CC BY
115
3. Regional Tanker Ballast Water Management & Technologies. Seminar papers. 16-18 December 2002. Dubai, UAE
4. Международная конвенция о контроле судовых балластных вод и осадков и управлении ими. ИМО Лондон-2004.
Фершалов Ю.Я., Фершалов А.Ю., Акуленко В.М., Фершалов М.Ю., Цыганкова Л.П.
ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН
Актуальность исследований в области малорасходных турбин (МРТ) определяется направленностью на решение проблем экономики и организации промышленности, заложенных в "Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу" "Приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники Российской Федерации" и "Перечне критических технологий Российской Федерации", утвержденных Президентом РФ 30.03.2002г. № Пр-576 /1-3/.
В документах содержится два направления, к ним относятся: разработка и внедрение энергосберегающих технологий производства электроэнергии и тепла на органическом топливе за счет повышения эффективности использования, в том числе интеллектуальной собственности, результатов научной и научно-технической деятельности.
В условиях современной рыночной экономики, когда затруднены прогнозные техникоэкономические оценки, ответ на вопрос о коммерческой эффективности необходимо искать не только и не столько в области экономических взаимоотношений, а в направление технических решений.
В основе технического перевооружении страны должно быть создание и совершенствование таких конструкций машин, которые, обеспечивая высокие технические показатели, приведут к рациональному использованию и сокращению расходов сырья и энергии. Эти обстоятельства полностью относятся к турбинам, которые за последние несколько десятилетий нашли весьма широкое применение в различных областях народного хозяйства.
Газотурбинные двигатели (ГТД) обладают рядом преимуществ [1] перед обычными двигателями внутреннего сгорания (ДВС): малые габариты (если при равной мощности габаритный объем карбюраторного ДВС принять за 100%, то у дизеля этот показатель составит 144%, а у ГТД -только 28%), малая масса (порядка 0,5 кг на 735 Вт, что в 2 раза меньше лучших образцов карбюраторных ДВС), высокая плавность хода (отсутствуют части, совершающие возвратнопоступательные движения, как у обычных ДВС), простота конструкции (общее число деталей ГТД составляет около 200, а карбюраторного ДВС - около 900 единиц), надежность пуска при низких температурах, меньшая токсичность отработавших газов, более благоприятная тяговая характеристика.
Турбостроение сегодня относится к наиболее науко- и капиталоемких отраслей машиностроения, а растущие требования к эффективности и надежности турбомашин и расширение диапазона параметров и условий эксплуатации паровых и газовых турбин создают предпосылки для их непрерывного конструктивного и технологического совершенствования.
Особенности рабочего процесса турбины позволяют получать большие мощности при умеренных габаритах, высоких КПД и мощности на единицу веса, которые повышаются с ее мощностью [2]. Эти свойства позволяют успешно применять турбины в стационарной энергетике для мощных агрегатов, вырабатывающих электроэнергию до 1200 тыс. кВт и выше. В этом случае даже малое снижение КПД турбины ведет к колоссальному увеличению абсолютного расхода топлива.
При создании современного газотурбинного двигателя обеспечение высокого КПД газовой турбины является важнейшей задачей, так как величина КПД значительно влияет на удельный расход топлива в двигателе, в особенности на крейсерских режимах [3].
Например, для двигателя с температурой РТ на входе 1500...1600К и степенью повышения давления в компрессоре 20...25 на максимальном режиме его работы снижение КПД турбин низкого и высокого давления вызывает увеличение расхода РТ соответственно приблизительно на 0,7 и 0,5%. На крейсерском режиме эти величины возрастают примерно в 1,5 раза [4].
Несмотря на то, что КПД турбины во многом определяется газодинамической эффективностью ее проточной части, надо отметить, что на современном этапе для мощных стационарных турбин и главных судовых турбоагрегатов, применительно к их проточным частям, резервы повышения экономичности крайне ограничены [5]. Потери энергии в лопаточном аппарате (ЛА) энергетических турбин достигли теоретически возможных минимальных величин.
