Регенераторы ГТУ

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

И. Ю. Горюнова, И. Д. Ларионов

РЕГЕНЕРАТОРЫ ГТУ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 
для студентов вуза, 
обучающихся по направлению подготовки 
13.03.03 и 13.04.03 «Энергетическое машиностроение»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.438:62-681(075.8)
ББК 31.363.3я73+31.391.9-51я73
           Г71

Рецензенты: 
проф., д-р техн. наук В. К. Тян (завкафедрой «Трубопроводный транспорт» 
нефтетехнологического факультета Самарского государственного 
университета);
проф., д-р техн. наук А. М. Парамонов (Омский государственный технический 
университет).

Научный редактор доц., канд. техн. наук Т. А. Недошивина

 
Горюнова, И. Ю.
Г71    Регенераторы ГТУ : учебно-методическое пособие / И. Ю. Горюнова, 
И. Д. Ларионов — Екатеринбург : Изд.-во Урал. ун-та, 2017. — 80 с.

ISBN 978-5-7996-2259-6

В данном пособии изложены теоретические и практические аспекты расчета, 
анализ работы и проектирование регенераторов газотурбинных установок. Рассматриваются 
вопросы, связанные с конструкцией и эксплуатацией регенераторов. 
Представлены примеры расчетов. 
Можно использовать для курсового проектирования по дисциплине «Камеры 
сгорания и теплообменники ГТУ».

Библиогр.: 16 назв. Рис. 16. Табл. 4.

УДК 621.438:62-681(075.8)
ББК 31.363.3я73+31.391.9-51я73

ISBN 978-5-7996-2259-6 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

1. Назначение регенераторов  
в схеме газотурбинной установки

О

дним из показателей совершенства газотурбинной установки (
ГТУ) является эффективный коэффициент полезного 
действия (КПД) установки he, являющийся отношением полученной 
в установке энергии к энергии топлива, использованного 
в камере сгорания. Повысить эффективность цикла ГТУ можно путем 
увеличения степени повышения давления в компрессоре pк. Однако 
следует помнить, что, во-первых, работа цикла с возрастанием 
pк переходит через максимум, а во-вторых, увеличивается температура 
за камерой сгорания, что приводит к снижению прочности деталей 
проточной части турбины.
Также КПД простого цикла растет с увеличением температуры пе-
ред турбиной. Однако эффективность повышения температуры падает 
с ее ростом, а также снижает прочность деталей турбины.
Дальнейшего повышения эффективности ГТУ можно добиться 
только путем использования сложных схем. Усложнение схемы связано 
с включением в нее дополнительных теплообменников и камер 
сгорания, что не только усложняет конструкцию ГТУ, но и влияет 
на характеристики и конструкцию газовой турбины и компрессора.
В настоящее время наиболее распространенной из всех сложных 
схем является схема с регенератором. При работе по простому циклу 
температура уходящих газов значительна и бесполезно теряется большое 
количество теплоты. В регенеративном цикле часть теряемой теплоты 
может быть возвращена в цикл путем ее передачи от выхлопных 
газов воздуху, сжатому в компрессоре. Введение в цикл регенерации 
позволяет повысить КПД установки без роста начальной температуры 
перед турбиной и снизить расход топлива.
Эффективность работы регенератора оценивается коэффициентом 
регенерации r. Если учесть, что расходы теплоносителей и их теплоем-

1. Назначение регенераторов в схеме газотурбинной установки 

кости близки по значению и пренебречь небольшим различием меж-
ду ними, то r можно выразить следующим образом:

 
r
t
t

t
t
=
-

-

2
1

1
1

возд
возд

г
возд

,

где t1возд и t2возд — температуры воздуха на входе в генератор и выходе из 
него соответственно; t1г — температура выхлопных газов;.
В общем случае r изменяется от 0 до 1. В реальных ГТУ степень ре-
генерации изменяется в пределах 0,65‒0,85. Увеличение степени ре-
генерации также усиливает влияние роста температуры перед турби-
ной. Кроме того, при увеличении степени регенерации снижается 
значение оптимальной pк, что в свою очередь увеличивает удельную 
полезную работу цикла. Таким образом, при фиксированной мощно-
сти снижается расход рабочего тела и размеры проточной части, а при 
фиксированном расходе рабочего тела возрастает мощность ГТУ. Сни-
жение оптимальной степени повышения давления уменьшает число 
ступеней компрессора, следовательно, уменьшается масса и размеры 
всех элементов компрессора. Снижается также температура воздуха 
за компрессором, что приводит к ослаблению требований к материа-
лам последних ступеней компрессора и улучшает охлаждающие свой-
ства воздуха.
Степень регенерации связана с поверхностью теплообмена регене-
ратора следующей зависимостью

 
F
G
c

K
r
r
=
-

возд
р.возд
,
1

где Gвозд — расход воздуха в ГТУ; cр.возд — теплоемкость воздуха; К — ко-

эффициент теплопередачи.
С ростом степени регенерации величина поверхности теплообмена 
возрастает не линейно, а значительно быстрее. Это объясняется умень-
шением среднего температурного напора с ростом r. Чем глубже реге-
нерация, тем большая поверхность требуется для передачи 1 кДж те-
плоты. Поэтому степень регенерации имеет ограниченную величину, 
определяемую технико-экономическим анализом.
Кроме того, регенерация имеет еще ряд недостатков: усложнение 
конструкции ГТУ, ухудшение динамики, увеличение металлоемко-
сти. Особенно следует обратить внимание на увеличение гидравличе-

1. Назначение регенераторов в схеме газотурбинной установки 

ского сопротивления тракта ГТУ за счет появления дополнительных 
воздуховодов между ГТУ, регенератором и камерой сгорания, газохо-
да выхлопного тракта, а также воздушного и газового трактов самого 
регенератора. Дополнительные гидравлические потери могут состав-
лять от 3 до 7 %. Эти потери могут существенно снизить КПД установ-
ки. Но с ростом температуры перед турбиной это влияние ослабевает.
Кроме ухудшения показателей ГТУ из-за роста гидравлического со-
противления тракта, регенератор может негативно влиять на ее работу 
за счет появления утечек циклового воздуха через неплотности тракта 
высокого давления на сторону низкого давления и далее в дымовую 
трубу. Указанные неплотности возникают в основном вследствие раз-
вития термоусталостных трещин в сочетании с газовой коррозией, что 
особенно характерно для пластинчатых конструкций регенераторов.
Влияние наличия регенератора в цикле и схеме ГТУ на показатели 
эффективности ее работы чрезвычайно многофакторно и противоре-
чиво. В настоящее время модернизация ГТУ простого цикла с пере-
водом их на регенеративный цикл рассматривается как один из пер-
спективных методов повышения эффективности ГТУ.
Окончательное решение о необходимости применения регенерации 
и об оптимальной величине регенерации принимается только на ос-
нове широкого технико-экономического анализа проекта ГТУ. При 
этом важно знать, к какому типу — стационарная или транспортная, 
энергетическая или приводная, для базовой или пиковой нагрузки — 
относится данная ГТУ.

2. Обзор конструкций регенераторов ГТУ

И

звестны два типа конструкций регенераторов: пластинча-
тые и трубчатые.
Примером пластинчатого регенератора является регенера-
тор ГТУ ГТК-10-4 НЗЛ, состоящий из двух секций (левой и правой — 
по ходу газов), симметрично размещенных относительно ГТУ и вклю-
ченных в схему ГТУ параллельно по газам и воздуху [9]. Общий вид 
одной из них (левой) представлен на рис. 2.1 [1]. Характер течения те-
плоносителей показан на рис. 2.2. Технические характеристики сек-
ции регенератора ГТУ приведены ниже:

Расход воздуха, кг/с .................................................................................42,95
Расход газов, кг/с ...................................................................................... 43,1
Температура воздуха на входе, °C ...............................................................197
Температура воздуха на выходе, °C ............................................................417
Температура газов на входе, °C ...................................................................499
Температура газов на выходе, °C ................................................................280
Давление воздуха, кгс/см 2 .............................................................................................................................4,6
Давление газов, кгс/см 2 ................................................................................................................................1,05
Гидравлические потери по воздуху, % ..................................................... 2,17
Гидравлические потери по газам, % ......................................................... 3,81
Суммарные гидравлические потери, % .................................................... 5,98
Степень регенерации ................................................................................ 0,73
Теплопроизводительность, кВт ..............................................................10062
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м∙°C) ................................................120,6
Температурный напор, °C ......................................................................... 81,5
Поверхность теплообмена, м ....................................................................1024
Размеры подводящего патрубка по газам, мм ...............................1796×4720
Размеры отводящего патрубка по газам, мм ..................................1772×4720
Диаметр патрубков по воздуху, мм .............................................................800
Масса, кг..................................................................................................16045
Удельная масса кг/м 2 .......................................................................................................................................15,7
Высота, мм ................................................................................................6678
Ширина (поперек хода газов), мм ............................................................3080

2. Обзор конструкций регенераторов ГТУ 

Длина (по ходу газов), мм .......................................................................1932
Высотная отметка оси патрубков по газам, мм .....................................3405
Высотная отметка оси патрубка подвода воздуха, мм ...........................6260
Расстояние между патрубками по воздуху, мм ......................................5722
Высотная отметка площадок опорных лап, мм .....................................2450

Рис. 2.1. Компоновочная схема течения теплоносителей  
в пластинчатом регенераторе НЗЛ:

1 — регенератор; 2 — диффузор; 3 — линзовый компенсатор; 4 — блок водяного утилизатора; 
5 — выхлопная труба; 6 — опоры регенератора

2. Обзор конструкций регенераторов ГТУ

Основа конструкции — два блока по три теплообменных матрицы, 
составленных из профильных листов (рис. 2.2, в) и образующих с корпусом 
сварную неразборную конструкцию. Блоки матриц разделены 
воздухораспределительной камерой.

Рис. 2.2. Схема течения теплоносителей в пластинчатом регенераторе НЗЛ [1]:

а — общий вид (1, 2 — фланцы патрубков подвода и отвода воздуха; 3, 4 — патрубки подвода 
и отвода греющих газов; 5 — воздухораспределительная камера; 6 — воздухоподающий короб; 
7 — воздухосборная камера; 8 — направляющие пластины (лопатки); 9 — ребра жесткости; 
10 — опорные лапы; В — потоки воздуха; Г — потоки греющих газов); б — ход воздуха 
в регенераторе (А-А — переход воздуха и матриц в воздухосборные камеры; В-В — распределение 
воздуха по матрицам); в — профильные листы теплообменной матрицы (А-А — сечение 
входного и выходного сегментов матрицы; Б-Б — сечение по противоточным каналам 
газов и воздуха)

Газы от турбины подводятся к регенератору по круглому газоходу 
диаметром 1700 мм, заканчивающемуся перед регенератором переходным 
патрубком с переходом на прямоугольный входной патрубок ре-

