В транспортных газотурбинных двигателях (ГТД) значительная часть мощности двигателя затрачивается на привод вентилятора, охлаждающего масло, поэтому представляют интерес пути снижения этой мощности.
Тепловой поток (теплоотдача в секунду) от двигателя в масло См состоит из трех частей: бм— Стр+Фмн+Фп где <2тр — тепло, выделившееся от трения в подшипниках; (2мн — тепло, эквивалентное затрате мощности на привод масляных насосов; <2п — тепло, передаваемое маслом от горячих деталей. Тепловой поток от трения в подшипниках в двухзальном ГТД со свободной силовой турбиной состоит из двух частей, зависящих от частот вращения турбокомпрессора и силовой турбины, т. е.
Здесь и далее индексом обозначено номинальное значение параметра, а чертой — относительная величина.
В изолированной термодинамической системе при отсутствии теплообмена с внешней средой работа V(^р равна приращению энтальпии I, т. е., где — коэффициенты теплоотдачи от горячих деталей ГТД к маслу; Р( — поверхности горячих деталей ГТД с температурой /ст..
Подогрев масла за счет тепла, передающегося от стенок, зависит от конструкции и типа двигателя, его мощности. У газотурбинных двигателей с теплообменником тепловой поток от стенок больше, чем в ГТД без теплообменника. С увеличением размеров ГТД доля подогрева за счет тепла от стенок снижается. Анализ некоторых испытаний ГТД и расчеты показывают, что при мощностях порядка 600 кВт и выше тепловой поток от стенок в масло сравнительно невелик и составляет 10 ... 15 % от всего теплового потока в масло.
Потери в ГТД, связанные с трением в подшипниках и передачах, а также затрата мощности на привод вспомогательных агрегатов (исключая вентилятор охлаждения масла и вспомогательный генератор) учитываются механическими КПД турбокомпрессора и силовой турбины. Если приближенно принять, что затрата мощности на привод топливных насосов и других агрегатов (исключая масляные насосы) примерно равна тепловому потоку от горячих поверхностей к маслу, то тогда величину тепловых потоков можно представить в виде, где Л/тК — мощность турбины компрессора; тс — мощность силовой турбины.
Обычно механические КПД учитывают также затраты мощности на привод топливных насосов, регулятора, вспомогательных насосов и других агрегатов; мощность которых не обращается в тепло, передающееся в масло. Однако мощность этих агрегатов не превышает обычно 1 % от мощностей турбины компрессора и силовой турбины соответственно. Вызванная этим ошибка в расчетах по уравнению (1) будет мала, кроме того, она компенсируется в значительной мере подогревом масла от горячих деталей.
Имея в виду, что номинальная эффективная мощность из уравнения получим выражение для определения удельной теплоотдачи (удельного теплового потока) в масло: от температуры газа перед турбиной и изменяется в пределах 1,5... 2, причем меньшие цифры соответствуют более высоким температурам газа.
В ГТД без соплового регулирования, как показывают опыты, существует следующая приближенная зависимость.
В случае, если ГТД приводит компрессор, насос, винт, а также если он связан с трансмиссией постоянного тока автомобиля.
Анализ большого числа результатов испытаний двух-вальных ГТД показывает, что у подавляющего числа двигателей тепловой поток, вызванный трением в подшипниках, пропорционален частоте вращения в степени 1,5, а мощность ГТД, пропорциональна частоте вращения турбокомпрессора в степени 4,5.
Подставив (3) и (4) в (2) и приняв г1==г2=1,5, р=4,5 получим выражение для удельной теплоотдачи (теплового потока) в масло для ГТД без соплового регулирования при нагрузке по винтовой кривой.
На рис. 1 показано изменение удельной теплоотдачи в масло по режимам, вычисленное по формуле (5). Видно, что при ТС= 0,985 удельная теплоотдача на полной мощности составляет 45 Вт/кВт, а при уменьшении механического КПД до 0,98 эта величина достигает 60 Вт/кВт.
Проведенные опыты показали, что для двух-вальных ГТД без теплообменника транспортного типа мощностью 590 кВт См0=34 800 Вт; у ГТД без теплообменника мощностью 440 кВт с уменьшенной теплоотдачей в редукторе См0=18 600 Вт. Таким образом, удельный тепловой поток у этих ГТД соответственно равен 59 и 42,3 Вт/кВт. Это соответствует механическим КПД» соответственно равным 0,98 и 0,985.
Как показывает практика конструирования авиационных ГТД, возможно снижение теплоотдачи в масло. Например, у двухвального ГТД ЬТЗ-101 мощностью 440 кВт фирмы ,,Ьусо1Ш陸 (США) за счет уменьшения числа подшипниковых опор, снижения осевых усилий роторов и уменьшения теплоотдачи в редуктор удельная теплоотдача в масло снизилась до 17,5 Вт/кВт[2]; по американским данным, у ГТД такой мощности удельная теплоотдача в масло обычно достигает 70 ... 100 кВт.
Рассмотрим возможность охлаждения масла топливом и воздухом, входящим в компрессор. Количества тепла (тепловой поток) которое может воспринять топливо от масла.
