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

ляют время до 100 ч, а при температуре 1073 К при тех же напря­ жениях они доходят до 10 ООО ч. Однако следует отметить, что кривые длительной прочности не учитывают ряда эксплуатационных и тех­

Рис. 151. Влияние цикличе­ ских, механических и терми­ ческих перегрузок на длитель­ ную прочность сплава ЭИ617.

Исследование влияния ванадиевой коррозии на длительную проч­ ность сплава ЭИ617 проводилось с использованием золы, которая близка по своему воздействию к ванадию. Результаты испытаний были сравнены с длительной прочностью чистых образцов, испытан-

ных в чистом воздухе. Оказалось, что ванадиевая й сернистая кор­ розии изменяют длительную прочность сплава ЭИ617 почти на по­ рядок (рис. 150) [15].

Другим фактором, влияющим на ресурс лопаточного аппарата, являются периодические нагревы и перегрузки при пусках и оста­ новках, при выходе на режим, изменении режима работы установки и т. д. Степень влияния нестацнонарности режимов на ресурс лопа­ ток зависит от конкретных условий нагрева и нагружения. При

ресурса для судовых газотурбин­ ных установок мы не встречаем таких больших значений ресурса, кото­ рые дают кривые длительной прочности при пониженных начальных температурах газа. Так, иностранные специалисты считают, что для двигателей «Олимп» с начальной температурой газа до 1073 К ре­

Исходя из иностранного опыта оценки ресурса, можно сделать вывод, что существующие материалы с учетом неблагоприятных фак­ торов могут обеспечить ресурс лопатки при температуре ее около 1173 К до 100—300 ч работы, а при температуре около 973 К — до 10 000—20 000 ч работы. Исходя из этого, нами были проведены

расчеты по экономичности и мощности ВГТУ при различных темпе­ ратурах лопаток, которые обеспечиваются воздушной и водяной системами охлаждения (рис. 153 и 154).

Как видно из рис. 153 более высокий ресурс проточной части при меньшей потере экономичности обеспечивает водяная система охлаждения. Однако следует помнить, что ее использование воз­ можно при двухконтурной системе охлаждения, так как однокон­ турная система не сможет обеспечить допустимого охлаждения лопа­ ток. Увеличение ресурса ВГТУ с воздушной системой охлаждения

1215 1413 1615 Тг к 1813 1215 1415 у „ 1615

требует дополнительных расходов охлаждающего воздуха, что резко снижает экономичность установки. Поэтому повышение начальной температуры газа для ВГТУ с воздушной системой охлаждения и большим ресурсом выше 1223—1473 К нецелесообразно. Что же

охлаждения для ВГТУ с большим ресурсом нецелесообразно уве­ личивать начальную температуру газа с целью повышения мощности выше 1273 К. Для ВГТУ с малым ресурсом таким пределом может быть температура 1373—1473 К-

Поднять экономичность ВГТУ с воздушным охлаждением можно за счет снижения температуры охлаждающего воздуха (рис. 155). Но нужно всегда помнить, что воздух с более низкой температурой будет снижать температуру газа в проточной части и понижать к. п. д.

всей ВГТУ. Поэтому целесообразность снижения температуры воз­

§83. Стоимость судовых высокотемпературных газотурбинных установок

Стоимость проектирования, постройки и экс­ плуатации любой главной энергетической установки судна, в том числе и ВГТУ, является определяющим фактором для внедрения ее на суда морского флота. Суммарная стоимость проектирования постройки и эксплуатации за определенный промежуток времени, отнесенная к количеству миль, пройденных судном за это же время, является показателем рентабельности перевозок и определяет целе­ сообразность создания для судна той или иной энергетической уста­ новки. Этот удельный показатель может быть представлен зависи­ мостью

L — количество миль, пройденных судном за расчетный пе­ риод.

Стоимость проектных работ составляет значительную часть стоимости постройки энергетической установки судна. Она может быть оценена с помощью специального коэффициента:

"^пр ^Пр^П)

где /гпр — коэффициент проектных работ. Этот коэффициент, как правило, больше единицы, так как при создании принципиально новой машины требуется проведение большого количества опытноконструкторских и научно-исследовательских работ. Однако, учи­ тывая, что стоимость проектирования относится ко всей серии строя­ щихся судов, а не к одному, ее значение, приходящееся на одно судно, будет не так уж велико. Чем больше серия судов, тем эта величина будет меньше.

Стоимость постройки энергетической установки является более стабильной величиной и определяется стоимостью материала, тру­

где <SM — стоимость материала; ST p — трудоемкость.

С увеличением серии судов, в связи с отработкой технологии методов изготовления и сборки, стоимость постройки снижается, что может быть учтено специальным коэффициентом снижения себе­ стоимости.

Стоимость постройки энергетических установок может быть выражена как функция их массы

Sn = KG,

где G — масса агрегата;

kn — коэффициент пропорциональности, или удельный показа­ тель стоимости (его часто используют при ориентировоч­ ной оценке построечной стоимости энергетических уста­ новок).

Учитывая, что приведенная зависимость очень редко носит ли­ нейный характер, можно использовать другую

Sn = *n G»,

где т — показатель степени, определяющий нелинейный закон изменения стоимости установки в зависимости от ее массы.

