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

под воздействием вращения ротора, поэтому ими можно пренеб­ речь.

При проектировании и создании охлаждаемых дефлекторных лопаток важной характеристикой является их пропускная способ­ ность. Обобщенная экспериментальная зависимость пропускной способности охлаждающего тракта исследуемых лопаток при подо­

сопротивлений участков системы охлаждения дефлекторных лопаток позволяют рассчитывать уже готовые лопатки и проектировать ка­

вещества (в первую очередь воздух), так и жидкости (преимуще­ ственно вода). Гидравлические сопротивления таких охлаждаемых лопаток зависят в основном от местных сопротивлений.

В канальных лопатках с прямым протоком воздуха гидравличе­ ские потери состоят из потерь на вход в каналы охлаждения, потерь на трения в длинных каналах и потерь на выход воздуха в проточную часть. В канальных лопатках петлевого типа (см. рис. 50 и 51) к выше­ перечисленным потерям добавляются потери, связанные с поворотом потока, и потери из-за слияния и разделения потоков. Естественно, что гидравлические потери лопаток петлевого типа будут больше, чем у лопаток с прямым протоком воздуха.

ждают, что гидравлические сопротивления указанных лопаток раз­ личаются на 50%, другие считают, что в два раза больше. Однако хорошо известно, что увеличение гидравлических сопротивлений зависит от отношения угловой скорости к скорости движения потока

втракте охлаждения. Особенно это сказывается при использовании

вкачестве охлаждающего агента воды и при наличии местных сопро­ тивлений. Многочисленные эксперименты, проведенные в этой обла­ сти, показывают, что характер течения жидкости во вращающихся каналах несколько иной, нежели в неподвижных. При больших отношениях ulv в потоке появляются сильно развитые вторичные течения, которые сильно искажают основной поток. Иногда в ка­ нале возникают ярко выраженные циркуляционные течения, на­

противлений водяного тракта охлаждения ротора турбины при ее вращении. Вода подводилась через специальные каналы по центру вала через диск турбины к камере смещения, откуда поступала в охла­ ждаемую лопатку. Отвод воды осуществлялся через каналы в диске, специальные каналы и отверстия на поверхности ступицы. Движение

В работе экспериментально получена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления ротора в зависимости от относи­ тельной скорости ulv:

С = і.об (-=-)'•*.

Авторы отмечают, что поскольку наибольшее влияние на гидрав­ лические сопротивления оказывают местные сопротивления, а испы­ танный ими ротор характеризуется большой концентрацией послед­ них, то полученная зависимость характеризует максимальные ги­ дравлические сопротивления для подобных трактов охлаждения.

Для сравнения приведены графические зависимости £ = /

по экспериментальным данным, полученным по опытам Феттингера. Последние характеризуются испытанием ротора с меньшим коли­ чеством местных сопротивлений и могут в известной степени служить низшим пределом значений гидравлических сопротивле­ ний.

I 79. Расчет систем

гидравлического сопротивления

Система охлаждения газовых турбин пред­ ставляет собой широко разветвленную сеть последовательно и па­ раллельно соединенных элементарных гидравлических сопротивле­ ний, которые значительно различаются по абсолютной величине. В зависимости от распределения воздуха по каналам воздушные системы охлаждения газовых турбин могут быть разделены на три основные группы [63]:

—последовательные, в, которых воздух последовательно про­ ходит через несколько охлаждаемых узлов турбины;

—параллельные, в которых воздух подводится отдельно к ка­ ждому охлаждаемому узлу турбины;

охлаждения. Отдельные же узлы могут охлаждаться как последова­ тельно, так и параллельно.

Примером системы охлаждения последовательного типа служит система охлаждения статора ТВД ГТУ-9-750 КТЗ. Эквивалентная расчетная схема представлена на рис. 138 и содержит пять элемен­ тарных соединений и четыре узловые точки.

вочные кольца. Точки 2, 3, 4, 5 представляют полости охлаждения между установочными и бандажными кольцами. Точка / соответ­

система охлаждения дефлекторной лопатки. Эквивалентная расчет­ ная схема системы охлаждения дефлекторной лопатки представлена на рис. 139. Она содержит 19 элементарных сопротивлений и шесть узловых точек, при этом одна из них соединяет больше двух элемен­ тарных сопротивлений или ветвей. Участок 1—2 соответствует ги­ дравлическому сопротивлению отверстий выхода воздуха из: дефлек­

— распределение давления охлаждающего воздуха по элементам

приближениями. Критерием точности выполненного расчета яв­ ляется отличие заданной температуры охлаждающего воздуха от полученной при расчете меньше чем на 5%.

При решении обратной задачи гидравлического расчета за исход­ ные данные принимают:

•— геометрические характеристики всей системы охлаждения;

—распределение давления и температуры воздуха по элементам системы охлажден и я;

—гидравлические сопротивления.

В этом случае первое приближение оценивается на основании ориентировочного задания распределения температур по тракту охлаждения, второе — на основании теплового расчета системы охлаждения.

Для решения прямой или обратной задачи необходимо решить систему уравнений из т + z нелинейных алгебраических уравнений вида:

иот соотношения местных сопротивлений

исил трения (для местных сопротивлений коротких каналов п — 2, для длинных каналов /г = 1ч-1,75).

когда коэффициент гидравлического сопротивления отнесен к пара­ метрам потока в сечении выхода из элемента;

1 — g G-RT

когда коэффициент сопротивления отнесен к параметрам потока на входе в элемент.

Зависимость р = f (k), которая может быть представлена гра­ фически, дает возможность рассчитать любые местные сопротивле­ ния.

Если при расчете последовательно соединенных местных гидрав­ лических сопротивлений заданы геометрические размеры всех эле­ ментов, начальное и конечное давление, то расчет ведется последова­ тельно от элемента к элементу:

— задавшись несколькими значениями расхода воздуха при известном конечном давлении, рассчитывают начальное давление

ит. д.;

—по построенному последнему графику Pi = f (Gj) и начальному давлению находят расход воздуха через систему охлаждения.

Наиболее полные рекомендации по графоаналитическому методу расчета параллельных, смешанных и сложных схем охлаждения га­ зовых турбин приведены в работе [63]. При использовании графо­ аналитического метода расчета особое внимание нужно уделять со­ ставлению эквивалентной схемы расчета, так как при рационально составленной схеме трудоемкость расчета может быть сокращена без значительного увеличения погрешности.

Метод электрического моделирования основан на определенной аналогии математических зависимостей, описывающих процессы течения и распределения потоков несжимаемой жидкости в трактах охлаждения и электрического тока в проводниках. Подобная ана­ логия наиболее четко проявляется при ламинарном течении жидкости. В этом случае системе уравнений (433) соответствует система для течения электрического тока

При этом первое уравнение в системе (434) представляет математи­ ческое выражение закона Ома, а второе — первого закона Кирхгофа.

Сравнение выражений (433) и (434) показывает, что они будут тождественны при турбулентном течении воздуха и переменной плотности, если будут соблюдены следующие условия:

При расчете сложных гидравлических систем основная трудность состоит в удовлетворении условия (437). Если это условие удовле­ творяется, то остальные два условия выполняются автоматически. В зависимости от способа удовлетворения условия (437) электриче­ ские моделирующие устройства делят на три группы:

—использующие электрические сопротивления с линейной ха­ рактеристикой;

—использующие электрические сопротивления с нелинейными сопротивлениями;

—использующие переменные линейные электрические сопротив­

ления.

