Состояние вопроса и определение цели исследования сверхзвуковых осевых малорасходных турбин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

погрузку и выгрузку по 4 суток Грузовместимость судна - 22000 тонн, фрахтовая ставка - 30 $/т и стоимость топлива 200 $/т. Рейсы круговые, а переходы - в прямом направлении в грузу, в обратном направлении - в балласте. Переходы в грузу и балласте выполняются при одинаковой скорости, которая варьировалась от номинальной 15,5 до 11,5 узлов. I

Результаты расчётов показали, что при принятых условиях, годовая прибыл^ судовладельца имеет максимум при скорости хода 13,5 узла. А разность между прибылью при скорости 15,5 узла и максимальной прибылью при скорости 13,5 узла составляет 87000 долларов в год. Принятая модель расчёта позволяет изменять большое число параметров, при которых работает судно, и анализировать получаемые результаты. В качестве примера в работе приведены результаты расчёта прибыли как функции скорости судна, при указанных выше условиях и при изменении расстояния между портами от 4000 до 9000 миль. Уменьшение расстояния между портами приводит к смещению максимума прибыли в сторону больших скоростей, при увеличении расстояния - в сторону меньших.

Характерной особенностью данных расчётов является увеличение абсолютной прибыли при уменьшении расстояния между портами, что объясняется увеличением провозоспособности судна. Таким образом, если у судовладельца есть выбор заказчиков, то он должен заключать контракты на более короткие линии и эксплуатировать суда при повышенных скоростях. Как видно из полученных результатов, для приведённых условий, разница между максимальной и минимальной годовой прибылью только одного судна, может составить более 3700000 долларов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Типовая инструкция по организации работы судов на экономичных режимах хода: РД 31.21.12-

83. М.: Минморфлот, 1983, 31 с. I

2. Овсянников М.К., Петухов В.А. Дизели в пропульсивном комплексе морских судов. Справочник. -Л.: Судостроение, 1987, 254 с.

Фершалов А .Ю.,Фершалов Ю. Я., Фершалов М.Ю.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ

ОСЕВЫХ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН !

В настоящее время, когда цены на энергоресурсы очень высоки, становится особенно актуальной задача создания высокоэкономичных двигателей различного назначения.

В современной технике широкое применение в качестве приводных двигателей и вспомогательных турбоагрегатов в различных отраслях народного хозяйства (в судостроении, в криогенном производстве, в станкоинструментальной промышленности, в авиации, в двигателестроении и т.д.) находят сверхзвуковые осевые турбины. | 1

Потребность в таких турбинах подтверждается тем, что по оценке научно-технического совета РАО «ЕЭС России» стратегическим направлением в решении проблемы электроэнергетики и теплоэнергетики России в ближайшие годы должно стать создание новейших мобильных газотурбинных и паротурбинных установок отечественного производства.

К турбинам, работающим в вышеперечисленных областях, предъявляется ряд требований:

- минимальные массогабаритные показатели при высокой удельной мощности (как следствие

- значительные перепады энтальпий при малом числе ступеней); |

- пониженные частоты вращения ротора; I

- возможность работы в широком диапазоне мощности и частоты вращения; '

- технологичность конструкции; |

- простота и невысокая стоимость изготовления;

- надежность в эксплуатации;

- снижение вредных воздействий на окружающую среду (выхлоп, шум, вибрация).

Выполнение этих требований приводит к тому, что турбины работают при низких числах

Рейнольдса, кроме того, они имеют:

-малую относительную длину лопаток соплового аппарата (СА) и рабочего колеса (РК);

-большую относительную толщину кромок С А и РК;

- большую относительную шероховатость поверхностей;

- большие относительные зазоры; |

- большие относительные длины подводящих и отводящих каналов.

Вышеперечисленные особенности обуславливают невысокую эффективность турбин за счет потерь энергии, связанных с образованием относительно толстого пограничного слоя и повышенной неравномерности потока.

В большинстве случаев такие турбины эксплуатируют в условиях ограниченного расхода рабочего тела (РТ). При этом невозможно обеспечить полный подвод РТ к рабочему колесу, сохраняя приемлемую высоту лопаток турбины. В этом случае применяют парциальные сверхзвуковые малорасходные турбины (МРТ). которые имеют дополнительные потери энергии на вентиляцию в зоне неактивной дуги и потери энергии на краях дуги подвода.

По данным Московского авиационного института и Куйбышевского авиационного института, снижение степени парциальности с 1 до 0,15 у осевых малорасходных турбин приводит к падению к.п.д. с 75% до уровня менее 50%. Это уменьшение к.п.д. крайне негативно сказывается на эффективности энергетической установки в целом, особенно для таких технических средств как морские подводные аппарату, так как уменьшение к.п.д. приводит к снижению уровня автономности аппарата, по которому можно оценить целесообразность установки турбин.

Все вышесказанное ограничивает области применения традиционных турбин и заставляет искать новые пути решения проблемы.

Один из путей решения проблемы, связанной с парциальностью - использование сверхзвуковых (высокоперепадных) малорасходных турбин, имеющих в своем составе РК с большим углом поворота потока в них и СА с малыми конструктивными углами выхода из сопел. Предлагаемый путь позволяет выполнять турбины с полным подводом РТ, что исключает потери связанные с парциальностью. В этом случае используются профили лопаток С А и РК отличающиеся от традиционных, характеристики которых приведены в технической литературе.

Поэтому чрезвычайно актуально и имеет большое практическое значение аэродинамическое совершенствование и выбор оптимальных геометрических и режимных параметров проточных частей, позволяющих повысить эффективность малорасходных турбин с большим углом поворота потока в рабочем колесе.

Существенное влияние на к.п.д. МРТ оказывает сопловой аппарат, однако помимо СА большое влияние на эффективность работы турбины оказывает рабочее колесо. Особенно сильно это влияние проявляется в многоступенчатых турбинах, так как неверная оценка аэродинамических свойств рабочего тела за рабочим колесом влечет за собой ошибочное профилирование следующей ступени, что еще больше снижает к.п.д. турбины.

По данным Калужского турбинного завода увеличение коэффициента скорости в рабочей решетке полноразмерных турбин на 1% позволяет повысить мощность ступени на 0,73%. Для МРТ увеличение мощности в зависимости от увеличения коэффициента скорости рабочей решетки еще больше. I

Очевидно, что снижение потерь энергии в РК представляет большой резерв повышения эффективности работы ступени.

Учитывая вышесказанное, целью работы в данном направлении можно считать повышение эффективности сверхзвуковых осевых МРТ на основе совершенствования конструкции и экспериментальных исследований РК с большим углом поворота потока.

Для достижения этой цели необходимо получить математическую модель потерь энергии в проточной части рабочих колес, как функцию от конструктивных и режимных параметров исследованных малорасходных турбин с большим углом поворота потока. Проведение оптимизационных вычислений по этой модели позволит получить данные, используя которые, можно усовершенствовать характеристики МРТ (высокий к.п.д. и пусковой момент, снижение оптимальной частоты вращения ротора) на основе создания высокоэффективных РК, работающих в составе ступени, имеющей СА с конструктивным углом выхода из сопел, равным 5°.

При этом достигается:

- расширение областей применения МРТ за счет повышение их экономичности;

- повышение автономности морских подводных и надводных аппаратов, благодаря уменьшению расхода топлива в связи с увеличением к.п.д. турбины, ,

- уменьшение негативного влияния шума МРТ при ликвидации его источника на неактивной

дуге рабочего колеса; j

- увеличение надежности турбины, за счет равномерно распределенной осевой нагрузки на

РК, и как следствие, на подшипники. |

Аэродинамическое совершенствование МРТ позволит не только повысить но и расширить области применения.

их эффективность,

1 Фершалов М. Ю., Фершалов Ю. Я.

МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ ВЯЗКОГО ГАЗА В СВЕРХЗВУКОВЫХ СОПЛАХ ТУРБИН

Широкое применение турбин в различных областях техники (судостроение, теплоэнергетика, авиация и космонавтика) сделало актуальной задачу повышения их экономичности.

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что на экономичность турбины наиболее сильное влияние оказывают потери кинетической энергии рабочего тела в соплах соплового аппарата. Кроме того, для оптимального проектирования профиля каналов рабочего колеса необходимо точно знать параметры рабочего тела в выходном сечении сопел.

Изучение сопел турбин проводятся двумя путями: экспериментальным и теоретическим. Экспериментальный путь, как путь, дающий самые достоверные результаты предпочтителен, однако проблема состоит в том, что возможности экспериментальных исследований в данной области ограничены в силу ряда причин (финансовых и технического плана). Поэтому наиболее перспективно получение математических моделей основанных на фундаментальных законах газовой динамики, проверенных на адекватность с результатами, полученными в результате экспериментов.

В настоящее время существующие эмпирические модели расчета параметров потока вязкого газа в соплах турбин (особенно имеющих малые проходные сечения и большие числа Рейнольдса), в силу ряда причин, не дают точные результаты.

Основной задачей в области турбостроения является повышение экономичности турбин. Наиболее жесткие требования по экономичности выдвигаются к турбинам, работающим в составе установок эксплуатирующихся в автономном режиме. Такие установки используются в судостроении (автономные подводные аппараты), авиации и космонавтике. Актуальность поставленной задачи определяется тем, что уменьшение КПД турбины на 1% приводит к уменьшению мощности и КПД установки на 2,5%. А так как основное влияние на КПД турбины оказывает сопловой аппарат, целью исследования является повышения эффективности сопел. Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач. В данной работе рассматривается две из них: разработка методов построения проточной части сопел и создания математической модели течения в них вязкого газа.

В связи с выше изложенным встает вопрос о создании современных инженерных методов проектирования и расчета проточной части сопла, обеспечивающих их высокую эффективность и позволяющих определять параметры рабочего тела, как в канале сопла, так и на выходе из него. Применяющиеся методы расчета турбин: треугольников скоростей и модельных ступеней, не дают желаемых результатов. Это связано с тем, что влияние различных факторов, приводящим к потерям кинетической энергии в сопловых аппаратах, учитывается только коэффициентом скорости сопла. С целью получения численных значений этого коэффициента, было проведено много опытов, результаты которых не только разноречивы, но и учитывают только частные случаи, связанные с конкретными конструкциями и условиями работы. !

Успехи, достигнутые в области теоретической газодинамики [1,2] и численных методов [3], дают возможность перейти к более прогрессивным способам расчета потока рабочего тела в соплах для оптимального профилирования последнего. Эти методы основываются на получении математической модели работы сопла, полученной в результате численного решения фундаментальных законов газовой динамики с последующей проверкой адекватности результатов с данными, полученными экспериментальным путем.

Для решения поставленной задачи автором создана методика и программное обеспечение, которые позволят автоматически профилировать проточную часть сопла и заменять рассматриваемую