Но это не относится к турбинам, работающим в областях, существования требований по ограничению массогабаритных свойств турбин, расхода рабочего тела (РТ), частоты вращения ротора.
В настоящее время турбины широко применяются в судостроении (особенно в военно-морском флоте), т.е. транспортной энергетике, для которой важны мобильность и автономность.
Турбины используют в качестве главных двигателей на автономных подводных аппаратах малого водоизмещения, приводных двигателей генераторов, агрегатов насосных, компрессорных и наддува дизелей, турбодетандеров и т.д.
Опыт проектирования и эксплуатации подобных турбин показывает, что их эффективность оказывает существенное влияние на показатели судовой энергетической установки в целом [6].
В авиации турбины применяют в качестве двигателей главных энергетических и вспомогательных (электрогенераторы, топливные насосы и т.п.) установок. Желание повысить удельную тягу и снизить удельный расход топлива приводит к существенному повышению определяющих параметров турбин перспективных авиационных газотурбинных двигателей. Становится актуальной задача повышения газодинамической эффективности турбины, поскольку последняя самым непосредственным образом сказывается на топливной экономичности двигателя, и в конечном итоге определяет его конкурентоспособность. Например, для турбореактивного двухконтурного двигателя с умеренными параметрами цикла недобор 1% КПД турбины высокого давления увеличивает удельный расход топлива примерно на 0,7% [7, 8]. При этом даже незначительное повышение энергетической эффективности турбины может позволить существенно сберечь энергоресурсы [7, 9, 10].
Для современных тяговых устройств наземного железнодорожного (локомотивного) и двигателей автомобильного транспорта необходимо значительное повышение мощности и экономичности, снижение массогабаритных показателей и себестоимости, обеспечения высокой надёжности дизелей. Анализ путей развития дизелестроения показывает, что турбонаддув для них является одним из основных направлений улучшения технико-экономических показателей дизеля. В настоящее время оно рассматривается как неотъемлемая составная часть для современных ДВС с высокими удельными показателями [11]. Экономичность и надежность дизеля в большой степени определяется этими же показателями агрегата наддува, в связи с чем, совершенствование турбины для них является одним из основных решений совершенствования двигателей внутреннего сгорания в целом [12]. Особенностью их применения является то, что при работе двигателя с турбонаддувом на частичных режимах снижается КПД агрегата наддува. Это приводит к увеличению противодавления на выпуске, турбина создает дополнительное сопротивление в выпускном тракте, тем самым увеличивается удельный эффективный расход топлива [11, 13, 14, 15].
Применение турбин в системах децентрализованного энергоснабжения потребителей также является весьма перспективным направлением, так как им требуются высокоэкономичные и экологически чистые энергетические и двигательные установки высокой и средней мощности для тепловых электростанций, нефте- и газоперекачивающих станций, буровых установок и т.д. [16].
Энергетические установки мощности, порядка 1..3 кВт используются для бесперебойного электро-и теплоснабжения станций газодобычи, газоперекачки, систем связи, непрерывного электропитания системы катодной защиты трубопроводов газовых магистралей [16]. Они могут эффективно применяться в качестве двигателей передвижных энергоустановок (0,6-2,5 МВт) и приводов электрогенераторов автономных энергоустановок (0,6-10 МВт). Установки с электрической мощностью 2,5-25 МВт, использующие тепло отработанных газов в водогрейных или паровых котлах-утилизаторах, могут явиться базой ГТУ-ТЭЦ, снабжающих теплом и электроэнергией поселки и города населением до нескольких сотен тысяч человек и промышленные предприятия. Такие газотурбинные энергоустановки
могут применяться для увеличения мощности существующих тепловых электростанций. Газотурбинные приводы, созданные на основе авиационных и судовых машин в настоящее время успешно работают в составе газоперекачивающих агрегатов на газопроводах страны и в энергетике [16].
