Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 161
Скачиваний: 1
Таблица 4
Основные характеристики газотурбинного двигателя «Тайн»
|
|
|
Тг = 288 К |
7\ |
= 309 к |
|
Х а р а к т е р и с т и к а |
М а к с и м а л ь |
М и н и м а л ь |
Максималь |
Д л и т е л ь н ы й |
||
|
|
|
||||
|
|
|
ный р е ж и м |
ный р е ж и м |
ный р е ж и м |
р е ж и м |
Мощность, |
кет |
3300 |
2640 |
2840 |
2270 |
|
Удельный |
расход топли |
|
|
|
|
|
ва, кг/(квт-ч) |
0,308 |
0,333 |
0,330 |
0,354 |
||
Расход |
газа, кг/с |
20,0 |
18,3 |
19,1 |
17,4 |
|
Начальная |
температура, |
969 |
— |
— |
— |
|
К |
|
|
|
|
|
|
Степень повышения дав |
11,5 |
— |
— |
— |
||
ления |
кг |
|
860 |
860 |
860 |
860 |
Масса, |
|
|||||
Длина, |
м |
|
2,870 |
2,870 |
2,870 |
2,870 |
Ширина, м |
1,068 |
1,068 |
1,068 |
1,068 |
||
Высота, |
м |
|
1,220 |
1,220 |
1,220 |
1,220 |
Турбина высокого давления |
и турбина среднего давления работают |
на компрессоры, а турбина |
низкого давления — через редуктор на |
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
охлаждения |
отсутствует. Основные данные перспективных высоко- |
|||
|
|
|
|
Таблица 5 |
|
|
Основные характеристики двигателей PLT-27 и LTC-4V-1 |
||
|
|
Х а р а к т е р и с т и к а |
P L T - 2 7 |
L T C - 4 V - 1 |
Мощность, |
кет |
1470 |
3700 |
|
Удельный |
расход топлива, кг/(квт-ч) |
0,266 |
0,248 |
|
Масса, |
кг |
|
125 |
256 |
Длина, |
м |
|
0,89 |
1,060 |
Ширина, м |
0,430 |
0,560 |
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
температурой газа 1219 К- Оба двигателя |
работают по сложной схеме |
(с регенератором). Удельный расход |
топлива составил 0,258 — |
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
бота сжатия |
остается |
постоянной, |
|
||||||
при любой начальной |
температуре |
|
|||||||
газа |
Т3, |
то |
полезная |
работа (пло |
|
||||
щадь |
цикла) |
увеличивается |
с по |
|
|||||
вышением начальной температуры |
|
||||||||
газа Т3, увеличивается и |
коли |
|
|||||||
чество |
подводимого |
тепла; |
поэто |
|
|||||
му к. п. д. установки зависит от |
|
||||||||
соотношения |
увеличения |
полезной |
|
||||||
работы |
и подводимого |
тепла. |
|
||||||
Для |
принятого |
отношения да |
|
||||||
влений |
вначале быстрее растет по |
|
|||||||
лезная |
работа, |
чем |
количество |
|
|||||
подводимого |
тепла; |
к. п. д. цикла |
|
||||||
также растет. При достижении оп |
|
||||||||
ределенной |
температуры |
газа Т3 |
|
||||||
(определенного |
для данного |
отно |
|
||||||
шения давлений) начинает быстрее |
|
||||||||
расти |
|
количество |
|
подведенного |
|
||||
тепла и к. п. д. цикла уменьшается. |
Рис. 5. Полезная работа цикла ГТД |
||||||||
Точно так же для каждой началь |
на диаграмме Т—s. |
||||||||
ной |
температуры газа есть |
опти |
|
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
можно выразить |
с помощью следующих величин. |
||
|
Коэффициент |
полезного |
действия |
где |
L e — полезная работа |
цикла; |
|
|
Q — подведенное тепло в цикле. |
||
|
Отношение работ — отношение полезной работы цикла ко всей |
||
работе в цикле: |
|
|
|
где |
L T — вся работа, произведенная турбиной в цикле; |
||
|
L K — работа |
компрессора. |
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
габарит и массу, определяет размеры |
проточной |
части турбомашин |
|||
и других элементов ГТУ. |
|
|
|||
Коэффициент относительности ресурса — отношение ресурса ГТУ |
|||||
существующей |
и принятой за эталон к |
ресурсу |
такой же ГТУ, но |
||
с повышенной |
температурой: |
|
|
||
где тс |
— ресурс |
существующей ГТУ, |
принятой |
за эталон; |
|
т в |
— ресурс |
высокотемпературной |
ГТУ. |
|
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:
где 5С |
— стоимость |
существующей ГТУ, |
принятой за эталон; |
5В |
— стоимость |
высокотемпературной |
ГТУ. |
Этот коэффициент характеризует изменение стоимости постройки и эксплуатации за срок службы вследствие увеличения начальной температуры газа.