Такую зависимость можно получить для существующих газо­ турбинных установок на базе теории парной корреляции. Однако такая зависимость не может в полной мере быть пригодной для всего многообразия газотурбинных установок, которые имеют различные параметры, конструктивные решения и могут быть изготовлены из различных материалов. Тем более она может быть непригодной для перспективных машин, в том числе и для ВГТУ, в которые заклады­ ваются новые решения. Поэтому нами предложен способ оценки стоимости машин с помощью поузловой разбивки и перспективных коэффициентов. Сущность этого метода сводится к следующему: вся ГТУ разбивается на ряд характерных узлов (компрессоры,

турбина, камера сгорания, редуктор и др.). Для каждого из этих узлов строится корреляционная модель по известным статистическим данным построенных машин в зависимости от параметров узла. На основании этого получается построечная стоимость отдельного уже существующего узла в зависимости от его параметров:

ственно, заменить материалы турбины и ввести систему охлаждения, то, естественно, ее стоимость возрастет. Поэтому для оценки стои­ мости узла мы должны ввести специальные коэффициенты, отража­ ющие относительное увеличение стоимости нового узла по сравнению со старым за счет улучшения материалов и внедрения системы охла­ ждения. Тогда стоимость постройки перспективной машины можно представить как

Однако если сравнивать машины равной мощности, то, учитывая, что при повышении начальной температуры газа их габариты умень­ шаются, а следовательно, уменьшается и количество материала, иду­ щего на машину, стоимость ВГТУ может и не повышаться при при­ менении систем охлаждения и новых материалов, а может оказаться даже и ниже. Особенно это относится к машинам с воздушными системами охлаждения, где диски, несущие на себе полые лопатки, могут изготовляться с меньшей толщиной полотна, а сами лопатки требуют менее дорогостоящего материала. К тому же следует отме­ тить, что для обеспечения нормального охлаждения целесообразно применять менее легированные и более дешевые материалы. При жидкостных системах охлаждения указанные преимущества, повидимому, будут несколько меньшими.

Построечная стоимость машин еще не является определяющей в суммарной стоимости постройки и эксплуатации. Стоимость экс­ плуатации энергетической установки судна уже за 1—2 года при напряженном плавании уравнивается со стоимостью постройки. Поэтому определяющей в общей стоимости является стоимость экс­ плуатации за определенный период, которую можно представить зависимостью

на содержание команды для ВГТУ такие же, как и для ГТУ. Стои­ мость же израсходованного топлива за определенный срок для ВГТУ значительно меньше, чем для ГТУ. А поскольку стоимость израсхо­ дованного топлива является определяющей в стоимости эксплуата­ ции и в общей стоимости проектирования, постройки и эксплуатации, то ВГТУ имеют значительные преимущества перед ГТУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенные в книге материалы дают основа­ ния полагать, что уже нет существенных проблем в создании судовой ГТУ с начальной температурой газа до 1373 К и с воздушной си­ стемой охлаждения. Такая установка может иметь к. п. д. 35—36%, удельную массу (без редуктора) в пределах 0,15—1 кг/л. с. и ресурс до 10 ООО ч. Освоение температур газа выше 1373 К, по-видимому, будет возможно при создании более жаропрочных материалов либо более эффективных систем охлаждения. Хотя оба эти направления являются равноценными, разработка систем охлаждения для турбин идет быстрее, чем создание новых жаропрочных материалов. Поэтому главным направлением в создании ВГТУ на ближайшее время сле­ дует считать освоение и отработку турбин с воздушными системами охлаждения, как наиболее простыми и сравнительно дешевыми. Жид­ костные системы, обеспечивающие более высокую экономичность ГТУ, но более сложные по своей конструкции, смогут найти приме­ нение после освоения воздушных систем.

Особое внимание при отработке ВГТУ с воздушными открытыми системами охлаждения необходимо обращать на надежность их работы при эксплуатации в морских условиях. Повысить надежность ра­ боты ВГТУ можно либо путем установки специальных очистителей от солей морской воды, либо созданием закрытых систем охлаждения. Конструкции лопаток с закрытой системой дают хорошие резуль­ таты по эффективности охлаждения и обеспечивают высокую надеж­ ность работы систем охлаждения (без засорения). Однако в этом случае требуется более тщательная оценка гидравлических потерь в трак­ тах охлаждения.

Приведенные в книге зависимости по расчету теплообмена, тем­ пературных полей и напряжений в охлаждаемых узлах дают воз­ можность оценить состояние охлаждаемой детали турбины и сделать заключение о ее работоспособности и ресурсе. Материалы, изложен­ ные в книге, могут быть использованы при проектировании и оценке основных показателей ВГТУ в проектных и научно-исследователь­ ских организациях.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

МОДИФИЦИРОВАННЫЕ ФУНКЦИИ БЕССЕЛЯ ПЕРВОГО РОДА НУЛЕВОГО И ПЕРВОГО ПОРЯДКОВ

Jo М 11 Ji м

Приложение 2

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СУХОГО ВОЗДУХА (5 = 760 мм рт. ст.)