Библиографическое описание:

Сенюшкин Н. С., Султанов Р. Ф., Белобровина М. В., Кузнецова А. С. Термогазодинамический расчет газотурбинной силовой установки // Молодой ученый. — 2012. — №10. — С. 72-75.

После распада СССР единственная база по проектированию и производству корабельных ГТД осталась в городе Николаев, в независимой Украине. ВМФ России, для избавления от зависимости от иностранных поставщиков, поручил НПО «Сатурн» разработать отечественные двигатели для морских судов. На базе высокоэффективного газогенератора (ГГ) для перспективного всережимного бомбардировщика, разрабатывавшегося в 80-е годы, был создан первый российский корабельный ГТД М75РУ. В 2006 году успешно завершились ГСИ этого двигателя. М75РУ морской газотурбинный двигатель мощностью 7000 л.с. Данный высокоэкономичный двигатель 4-го поколения предполагается использовать при модернизации ракетных крейсеров проекта 1164, больших противолодочных кораблей проекта 1155, а также при проектировании перспективных проектов ВМФ и ПС ФСБ России.

М75РУ разработан на основе ГГ изделия 77. Девятиступенчатый компрессор, КС с низким уровнем эмиссии NОx и СО, двухступенчатая турбина, высокоэффективная двухступенчатая свободная турбина (рисунок 1). Конструкция адаптирована для работы в морских условиях и имеет высокие показатели надежности и ресурсов.

Рис. 1. Продольный разрез ГТД М75РУ[2]


Особенностью эксплуатации ГТД в морских условиях является довольно частые и значительные изменения параметров воздуха на входе в двигатель[1]. В исследовании варьируются влажность, температура и давление.

Предварительно приняты следующие, широкие диапазоны значений параметров:

  • влажность от 0 до 100%;

  • температура от -50 оС до 50 оС;

  • давление от 0,8532 до 1,0862 МПа.

Для исследования влияния изменения параметров рабочего тела на входе в двигатель создана математическая модель M75РУ в программном комплексе GasTurb (рисунки 2). Исходные данные на максимальном режиме представлены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные[2]

Параметр

Значение

N, л.с.

7000

CN, кг/л.с.ч

0,190

Gв, кг/с

23,1

*к

13

кс

0,956

г

0,99

TГ, К

<1215

*,%

32,5

n вых, об/мин

10500


Данные принятые для составления математической модели исходя из уровня технического совершенства подобных ГТД:

  • коэффициент восстановления полного давления в ВЗ вх равен 1,0;

  • КПД компрессора равен 0,8550;

  • коэффициент восстановления полного давления в канале внутреннего контура между вентилятором и КВД равен 0,985 ;

  • низшая теплотворная способность дизельного топлива HU равна 42739 кДж/кг;

  • КПД турбины ГГ принят равным 0,8855;

  • КПД свободной турбины принят равным 0,91;

  • механический КПД турбины ГГ равен 0,99;

  • механический КПД свободной турбины равен 0,99;

  • коэффициент восстановления полного давления в затурбинном диффузоре д равен 0,98;

  • коэффициент восстановления полного давления в затурбинном диффузоре д равен 0,98;

  • коэффициент потерь выходного импульса сопла RC равен 0,99.


Рис. 2. Выходные данные расчета рабочей точки М75РУ


На рисунках 3 – 5 изображены зависимости параметров ГТД от изменения параметров окружающей среды.

Из проведенного исследования можно заключить, изменение влажности не существенно влияет на изменение параметров термогазодинамического цикла. Повышение влажности воздуха с абсолютно сухого до насыщенного водяного пара снижает мощность и максимальную температуру, ухудшает экономическую эффективность двигателя менее чем на 1%. Из этого следует, что данным фактором, при термогазодинамических расчетах, можно пренебречь. Повышение уровня температуры воздуха на входе, ухудшает удельный расход топлива, увеличивает максимальную температуру и снижает мощность ГТД.


Рис. 3. Зависимость изменения мощности от изменения температуры воздуха
на входе в двигатель

Рис. 4. Зависимость изменения удельного расхода топлива от изменения температуры воздуха на входе в двигатель

Рис. 5. Зависимость изменения мощности от изменения давления воздуха
на входе в двигатель


При этом, в условиях высоких атмосферных температур изменение параметров имеет более резкий характер. При падении давления окружающей среды мощность и КПД энергетической установки ухудшаются, а температура и удельный расход растут. Изменение давления в диапазоне возможных значений оказывает меньшее влияние на показатели совершенства двигателя, нежели изменение уровня температур воздуха на входе.

Рост максимальной температуры в двигателе и раскрутка ротора снижает ресурс двигателя, а также может обернуться катастрофическими последствиями. Поэтому важным является выбор программы регулирования. Обычно ограничивают температуру газов на выходе из турбины и максимальную физическую частоту вращения ротора газогенератора. Данная программа регулирования позволяет судовому приводу обеспечить корабль потребным значением мощности и экономичности почти при любых условиях на входе в двигатель.

При высоких температурах и при низких давлениях на входе работает ограничение температуры на выходе из свободной турбины. В таких условиях температура в горле СА турбины ГГ не превышает 1211 К и опасности прогаров нет. Раскрутка ротора ГГ ограничена при низких температурах и повышенном давлении. Это ограничивает напряжения от центробежных сил, как в самом роторе, так и в узлах сопряженных с ним. В случае с корабельным ГТД это гребной винт или валы редуктора.

Изменение влажности варьирует основные параметры двигателя в пределах погрешности, менее 1%. Изменение давления в диапазоне возможных значений оказывает меньшее влияние на показатели совершенства двигателя, нежели изменение уровня температур воздуха на входе. Грамотный выбор программы регулирования ГТД решает вопросы с негативным влиянием входных параметров на работу всего корабельного привода.

Проведенное исследование показывает, что при расчете рабочих режимов ГТП вне зависимости от области их использования необходимо учитывать параметра атмосферы, в которых предстоит работать установке.


Литература:

  1. Сенюшкин Н.С. и др. Системы автоматизированного проектирования как инструмент решения наукоемких конструкторских задач судостроения // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2010.-№10. Т. 6. с. 114-117

  2. Сайт НПО Сатурн. Режим доступа свободный. www.npo-saturn.ru

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle