Нормальные и универсальные характеристики судовых газотурбинных двигателей

Тема 1.7. Характеристики турбины

Лекция №10

Основные вопросы:

1. Нормальные и универсальные характеристики судовых ГТД

2. Требования к газовой турбине

Значительная часть водных путей России имеет низкие глубины, что обуславливает необходимость использования судов с малой осадкой. В тоже время на реках Сибири и Дальнего Востока необходимо за время кратковременной навигации обеспечить перевозку значительного объема народно-хозяйственных грузов (так называемый «северный завоз»).

В этих условиях может быть целесообразным использование в качестве главных судовых газотурбинных двигателей, имеющих высокие агрегатные мощности при малых массогабаритных показателях.

ГТД имеют следующие преимущества:

1. благоприятная скоростная характеристика (максимум крутящего момента достигается при минимальной частоте вращения силовой турбины);

2. непрерывность процесса горения обеспечивает многотопливность ГТД (использование традиционных жидких, газообразных топлив - авиационного керосина, бензина, дизельного топлива, мазута, водорода, природного газа, спиртов, сырой нефти и т.д.);

3. высокую надежность и долговечность при меньших эксплуатационных затратах;

4. отсутствие системы охлаждения;

5. практически полное отсутствие расхода масла на угар;

6. возможность существенного снижения удельного расхода топлива до уровня соответствующего показателям высокооборотных дизелей уменьшенной массы при применении промежуточного охлаждения воздуха и его регенеративном подогреве перед камерой сгорания ГТД;

7. низкий уровень вибраций.

Существенным достоинством ГТД является низкая токсичность его отработавших газов. Стендовые и эксплуатационные испытания ГТД показали, что даже без применения специальных конструктивных мероприятий выбросы основных токсичных компонентов с отработавшими газами в несколько раз меньше, чем у поршневых ДВС.

Происходит это, во-первых, потому, что процесс сгорания в ГТД идет непрерывно при постоянном давлении; во-вторых, этот процесс происходит при значительно больших значениях коэффициентов избытка воздуха (в дизелях 1.5…2.2, в ГТД 4…5), что существенно облегчает задачу создания оптимальных условий подготовки и сгорания топливовоздушной смеси.

Специальные конструктивные меры позволяют поддерживать температуру в камере сгорания ГТД в диапазоне 1700-1900 К, что, с одной стороны, обеспечивает достаточно полное сгорание и, следовательно, низкую концентрацию окиси углерода СО, несгоревших углеводородов и сажи, а с другой стороны, - эти температуры значительно ниже тех, при которых начинается процесс интенсивного образования окислов азота. Кроме того, большие коэффициенты избытка воздуха позволяют снизить концентрацию вредных примесей в отработавших газах.

Отечественная промышленность выпускает значительное количество современных авиационных и танковых ГТД, которые можно успешно использовать в судовых условиях.

К ним, прежде всего, относятся двигатели, разработанные ГУП «Завод им. В.Я. Климова» ТВ2-117, ТВ3-117, ГТД-1000, ГТД-1250.

Так, на двигателе ТВ3-117 применен 12-ступенчатый компрессор, прямоточная кольцевая камера сгорания, 2-х ступенчатая турбина привода компрессора и 2-х ступенчатая свободная (силовая) турбина. В этом двигателе в первые в отечественной практике применен титановый ротор компрессора, сваренный из отдельных дисков электронно-лучевой сваркой, рабочие и направляющие лопатки компрессора выполнены холодной вальцовкой из титанового сплава.

Техническая характеристика АГТД ТВ3-117

n/n	Параметр, единица измерения	Значение параметра
	Мощность, кВт
	Удельный эффективный расход топлива, г/кВт*ч
	Степень повышения давления в компрессоре	9.4
	Максимальная температура газа перед турбиной, К
	Сухая масса, кг

Этот двигатель может быть с успехом применен на скоростных пассажирских судах.

На судах малого водоизмещения могут быть также применены танковые ГТД. Например, ГТД-1250, которых с 1975 г. было выпущено свыше 10000 экз., имеет двухкаскадный центробежный компрессор, кольцевую противоточную камеру сгорания, одноступенчатые турбины привода компрессоров низкого и высокого давления. Одноступенчатая силовая турбина имеет регулируемый сопловой аппарат.

Техническая характеристика ТГТД -1250

n/n	Параметр, единица измерения	Значение параметра
	Мощность, кВт
	Удельный эффективный расход топлива, г/кВт*ч
	Степень повышения давления в компрессоре	10.5
	Максимальная температура газа перед турбиной, К
	Сухая масса, кг
	Габариты, мм LxBxH	1600x1928x932

Для того, чтобы показать потенциальные возможности развития авиационных и танковых ГТД, приведем характеристики некоторых корабельных газотурбинных двигателей, выпускаемых для нужд российского военно-морского флота.

