Influence of cooling of high temperature vane systems on efficiency gas turbine units regarding working substance specific heat capacity dependence on temperature

Abstract

BACKGROUND: Gas turbine units (GTU) are widely used in power plants, shipbuilding, aerospace and other industry sectors. Main performance indicators of units are effective cycle efficiency and useful internal power. It is known that gas turbine power grows on 15–25% for each 100°C of turbine inlet temperature increases in range of 1000–1400 K, which makes it possible to save fuel significantly. Further growth of turbine inlet temperature demands more drastic increase of cooling air flow rate for the sake of cooling of the GTU flow channel, that leads to decrease of effective efficiency of a GTU. Consequently, the research of cooling and heat capacity properties influence needs to be done in order to improve gas turbine unit performance in the turbine inlet temperature range of 1000–1400 K.

AIMS: Issues of influence of cooling of high temperature GTUs as well as issues of influence of working substance specific heat capacity dependence on temperature are studied in the article.

METHODS: The study contains comparative analysis of four gas turbine units (GTU) such as: the 3,13 MW Teeda GTU (Iran), the 4,13 MW UEC Perm Engines GTU-4P (Russia), the 5,1 MW Siemens SGT-100 (Germany) and the 5,67 MW Solar Turbines TAURUS 60 (USA).

RESULTS: As a result, dependencies of efficiency, specific effective work and GTU useful work coefficient on cooling were obtained. Working substance specific heat capacity dependence on temperature was considered in order to increase accuracy of calculations.

CONCLUSIONS: The completed calculation study allows judging on perfection of the heat layout of GTU, the flow channel of GTU and making a comparison of them for the sake of further optimization of operational processes.

Keywords

gas turbine unit performance indicators / cooled turbine / specific working substance heat capacity

References

[1] Shailendra N. Basic aspects of the gas turbine. In: Murshed SMS, Lopes MM. Heat exchangers: design, experiments, and simulation. Intech. 2017. http://dx.doi. org/10.5772/67323

[2] Shailendra N. Basic aspects of the gas turbine. In: Murshed S.M.S., Lopes M.M. Heat exchangers: design, experiments, and simulation. Intech. 2017. http://dx.doi. org/10.5772/67323

[3] Clarke DR, Oechsner M, Padture NP. Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines. MRS Bulletin. 2012;37(10):891–898. doi: 10.1557/mrs.2012.232

[4] Clarke D.R., Oechsner M., Padture N.P. Thermal-barrier coatings for more efficient gas-turbine engines // MRS Bulletin. 2012. Vol. 37, N 10. P. 891–898. doi: 10.1557/mrs.2012.232

[5] Arsen’ev LV, Tyryshkin VG. Gazoturbinnye ustanovki. Konstruktsii i raschet: Spravochnoe posobie. Tyryshkina VG editor. Leningrad: Mashinostroenie; 1978. (In Russ).

[6] Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г. Газотурбинные установки. Конструкции и расчет: справочное пособие / под ред. В.Г. Тырышкина. Ленинград: Машиностроение, 1978.

[7] Manushin EA. Gazovye turbiny: Problemy i perspektivy. Moscow: Energoatomizdat; 1986. (In Russ).

[8] Манушин Э.А. Газовые турбины: Проблемы и перспективы. Москва: Энергоатомиздат, 1986.

[9] Manushin EA, Mikhal’tsev VE, Chernobrovkin AP. Teoriya i proektirovanie gazoturbinnykh i kombinirovannykh ustanovok. Moscow: Mashinostroenie; 1977. (In Russ).

[10] Манушин Э.А., Михальцев В.Е., Чернобровкин А.П. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. Москва: Машиностроение, 1977.

[11] Podobuev YuS. Vybor parametrov i termogazodinamicheskii raschet aviatsionnykh gazoturbinnykh dvigatelei. Leningrad: LPI; 1981. (In Russ).

[12] Подобуев Ю.С. Выбор параметров и термогазодинамический расчет авиационных газотурбинных двигателей. Ленинград: ЛПИ, 1981.

[13] Arsen’ev LV, Tyryshkin VG, Bogov IA et al. Statsionarnye gazoturbinnye ustanovki. Arsen’eva LV, Tyryshkina VG, editors. Leningrad: Mashinostroenie; 1989. (In Russ).

[14] Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г., Богов И.А. и др. Стационарные газотурбинные установки / под ред. Л.В. Арсеньева, В.Г. Тырышкина. Ленинград: Машиностроение, 1989.

