Газовые турбины проблемы и перспективы. Манушин Э.А. (1014151), страница 25
Текст из файла (страница 25)
В ГТД малой мощности, например в автомобильных, в основном применяются центробежные компрессоры, для которых обеспечение достаточного запаса устойчивой работы имеет особенно важное значение. С целью расширения диапазона устойчивой работьэ применяют поворотные лопатки входного направляющего аппарата, а также более сложный в конструкционном отношении способ регулирования поворотом лопаток лопаточного диффузора. КПД центробежных компрессоров двигателей мощностью до 400 кВт 1например, автомобильных) при лк = 4 ч 5, несмотря на небольшие рас. ходы воздуха, могут достигать 80-82 % и более.
Относительная конструкционная простота центробежных компрессоров вызвала проведение исследований по получению в них высоких л„— до 8 — 12 в одной ступени. Компрессор с л„= 8,5 при расходе воздуха 2,2 кг/с имеет 72к - 0;78 —: 0,8, что выше КПД осевого компрессора с такими же параметрами. Однако характеристики таких компрессоров со специю7ьными конструкциями лопаточных диффузоров получаются неблагоприятными. В некоторых случаях применяются осецентробежные компрессоры, состоящие из нескольких осевых и одной — последней — центробежной ступеней.
Такой компрессор применяют в тех случаях, когда значения л„ достаточно велики, а расходь7 воздуха ма7ы. Осецентробежные компрессоры применяются в транспортных ГТД небольшой и средней мощности, например в ГТД колесных и гусеничных машин типа МТТ/ 1компрессор состоит из трех осевых и одной центробежной ступени). Осецентробежным выполнен также компрессор 'высокого давления двигателя АСТ-1500 1см. рис.
4.9) . Фирмой "Пратт-Уитни" для промьпплепных ГТУ разработан осецентробежный компрессор с л„= 18, состоящий всего из шести осевых ступеней и одной центробежной (в ней л„= 2,7). Политропный КПД компрессора с расходом воздуха 32 кг/с в расчетной точке составляет 91,5 %, запас устойчивости также достаточен — 14%. Для обеспечения высоких значений лк (до 11 — 13) применяют двухстус пенчатые це77тробежные компрессоры.
Масса такого компрессора и его максимальный диаметр обычно больше аналогичных параметров осецент. робежных компрессоров с теми же характеристиками. Однако двухступенчатые центробежные компрессоры проще по конструкции и имеют меньшую стоимость. Такие компрессоры применены, например, в двигателях СТ-601 и СТ-1801 (см. рис.
4.8) . Все большее применение находят оптимизационные методы расчета ха. рактеристик компрессоров различных типов и методы математического моделирования с применением ЭВМ. При применении для изготовления деталей технологического оборудования с числовым программным управлением и встроенными микропроцессорами появилась возможность объединить процесс конструирования с процессом изготовления деталей. Большое внимание уделяется развитию методов экспериментального изучения сложных.
структур влечения в компрессорах. В настоящее время 125 получили развитие методы экспериментального исследования течений е помощью лазерных измерителей скорости и доплеровской анемометрии Эти методы особенно важны и являются по сути единственными возмож. ' ными для изучения процесса сжатия в трансзвуковых н сверхзвуковых ступенях при трехмерном течении. Лля турбин характерны высокие газодинамичсские нагрузки при больших окружных скоростях (до 400 †4 м/с). При больших теплопе.репадах в ступенях возникают транс- и сверхзвуковые течения. Поскольку практически в турбинах ГТУ всех типов первые ступени выполняются охлаждаемыми, возникает задача оптимизационного проектирования транс- и сверхзвуковых охлаждаемых профилей, позволяющего уменьшить гидравлические потери в ступенях.
Оптимальное проектирова. ние турбин, работающих в таких уашвнях, выполняется с учетом взаим. ной связи газовой динамики, теплопередачи и прочности. Задача проектирования ступени осевой газовой турбины формулируется как задача нелинейного математического программирования с целью минимизации аэродинамических потерь и массы ступени. Создание оптимизационной системы такого типа требует применения мощных ЭВМ, графопостроителей и дисплеев.
Такие системы создаются и успешно работают. Трудности создания осевых турбин с высокими КПД связаны с применением охлаждения их элементов. При подводе и выпуске воздуха возникают дополнительные (по сравнению с неохлаждаемыми турбинами) потери. Лишь в резулыате боль. К ших исследовательских и доводочных работ удается получить в со ие ы к ПД охлаждаемых турбин, но все же они на 3 — 4 % (абсолютных) ниже, чем КПЛ неохлаждаемых турбин. В настоящее время наблюдается тенденция к более широкому, чем ранее, применению радиальных центростремительных турбин (ЦСТ) в ГТД малой и средней мощности, в частности в АГТД. Эта тенденция также объясняется повышением параметров газа в АГТД, в результате которого длины лопаток осевых турбин становятся малыми и обеспечение высоких КПД турбин затруднительно, Расширение применения ПСТ объясняется также большими воэможностями для организации охлаждения в ЦСТ и их сравнительной простотой.