Основным разработчиком таких двигателей является НПП «Машпроект» (г. Николаев, Украина).

Двигатель ГТД 3200РГ имеет следующие конструктивные особенности:

- одновальный газотурбинный двигатель со встроенным редуктором и утилизацией теплоты уходящих газов для подогрева воздуха на входе в камеру сгорания;

- компрессор осевой девятиступенчатый, степень повышения давления – 7;

- камера сгорания двухтрубная выносная;

- турбина осевая двухступенчатая, частота вращения – 14000 мин^-1;

- топливо – жидкое или газообразное.

Техническая характеристика ГТД 3200РГ

n/n	Параметр, единица измерения	Значение параметра
	Мощность, кВт
	Коэффициент полезного действия, %
	Степень регенерации	0.85
	Температура газа за регенератором, К
	Расход выхлопных газов, кг/с
	Частота вращения выходного вала редуктора, мин^-1	1000, 1500, 1800, 3000
	Габариты, м LxBxH	7.6x2.9x4.2
	Назначенный ресурс, ч

Двигатель ГТД 15000С (ДС90) имеет следующие конструктивные особенности:

- трехвальный газотурбинный двигатель;

- компрессор осевой двухкаскадный, число ступеней компрессоров низкого и высокого давления 9+10, степень повышения давления – 19,6;

- камера сгорания – трубчато-кольцевая противоточная с 16 жаровыми трубами;

- турбины привода компрессоров – осевые однотупенчатые;

- силовая турбина – осевая 3-х или 4-х ступенчатые (морской вариант двигателя имеет реверсивную силовую турбину);

- топливо – жидкое или газообразное;

- смазка циркуляционная под давлением;

- стартер электрический, 140 кВт.

Техническая характеристика ГТД 15000С (ДС90)

n/n	Параметр, единица измерения	Значение параметра
	Мощность, кВт
	Коэффициент полезного действия, %	41.8
	Степень регенерации	0.85
	Температура уходящих газов, К
	Расход воздух, кг/с
	Частота вращения выходного вала редуктора, мин^-1	3000-3600
	Габариты, м LxBxH	6.4x2.5x2.7

В корабельном ГТД, несмотря на простоту принципа действия и применяемых конструктивных схем, протекают сложнейшие термогазодинамические процессы, характеризующиеся высокими, часто сверхзвуковыми скоростями, давлениями и температурами. Частота вращения роторов ГТД составляет тысячи и десятки тысяч оборотов в минуту.

Все это вызывает возникновение высоких механических и тепловых напряжений, существенно влияющих на надежность и долговечность ГТД.

Существенные различия в процессах, протекающих в компрессоре (в компрессорах), камере сгорания (камерах сгорания) и турбинах делает целесообразным разработку критериев совершенства для каждого из этих узлов ГТД.

На наш взгляд, эти критерии должны включать конструктивные и эксплуатационные показатели, характеризующие совершенство того или иного узла: степень форсированности рабочих процессов, эффективный КПД, массу узла и его ресурс до переборки, капитального ремонта и списания.

Критерий совершенства компрессора ГТД

Известно, что в теории подобия устанавливается, что для процессов, которые протекают в геометрически подобных турбомашинах, работающих на идеальном газе в адиабатных условиях, определяющими являются следующие четыре критерия:

число М = с/а или коэффициент скорости К = с/а_кр, учитыва­ющие сжимаемость газа;

число Рейнольдса Re = сd/m, учитывающее соотношение инер­ционных сил и сил внутреннего трения;

показатель изэнтропы k;

режимный критерий, обычно параметрического типа, характери­зующий режим работы машины; чаще всего им является безразмер­ный расход (например, коэффициент расхода Q), степень изменения давления (p_k или p_Т), безразмерная работа или отношение , являющееся критерием кинематического подобия.

Однако эти параметры, характеризующие рабочий процесс в компрессоре, не могут дать ответа на вопрос его о совершенстве.

На наш взгляд, более близкими являются параметры, характеризующие режим работы турбомашин: расход газа, степень изменения давления, КПД, мощность, которые могут быть представлены в зависимости от по­становки задачи размерными или безразмерными величинами.

Режим работы компрессора полностью определяется начальными параметрами идеализированного газа р_н и J_н =z_cpT_H, конечным давлением р_к, окружной скоростью u_d или угловой скоростью со, диаметром рабочего колеса D, газовой постоянной R и показателем изэнтропы k.

