to a choice of optimum extent of pressure growth in the cycle. The size of effective specific work of installation and, therefore, the size of effective efficiency depend on its value. The majority of gas-turbine installations incorporate the free power turbine where the extent of pressure decline in the gas turbine depends on the extent of pressure growth in the compressor. The scheme of gas-turbine installation with the free turbine is considered. The dependence for determination of effective efficiency of installation is received. The dependences of the key thermodynamic parameters of gas-turbine installation on the extent of pressure growth are constructed. The design analysis showed that with the increase in the extent of pressure growth from the optimum operational cycle to the optimum extent of pressure decline in the free turbine the relative speed of increase in effective efficiency becomes three times less than the relative speed of reduction of the operational cycle. Such ratio of speeds can be insufficient for increase of effective efficiency of the cycle due to reduction of its work. As a result, the process of increase in effective efficiency by increase in the extent of pressure growth becomes more inefficient. It is shown that the operational optimum and effective efficiency optimum of the cycle of the extent of pressure growth are in an interval between the values corresponding to the maximum of work and the maximum of the extent of pressure decline in the free turbine.</p>
   </trans-abstract>
   <kwd-group xml:lang="ru">
    <kwd>газотурбинные установки</kwd>
    <kwd>термодинамические циклы</kwd>
    <kwd>эффективный КПД</kwd>
   </kwd-group>
   <kwd-group xml:lang="en">
    <kwd>gas-turbine installations</kwd>
    <kwd>thermodynamic cycles</kwd>
    <kwd>effective efficiency</kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <p>Введение В газотурбинных установках (ГТУ) степень повышения давления (СПД) в цикле, оптимальная по эффективному КПД, значительно превышает оптимальную по удельной эффективной работе. По этой причине в практике проектирования величина СПД выбирается больше оптимальной по эффективной удельной работе так, чтобы получить эту работу близкую к максимальной и возможно более высокий эффективный КПД. Большинство ГТУ, созданных на базе современных судовых и авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), имеют свободную силовую турбину, степень понижения давления в которой зависит от СПД. В связи с этим возникает необходимость найти оптимальную величину СПД, соответствующую максимальной степени понижения давления в свободной турбине, и показать, как последнее обеспечивает высокие значения эффективной удельной работы и эффективного КПД ГТУ. Теоретический анализ На рис. 1 показана схема ГТУ простого цикла со свободной турбиной. Для простоты цикл ГТУ рассмотрим как действительный цикл с идеальным газом, газовая постоянная, показатель адиабаты и теплоемкость которого остаются неизменными. Рис. 1. Схема ГТУ со свободной турбиной: К - компрессор; КС - камера сгорания; ТК - турбина компрессора; СТ - свободная турбина Введем обозначения: р - полное давление, Т - температура заторможенного потока; cp - удельная теплоемкость при постоянном давлении; а - окружающая атмосфера; г - газ; в - воздух; k - показатель адиабаты (принято k = kг = kв = 1,4); опт - оптимальный; е - эффективный; усл - условный; θ = Tг/Tа - степень повышения температуры в цикле; π = pк/pа - степень повышения давления в цикле; πтк = pк/pтк - степень понижения давления газа в турбине компрессора; πст = pтк/pа - степень понижения давления газа в свободной турбине; e = π(k-1)/k; eтк = πтк(k-1)/k; eст = πст(k-1)/k - СПД в цикле; h - КПД цикла и процессов сжатия (расширения) в цикле. Найдем формулу эффективной удельной работы ГТУ простого цикла со свободной турбиной, которая равна работе свободной турбины Le = Lст. С учетом известных формул [1, 2] для работы турбины запишем . (1) Температуру газа за турбиной компрессора найдем по формуле . Из уравнения баланса мощностей турбокомпрессора найдем степень понижения давления газа в турбине компрессора при : . (2) Преобразуем полученное выражение (2) для параметра eтк в формулу параметра Tтк, получим . Подставив полученное выражение для параметра Tтк в формулу (1), получим окончательно формулу относительной работы ГТУ со свободной турбиной: . С учетом известного выражения [1] для удельной подведенной теплоты (далее просто подведенной теплоты) Q = cp.