Потребности газораспределительной станции (ГРС) газотранспортных сетей в электрической и тепловой энергии зависят от назначения станции, её месторасположения и многих других факторов. В зависимости от удалённости станции до крупных населённых пунктов и формы обслуживания рядом могут быть расположены помещения для проживания обслуживающего персонала, нуждающиеся в электрической и тепловой энергии и требующие сооружения котельной небольшой теплопроизводительности. Таким образом, основными потребителями электроэнергии на ГРС являются: контрольно-измерительные приборы, устройства автоматики, насосы для циркуляции воды в системе отопления, электрообогрев помещений, освещение и защита от коррозии труб. Общая мощность обычно не превышает 10...20 кВт. На рис. 1 [17] представлено распределение потребностей в электроэнергии ГРС типичного газопровода для различных ГРС.
Потребляемая мощность
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
ГРС
Рис.1 Распределение потребностей ГРС типичного газопровода в электроэнергии в системе ООО «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ» [17]
Особенностью технологического процесса ГРС является использование процесса редуцирования газа (давление в магистральном газопроводе 5.5...7.5 МПа) до требуемого в сети потребителя газа - 0.3...0.6 МПа. Такое снижение давления, как правило, реализуется
дросселированием газа, что упрощает технологическую схему, но ухудшает неэкономичность ГРС, так как не используется энергия газа. Использование последней достигается в устройствах типа турбодетандеры. Поэтому использование энергии, выделяющейся при снижении давления газа в турбине на ГРС для собственных нужд, является актуальной задачей, поскольку ее можно получать с низкой себестоимостью.
НТЦ «Микротурбинные технологии», СПбГТУ и ООО «ГАЗПРОМ ТРАНСГАЗ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ » реализуют программу по созданию автономных локальных источников электрической энергии на природном газе для ГРС. Ими, на основании технико-экономического анализа, выбран оптимальный тип автономного локального источника электрической энергии на природном газе, предназначенный для электрообеспечения ГРС магистральных газопроводов и работающий на основе использования расширительной турбины.
МРТ применяют в машиностроении, криогенном производстве, станкоинструментальной промышленности (пневмопривод, ручной пневмоинструмент, турбодетандерные установки и т.п.).
Тенденция к повышению параметров и сокращения массы и габаритов современных и перспективных авиационных двигателей с высокой эффективностью явились основными причинами применения одноступенчатых высокоперепадных турбин газогенераторов [18]. Эта тенденция четко проявляется в зарубежном и в отечественном двигателестроении.
В ОАО НПО "Сатурн", разработаны турбины со степенью понижения давления до 3,9...4,5. Особенности газодинамики такой турбины позволяют дополнительно снизить температуру газа в относительном движении перед РЛ на 100 К, т.е. получать температуру газа на РК 1400 К при отсутствии охлаждения РЛ. Из-за трансзвукового режима течения в межлопаточных каналах РК КПД такого типа турбины очень чувствителен к конструктивному исполнению лопаток, особенно это относится к их толщине, который в значительной степени зависит от системы охлаждения. Это
означает, что в неохлаждаемом варианте преимущества этой турбины реализуются в большей степени.
Расчеты и конструкторская проработка показали, что применение такой турбины в малоразмерных ГТД существенно упрощает конструкцию двигателя с сохранением удельных тяговых и массовых характеристик. Областями применения неохлаждаемой высокоперепадной турбины в авиационных газотурбинных двигателях являются: вертолетный газотурбинный двигатель мощностью до 1300 кВт; беспилотные летательные аппараты с малоразмерными турбореактивными двигателями с тягой до 40 кН; учебно-тренировочные самолеты и самолеты вместимостью до 50 пассажиров.
Перечисленные положения приводят к решению о целесообразности широкого применения одноступенчатых высокоперепадных турбин [19].
