Технические науки. 5. Энергетика

Аспирант Худов Д. А.

Одесская национальная морская академия

ГАЗОТУРБОКОМПРЕССОР НАДДУВА

СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

С КОМБИНИРОВАННЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ

В процессе эксплуатации газотурбокомпрессоров судовых дизелей приходится учитывать режимы работы не только главного двигателя, но и всего пропульсивного комплекса. Последний включает в себя корпус судна, двигатель и гребной винт в их кинематической и гидродинамической взаимосвязи. Например, при движении судна на мелководье, встречном ветре, волнении, а также на малых ходах подаваемого в двигатель воздуха недостаточно. Это, естественно, отражается на экономичности и надежности работы последнего. В некоторых случаях приходится перед компрессором устанавливать нагнетатель с электроприводом.

В последние годы в мировом газотурбостроении появились установки с комбинированным рабочим телом (КРТ). При этом в газовый тракт вводят воду, либо парогазотурбинные установки с КРТ работают по более совершенному энергетическому циклу [1, 2].

Более совершенным парогенерирующим и подающим пар в газоход устройством служит адиабатный парогенератор (АПГ), работающий по принципиально новому способу парообразования и подачи пара в газоход перед турбиной [3, 4].

Технологическая схема для получения КРТ следующая. В водонагревателе вода при давлении, значительно превышающем давление рабочего тела перед турбиной, нагревается до температуры насыщения или ниже и поступает к парообразующему устройству, выполненному в виде диффузорной камеры.

Преимущество такой схемы состоит в том, что значительно упрощается и удешевляется технология подготовки КРТ, так как широко используемый в известных парогенераторах (паровых котлах) принцип поверхностного испарения потока воды заменен на объемное парообразование за счет внутренней энергии (адиабатическое испарение). Подвод тепла к рабочему телу производится, когда оно находится в жидкой фазе, в этом случае теплоемкость жидкости примерно в четыре раза выше парообразующей фазы, что соответственно улучшает эксплуатацию.

Для приготовления КРТ можно использовать любое топливо, жидкое, твердое или газообразное, любой калорийностью, в том числе и отработавшие газы. Образование КРТ происходит в диффузоре.

Если между сопряженными сторонами двух элементарных объемов жидкой и паровой фазы есть градиент температуры, то имеет место теплопроводность, заключающаяся в выравнивании энергии теплового движения до среднего. Она осуществляется в результате обмена энергией при столкновении быстрых и медленных молекул. Удельный поток теплоты:

q = -λgradT, (1)

где λ – коэффициент теплопроводности;

gradT – вектор-градиент температуры потока, являющийся вектором к

поверхности нормали ровного уровня Т = const, направленный

в сторону роста Т.

При движении потока в канале переменного сечения без теплообмена, обмен энергией между фазами происходит путем обмена внутренними энергиями потока, входящего в канал u^'_пот и паровой фазой u^'' + r при взаимодействии молекул, движущихся с различными скоростями (здесь r – теплота парообразования). Изменение паросодержания происходит за счет внутреннего тепла фазового превращения. При равенстве скоростей до и после канала можно считать, что u_пот = u^'' + r.

Движущаяся среда обладает вязкостью, которая обуславливает появление трения на поверхности раздела фаз и между стенками канала, т. е. между слоями, движущимися с различной скоростью. Удельное напряжение трения τ (касательное напряжение) для ламинарного вязкого течения каждой из фаз определяется согласно закона Ньютона:

, (2)

где μ – коэффициент динамической вязкости;

– производная скорости по нормали к поверхности трения.

Между теплопроводностью и вязкостью при постоянной теплоемкости С_р = const существует связь, определяемая через критерий Прандтля:

P_r = . (3)

Эти основные свойства фаз позволяют составить физическую модель потока. С учетом ограничений на область изменений параметров потока и ввода дополнительных поправок на турбулентность течения такая модель, как отмечалось выше, может служить достаточно надежным инструментом при анализе состояния двухфазных сред.

Так как предполагается, что поток полностью заполняет весь канал, то в общем виде уравнение сплошности двухфазного потока при изменении параметров вдоль оси х канала, запишем в виде:

(4)

Для стационарного потока изменение объемного паросодержания равно нулю, поэтому:

(5)

Уравнения (4) и (5) не учитывают влияние пульсаций, связанных с периодичностью образования и роста паровых пузырей, однако при достаточно большом числе центров парообразования и промежутке времени, значительно превышающем период эволюции паровых объемов, погрешность вызванная этим не существенна.

При стационарном течении потока без теплообмена (при P = const) паровая фаза может существовать только тогда, когда температура стенки равна температуре насыщенная, а х > 0. Паросодержание потока определяется по уравнению:

6)

где i_см и i^' – энтальпия смеси и жидкости при температуре насыщения,

х – доля вырабатываемого пара.

Если под энтальпией смеси i_см при t_пот < t_s понимать среднюю расходную энтальпию потока i_пот, то х в этих условиях t_s существует недогрев жидкости до температуры насыщения. При i_пот < i^' величина х имеет отрицательное значение, а при i_пот > i значения х положительны и равны массовому паросодержанию смеси. Величину х, определяемую по уравнению (6) принято называть относительной энтальпией.

При течении жидкости в канале с отрицательным градиентом давления без внешнего подвода тепла паросодержание среды может быть определено из уравнения баланса:

(7)

где i^' – энтальпия жидкости в рассматриваемом сечении диффузора.

Таким образом постоянный или периодический ввод пара перед соплами турбины может значительно увеличить надежность работы двигателя и работ судна в целом.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Артемов Г. А., Бойков В. П., Гильмутдинов А. Г. Судовые газотурбинные установки. – Л.: Судостроение, 1978. – 247 с.

2. Дикий Н. А. Судовые газопаротурбинные установки. – Л.: Судостроение, 1978. – 262 с.

3. Гречко Н. Ф., Брыль А. И. Оптимизация газотурбинных установок с комбинированным рабочим телом / Судовая энергетика. – № 1. – Одесса, 1993. – С. 47-48.

4. Гречко Н. Ф. Патент на изобретение, 58012 А, Бюл. № 7 от 12.07.2003 г.