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