книги из ГПНТБ / Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки
.pdf
Г.Г.Жаров, Ш е к ц ю ш
судовые
высокотемпературные
газотурбинные
установки
контрольный |
а . : . . Р . м п . г я * > |
і |
Издательство Судостроение"
Ленинград
1973
УДК 629.12.03—843.8—977
Ж34
У2-19ЗУ£Ь
В книге рассмотрены основные направления развития высокотемпературных судовых газотурбинных установок (ГТУ). Увеличение температуры газа перед турбиной по зволяет улучшить основные показатели ГТУ, повысить их
экономичность и |
маневренность, |
уменьшить габариты, |
а также стоимость |
постройки и |
эксплуатации. |
В книге приведены характеристики основных мате риалов, применяемых для проточных частей современных ГТУ, и способы повышения их жаропрочности. Дана клас сификация систем охлаждения по их конструктивному оформлению. Рассмотрены основные проблемы, связанные с созданием систем охлаждения различного типа, и пути их решения, а также обобщен опыт создания отечествен ных и зарубежных ВГТУ с охлаждаемыми турбинами. На основе анализа существующих методов расчета ГТУ по средним теплоємкостям показано, что при увеличении начальной температуры газа необходимо учитывать из менение теплоемкости в процессах сжатия и расширения. Рассмотрена термодинамика охлаждаемой газовой тур бины и приведены зависимости для оценки всех видов
потерь, связанных с охлаждением. Предложен специаль ный графический метод учета потерь, связанных с охла ждением.
На основе отечественных и зарубежных эксперимен тальных данных по теплообмену приведены критериальные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи от газа к охлаждаемым узлам и от охлаждаемых узлов к охлаждающему агенту.
Илл. 155, табл. 48, указатель литературы — 111 назв.
Рецензенты: канд. техн. наук Н. А. Клименко, докт. техн. наук С. Я- Ошеров.
Научный редактор Г. Н. Богданов-Катьков
3185—051 Ж 048 (01)—73 40—73
ПРЕДИСЛОВИЕ
Газотурбинные установки, обладая малой мас сой н габаритами, высокой маневренностью и большой единичной мощностью при высокой экономичности и надежности, находят широ кое применение в стационарной энергетике и на транспорте. Однако до настоящего времени не исчерпаны все потенциальные возможности газотурбинных двигателей. Большинство из них работает еще по простейшему циклу и при сравнительно низких параметрах рабочего тела. Недостаточно высоки экономичность и ресурс отдельных со ставных частей газотурбинных установок. С целью повышения эко номичности поднимают начальную температуру газа перед турбиной и применяют утилизацию тепла отработавшего газа. Для увеличения ресурса двигателей используют наиболее жаропрочные материалы, а также различные системы охлаждения деталей турбин. В настоя щее время в судовых установках уже применяют газотурбинные дви гатели с начальной температурой газа 1273 К; намечается тенденция дальнейшего увеличения начальной температуры газа.
Цель настоящей книги — обобщение материала по судовым высо котемпературным газотурбинным установкам и анализ методов их расчета. Под высокотемпературными газотурбинными установками (ВГТУ) авторы понимают установки с температурой газа перед турбиной от 1173 К и выше при наличии внутренней системы охлаж дения лопаток. Такое определение, конечно, является условным, но для практики использования газовых турбин оно удобно, так как выделяет целый ряд проблем, характерных для газовых турбин с вы сокой начальной температурой газа.
Отзывы о книге просим присылать по адресу: 191065, Ленинград, ул. Гоголя, 8, издательство «Судостроение».