[15] Khodak EA. Termodinamicheskie svoistva gaza. Leningrad: LPI; 1986. (In Russ).

[16] Ходак Е.А. Термодинамические свойства газа. Ленинград: ЛПИ, 1986.

[17] Raschet i konstruirovanie mashin; Teploobmennye apparaty tekhnologicheskikh podsistem turboustanovok. In: Aronson KE, Brezgin VI, Brodov YuM, et al. Mashinostroenie: Entsiklopediya v 40 t. Moscow: Innovatsionnoe mashinostroenie; 2016. (In Russ).

[18] Аронсон К.Э., Брезгин В.И., Бродов Ю.М., и др. Расчет и конструирование машин; Теплообменные аппараты технологических подсистем турбоустановок. Машиностроение: Энциклопедия в 40-а т. Москва: Инновационное машиностроение, 2016.

[19] Raschet i konstruirovanie mashin; turbinnye ustanovki. In: Vinogradov NN, Vladimirskii OA, Gavrilov SN, et al. Mashinostroenie: Entsiklopediya v soroka tomakh. Moscow: Mashinostroenie; 2015. (In Russ).

[20] Виноградов Н.Н., Владимирский О.А., Гаврилов С.Н., и др. Расчет и конструирование машин; турбинные установки. Машиностроение: Энциклопедия в 40-а т. Москва: Машиностроение, 2015. 1030 с.

[21] T. M. m. e. Company. Overview of the technical condition of the TEEDA gas turbine unit, 5th ed. Tehran, 2015.

[22] Kitenko SR. Opredelenie effektivnosti primeneniya gazoturbinnykh ustanovok. Teoriya. Praktika. Innovatsii. 2016;(11):70–74. (In Russ).

[23] Китенко С.Р. Определение эффективности применения газотурбинных установок // Теория. Практика. Инновации. 2016. № 11. С. 70–74.

[24] Medvedev SD, Balyakin VB. Ispol’zovanie konvertirovannykh aviatsionnykh gazoturbinnykh dvigatelei i tekhnologii. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. ak. SP Koroleva (natsional’nogo issledovatel’skogo universiteta). 2009;(3):292–298. (In Russ).

[25] Медведев С.Д., Балякин В.Б. Использование конвертированных авиационных газотурбинных двигателей и технологий // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. ак. С.П. Королева (национального исследовательского университета). 2009. № 3. С. 292–298.

[26] Zhang L, Li W, Xiong Y. SGT-100 Gas Turbine Control System Localization Upgrading and Transformation. Science and Technology Communication. 2016;8(12). [accessed 2022 Aug 22]. Available from: http://d.g.wanfangdata.com.hk/Periodical_kjcb201612122.aspx

[27] Zhang L., Li W., Xiong Y. SGT-100 Gas Turbine Control System Localization Upgrading and Transformation // Science and Technology Communication. 2016. Vol. 8, N 12. Дата обращения: 22.08.2022. Доступ по ссылке: http://d.g.wanfangdata.com.hk/Periodical_kjcb201612122.aspx

[28] Schastlivtsev AI, Nazarova OV. Hydrogen–air energy storage gas-turbine system. Thermal Engineering. 2016;63(2):107–113. doi: 10.1134/s0040601516010109

[29] Schastlivtsev A.I., Nazarova O.V. Hydrogen–air energy storage gas-turbine system // Thermal Engineering. 2016. Vol. 63, N 2. P. 107–113. doi: 10.1134/s0040601516010109

[30] Soares C. Gas Turbines: A Handbook of Air, Land and Sea Applications. Oxford: Butterworth-Heinemann; 2014.

[31] Soares C. Gas Turbines: A Handbook of Air, Land and Sea Applications. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2014.

[32] Paramonov AM, Rezanov EM. Povyshenie effektivnosti regeneratsii teplovoi energii v gazoturbin-noi tekhnologii. Problemy mashinovedeniya. 2020:184–191. (In Russ).

[33] Парамонов А.М., Резанов Е.М. Повышение эффективности регенерации тепловой энергии в газотурбинной технологии // Проблемы машиноведения. 2020. С. 184–191.

[34] Solar Taurus ‘To Go’ The Solar Taurus 60 Mobile Power Unit provides 5.2 MW of on-site power. Turbomach; 2001.

[35] Solar Taurus ‘To Go’ The Solar Taurus 60 Mobile Power Unit provides 5.2 MW of on-site power. Turbomach. 2001.

