Файл: Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 165
Скачиваний: 1
С ростом температуры коэффициент у для построечной стоимости ГТУ увеличивается (/), так как повышение температуры требует либо введения систем охлаждения и усложнения конструкций, либо
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
улучшения |
материалов, |
что |
уве |
|||||||||
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
личивает |
стоимость |
высокотемпе |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ратурной |
турбины. Однако |
если |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сравнить |
построечные стоимости |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВГТУ |
и ГТУ с начальной темпе- |
|||||||||||
150 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
973 |
1073 |
-1173 |
1273 |
1373 |
О |
|
873 |
973 |
|
1073 |
1173 |
1273 |
1373 |
|||||||
773 873 |
773 |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т,К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 8. Изменение удельного расхода воз |
Рис. |
9. |
Изменение |
коэффициента |
от |
||||||||||||||||||
духа |
в ГТУ |
в зависимости |
от начальной |
носительности ресурса ГТУ в зависимо |
|||||||||||||||||||
температуры |
газа. |
|
|
|
|
|
|
сти |
от |
начальной |
температуры |
газа. |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
— металл |
№ |
J; |
2 — система |
охлаждения |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
металла |
МІ; |
|
3 |
— металл |
Лі |
2; 4 |
— си |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стема |
охлаждения |
металла |
Л5 |
2. |
|
|||||||
ратурой |
газа |
(1073 |
К), |
принятой |
за |
эталон, |
|
при |
их |
одинаковой |
|||||||||||||
мощности, |
то |
построечная |
стоимость ВГТУ |
может |
и |
не увеличи |
|||||||||||||||||
ваться, а в некоторых случаях |
даже уменьшиться (4). Это про |
||||||||||||||||||||||
изойдет |
в |
результате |
уменьшения |
размеров |
ГТУ, |
а следовательно, |
|||||||||||||||||
затрат |
на |
материалы |
и |
их |
обра- |
у |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ботку. |
Суммарная |
стоимость |
по |
|
|
|
|
|
|
|
і |
^ |
|
|
|
||||||||
стройки и эксплуатации за какой- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
то определенный |
промежуток |
вре |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
мени |
может либо возрастать, либо |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||||||||
уменьшаться |
с |
увеличением |
|
тем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
пературы |
газа (2 и |
3). |
Все зави |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
сит от |
соотношений |
дополнитель |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ных |
затрат |
на |
более |
дорогой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
жаропрочный |
материал или систе |
0 |
|
і |
.,, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
му охлаждения |
и сокращения |
за |
|
|
|
1 . ... |
|
|
|
||||||||||||||
трат, |
связанных |
с |
уменьшением |
773 |
873 |
973 |
|
1073 |
1173 |
1273 |
1373 |
||||||||||||
расхода |
топлива |
за |
счет повыше |
Рис. 10. Изменение коэффициента от |
|||||||||||||||||||
ния к. п. д. при эксплуатации |
|||||||||||||||||||||||
носительной стоимости |
ГТУ |
в зависи |
|||||||||||||||||||||
ГТУ |
за определенный |
период. |
|
мости от начальной температуры |
газа. |
||||||||||||||||||
Рассмотренные зависимости относятся к ГТУ простого цикла. При использовании в ГТУ регенераторов, промежуточных охлади телей, дополнительных камер сгорания и различных утилизаторов тепла некоторые из рассмотренных величин могут изменяться. При этом коэффициент относительности ресурса практически не изме нится, так как лимитирующей при повышении температуры будет
Ъ% so
<• |
8 |
|
|
12 |
1В |