Показатель маневренности установки можно оценить по отдель ным элементам (времени запуска, развитию полных оборотов, при нятию нагрузки и т. д.). При увеличении начальной температуры газа уменьшаются габариты турбин, а следовательно, и массы рото ров, что приводит к повышению маневренности ГТУ.
Количественная оценка надежности установки при увеличении начальной температуры газа является вопросом сложным и в на стоящее время проблемным. Однако можно дать качественную оценку надежности работы высокотемпературной ГТУ по сравнению с су ществующей ГТУ, принятой за эталон.
Введение охлаждения основных деталей турбин двояко влияет на надежность установки: повышает надежность работы проточной части (и всей ГТУ) за счет обеспечения более низкой температуры отдельных ее деталей, и снижает надежность за счет введения допол нительных рабочих узлов (системы охлаждения).
Зависимость к. п. д. установки, отношения работ и удельного
расхода воздуха от начальной температуры |
газа |
Т3 |
можно предста |
|
вить в следующем виде: |
|
|
|
|
(1 + ПЧггСртз - і |
11 і |
рк |
1 -2 |
( е т - I) |
|
°' |
|
|
D = -
7\
ГДЄ Л / т . Л / к
m
Ті
11 |
(l + P ) - ^ - - M e ' » - 0 - 1 |
|
|
к. г |
|
|
|
а = |
1 |
• срк 1-2 С6"1 — О |
|
|
|
||
|
(1 + |
Р')Ч*тС,рТ 3-і у |
|
|
|
860 |
|
(1 + Р ' ) 1 Ц т С .рт 3-і |
LpK 1-2 (в |
0 |
|
|
|
ЛI к |
|
к. п. д. турбины и компрессора; средние теплоемкости газа и воздуха в турбине и ком прессоре; отношение давлений;
показатель адиабаты; отношение температур;
начальная температура газа в турбине; начальная температура воздуха в компрессоре.
На рис. 6—10 представлены зависимости основных показателей ГТУ от начальной температуры газа и отношения давлений для про стейшего цикла. Коэффициенты полезного действия турбин приняты равными 90%, компрессоров 88%. Гидродинамические потери при няты по прототипам существующих судовых ГТУ.
Из рис. 6 видно, что к. п. д. с увеличением начальной температуры газа растет, и тем сильнее, чем больше'отношение давлений в цикле.
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
Рис. 6. Изменение коэффициента полез- |
Рис. 7. Изменение коэффициента от- |
||||
ного действия |
цикла ГТУ |
в зависимости |
ношения работ ГТУ в зависимости от |
||
от начальной |
температуры |
газа. |
начальной |
температуры |
газа в цикле. |
Удельный расход воздуха с повышением |
начальной |
температуры |
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
ствует |
о том, что с |
увеличением начальной |
температуры |
газа |
в цикле |
коэффициент |
относительности ресурса |
растет. Этот |
рост |
обусловливается уменьшением ресурса высокотемпературной ГТУ
относительно эталона. |
Применение |
более |
жаропрочного металла |
|
(№ 2) или систем охлаждения |
(№ |
1 и № |
2) снижает коэффициент |
|
относительности ресурса |
ГТУ |
(увеличивает |
ресурс). |
Рисунок 10 показывает зависимость коэффициента относительной стоимости ГТУ от начальной температуры газа. За эталон также при нята ГТУ с начальной температурой газа 1073 К-