[36] Van Leuven V. Solar Turbines Incorporated “Taurus 60” Gas Turbine Development. In: Volume 3: Coal, Biomass and Alternative Fuels; Combustion and Fuels; Oil and Gas Applications; Cycle Innovations. ASME 1994 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. June 13–16, 1994, The Hague, Netherlands. ASME, 1994. doi: https://doi.org/10.1115/94-GT-115.

[37] Van Leuven V. Solar Turbines Incorporated “Taurus 60” Gas Turbine Development // Volume 3: Coal, Biomass and Alternative Fuels; Combustion and Fuels; Oil and Gas Applications; Cycle Innovations. ASME 1994 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. June 13–16, 1994, The Hague, Netherlands. ASME, 1994. doi: https://doi.org/10.1115/94-GT-115

[38] Qi Bojun, Liu Yansheng, Shengwei. Common Faults and Treatment Methods of Taurus 60 Gas Turbine in Operation. Gas Turbine Technology. 2003;16(3). doi: 10.3969/j.issn.1009-2889.2003.03.015

[39] Qi Bojun, Liu Yansheng, Shengwei. Common Faults and Treatment Methods of Taurus 60 Gas Turbine in Operation // Gas Turbine Technology. 2003. Vol. 16, N 3. doi: 10.3969/j.issn.1009-2889.2003.03.015

[40] Li Jian PLC in Taurus 60 gas turbine slipping oil system. Automation and Instrumentation. 2003;5. doi: 10.3969/j.issn.1001-9227.2003.05.005

[41] Li Jian PLC in Taurus 60 gas turbine slipping oil system // Automation and Instrumentation. 2003. N 5. doi: 10.3969/j.issn.1001-9227.2003.05.005

[42] Rassokhin VA. Raschet teplovoi skhemy GTU: Uchebnoe posobie. Saint Petersburg: Leningradskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet; 1992.

[43] Рассохин В.А. Расчет тепловой схемы ГТУ: учебное пособие. Санкт-Петербург: Ленинградский государственный технический университет, 1992.

[44] Rassokhin VA. Raschet teplovoi skhemy gazoturbinnoi ustanovki: uchebnoe posobie. Saint Petersburg: Izd-vo Politekhnicheskogo universiteta; 2018.

[45] Рассохин В.А. Расчет тепловой схемы газотурбинной установки: учебное пособие. Санкт-Петербург: Изд-во Политехнического университета, 2018.

[46] Laptev MA, Barskov VV, Rassokhin VA. Perspektivnye gazoturbinnye ustanovki s vneshnim podvodom teploty, Sovremennye tekhnologii i ekonomika energetiki: In: Materialy Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii; 2021 Apr 29. Saint Petersburg. Sankt-Peterburg: Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University; 2021. p. 142–144. (In Russ).

[47] Лаптев М.А., Барсков В.В., Рассохин В.А. Перспективные газотурбинные установки с внешним подводом теплоты, Современные технологии и экономика энергетики: Материалы Международной научно-практической конференции; 2021 апрель 29. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2021. С. 142–144.

[48] Rassokhin VA, Barskov VV, Yadykin VK, et al. Svidetel’stvo o gosudarstvennoi registratsii pro-grammy dlya EVM № 2019663503 RF. Programma rascheta maloraskhodnykh odnostu-penchatykh turbin konstruktsii LPI osevogo i radial’nogo tipa (ONE1): № 2019662301: zayavl. 08.10.2019: opubl. 17.10.2019. (In Russ).

[49] Рассохин В. А., Барсков В. В., Ядыкин В. К., и др. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019663503 Российская Федерация. Программа расчета малорасходных одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ осевого и радиального типа (ONE1): № 2019662301: заявл. 08.10.2019: опубл. 17.10.2019 /; заявитель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого” (ФГАОУ ВО “СПбПУ”).

[50] Rassokhin VA, Barskov VV, Yadykin VK, Smetankin AI. Svidetel’stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2019663417 RF. Programma rascheta maloraskhodnykh dvukh i bolee stupenchatykh turbin konstruktsii LPI osevogo i radial’nogo tipa (TWO2): № 2019662344: zayavl. 08.10.2019: opubl. 16.10.2019. (In Russ).

[51] Рассохин В.А., Барсков В.В., Ядыкин В.К., Сметанкин А.И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019663417 Российская Федерация. Программа расчета малорасходных двух и более ступенчатых турбин конструкции ЛПИ осевого и радиального типа (TWO2): № 2019662344: заявл. 08.10.2019: опубл. 16.10.2019 /; заявитель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого” (ФГАОУ ВО “СПбПУ”).

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector