.

Принципы использования энергии газов в ГТН

Эффективность газотурбинного наддува зависит от того, как используется энергия выпускных газов. Рассмотрим составляющие этой энергии и пути их использования. При этом воспользуемся схемой хвостовой части индикаторной диаграммы (рис. 1).

Рис. 1 Схема хвостовой части индикаторной диаграммы

Ввиду того, что располагаемая энергия газов определяется главным образом энергией газов, вытекающих из цилиндра на участке bm диаграммы (от начала открытия выпускных органов до НМТ), можно принять, что хвостовая часть диаграмм 2-х и 4-тактных дизелей одинаковы. Насосные хода у 4-тактных ДВС не имеют принципиального значения с точки зрения их влияния на энергию выпускных газов.

В точке b диаграммы (момент начала выпуска) газы обладают лишь потенциальной энергией давления. Их кинетическая энергия может быть принята равной нулю. В процессе газообмена часть потенциальной энергии газов используется в цилиндре для совершения индикаторной работы (линия bm). Другая часть энергии идет на придание газам скорости при истечении из выпускных органов (линия be). При этом давление потока уменьшается от Рв до давления перед турбиной Рт. Площадь bme соответствует кинетической энергии газов. Обозначим эту энергию через Е1.

Линия ef— это расширение газов в турбине от давления Рт до давления Рr. Площадь l-e-f-2 соответствует располагаемой потенциальной энергии давления газов. Обозначим эту энергию через Е2.

Полный запас энергии, который может быть реализован в газовой турбине, равен сумме:

Е = E1 ÷ Е2

В современных 2-х и 4-тактных дизелях имеется два принципиально отличных пути использования энергии E1 ÷ Е2.

Первый путь — когда в газовой турбине срабатывается только потенциальная энергия газов. Такой случай имеет место в системах, где отработавшие в цилиндрах газы поступают в один общий выпускной коллектор большой емкости, из которого газы направляются обычно в 1 или 2 газовые турбины. Кинетическая энергия потока E1 при этом не используется, т.к. газы, попав в емкий коллектор, теряют свою скорость и не создают в коллекторе заметных “скачков” давления. Можно считать, что давление в коллекторе (или — что-то же — перед турбиной) — постоянное. Система наддува при таком способе называется “с постоянным давлением газов” (наддув при P=const), а газовая турбина — турбиной постоянного давления.

Что касается энергии E1, то она не пропадает бесследно. Запас E1 расходуется на перетекании газов в окнах и клапанах, вихреобразовании, трении, ударах. При этом температура газа в выпускном коллекторе повышается, отчего газ расширяется и увеличивает располагаемую энергию перед турбиной постоянного давления на величину ΔЕ2 (площадь e-e’-f’- f на рис. №1):

Е = Е2 + ΔЕ2

Однако “ценность” энергии ΔЕ2, определяемая уровнем давления Рт, ниже, чем энергия Е1.
Второй путь использования энергии газов — когда в турбине срабатывается не только потенциальная энергия Е2, но и кинетическая энергия Е1 При удачной настройке системы доля используемой кинетической энергии может доходить до 40 ÷ 50% от Е1. В такой схеме наддува выпуск газов из нескольких цилиндров группируется в отдельный коллектор минимального объема. При малом объеме выпускного коллектора кинетическая энергия Е1 не теряется в такой степени, как в системах постоянного давления, и превращается в энергию импульса давления перед сопловым аппаратом турбины. Максимальная величина импульса давления тем больше, чем меньше длина и емкость коллектора.

Системы наддува, в которых давление перед турбиной — переменное и энергия Е1 в какой-то степени реализуется, называются импульсными системами (наддув при P=var), а турбины — импульсными турбинами. Та доля энергии Е1, которая не реализуется в импульсных турбинах, трансформируется по тем же причинам, что и в системах постоянного давления (дросселирование, трение и т.д.).

Оптимальным способом использования кинетической энергии в 2-тактных двигателях является подключение к одной турбине 3-х цилиндров. При этом импульсы чередуются через 120° пкв. У выполненных конструкций двигателей длительность импульса составляет около 50° пкв, длительность продувки — около 70° пкв. Поэтому при 3-цилиндровой компоновке соседние цилиндры не мешают газообмену, отсутствуют нарушения продувки и “провалы” давления воздуха. Агрегатная мощность дизелей с числом цилиндров, подключенным к одной газовой турбине, равным 3-м, оказывается на 10÷15% больше, чем при других компоновках при средних уровнях форсировки наддувом.

При импульсном наддуве в 4-тактных ДВС также стремятся группировать выпуск газов из отдельных цилиндров таким образом, чтобы не мешать газообмену соседних цилиндров. Обычно к одному выпускному патрубку малого объема подключаются 2÷4 цилиндра. Оптимальным с точки зрения использования энергии импульса является подключение 3-x цилиндров с чередованием импульсов через 240° пкв.

В современных главных и вспомогательных судовых двигателях применяются оба способа наддува. В последнее время наддув при P=const находит все более широкое распространение, что на первый взгляд не совсем оправдано. Это обстоятельство можно объяснить рядом причин:

  1. В системе постоянного давления меньше число турбин, проще выпускной коллектор, ниже уровень шума, проще обслуживание;
  2. На расчетном режиме работы турбина постоянного давления имеет более высокий КПД, чем импульсивная;
  3. Перед турбиной постоянного давления максимальная температура газов несколько меньше, чем перед импульсной, что повышает ее надежность;
  4. С повышением уровня форсировки двигателей наддувом эффект использования энергии импульса Е1 в импульсных системах уменьшается.

Более высокий КПД у турбин постоянного давления (примерно на 5%) объясняются более плавным входом газов в турбину (без завихрений) и менее резким изменением отношения окружной скорости и скорости истечения газов из сопла (U/C1). На (рис. 2 ) дана зависимость КПД турбины от относительного теплоперепада.

Рис. 2 Зависимость кпд газовой турбины от относительного теплоперепада

В турбине постоянного давления теплоперепад можно считать постоянным; поэтому режим работы турбины характеризуется одной точкой (точка О) и постоянным КПД. При согласовании характеристик двигателя и турбины можно обеспечить расположение точки О в зоне максимальных КПД. В импульсной турбине теплоперепад непрерывно изменяется в диапазоне, определяемом точками “а” и “b”. Соответственно меняется текущее значение КПД; средняя величина КПД оказывается меньше максимальной.

Снижение эффекта использования импульса энергии Е1 с повышением уровня форсировки объясняется уменьшением доли энергии Е1 в общем балансе при повышении степени наддува. Поясним это с помощью понятия «коэффициента импульсности» Ке, равном:

Ке = (Е2 + К1Е1) /Е2          (№1)

где К1 — доля энергии E1, используемая в импульсной турбине.

Коэффициент Ке показывает относительное увеличение энергии, срабатываемой в газовой турбине, за счет доли Е1.

Испытания двигателей показывают, что с ростом давления наддува Рк коэффициент импульсивности уменьшается (рис. 3). Наиболее эффективно использование энергии E1 при Рк ≤ 1,6 ÷ 1,8 [24]. При работе на номинальной мощности условия работы турбины постоянного давления и импульсной чем ближе, тем выше Рк. С уменьшением нагрузки двигателя Рк уменьшается, доля “импульсной” энергии возрастает, что позволяет обеспечить воздухоснабжение двигателя на всем диапазоне режимов его работы. Это явление использовалось в малооборотных двигателях Бурмейстер и Вайн, Сторк, работавших по схеме чистого ГТН с импульсной турбиной.

Рис. 3 Характер зависимости коэффициента импульсности Ке от давления наддува Рк

Явление повышения коэффициента Ке при снижении нагрузки используется и в наиболее форсированных опытных двигателях с 2-ступенчатым газотурбинным наддувом, в которых 1-й газотурбонагнетатель — импульсного типа, 2-й — постоянного давления. Таким образом удается обеспечить воздухоснабжение двигателя на всех режимах, в том числе на режимах малых нагрузок.

Наиболее совершенные современные малооборотные длинноходовые двигатели оснащаются исключительно газотурбонагнетателями с турбинами постоянного давления. При этом обеспечивается как максимальная конструктивная простота, так и максимальная эффективность эксплуатации. Однако воздухоснабжение на малых нагрузках обеспечивается вспомогательным компрессором с электроприводом, который включается автоматически при получении импульса от реле давления продувочного воздуха.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Август, 12, 2016 1109 0
Читайте также
Загрузка...