1* |
3 |
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
г— коэффициент диффузии,
м2/с;
п |
— потеря |
тепла, |
дж/кг; |
||||
|
— энергия |
|
активации, |
||||
|
кдж |
-м2/(кг-н); |
|
|
|||
с — коэффициент температу |
|||||||
|
ропроводности, |
м2/с; |
|
||||
Bi — критерий |
БИО; |
|
|
||||
b — хорда |
профиля |
лопатки, |
|||||
|
м; |
|
|
|
|
скорость |
|
с — абсолютная |
|
||||||
|
газа, |
м/с; |
|
|
|
|
|
d — диаметр, |
м; |
|
|
||||
Е — модуль |
упругости, |
нЬг; |
|||||
^ОХЛ — количество |
охладителя, |
||||||
|
кгіс; |
|
|
|
|
|
|
S — ускорение |
силы |
тяжести, . |
|||||
|
м/с2; |
|
|
|
|
|
|
8' |
— удельный |
|
коэффициент |
||||
|
расхода |
|
охлаждающего |
||||
I |
воздуха; |
|
|
|
|
||
— сила |
электрического |
то |
|||||
|
ка, |
а; |
|
|
энтальпия, |
||
і — удельная |
|
||||||
|
дж/кг; |
|
|
адиабаты; |
|
||
k — показатель |
|
||||||
L |
— работа, |
кдж/кг; |
|
|
|||
М— изгибающий момент, н -м;
и— показатель политропы;
Р— периметр профиля лопат
ки, м; |
|
|
|
Q — количество |
подведен |
||
ного |
тепла |
в |
цикле, |
кдж/кг; |
|
|
|
Яохл — тепло, |
отведенное |
при |
|
охлаждении, |
кдж; |
|
|
Re — число |
Рейнольдса; |
|
|
s — удельная |
энтропия, |
||
дж/(кг |
- К); |
|
|
—стоимость газотурбинной установки, принятая за базу, руб.;
S B ' |
стоимость |
|
высокотемпе |
||||
|
ратурной |
газотурбинной |
|||||
|
установки, |
руб.; |
|
||||
Sr - |
критерий, |
учитывающи й |
|||||
|
влияние |
геометрии |
ре |
||||
|
шетки |
на |
теплоотдачу; |
||||
Т • |
температура, |
|
К; |
|
|||
/ • |
шаг |
лопаток, |
м; |
|
|||
U, V, W |
перемещения; |
электриче |
|||||
V |
напряжение |
|
|||||
|
ского |
тока, |
в; |
|
|||
W • |
относительная |
скорость |
|||||
|
газа, |
|
м/с; |
|
|
|
|
а • |
коэффициент |
|
теплоотда |
||||
|
чи, |
e/rt/(.K2 • К); |
|
||||
«і |
коэффициент |
|
линейного . |
||||
IV |
расширения, |
|
1/°; |
|
|||
угол |
|
входа |
лопаток |
ра |
|||
|
бочего |
венца, |
. . .°; |
|
|||
б т |
толщина |
потерн импуль |
|||||
|
са, |
м; |
|
|
|
|
|
бзазор, м;
єотношение давлений; внутренний к. п. д. тур
бины; |
|
11 0 коэффициент |
охлажде |
ния; |
|
Эотносительная темпера тура;
X |
коэффициент |
теплопро |
|
|
водности, |
|
кдж/(м-ч-К); |
X' |
коэффициент |
трения; |
|
н- |
коэффициент |
вязкости, |
|
н -сім2; |
|
|
|
|
|
кг/м3; |
|
р |
плотность, |
|
|
а |
напряжение, |
н/м2; |
|
Тс |
ресурс |
газотурбинной |
|
|
установки, |
принятый за |
|
|
базу, ч; |
|
|
|
• ресурс |
высокотемпера |
|
|
турной |
газотурбинной |
|
|
установки, |
ч; |
|
ф |
функция напряжений. |
||
составляет 1213, 1173 и 1171 К. Турбины высокого давления имеют воздушное охлаждение.
Газотурбинный двигатель LM-1500, созданный на базе авиацион ного ТРД 1-79, предназначен для судов водоизмещающих и с дина мическими принципами поддержания. Он установлен на судах бере говой охраны типа «Эшвилл» в качестве форсажного. На опытном СПК «Денисом» LM-1500 используют в качестве главного двигателя, передающего мощность через «колонку» на суперкавитирующий винт.
