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

размера ступени при lib = const, и длина ГТУ практически не уве­ личивается (см. рис. 144).

В некоторых случаях продольный размер ГТУ может быть сокра­ щен за счет увеличения перепада на ступень и сокращения числа ступеней. Поэтому повышение температуры газа всегда благоприятно сказывается на габаритах ВГТУ. Примером тому является создание фирмой Дженерал Электрик высокотемпературной ГТУ LM-2500,

При расчетах габаритов ГТУ целесообразно за определяющий поперечный размер принимать диаметр входного устройства компрес­ сора, который на основе статических данных можно выразить следу­ ющей зависимостью от диаметра первой ступени [8]:

А « = l , 5 D l n .

При этом диаметр последней ступени турбины можно определить как

£>M x = 2 , m l n .

Учитывая, что параметры на входе можно принять постоянными для определенных условий использования ГТУ, а геометрическими характеристиками можно задаться на основании построенных судо­ вых ГТУ, периферийный диаметр первой ступени компрессора можно определить по зависимости

где

V- JtpCj (1 — vj)

190м/с);

v— втулочное отношение (v = 0,45 -н 0,55).

Расход воздуха для ГТУ может быть найден по широко известной зависимости

жении может быть определена по числу ступеней и их осевым разме­ рам. Число ступеней определяется исходя из возможного перепада на ступень и полезной работы компрессора и турбины, которые могут быть получены из расчета цикла. Обычно для морских ГТУ можно

По приведенным зависимостям нами были проведены расчеты основных размеров ВГТУ мощностью 11 ООО и 18 500 кет (15 ООО л. с. и 25 ООО л. с.) в зависимости от начальной температуры газа и отно­ шений давлений. Из рис. 141 и 142 видно, что при увеличении на­ чальной температуры газа поперечные размеры резко уменьшаются. Особенно это влияние заметно при возрастании начальной темпера­ туры до 1473 К- С дальнейшим увеличением начальной температуры газа это влияние ослабевает.

Для каждой начальной температуры имеется свой оптимум по отношению давления. Этот оптимум сдвигается в сторону увеличения отношений давлений при повышении начальной температуры газа.

На рис. 143 представлено изме­ нение наружного диаметра ВГТУ от начальной температуры газа, соответствующее оптимальным значениям отношений давлений.

1>ГТУ,М

При этом расчеты были проведены для ВГТУ с воздушной и водя­ ной системами охлаждения. Как видно из рис. 143, с увеличением начальной температуры газа с 1073 до 1873 К поперечные размеры снижаются вдвое. При оценке поперечных размеров ВГТУ при проектировании особенно нужно обращать внимание на высоту ло­ паток. Необходимо, чтобы они не были меньше допустимых мини­ мальных размеров.

Изменение длины ВГТУ в зависимости от начальной температуры газа и отношения давлений представлено на рис. 144. Длина ВГТУ не зависит от начальной температуры газа и зависит только от отношения давлений. С увеличением отношения давлений длина ВГТУ увеличивается линейно. Учитывая, что с увеличением отно­ шения давлений после е = 25н-30 экономичность растет незначи­ тельно, нецелесообразно увеличивать последнюю до оптимального значения.

Массу ВГТУ нельзя оценивать по удельному показателю мощно­ сти, так как с увеличением температуры мощность увеличивается,

Таблица 46

Таким образом, массу любой ВГТУ можно приближенно оцени­

диаметра. А так как наружный диаметр с ростом начальной темпе­ ратуры газа при неизменной мощности уменьшается, то масса ма­ шины будет также уменьшаться. Таким образом, с увеличением начальной температуры газа габарит и масса газотурбинной уста­ новки при неизменной мощности уменьшаются.

§ 81. Экономичность судовых высокотемпературных газотурбинных установок

Экономичность судовой энергетической уста­ новки является одним из важных факторов при оценке ее эффектив­ ности. Чем выше экономичность установки, тем больше дальность плавания, меньше заправок, меньше расход топлива на данном отрезке пути и, следовательно, выше рентабельность перевозок.