Первый тип моделирующих устройств нашел наибольшее распро­ странение ввиду своей простоты, надежности и небольших затрат при расчетах. Однако при использовании таких устройств требуются большие затраты труда. Моделирующие устройства второго типа сложны и весьма трудоемки при наладке. Использование перемен­ ных линейных электрических сопротивлений дает возможность резко сократить сложность моделирующего устройства и сравнительно удобно для расчета систем охлаждения газовых турбин. Такие моде­ лирующие устройства были созданы в ИТТФ АН УССР [81 ] в 1962 г. и в ЦКТИ им. Ползунова. Как показали расчеты, точность определе­ ния параметров по тракту охлаждения после второго приближения обычно составляет около 3—4%.

При электрическом моделировании гидравлического расчета систем охлаждения газовых турбин в соответствии с общими поло­ жениями теории подобия должны быть соблюдены следующие усло­ вия:

—геометрическое подобие гидравлической и электрической се­

тей;

—подобие полей проводимости;

—одинаковость граничных условий.

Общая схема расчета с помощью электрических моделей сво­ дится к следующему:

—принимают (создают) электрическую модель гидравлической

сети;

—задают граничные условия;

—выполняют условия тождественности;

—измеряют параметры тока в узловых точках и сопротивления элементов;

— осуществляют переход от параметров электрической модели к параметрам гидродинамической натуры;

— рассчитывают расход воздуха в системе охлаждения.

При расчетах используют метод последовательного обхода или метод повторений [63]. Расчет гидравлики систем охлаждений газо­ вых турбин может быть проведен с использованием ЭЦВМ. Исполь­ зование ЭЦВМ дает возможность учесть все факторы, влияющие на гидравлику системы, и получить результаты с любой точностью при значительном сокращении времени на расчет. По-видимому, целесо­ образность использования ЭВЦМ при расчете систем охлаждения

более всесторонне и достаточно широко этот вопрос рассмотрен в ра­ боте [63].

Глава X —

ЭФ Ф Е К Т И В Н О С Т Ь ПРИМЕНЕНИЯ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК НА МОРСКИХ СУДАХ

§ 80. Масса и габариты судовых высокотемпературных газотурбинных установок

Масса и габарит судовой энергетической уста­ новки являются важными показателями при оценке ее эффективно­ сти. Они в значительной степени влияют на водоизмещение, главные размерения, грузоподъемность и пассажировместимость судна.

Основным показателем судовой энергетической установки яв­ ляется отношение ее массы или суммарной массы установки и жидких грузов к мощности. Для судов с малооборотными дизелями и газо­ турбинным наддувом эта величина составляет около 110—120 кгіквт (81—88 кг/л. с), для паротурбинных установок 40—55 кг/квпг (30— 40 кг/л. с), для газотурбинных — около 25 кг/квпг (18 кг/л. с). По массовым показателям газотурбинные установки имеют преиму­ щество перед паротурбинными и дизельными. Созданные на базе авиационных газотурбинных двигателей судовые энергетические установки имеют значительно меньшую удельную массу (удельная масса некоторых модификаций судовых газотурбинных двигателей составляет 0,4—1,0 кг/квт (0,3—0,7 кг/л. с. [8\). Такие двигатели широко применяются на судах с динамическими принципами под­ держания. По габаритам ГТУ также имеют значительные преиму­ щества по сравнению с ДВС и паротурбинными установками. Если длина ГТУ еще соизмерима с длиной ДВС, то высота ГТУ в тричетыре раза меньше высоты ДВС.

Еще большие возможности по уменьшению габаритов имеют вы­ сокотемпературные газотурбинные установки. Повышение началь­ ной температуры газа оказывает двоякое влияние на габариты ГТУ. С одной стороны, увеличение начальной температуры газа и повы­ шение отношения давления позволяют сократить расход рабочего тела и тем самым приводят к уменьшению поперечных размеров ГТУ, а с другой стороны, с повышением параметров газа увеличивается общий теплоперепад на турбину и компрессор, а также число сту­ пеней при тех же перепадах на ступень (рис. 140), что вызывает увеличение длины ГТУ. Однако расчеты показывают, что с увеличе­ нием только начальной температуры вследствие сокращения расхода газа уменьшается высота лопаток, что ведет к сокращению осевого