Важное достоинство ЦСТ по сравнению с осевой — ее способность срабатывать большой теплоперепад в одной ступени с высокими КПД. Это обеспечивает значительное снижение средней (между входом и выходом из рабочего колеса) тем. пературы газа, облегчает охлаждение рабочего колеса. Однако ПСТ при прочих одинаковых условиях имеет больший диаметр, чем осевая турбина. Применение ее из.за прочностных ограничений целесообразно в основном в ГТД малой мощности. Повышение параметров рабочего процесса непосредственно затр вает проблему создания эффективных камер сгорания ГТУ, характе зующихся высокой полнотой сгорания топлива, устойчивостью проце горения, малыми потерями давления, надежностью запуска, равном постыл и стабильностью поля температур на выходе, низкой токснчнос продуктов сгорания и др.
Эти требования в совокупности удовлет ряются с большим трудом. Например, наиболее эффективные каме 126 сгорания авиационных ГТД, совершенствование которых продолжается более 20 лет [44), пока еще не полностью удовлетворяют требованиям по токсичности, а неравномерность поля температур на выходе из иих по.прежнему велика. Обеспечение заданного срока службы камеры сгорания в условиях повышенных параметров газа достигается путем интенсификации охлаждения жаровой трубы, а также применения новых материалов — керамических и многослойных — для ее изготовления. В последние годы отмечается тенденция к применению различных расчетных методов, методов математического моделирования рабочих процессов в дополнение к методам экспериментальной доводки камер сгорания.
Математические модели позволяют рассчитывать распределение расхода и скоростей воздуха и продуктов сгорания, находить поля уровней турбулентности, температуры и концентрации компонентов продуктов сгорания, траектории отдельных струй вторичного воздуха внутри жаровой трубы камеры сгорания, траектории капель топлива и т.д. Совершенствуются также методы измерений параметров процессов в камерах сгорания. Новым направлением является применение лазерной спектроскопии. Оптические методы измерений в отличие от методов термометрирования и отбора проб не создают в потоке возмущений, вызывающих искажения показаний, и поэтому имеют большие перспективы. Основное применение теплообменники — регенераторы и рекуператоры — находят в ГТД колесных и гусеничных машин.
В ГТУ сравнительно большой мощности 1в стационарных ГТУ и мощных ГТД гусеничных машин) применяются стационарные пластинчатые теплообменники (рекуператоры) (см. табл. 2.11). Теплообменники с пластинчатыми поверхностями тешюобмена применялись не только в АГТД, но и в ряде стационарных ГТУ (например, в ГТУ типа ГТ-750-6 и ГТК-10 для ГПА) н судовых ГТД (например, в установке ГТУ-20). Применение таких поверхностей ограничивается недостаточной прочностью пластин и мест их сварки при больших перепадах давления со стороны воздуха и газа. Перспективным типом теплообменной поверхности для стационарных теплообменников может быть пластинчато-ребристая, коэффициент компактности которой достигает 2500 — 3000 м')мэ.
Благодаря достаточной податливости н упругости элементов такая поверхность может выдерживать частые теплосмены. Наиболее удобной по компоновке теплообменника в АГТД является перекрестноточная схема течения теплоносителей. Такая схема применена, например, в теплообменнике двигателя ОТ-601 (см. рис, 4.6) . Вращающийся дисковый теплообмеьззик-регенератор наиболее распространен в АГТД. В таких теплообменниках матрица обычно выполняется в виде диска н вращается с небольшой частотой (20 — 30 мин '). Степени регенерации в них достигают значений ор = 0,85 ч 0,90, Вращающиеся теплообменники не применяются на двигателях сравнительно большой мощносш (свыше 400 кВт), поскольку их диаметры становятся большими и теплообменник ~ъюхо вписывается в компоновочную схему двигателя..Кроме того, при больших диаметрах тяжелее решается задача 127 уплотнения полостей от перетеканий воздуха в гаэ, возникает опасность коробления матрицы.
Как правило, максимальный диаметр матрицы не превышает 600 мм. Принципиальным недостатком вращающихся теплооГе менников являются неизбежные утечки воздуха в газ. которые удается уменьшить только до 3 — 4% расхода воздуха. Большинство выполненных и проектируемых вращающихся теплооГ, менников ГТД имеют матрицы из керамических материалов; на ГАВ спроектированы и изготовлены теплообменникн, в которых применена металлическая матрица. Основные достоинства теплообменников с метал. лическими матрицами — технологическая простота изготовления и вы. сокая надежность. Однако теплообменники с металлическими матрицами тяжелее керамических; обеспечиваемая в ннх степень регенерации (и = 0,83+ 0,85 у АГТД ГАЗ) ниже, чем в керамических.
В двигателях с высокими значениями Тг матрицы из высокожаростой. ких керамических материалов могут оказаться единственными приемле. мыми. Поэтому продолжается разработка матриц из таких материалов, например при создании двигателей типа АОТ-100, АОТ-101. Кроме подбора надежных материалов проводится усовершенствование конструкции матрицы, ее привода, установки в корпусе и уплотнений, Наибольшее внимание при разработке теплообменников перспективных ГТД уделяется проблеме уплотнения матрицы теплообменника от уте.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
