книги из ГПНТБ / Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки

Таблица 4

Основные характеристики газотурбинного двигателя «Тайн»

винт. Ресурс двигателя предполагается довести до 10 000 ч. Основные характеристики судового ГТД «Тайн» приведены в табл. 4.

В связи с высокой температурой газа на входе в турбину (1242 К) сопловые и рабочие лопатки выполнены с воздушной системой охла­ ждения. Рабочие лопатки изготовлены методом горячей штамповки из сплава нимоник. Внутри каждой лопатки имеются три радиаль­ ных канала для прохода охлаждающего воздуха. Охлаждающий воз­ дух у корня лопатки входит в первый охлаждающий канал и, сделав тройную петлю, поступает в радиальный зазор. Расход воздуха на охлаждение составляет 0,8% общего расхода.

На стендовых испытаниях в течение 1000 ч имитировались морские условия эксплуатации, что позволило оценить работоспособность высокотемпературного ГТД в качестве судового. Испытания пока­ зали, что двигатель работает устойчиво и отложение солей в каналах

температурных ГТД малой мощности, используемых на судах с ди­ намическими принципами поддержания, которые в 1970 г. находи­ лись уже в стадии доводки, представлены в табл. 5.

Американская фирма Форд построила для катеров ВМФ двига­ тель мощностью 440 кет (600 л. с.) с начальной температурой газа 1218 К- Фирма Оренда построила высокотемпературный двигатель для десантных судов мощностью 440 кет (600 л. с.) с начальной

0,280 кг1(квт-ч) [0,190—0,206 кг1{л. с-ч)}.

Опыт иностранного газотурбостроения показывает, что все основ­ ные фирмы, поставляющие судовые газотурбинные установки, уде­ ляют большое внимание повышению начальной температуры газа перед турбиной. Начальная температура газа в настоящее время пока не превышает 1273 К, но имеются попытки создать ГТД с тем­ пературой 1373 К (LM-2500).

§2. Эффективность повышения начальной температуры газа

Наглядное представление о влиянии темпера­ туры газа при входе в турбину на полезную работу и к. п. д. уста­ новки дает изображение цикла на диаграмме Т—s (рис. 5). Если ра­

мальные отношения давлений, при которых достигается либо мак­ симальная полезная работа, либо максимальный к. п. д. цикла.

Повышение начальной температуры газа в цикле, конечно, отри­ цательно влияет на ресурс установки и ее надежность. Однако при

соответствующих мероприятиях (организация эффективного охла­ ждения деталей турбин) можно значительно уменьшить это влияние. Что же касается экономических затрат на производство турбин ВГТУ, то многое зависит от систем и способов охлаждения. Как правило, повышение температуры газа перед турбиной увеличивает ее по­ строечную стоимость. Но при эксплуатации за счет сниженных удель­ ных расходов топлива это увеличение очень быстро окупается.

Влияние начальной температуры газа на основные показатели ГТУ

Эта величина характеризует степень совершенства турбин и ком­ прессоров.

Удельный расход воздуха — расход на единицу полезной мощ­ ности, производимой ГТУ:

Эта величина косвенно характеризует компактность машины, ее

Этот коэффициент характеризует возможное снижение ресурса дви­ гателя за счет повышения температуры газа перед турбиной.

Коэффициент относительной стоимости — отношение стоимости высокотемпературной ГТУ к стоимости ГТУ, принятой за эталон:

Эффект от увеличения начальной температуры газа с ростом темпера­ туры уменьшается. Так, для отношения давлений, равного 16, при изменении температуры от 873 до 973 К к. п. д. возрастает более чем на 10%, а при изменении от 1373 до 1473 К — только на 1,5%.

Аналогичное явление мы наблюдаем и на рис. 7, где показана зависимость полезной работы ГТУ от начальной температуры газа. С ростом начальной температуры газа увеличивается полезная ра­ бота. Влияние увеличения начальной температуры газа на полез­ ную работу цикла сказывается сильнее в области больших отноше­ ний давлений. С повышением температуры уменьшается относитель­ ная величина роста полезной работы.

0,75

газа падает (рис. 8). Наиболее интенсивно это происходит в области температур до 1073 К-

Зависимость коэффициента относительности ресурса от темпера­ туры представлена на рис. 9. За эталон принята ГТУ с начальной температурой газа 1073 К, изготовленная из существующих марок жаропрочных металлов (№ 1). Общий характер кривых свидетель­

обусловливается уменьшением ресурса высокотемпературной ГТУ

Рисунок 10 показывает зависимость коэффициента относительной стоимости ГТУ от начальной температуры газа. За эталон также при­ нята ГТУ с начальной температурой газа 1073 К-

С ростом температуры коэффициент у для построечной стоимости ГТУ увеличивается (/), так как повышение температуры требует либо введения систем охлаждения и усложнения конструкций, либо

в связи с систематическим ростом напряженности деталей турбин растут.

В настоящее время температура газа перед турбиной колеблется

Кроме того, лопаточные аппараты испытывают переменные по вели­ чине и знаку динамические нагрузки, частота которых достигает 500-103 колебаний в минуту. Детали проточной части подвергаются воздействию нагретых агрессивных газов. Особо опасным из агрес­ сивных элементов является ванадии, который в виде пятпокпси ва­ надия под воздействием высокой температуры входит в соприкосно­ вение с горячими лопатками турбин, налипая на них. В результате этого развивается ннтеркрнсталлптная коррозия.

Вместе с тем современные газотурбинные установки характери­ зуются весьма коротким временем запуска. Возникающие при этом знакопеременные нагрузки бывают соизмеримы с напряжениями от действия центробежных сил. Для различных деталей газовых турбин характерны свои особенности работы, в связи с чем и применяемые материалы для каждой группы детален различны.

Камеры сгорания. Камеры сгорания, особенно жаровые трубы, в наибольшей степени подвержены действию высоких температур. При этом жаровые трубы подвержены только термическому воздей­ ствию, в связи с чем металл, из которого они изготовлены, должен обладать высокой сопротивляемостью окислению и коррозии, высо­ кой теплопроводностью и низким коэффициентом линейного расшире­ ния. По своим физико-химическим и механическим свойствам нике­ левые (хромонпкелевые) сплавы наиболее полно отвечают этим

туры газового потока и изгибающих напряжений. Материал, из ко­ торого изготовлены лопатки, должен обладать высокой сопротивляе­ мостью коррозии, а ввиду возможности резкого изменения темпера­ туры (при запусках и остановках) — высокой теплопроводностью и малым коэффициентом линейного расширения. Материал сопловых лопаток должен противостоять эрозионному воздействию потока, так как в потоке газа всегда находятся твердые частицы во взвешенном состоянии. Кроме того, сопловые лопатки подвержены действию вибрации, а следовательно, материал должен обладать сопротивляе­ мостью действию циклических нагружений.

Сложность требований, предъявляемых к материалу лопаток, требует использования специальных высоколегированных сталей или сплавов с высокими качествами при повышенных темпера­ турах.