Система семи независимых величин р _н, J_н, р_к, и_а, D, R и k определяет все параметры машины на определенном режиме работы.

В соответствии с p-теоремы при семи независимых переменных и четырех основных единицах (м, кг, с и К) рабочие процессы в гео­метрически подобных турбомашинах могут быть подобными при равенстве трех критериев подобия (7-4=3).

Понятно, что указанное сочетание критериев не является един­ственным. Рассмотрим основные группы безразмерных параметров геоме­трически подобных машин при k — idem:

1. Безразмерные параметры газа;

2. Безразмерная частота вращения;

3. Безразмерный расход;

4. Безразмерная работа;

5. Безразмерная мощность;

6. Углы абсолютных и относительных скоростей;

7. Изэнтропный (или политропный), гидравлический и другие КПД.

Однако и это сочетание безразмерных параметров не может характеризовать степень совершенства компрессора.

В работе [2] предложен параметр имеющий размерность и характеризующий аэродинамическую напряженность ступени компрессора, который мы положим в основу для построения критерия его совершенства.

Кроме него, для характеристики напряженности компрессора дополнительно будем использовать степень повышения давления в нем.

На основе ранее высказанных соображений, дополним этот параметр значениями КПД, массы и ресурсных (временных) показателей компрессора и после ранее рассмотренных элементарных преобразований получим:

где - эффективный КПД;

- степень повышения давления;

- расход воздуха, ;

- частота вращения ротора, ;

- масса, ;

- ресурс до переборки (или, например, продолжительность непрерывной работы), ;

- ресурс до капитального ремонта (или, например, средняя наработка на отказ), ;

- ресурс до списания, .

Рассмотрим значение этого показателя на примере одного из самых распространенных газотурбинных двигателей ТВ3-117ВМ (номинальная мощность 1250 кВт), используемого в том числе и в авиации ВМФ РФ.

Основные технические данные компрессора ГТД ТВ3-117ВМ

на расчетном режиме

Таблица 2.???

Расход воздуха через компрессор, кг/с	8.85
Степень повышения давления	9.45
Температура воздуха за компрессором, ^0С
Осевая скорость воздуха на входе в компрессор, м/с
Окружная скорость ротора на внешнем радиусе, м/с
Частота вращения ротора, мин^-1
Коэффициент полезного действия	0.885
Относительная масса, кг/кВт	0.17
Масса компрессора, кг
Назначенный ресурс, тыс. часов
До 1-й переборки
До капитального ремонта
До списания
К	3.32 10^6
Lg (К), балл	6.5

Критерий совершенства камеры сгорания камер сгорания корабельных ГТД

Камеры сгорания корабельных ГТД, особенно жаровые трубы, подверженные действию высоких температур, должны быть изготовлены из хромоникелевых сплавов, обладать низким коэффициентом линейного расширения и высокими теплопроводностью и коррозионной стойкостью.

Работа камеры сгорания определяется в основном температурой и давлением воздуха на входе, температурой газа в выходном сечении камеры, расходами воздуха и топ­лива. Среднее давление воздуха на входе в камеру не превышает 1,5 МПа для одновальных ГТД, а в сложных схемах может достигать 2,5 МПа и выше.

Температура воздуха на входе в КС простейшего ГТД не превышает обычно 650 К, а при наличии регенерации может достигать 750 К.

Средняя температура газа в выходном сечении камеры является обычно величиной заданной и определяется жаропрочностью материа­лов турбины и условиями охлаждения ее частей. В настоящее время для главных ГТД транспортных судов эта температура составляет 1000— 1350 К, а у форсажных ГТД малого срока службы доходит до 1500 К.

Этот коэффициент пред­ставляет собой отношение фактического расхода воздуха G_B к теорети­ческому расходу, необходимому для полного окисления топлива, т. е.

Тепловое совершенство КС оценивается суммой тепловых потерь, вызванных неполным сгоранием топлива Q_НC и потерь теплоты в окружающую среду Q_охл:

где - соответственно потери теплоты при химическом и физическом недожогах.

Потеря тепла в окружающую среду невелика и обычно не превыша­ет 0,5%. На режимах полной нагрузки удается свести тепловые потери с недожогами до небольших значений, не превышающих 1—4% тепла, выделившегося в камере.

Уравнение теплового баланса реальной (неадиабатной) камеры сгорания с по­терями при прочих равных условиях имеет вид

где , , - энтальпия воздуха, топлива на входе в камеру сгорания и энтальпия продуктов сгорания на выходе.