2. Обзор конструкций регенераторов ГТУ  

генератора. Далее поток газов раздваивается для входа в блоки теплообменных 
матриц. На выходе регенератора по газам устанавливается 
блок водяных утилизаторов, затем по переходному патрубку газы отводятся 
в выхлопную трубу.
Воздух от компрессора подводится по круглому воздуховоду в верхний 
патрубок диаметром 800 мм, а далее по профилированному коробу 
в вертикальную воздухораспределительную камеру. Внутри камеры 
имеется система направляющих пластин (лопаток, рис. 1.2, б), обра-
зующих распределительные каналы для подвода воздуха во входные 
сегменты теплообменных матриц. Направляющие пластины обеспе-
чивают безвихревое движение воздуха и исключают образование за-
стойных зон, что уменьшает гидравлические потери. Нагретый воздух 
из выходных сегментов блоков матриц поступает через две вертикаль-
ные воздухосборные камеры (правую и левую) к круглому выходно-
му (нижнему) патрубку диаметром 800 мм. Причем от левой камеры 
к патрубку идет специальный профилированный короб.
Выштамповки на соседних профильных листах образуют две систе-
мы параллельных каналов вдоль большей стороны листов для прохода 
газов и воздуха. Одновременно выштамповки турбулизируют потоки, 
чем повышают теплопередачу. Газы в матрицы подводятся с мень-
шей стороны листов и проходят через матрицы без поворота. Воздух 
входит и выходит через подводящий и отводящий сегменты, образо-
ванные на концах листов за счет специальной формы каналов. В этих 
сегментах воздух поворачивает с поперечного направления движения 
на продольное — на входе и обратным образом — на выходе. Подво-
дящие сегменты размещены в матрицах со стороны выхода газов, что 
создает практически полный противоток теплоносителей, повышаю-
щий температурный напор в регенераторе.
В конструкции секции имеются две симметричные системы опор-
ных лап, что позволяет получить правую секцию из левой путем кон-
структивного «поворота» вокруг горизонтальной оси. При этом необ-
ходима перекомпоновка внутренних направляющих пластин для 
сохранения положения подводящего и отводящего патрубков возду-
ха, противотока газов и воздуха внутри регенератора и т. д. Такое кон-
структорское решение обеспечивает практически полную унификацию 
деталей правой и левой секций регенератора. На корпусе регенерато-
ра, выполненном из листов, имеется система ребер, повышающих его 
жесткость. Люки-лазы для доступа к теплообменным матрицам выпол-

2. Обзор конструкций регенераторов ГТУ

нены на переходных патрубках газохода. Корпус регенератора покры-
вается теплоизоляцией, покрытой для защиты от атмосферных воз-
действий листовой обшивкой.
Материал основного элемента теплообменных матриц — профиль-
ных листов — нержавеющая сталь 1Х18Н9Т, толщина листов 1 мм [9]. 
Из такого же материала изготовлен и ряд других деталей регенератора.
Для пластинчатых регенераторов характерен ряд недостатков. До-
статочно сложная технология изготовления — необходимо форми-
ровать крупные металлические листы с большим количеством про-
фильных канавок и гофров, а затем при сборке пакетов обеспечивать 
высокое качество (герметичность) большого числа сварных швов. Та-
кие требования можно реализовать только при использовании вы-
сокопластичного и не склонного к трещинообразованию при сварке 
материала. Профильные листы подвергаются воздействию перепа-
да давления между сжатым воздухом и газами, а также термических 
напряжений (особенно при теплосменах), что ведет к их короблени-
ям и образованию трещин, то есть потери герметичности воздушного 
тракта регенератора. Простые и надежные методы ремонта пластин-
чатых регенераторов не выработаны, при этом отключение неисправ-
ных элементов, как это делается в трубчатых теплообменниках глуше-
нием поврежденных труб, невозможно. Качественная чистка каналов 
между пластинами также практически невозможна.
На рис. 2.3 представлена схема трубчатого регенератора фирмы GEA 
(Германия) [12], послужившего прототипом для многих аналогичных 
устройств. Вот ряд характерных черт этой конструкции, с которыми 
связаны ее достоинства и недостатки:
· схема течения теплоносителей — однократный ход по газам 
и многократный перекрестный ход по воздуху (при общем про-
тивотоке), что при числе ходов более 4 позволяет получить пре-
дельно высокий температурный напор для заданной входной раз-
ницы температур теплоносителей;
· выхлопные газы движутся в трубах, а это при большом объем-
ном расходе газов требует большой площади проходного сече-
ния, то есть большого числа труб и большой площади трубной 
доски, то есть большого диаметра корпуса;
· использованные теплообменные трубы достаточно большого ти-
поразмера (25 мм) имеют большую жесткость и вибростойкость, 
однако требуют увеличения площади трубной доски;