На рис. 2 показана зависимое удельного теплового потока от масла в топливо от мощности ГТД при работе двигателя летом и зимой. При этом принято, что температура топлива на выходе из холодильника летом и зимой равна 80 °С; на входе — 35 °С летом и 0 °С зимой. Из графиков видно, что на полной мощности удельный тепловой поток от масла в топливо зимой составляет 16 Вт/кВт, а летом — 8 Вт/кВт. Если поднять допустимую температуру масла на выходе из ГТД до 110... ... 115 °С, а температуру топлива — до 105 ... 110 °С, то полученные цифры могут быть увеличены примерно в 1,5—2 раза, т. е. летом удельная теплоотдача в топливо достигнет 16 ... 17 Вт/кВт. В этом случае у двигателей без теплообменника с малой теплоотдачей в масло возможно его охлаждение топливом. Известно, например, что у вертолетного ГТД Т-58 мощностью около 1000 кВт применяется такое охлаждение масла, правда, этот ГТД не имеет редуктора. В случае, когда ГТД имеет теплообменник, охлаждение масла только топливом невозможно, так как у таких двигателей меньше расход топлива и больше теплоотдача в масло, чем у ГТД без теплообменника.
Определим величину подогрева воздуха на входе в компрессор при охлаждении масла воздухом, всасываемым в компрессор. Количество тепла, отбираемого воздухом.
Из этого уравнения следует, что подогрев воздуха практически не зависит от режима работы ГТД.
Для ГТД с удельной мощностью 130 000 Вт/(кг/с) при удельной теплоотдаче в масло 40 ... 60 Вт/кВт подогрев воздуха на входе в компрессор составляет 5,2 ... 7,8 °С. Такой подогрев, даже без учета сопротивления на впуске дополнительного масляного холодильника, снизит мощность ГТД примерно на 5 ... 8 %. Поэтому охлаждение масла только воздухом, идущим в компрессор, целесообразно в случаях, когда ГТД работает при низких температурах окружающей среды либо удельная теплоотдача в масло не превышает 20 ... 25 Вт/кВт.
Установка на входе в компрессор ГТД масляного холодильника приводит к увеличению потерь давления на входе» что дополнительно приведет к снижению мощности и экономичности двигателя.
Снижение мощности и экономичности, вызванное уменьшением полного давления на входе рВу удобно оценивать в зависимости от изменения коэффициента сохранения полного давления на входе сг— 1—Ар/р. Используя метод малых отклонений, можно получить формулы, связывающие относительные приращения мощности и удельного расхода топлива Асе/се с относительным приращением коэффициента сохранения полного давления на входе А/о: где т=^(к—\)/к\ к—показатель адиабаты для газа; ятс — степень понижения давления в силовой турбине; %с — КПД силовой турбины; т)р — степень регенерации теплообменника ГТД; 7,ги7’с — температуры перед турбиной компрессора и на выходе из силовой турбины; 7*р — температура воздуха на выходе из теплообменника ГТД.
Вычисления по формулам (8) и (9) показывают, что при увеличении сопротивления на входе в ГТД на 1 % мощность двигателя (в зависимости от температуры газа перед турбиной и степени повышения давления в компрессоре) снижается на 1,9 ... 2,2 %, а удельный расход топлива возрастает на 0,7 ... 1 %.
Повышение температуры воздуха на входе в ГТД-при установке холодильника масла на впуске приводит не только к снижению мощности, но и к падению экономичности двигателя. Расчеты показывают, что при увеличении температуры воздуха на входе на 1 °С удельный расход топлива в ГТД без соплового регулирования увеличивается на 0,3 ... 0,6 %, а в ГТД с сопловым регулированием — на 0,1 ... 0,2 % .
В том случае, если удельная теплоотдача в масло невелика, можно применить комбинированное охлаждение масла — топливом и воздухом, засасываемым в компрессор. При этом повышение температуры воздуха на входе составит 1 ... 2 °С. Снижение отдачи тепла в масло, его охлаждение топливом и исключение вентилятора может заметно повысить экономичность и снизить путевой расход топлива. Например, уменьшение теплоотдачи с 55 до 25 Вт/кВт вследствие снижения механических потерь уменьшает расход топлива на 3 %. Если же применить охлаждение масла топливом, его расход снизится еще примерно на 1 % за счет подогрева. Кроме того, при этих условиях можно обойтись без вентилятора, охлаждая масло воздухом, идущим в компрессор. Принимая, что на привод вентилятора расходуется 1 ... 2 % топлива, потребляемого ГТД, можно получить повышение экономичности силовой установки на 5 ... 6 %. Снижение же мощности из-за подогрева воздуха (на 1,5 ... 2 %) будет компенсировано отсутствием затрат мощности на привод вентилятора. При отсутствии вентилятора упростится конструкция силовой установки, снизятся ее масса и габариты, увеличится приемистость. Выводы
1. Удельная теплоотдача в масло у транспортных двух-вальных ГТД мощностью порядка 1000 кВт и менее на номинальном режиме колеблется от 20 до 60 Вт/кВт, причем меньшие цифры относятся к двигателям без теплообменника (для снижения теплоотдачи приняты специальные меры).
2. От масла в топливо можно отвести около 8 ... ... 16 Вт/кВт, при повышении температуры масла до 110 ... 115 °С и топлива до 100 ... 110 °С величина теплового потока может быть увеличена до 12 ... 22 Вт/кВт,
3. При охлаждении масла воздухом, засасываемым в компрессор, повышение температуры воздуха не зависит от режима работы ГТД и при (}М)/№е =40.. .60 Вт/кВт достигает 5 ... 8 °С; при ФМ/А0 ~20.. .30Вт/кВт — 2,5... 4 °С.
4. В случае, если удельная теплоотдача в масло не превосходит 20 ... 25 Вт/кВт, применяется комбинированное охлаждение масла топливом и воздухом, всасываемым в компрессор. При этом можно избежать применения вентилятора и заметно (на 5 ... ... 6 %) повысить экономичность силовой установки, уменьшить ее объем и повысить приемистость.