В результате тепловой КПД камеры сгорания может быть записан в виде выражения:

Гидравлическое сопротивление камеры зависит от сопротивления между ее геометрическими размерениями, качества ее изго­товления,и от степени подогрева в ней рабочего тела.

Гидравлическое сопротивление КС оценивают абсолютной потерей полного давления в КС:

.

где индексы «1» и «2» относятся к входному и вы­ходному сечениям КС.

Для оценки аэродинамического сопротивления камеры сгорания может быть использован коэффициент аэродинамического сопротивления:

.

Общая потеря давления в камере может быть представлена в ви­де суммы изотермических потерь давления, обусловленных гео­метрией камеры и в первую очередь ее фронтового устройства и до­полнительных потерь напора, вызванных подогревом рабочего тела, и перестройкой потока, вызванной горением топлива.

Отношение расходов топлива в идеальной (без аэродинамических потерь) и реальной КС принято называть аэродинамическим КПД камере сгорания:

Общий КПД камеры сгорания может быть представлен в виде произведения теплового и аэродинамического КПД:

Его значения у современных КС лежат в пределах от 95 до 98%.

Объемная теплонапряженность камеры сгорания пред­ставляет собой отношение количество теплоты, выделяющейся в 1 м³ объема плазменной (жаровой) трубы каме­ры сгорания в единицу времени:

где и — полный объемплазменной (жаровой) трубы и тепловой КПД КС.

Тепловое напряжение q_v у камер современных ГТД достигает высоких значений (4-20) 10⁶ ккал/м^э-ч, и наблюдается непрерывная тенденция к его увеличению.

Для сравнительной оценки камер, работающих при различных дав­лениях, больших атмосферного, тепловую напряженность относят к средне­му давлению воздуха перед камерой р_пкс;

кДж/м³-ч-МПа.

Тепловая напряженность сечения (или степень форсированности) равна

где - площадь поперечного сечения КС.

Форсированность прямо пропорциональна средней осевой скорости пото­ка W_e в камере и обратно пропорциональна общему коэффициенту из­бытка воздуха. Так как то из формул (571) и (568) имеем

Для камер цилиндрической формы легко получить связь между q_v и q_F. Если l_kc — длина камеры сгорания, то V_кс=F_ксL_кс и

Сравнивая формулы (572) и (571), получим

,

Где

Из этого отношения видно, что для данного топлива и заданной степени теплового совершенства камеры величина q_v обратно пропорцио­нальна величине, имеющей размерность времени и характеризую­щей время сгорания.

Таким образом, этот параметр пропорционален скоро­сти потока и характеризует нагрузку поперечного сечения камеры по теплоте, выделяемой при сгорании топлива.

На основе ранее сформулированного подхода и методики, изложенной в параграфе 2.2., после элементарных преобразований запишем выражение для новой безразмерной величины - критерия совершенства камеры сгорания:

где - масса камеры сгорания.

Для учета влияния всех составляющих потерь в камере сгорания преобразуем выражение к виду:

Известно, что с повышение давления в камере сгорания производительность и теплонапряженность ее увеличиваются, так как при этом возрастает массовый расход как воздуха, так и топлива.

Поэтому при оценке совершенства камер сгорания целесообразно учесть еще один безразмерный параметр - степень повышения давления воздуха в компрессоре.

Важнейшим параметром, характеризующим качество камер сгорания, является степень неравномерности температуры газа на ее выходе:

,

где , , - соответственно температуры торможения на входе в КС, среднее и максимальное значение температур газа на выходе.

Окончательно выражение для критерия совершенства камеры сгорания корабельных ГТД может быть записано в виде:

Основные технические данные камеры сгорания ГТД ТВ3-117ВМ

на расчетном режиме

Таблица 2.???

Расход воздуха через камеру сгорания, кг/с	8.85
Температура воздуха на входе в камеру сгорания, ^0С
Максимальная температура газа на выходе из камеры сгорания, ^0С
Степень повышения давления	9.45
Осевая скорость воздуха на входе в камеру сгорания, м/с
Осевая скорость воздуха на входе в жаровую трубу, м/с
Коэффициент восстановления полного давления	0.948
Коэффициент полноты сгорания	0.98
Суммарный коэффициент избытка воздуха	4.26
Коэффициент полезного действия	0.96
Объемная теплонапряженность, Дж/м^3
Теплонапряженность сечения, Дж/м^2
Масса камеры сгорания, кг
Назначенный ресурс, тыс. часов
До 1-й переборки
До капитального ремонта
До списания
КС	3.81 10^5
Lg (КС), балл	5.58

Дата добавления: 2014-01-05