Последнему мешает малочисленность данных по исследованиям газодинамических характеристик решеток высокоперепадных турбин. Требуются системные экспериментальные и теоретические исследования характеристик сопловых и рабочих решеток на сверхзвуковых скоростях РТ.
Из зарубежных публикаций следует, что газотурбинные и парогазовые установки за границей получают все большее распространение. В результате, сохраняется высокий спрос [16,20].
Производством ГТД занимаются фирмы Siemens, Mitsubishi, GM, Snecma, MTU, Lukas и др., которые предлагают ряд таких установок с диапазоном мощностей 1... 100 МВт и КПД от 30 до 38%.
Широкое применение турбин в мире делает очевидным актуальность и необходимость исследований по их совершенствованию. Это подтверждается тем, что Центральный институт авиационного моторостроения ("ЦИАМ им. П.И.Баранова") и авиадвигателестроительные отраслевые конструкторские бюро разработали проект "Стратегии развития газотурбинного двигателестроения Российской Федерации на 2007-2015 г. и на период до 2025 г.г.", утвержденный на заседании рабочей группы по интеграции предприятий авиационного двигателестроения 16.05.2007 г.
Реализация энергосберегающих технологий комбинированного производства электроэнергии и тепла с использованием паровых, газовых и газорасширительных турбин малой и средней мощности включена в основные направления Федеральной целевой программы "Энергосбережение России".
"Основные направления реформирования электроэнергетики Российской Федерации", утвержденные постановлением Правительства РФ № 526 от 11.07.2001г., повысили актуальность организации новых производителей электроэнергии. Их деятельность должна быть направлена на развитие конкуренции в энергетике, снижение удельных расходов топлива, уменьшение потерь в сетях и инвестиционных затрат на создание электрогенерирующих мощностей и внедрение основ конкуренции и демонополизации электроэнергетики России и уменьшение техногенных выбросов в атмосферу.
Турбины малой и средней мощности часто работают в условиях дефицита располагаемого расхода РТ. При ограниченном расходе РТ для получения необходимой мощности турбины, необходимо, чтобы РТ имело высокие начальные давление и температуру. В этом случае возникает ситуация, когда необходимая площадь проходного сечения сопел становится очень малой и для обеспечения полного подвода РТ к РК высоту лопаток турбины требуется выполнять меньше допустимого значения. Малая высота или ширина проходного сечения приводит к снижению КПД ступени, поэтому при малых расходах РТ применяют СА с парциальным подводом.
Для создания высокоэффективных малогабаритных турбинных установок малой мощности (до 5 МВт) требуются турбины, работающие при сравнительно небольших расходах, но с высокими начальными параметрами РТ. Использование трансзвуковых и сверхзвуковых высокооборотных турбинных ступеней позволяет срабатывать в них большой теплоперепад энтальпий при сравнительно высокой экономичности, сократить число ступеней турбины и повысить компактность установки. Над созданием таких МРТ интенсивно работают многие научные, академические и высшие учебные заведения страны, среди которых МАИ, МЭИ, МГТУ, СПбГТУ, СПбМУ, НПИ, КТЗ и др.
Особенности условий эксплуатации МРТ предопределяют ряд требований, предъявляемых к ним, основными из которых являются: минимальные массогабаритные характеристики при высокой удельной мощности и, как следствие, значительные перепады энтальпий при малом числе ступеней; пониженная частота вращения ротора; возможность работы в широком диапазоне изменения мощности и частоты вращения; технологичность конструкции; простота и невысокая стоимость
изготовления; надежность в эксплуатации; экологичность, снижение вредных воздействий на окружающую среду - токсичность выхлопа, вибрации и шумность.