услTа[θ - (e - 1)/(ηк - 1)] и ее относительного значения = Q/(cp.услTа), а также очевидного выражения для степени понижения давления в свободной турбине πст = π/πтк (eст = e/eтк), получим следующую формулу эффективного КПД ГТУ со свободной турбиной: Результаты анализа На рис. 2 показана зависимость параметров ГТУ со свободной турбиной от степени повышения давления в цикле. Рис. 2. Зависимость параметров ГТУ со свободной турбиной от степени повышения давления в цикле: ; ; ; , · - максимумы При увеличении СПД после достижения максимума работы цикла Lе при скорость уменьшения параметра d/dπ постепенно увеличивается, т. к. уменьшается температура газа за турбиной компрессора Tтк и ее отношение к температуре атмосферного воздуха Tтк/Tа, но этот процесс сдерживается увеличением параметра πст (eст) до его максимальной величины, как это видно из формулы (1). Найдем оптимальное значение СПД (параметр е), при котором степень понижения давления в свободной турбине () достигает максимума. Подставив в формулу eст = e/eтк выражение (2) для параметра eтк, получим . (3) Дифференцируя полученное выражение (3) по параметру е и приравнивая производную к нулю, получим уравнение , из которого найдем искомое оптимальное значение параметра e: . Рассмотрим возможность увеличения эффективного КПД при увеличении СПД больше , т. е. за счет уменьшения работы цикла от максимальной. Как видно из рис. 2, с увеличением СПД больше скорость увеличения эффективного КПД уменьшается, т. к. увеличивается скорость уменьшения работы d/dπ (/de) при постоянной скорости уменьшения подведенной теплоты d /de = - 1/ηк, и при СПД, когда эффективный КПД ηe становится максимальным, скорость его увеличения равна нулю. Очевидно, что после достижения максимума степени понижения давления в свободной турбине πст.max при СПД скорость уменьшения работы d Le/dπ становится максимальной, а скорость увеличения КПД dηe/dπ - минимальной по отношению к ее предыдущим значениям. Заключение Как показывает расчетный анализ, с увеличением СПД от оптимальной по работе цикла до оптимальной по степени понижения давления в свободной турбине , относительная скорость увеличения эффективного КПД η’e/ηe становится в 3 раза меньше относительной скорости уменьшения работы цикла L’e/Le. Такое соотношение скоростей является недостаточным для повышения эффективного КПД цикла за счет уменьшения его работы. В результате, процесс увеличения эффективного КПД ηe путем увеличения СПД больше становится неэффективным. Таким образом, оптимальные по работе и эффективному КПД степени повышения давления в ГТУ со свободной турбиной находятся в интервале между значениями, соответствующими максимуму работы и максимуму степени понижения давления в свободной турбине.</p>
 </body>
 <back>
  <ref-list>
   <ref id="B1">
    <label>1.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Шляхтенко С. М. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / С. М. Шляхтенко. М.: Машиностроение, 1987. 568 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Shlyahtenko S. M. Teoriya i raschet vozdushno-reaktivnyh dvigateley / S. M. Shlyahtenko. M.: Mashinostroenie, 1987. 568 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
   <ref id="B2">
    <label>2.</label>
    <citation-alternatives>
     <mixed-citation xml:lang="ru">Цанев С. В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / С. В. Цанев, В. Д. Буров, А. Н. Ремезов. М.: Изд. дом МЭИ, 2006. 584 с.</mixed-citation>
     <mixed-citation xml:lang="en">Canev S. V. Gazoturbinnye i parogazovye ustanovki teplovyh elektrostanciy / S. V. Canev, V. D. Burov, A. N. Remezov. M.: Izd. dom MEI, 2006. 584 s.</mixed-citation>
    </citation-alternatives>
   </ref>
  </ref-list>
 </back>
</article>