Газотурбинный судовой двигатель LM-1500 состоит из семнадцатиступепчатого компрессора с поворотными сопловыми лопатками пер вых шести ступеней, шестиступенчатой турбины компрессора и двух ступенчатой турбины, работающей на винт. Сопловые лопатки — полые, изготовлены из сплава повышенной жаростойкости, литые. Рабочие лопатки изготовлены из жаропрочного кованого сплава ундивит 500, а диски — из сплава V57.
Двигатель LM-1500 может работать в режиме кратковременной максимальной мощности 12 500 кет (17 ООО л. с ) , максимальной мощ
ности 10 300 кет (14 000 л. с) и номинальной |
мощности |
7700 кет |
||||
(10 500 л. |
с). Температура газа |
при номинальной мощности 1115 К, |
||||
а при кратковременной максимальной мощности |
1213 К. Масса дви |
|||||
гателя 3115 кг, длина 7,660 м, высота 2,430 м. Ресурс |
двигателя |
|||||
6000 ч. |
|
|
|
|
|
|
Прототипом двигателя LM-100 послужил вертолетный |
двигатель |
|||||
Т-58, а двигателя LM-300 — вертолетный ГТД Т-64. Основные харак |
||||||
теристики двигателей приведены в табл. 2. |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|
|
Основные характеристики двигателей LM-100 и LM-300 |
|||
|
|
Х а р а к т е р и с т и к и |
LM-100 |
LM-300 |
||
Мощность, |
кет |
1100 |
|
3000 |
||
Расход |
воздуха, кг/с |
5,6 |
|
11,3 |
||
Отношение |
давлений |
8,3 |
|
12,0 |
||
Начальная |
температура газа, К |
1171 |
|
1171 |
||
Масса |
двигателя, кг |
158 |
|
363 |
||
Длина, |
м |
|
1,800 |
2,160 |
||
Ширина, |
м |
|
0,500 |
0,660 |
||
Высота, |
м |
|
0,550 |
0,813 |
||
Сопловые и рабочие лопатки первой ступени двигателя LM-300 имеют воздушное охлаждение. На передней кромке первой ступени сопловых лопаток расположены отверстия. Выходящий из отверстий воздух обеспечивает пленочное охлаждение всей лопатки. Охлажде ние литых рабочих лопаток первой ступени ТВД осуществляется путем подвода воздуха через щель в хвостовой части к пяти продоль ным каналам внутри пера лопатки. Через четыре канала воздух про ходит в радиальный зазор, а из пятого канала, проходящего во вход-
|
|
|
|
Таблица З |
|
|
Основные характеристики двигателя |
«Олимп» и |
его модификаций |
||
Т и п д в и г а т е л я |
Н а ч а л ь н а я |
М о щ н о с т ь , |
кет |
У д е л ь н ы й |
рас |
|
|
||||
«Олимп» |
т е м п е р а т у р а , |
К |
|
х о д топлива, |
|
|
кг/(кет |
••/) |
|||
|
|
288 К |
311 К |
||
|
|
|
|
||
А (Базовый) |
1150 |
17 700 |
14 300 |
0,300 |
|
В |
1195 |
20 000 |
15 900 |
0,296 |
|
Новый |
1280 |
26 100 |
20 400 |
0,290 |
|
Морской двигатель «Олимп», созданный на базе авиационного ТРД «Олимп-201», имеет семиступенчатые КНД и КВД. Турбина высо кого давления — одноступенчатая, лопатки соплового аппарата — полые, литые, с воздушным охлаждением; рабочие лопатки изготов-
Рчс. 4. Двигатель «Тайм.
лены методом прецизионного литья из никелевого сплава и охла ждаются воздухом. Турбина низкого давления — одноступенчатая, рабочие лопатки — кованые, неохлаждаемые; при дальнейшем усо вершенствовании лопатки будут иметь воздушное охлаждение [8] .
В английском флоте широко применяются высокотемпературный газотурбинный двигатель «Тайн» (рис. 4) фирмы Роллс-Ройс [8] . Впервые этот двигатель был установлен на СПК «Дельфин».
Двигатель «Тайн» состоит из шестиступенчатого компрессора низ кого давления и девятиступенчатого компрессора высокого давления.