Дальность плавания любого водоизмещающего судна можно определить по известной зависимости

В — запас топлива на судне; В"— количество топлива для вспомогательной уста­

новки; т] — адмиралтейский коэффициент;

Ье — удельный расход топлива; D — водоизмещение судна; v—скорость судна.

Для определенного класса судов можно принять скорость, водо­ измещение, запас топлива и адмиралтейский коэффициент постоян­ ными. Тогда дальность плавания судна будет являться функцией только одной величины — удельного расхода топлива, который для ВГТУ зависит от начальной температуры газа и различных систем охлаждения. Поскольку для судовых энергетических установок главным режимом работы является режим, близкий к номинальному, то в большей степени требованиям по экономичности могут удовле­ творять простейшие схемы ВГТУ, так как минимальный удельный расход топлива в них соответствует режиму полного хода.

Ье,кг/(кб7 ч) 0,60

0,55

0,50

0,45

0,40

0.J5

0,50

0,25

В качестве примера можно привести зависимости удельных рас­ ходов топлива от относительной мощности ГТУ FT-4A и LM-2500 (рис. 145). Из рисунка видно, что минимальные удельные расходы топлива соответствуют режиму полной мощности. На режимах малых ходов удельные расходы велики.

При выборе судовой ГТУ всегда нужно учитывать время ее ра­ боты и на режимах малых мощностей. Удельный расход топлива на полных мощностях сильно зависит от начальной температуры газа (табл. 47), так как находится в прямой пропорциональной за­ висимости от к. п. д. установки. Как видно из табл. 47, в которой приведены характеристики экономичности некоторых иностранных ГТУ, удельный расход топлива при повышении начальной темпера­

соответствующих начальной температуре газа. При расчете зави­ симостей температура направляющих лопаток принималась равной 1073 К, а рабочих 973 К. Все остальные характеристики цикла при­

Поэтому для ВГТУ с регенерацией целесообразно, по-видимому, применение только закрытых систем охлаждения.

В схемах, представленных на рис. 147, предполагается исполь­ зование закрытых систем охлаждения. Охлаждающий агент соби­ рает всю тепловую энергию, отводимую в результате охлаждения турбины, и возвращает ее в цикл. В схеме (а) охлаждающим агентом служит топливо, которое прокачивается от топливного насоса после­ довательно через горячие части ТСД и ТВД и подается в камеру сго­ рания. Схема (б) значительно сложнее. Она создана на основе широко­ известной схемы ЛПИ—ЦКТИ и предусматривает использование

для приготовления охлаждающего агента (пара) котла-утилизатора. Установленный в газоходе котел-утилизатор использует тепло отхо­ дящих газов для приготовления пара, который в качестве охладителя поступает последовательно в ТСД и ТВД. Перегретый пар работает в паровой турбине, которая отдает свою мощность через общий редук­ тор на винт. Отработавший в турбине пар конденсируется в конден­ саторе, а оттуда вода подается конденсатным насосом к КВД и КНД,

Ч)

Щ щ твА тсд UAI—g

6

I Топ

Рис. 147. Схемы ВГТУ с ох­ лаждаемыми турбинами и с утилизацией отведенного тепла.

где снимает тепло, выделяющееся в процессе сжатия воздуха. Охла­ ждение воздуха в компрессоре происходит поступенчато, тем самым приближая процесс сжатия к изотермическому. Затем нагретая в компрессоре вода поступает в котел-утилизатор.

Обе схемы дают возможность в значительной степени утилизиро­ вать отведенную в процессе охлаждения энергию и тем самым под­ нять экономичность всей установки. Первая схема (а) при начальной температуре газа 1473 К позволяет снизить удельный расход топ­

ности второй схемы по снижению удельного расхода топлива при повышении начальной температуры газа и перепада давления в цикле значительно больше, так как охлаждающим агентом в ней служит пар с высоким коэффициентом теплоотдачи. Однако такие схемы целесообразны для крупнотоннажных судов, так как их масса и габариты существенно больше, чем у простых схем ВГТУ.

Для оценки экономичности различных схем ВГТУ с разными системами охлаждения проведено сравнение судов по дальности плавания при постоянном водоизмещении и запасе топлива и ско­ рости хода около 17 узлов. Результаты расчета в относительных величинах представлены в табл. 48. За базу принималась наиболее распространенная на иностранных судах установка FT-4A, которая имеет умеренную начальную температуру газа 1116 К- Как видно из приведенной таблицы, наибольшую дальность плавания имеют суда с ВГТУ. Использование ВГТУ с воздушной открытой системой

Рис. 148. Удельные расходы топлива ВГТУ с охлаокдаемыми турбинами и с утили­ зацией отведенного тепла.

О0,1 0,2 0.3 0,ч 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9. 1.0

охлаждения и начальной температурной газа 1273 К дает возмож­ ность увеличить дальность плавания судна на 25—27% по сравне­ нию с судном ГТУ FT-4A. При повышении начальной температуры газа до 1473 К и использовании закрытой системы охлаждения даль­ ность плавания увеличивается на 37—39%, а при использовании жидкостной системы охлаждения и повышении начальной темпера­ туры газа до 1673 К дальность плавания судна можно увеличить более чем на 50%. Утилизирование же отведенного тепла топливом дает возможность получить те же дальности плавания, но уже при более низких температурах. Так, дальность плавания судна увели­ чивается более чем на 50% при утилизации тепла топливом уже при начальной температуре газа 1473 К. Утилизируя же отведенное тепло с помощью пара и отводя тепло от компрессоров в процессе сжатия, можно уже при начальной температуре газа 1473 К увели­ чить дальность плавания судна на 80%.

Использование регенерации обеспечивает повышение дальности плавания судна с ВГТУ только при закрытых системах охлаждения. При этом, чтобы увеличить дальность плавания больше чем на 50%, необходимо поднять начальную температуру газа выше 1573— 1773 К- Учитывая к тому же, что создание регенератора, работа­ ющего при повышенных температурах, является весьма трудной задачей, применение этих систем в ВГТУ в ближайшее время, повидимому, нереально.

В ближайшем будущем реальными схемами судовых ВГТУ, которые позволят резко увеличить дальность плавания судов, не увеличивая массу и габариты установок, следует считать простей­ шие схемы. При отработке котлов утилизаторов и закрытых систем охлаждения целесообразно создание ВГТУ с паровой приставкой.

Использование промежуточных охладителей для ВГТУ может иметь большое значение при конструктивной отработке компрессор­ ной группы.

§82. Ресурс судовых высокотемпературных газотурбинных установок

Оценка ресурса любой современной машины является сложной инженерной задачей, так как надежность работы зависит от большого количества разнообразных факторов. Как правило, надежность работы машины определяется надежностью работы наиболее напряженных ее узлов. Для газотурбинной уста­ новки к таким узлам относятся лопатки и диски турбин и компрес­ соров, камеры сгорания и подшипники. С повышением начальной тем­ пературы газа определяющим в оценке ресурса является напряжен­ ное состояние лопаточного аппарата турбины и в первую очередь

по кривым длительной прочности можно определить наработки ло­ паточного аппарата до отказа. Однако следует отметить, что часто приводимые кривые длительной прочности по различным материалам не имеют нужных областей, которыми можно было бы пользоваться. Поэтому прибегают к ориентировочной оценке наработки лопаточ­ ного аппарата, продолжая кривые длительной прочности до необ­ ходимого предела (рис. 149). Это, естественно, приводит к определен­ ной погрешности.

Из рис. 149 видно, что для сплава ЭИ617 при температуре ло­ патки около 1173 К среднестатические наработки до отказа состав-