Невысокая, как правило, эффективность МРТ обусловлена их особенностями, среди которых, прежде всего, отмечают: малые объемные расходы РТ через турбину, делающие необходимым введение парциального подвода; низкие значения характеристического числа, связанного с ограничениями прочности бандажа, предельных частот вращения подшипников и деталей; сверхзвуковые скорости РТ в проточной части ступени; низкое число Рейнольдса; малые размеры лопаток СА и РК; большая относительная толщина кромок СА и РК; большая относительная шероховатость поверхностей; большие относительные зазоры; большие относительные длины подводящих и отводящих каналов.
Основными из этих особенностей, выделяющих МРТ в отдельную группу, из общего класса турбомашин, являются: низкое число Рейнольдса и малая относительная длина лопаток СА и РК. Эти особенности приводят к образованию относительно толстого пограничного слоя и повышенной неравномерности потока, что снижает общий уровень КПД. Специфические особенности МРТ требуют пристального изучения потерь и их влияния на КПД.
В работах В.А.Рассохина, И.И.Кириллова, К.Г.Родина, И.В.Котляра, М.Е.Дейча, Н.Н.Быкова, О.Е.Ёмина, А.Е.Зарянкина, А.Г.Курзона, Б.А.Крылова, В.Д.Левенберга, А.Б.Давыдова, Н.Ф.Мусаткина, Е.В.Мячина, А.С.Наталевича, Н.Т.Тихомирова, А.Н.Шерстюка, С.В.Чехранова, Ю.П.Кузнецова, Е.И.Кончакова, Симашова P.P. и других обобщены результаты исследований некоторых показателей МРТ различного назначения. Но в теоретическом и экспериментальном отношении исследования пока еще уступают аналогичным для полноразмерных турбин. Поэтому исследования, направленные на решение проблем в этой области, аэродинамическое совершенствование и выбор оптимальных геометрических и режимных параметров проточных частей МРТ, позволяющих повысить их эффективность, остаются актуальными и имеющими большое практическое значение.
ЛИТЕРАТУРА
1. http://asom.ru/content/view/11/12/
2. Курзон А.Г. Теория судовых и газовых турбин. - Л.: Судостроение, 1970. - 592 с.
3. http://www.aviaport.ru/directory/dict/?id=2846&char=242&type=Term&page=8
4. Мухина С.Д. Разработка критериального метода расчета профильных потерь в турбинных решетках: Дис. ... канд. техн. наук: 05.07.05. Рыбинск, 2006.
5. Фичоряк О.М. Исследование и разработка способов повышения эффективности работы мощных теплофикационных турбин: дис.... канд. техн. наук : 05.04.12. - Москва, 2007
6. Левенберг В.Д. Судовые малорасходные турбины. - Л.: Судостроение, 1976. - 192 с.
7. Батурин О.В. Совершенствование проточной части осевых авиационных турбин при их
газодинамической доводке с помощью численных методов газовой динамики: дис. ...канд. техн. наук 05.07.05 Самара, 2005
8. Мамаев Б.И. Методы газодинамического проектирования и совершенствование элементов проточной части турбин авиационных высокотемпературных двигателей: диссертации на соис-кание научной степени доктора технических наук. - Самара: 1995. -300с.
9. Лапшин К.Л., Афанасьева Н.Н., Олейников С.Ю., Садовничий В.Н., Черников В.А.
Возможные пути повышения экономичности проточных частей паровых и газовых турбин //Теплоэнергетика. -1993.-№3.- С. 16-19
10. Дейч М.Е., Трояновский Б.М., Филиппов Г.А. Эффективный путь повышения к.п.д. турбинных ступеней //Теплоэнергетика. - 1990. - №10.-С. 31-35.
11. Магзумьянов Р.Ф. Разработка и исследование малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины: дис. канд. техн. наук, 05.04.02 - Уфа, 2000, 81 с.
12. Листвин А.Г. Особенности расчета осевой турбины турбокомпрессора дизеля с разделенным впуском: дис. канд. техн. наук, 05.04.02, Ленинград, 1984, 181 с.