£ |
Рис. П. Изменение |
коэффициента полезного |
действия ГТУ |
с регенерацией |
|||
в зависимости |
от начальной |
= |
температуры |
газа. |
|
|
г = о; |
|
г |
0,5. |
|
|
|
высокотемпературная турбина. Поскольку цикл с регенерацией в ос новном отличается от простого цикла количеством подведенного в камеру сгорания тепла, то для таких циклов зависимость к. п. д. установки можно представить в виде
|
Тя І. |
і |
\ |
I |
( є т - |
l) |
( l + j l ' ) t l £ T C p 3 - « - j r - | l - |
|
— |
Ч псLp 1-2 |
|||
V |
• ( 1 - І - ) |
( е т |
- 1) |
|
|
|
Cp 2 -З |
|
1 - Ч і т |
1 - - = - |
|||
Т)к. |
|
|
|
|
|
|
На рис. 11 представлена зависимость к. п. д. ГТУ от отношения давлений в цикле и начальной температуры газа перед турбиной при
степенях регенерации г = 0 и г = 0,5. Для цикла с промежуточным охлаждением к. п. д., отношение работ и удельный расход воздуха можно представить в следующем виде:
(I |
Н- Р') |
з - 4 |
^ (' - |
- ^г) - |
2 і |
S і - 2 |
(«Г - 1) |
Л = |
|
|
j |
1 |
i=i |
|
|
|
- ~ с Р 2 . ъ |
r i _ J_(e»«_i)_r |
|
||||
|
|
|
|||||
|
|
Чк. г |
L ' і |
'|(К |
|
J |
|
|
а = |
1 |
i=l |
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 + Р')сртз-і1Ь'т V і |
|
|
|||
£> = |
|
|
|
|
|
|
|
7\ |
(І -Ь Р ' ) Л і т С в т З - 4 - ^ - |
— |
"г; |
срк 1-2 |
(е"г — О |
||
a.—J 'In;
Анализ всех приведенных зависимостей для различных циклов ГТУ показывает, что повышение начальной температуры газа суще ственно улучшает экономические, мощностные и массо-габаритные характеристики судовых газотурбинных установок. С ростом тем пературы увеличиваются коэффициенты полезного действия т], от ношения работ ос и уменьшается удельный расход воздуха D, что является особенно важным для судовых ГТУ.
Повышение начальной температуры газа можно осуществить либо за счет применения жаростойких и жаропрочных материалов для основных деталей турбин, либо за счет применения эффективных систем охлаждения.
§ 3. Требования, предъявляемые к материалу основных деталей турбин
Оценка пригодности материалов для той или иной детали высокотемпературной газовой турбины может быть про изведена на основании совокупности трех основных технико-эко номических требований [49], предъявляемых к материалу:
—отсутствие разрушений и недопустимых деформаций под дей ствием механических, температурных и химических факторов, имею щих место при работе детали;
—технологическая пригодность, выражающаяся в возможности обработки и присоединения к другим частям ГТУ;
—экономическая целесообразность применения данного мате риала, простота его обработки и отсутствие в нем дефицитных эле ментов.
Если требования, отражающие качественную сторону явления,
остаются все время постоянными, то количественно Бти тр«Ьофаз*ийн*я
2 Г. Г . Ж а р о в |
научно -техк*.*~кая |
|
6 * O J l > i O T 9 K » 1 C C C P |
||
|
Э К З Е М П Л Я Р Ч И Т А Л Ь Н О Г О В А Л А
в связи с систематическим ростом напряженности деталей турбин растут.
В настоящее время температура газа перед турбиной колеблется
от 973 К (для стационарных |
турбин) до 1573 К (для авиационных). |
||||
При |
этом напряжения, |
возникающие |
в деталях роторов турбин, |
||
достигают весьма больших |
величин |
(например, |
центробежные |
||
силы |
создают в ободе |
диска |
напряжения порядка |
250-10" н/м9-. |
|
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
требованиям. |
Характерный представитель |
этих сплавов — сплав |
||||
нимоник, который широко применяется |
в зарубежном |
авиационном |
||||
газотурбостроении. |
|
|
|
|
||
Сопловой |
аппарат. |
Поток газа, поступающий на сопловые ло |
||||
патки, |
имеет |
меньшую |
температуру, |
чем |
в камере |
сгорания. Во |
время |
работы |
сопловые |
лопатки находятся |
под действием темпера |
||
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.
Таблица 6
Механические и физические свойства материалов лопаток газовых турбин
М а т е р и а л
ЭИ765
ЭИ726
ЭИ437Б
Ж607
Ж893
ЭИ388
ЭИ617
ЭП220
ЖС6КП
ЖС6К
|
ьСП |
|
|
|
s |
|
ь 1 |
|
|
Т |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
о |
о 5. |
|||
|
ь° |
|
•9- |
ь |
ь |
|
|
||||
|
Мн/м2 |
|
|
о/ |
Мн/м |
|
d |
Л |
3 |
|
|
838 |
1000 |
610 |
26 |
24 |
590 |
440 |
|
8600 |
24,5 |
14,3 |
0,19 |
973 |
900 |
570 |
22 |
31 |
230 |
— |
— |
8600 |
29,0 |
15,1 |
0,177 |
1073 |
500 |
490 |
19 |
49 |
80 |
— |
— |
8600 |
— |
— |
— |
873 |
430 |
180 |
29 |
52 |
260 |
170 |
|
8100 |
23,0 |
18,1 |
0,157 |
973 |
350 |
170 |
31 |
55 |
230 |
140 |
— |
8100 |
25,0 |
18,5 |
0,149 |
873 |
860 |
540 |
31 |
31 |
465 |
410 |
— |
8200 |
26,4 |
13,9 |
0,157 |
973 |
830 |
520 |
27 |
30 |
185 |
130 |
8200 |
29,2 |
14,6 |
0,147 |
|
1073 |
520 |
460 |
15 |
27 |
80 |
— |
— |
8200 |
32,6 |
15,1 |
0,127 |
923 |
— |
— |
— |
— |
|
|
|
8300 |
25,2 |
15,2 |
0,18 |
973 |
220 |
170 |
|
8300 |
26,3 |
15,6 |
0,175 |
||||
1023 |
660 |
540 |
14 |
25 |
130 |
100 |
— |
8300 |
27,6 |
16,0 |
— |
1023 |
680 |
540 |
20 |
25 |
220 |
15 |
— |
— |
_ |
_ |
0,17 |
1073 |
660 |
490 |
25 |
35 |
130 |
90 |
— |
— |
0,162 |
||
600 |
702 |
508 |
2,5 |
15,6 |
|
|
380 |
7800 |
33,5 |
23,3 |
1,44 |
700 |
530 |
430 |
11,8 |
31,8 |
— |
— |
340 |
7800 |
— |
23,7 |
1,18 |
800 |
383 |
284 |
7,6 |
16,8 |
— |
— |
240 |
7800 |
— |
23,7 |
1,16 |
700 |
930 |
670 |
8,0 |
11,0 |
— |
— |
380 |
8400 |
27,6 |
16,3 |
1,59 |
800 |
760 |
580 |
5,0 |
12,5 |
360 |
8400 |
30,2 |
16,9 |
1,52 |
||
900 |
470 |
440 |
9,0 |
20,0 |
— |
— |
260 |
8400 |
33,5 |
17,7 |
1,30 |
1000 |
120 |
— |
|
— |
— |
— |
— |
8400 |
— |
|
— |
700 |
930 |
— |
10,0 |
15,0 |
— |
— |
— |
8400 |
— |
|
1,88 |
800 |
910 |
7,0 |
10,0 |
8400 |
|
|
|||||
900 |
680 |
390 |
8,0 |
11,0 |
— |
|
— |
8400 |
— |
|
— |
1000 |
390 |
|
9,0 |
14,0 |
— |
— |
— |
8400 |
— |
— |
— |
700 1100 |
750 |
16,0 |
22,0 |
— |
— |
— |
8200 |
— |
— |
1,65 |
|
800 |
1000 |
750 |
10,0 |
15,0 |
8200 |
1,57 |
|||||
900 |
750 |
450 |
10,0 |
15,0 |
— |
|
— |
8200 |
— |
— |
1,27 |
1000 |
470 |
250 |
8,0 |
15,0 |
— |
•— |
— |
8200 |
— |
— |
1,15 |
700 |
900 |
830 |
1,7 |
9,0 |
— |
— |
— |
8100 |
21,3 |
14,2 |
1,7 |
800 |
900 |
830 |
1,0 |
5,0 |
8100 |
23,0 |
14,7 |
1,0 |
|||
900 |
750 |
510 |
2,0 |
3,0 |
— |
— |
230 |
8100 |
25,0 |
15,2 |
2,0 |
1000 |
500 |
300 |
4,5 |
6,5 |
— |
— |
— |
8100 |
— |
15,9 |
4,5 |
1100 |
200 |
150 |
10,0 |
20,0 |
— |
— |
— |
8100 |
— |
— |
10,0 |
2* |
19 |