13. Крутов В.И., Рыбальченко А.Г. Регулирование турбонаддува ДВС. -М..Высшая школа, 1978.-213с
14. Магзумьянов Р.Ф. Разработка турбокомпрессора с регулируемым без-лопаточным направляющим аппаратом турбины //Тезисы докладов Междуна-родной научно-технической конференции "Механика машиностроения" г.Наб. Челны. КамПИ, 1995.С. 68-69.
15. Franklin Р.С. Walsham В.Е. Variable geometry turbochargers in the field.//J.Mech. E., Conference Turbochargers and Turbocharging, 1986. Paper С 121/86
16. Юн А.А. Исследование газопаротурбинной энергетической установки с двукратным подводом тепла в камерах сгорания и регенерацией тепла в газожидкостном теплообменнике: дис. канд. техн. наук, 05.07.05, Москва, 2003
17. http://stc-mtt.ru/pics/File/article2.pdf
18.
http://www.mai.ru/conf/aerospace/intemetconf/modules.php?name=Forums&file=viewtopic&t=2050
19. Чжэн Гуанхуа Расчетно-экспериментальное исследование газодинамической и тепловой эффективности решеток высокоперепадных турбин: дис. ... канд. техн. наук, 05.04.12, Москва, 2008 г
20. Арсеньев J1. В. и др. Стационарные газотурбинные установки Справочник /Под общ. ред. JI. В. Арсеньева, В. Г. Тырышкина. -JL, Машиностроение, 1989.
Горбонос В.А.
ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МОРСКОЙ СРЕДЫ СБРОСАМИ БАЛЛАСТА И МЕТОДЫ ОЧИСТКИ БАЛЛАСТНЫХ ВОД Общие сведения
Технология перевозки грузов морским транспортом предусматривает наличие на борту судна определенного количества забортной воды. Естественно, в забортной воде могут содержаться различные живые существа - от бактерий и мелких водорослей до моллюсков, медуз и даже небольших рыб, то есть все, что может проникнуть на судно через заборники балластной воды и насосную систему. Кроме того, в забортной воде, используемой в качестве балласта, могут содержаться вредные для человека или природной среды водные организмы. По приблизительным оценкам ежедневно во всем мире может транспортироваться с балластной водой до трех тысяч различных видов морских живых существ.
Сброс балласта, содержащего чужеродные для данного района организмы, может нанести ущерб рыболовству, местным кораллам, аквакультурным фермам и другим сферам деятельности, и даже стать причиной возникновения инфекций.
Стремительно возрастающая интенсивность морского судоходства за последние десять лет обострила эту проблему до предела - только в водах США ежегодно сбрасывается 57 миллионов тонн балластной воды. Сброс балласта, как правило, не заметен зрительно, его трудно обнаружить без применения специальных исследований (в отличие, скажем, от сброса нефтесодержащих вод), однако последствия могут быть даже неизмеримо более катастрофическими. Дело в том, что разлив нефтепродуктов, как уже было сказано, достаточно легко заметить, и вполне возможно ликвидировать, хотя это и требует больших материальных затрат. Ущерб же, нанесенный чужеродными морскими организмами новой среде обитания происходит из-за нарушения природного баланса морской экосистемы, что грозит зачастую полным вымиранием каких-либо местных видов флоры и фауны. Это происходит вследствие того, что чужеродные организмы, как правило, не имеют в новой среде обитания естественных противников, которые поддерживают баланс экосистемы, в результате чего происходит интенсивное размножение таких «пришельцев» и угнетение ими местных форм жизни. Таким образом, можно сделать неутешительный вывод о том, что нанесенный чужеродными морскими организмами ущерб ликвидировать практически невозможно, по крайней мере на сегодняшний день науке неизвестны достаточно эффективные и безвредные способы восстановления баланса морской экосистемы.
Увеличение размеров судов, скорости и частоты рейсов приводит к необходимости более частой балластировки судов, а также к увеличению объемов принимаемого балласта (ежегодно
