Совершенствование судовых осевых микротурбин за счет частичной интеграции рабочего колеса в сопловой аппарат

Актуальность темы исследования. Одним из важнейших показателей судна является автономность его работы, которая напрямую зависит от эффективности главного и вспомогательного энергетического оборудования. Поэтому повышение эффективности энергетического оборудования на судах является первоочередной задачей.При выборе главных и вспомогательных двигателей для главной энергетической установки судов с традиционными двигателями внутреннего сгорания конкурируют газовые турбины за счет более высоких показателей удельной мощности и маневренности, более низкой стоимости и ремонтопригодности. Надежность, относительная дешевизна, быстрота пуска и отсутствие потребности в охлаждающей воде определили распространенность газовых турбин в малой энергетике. На современных судах газовые турбины применяются в качестве привода вспомогательного оборудования судовой энергетической установки (компрессоры, генераторы, насосы и т.д.), для утилизации тепла отработавших в главном двигателе газов и для привода пневмоинструмента, используемого при ремонте и обслуживании судна. Газовая турбина выступает в роли оптимального решения при выборе типа главного двигателя для судов критически малых водоизмещений. Применение газовых турбин в вышеуказанных областях энергетики обусловлено требованиями малых габаритов и массы применяемого двигателя. При этом наблюдаются малые массовые расходы рабочего тела (РТ), а получение требуемой мощности достигается высокими перепадами энтальпий. Такие турбины принято называть микротурбинами (МТ) (в некоторых источниках – «малоразмерные турбины» или «малорасходные турбины»).Наибольшее распространение получили осевые микротурбины в диапазоне мощностей от 5 Вт до 250 кВт. Коэффициент полезного действия (КПД) в области оптимума микротурбин варьируется от 15 до 60 % в зависимости от конструкции, габаритов и режимных параметров.Степень разработанности темы исследования. Существенный вклад в изучение конструкции и газодинамических процессов микротурбин внесли Н.Н. Быков, О.Н. Емин, С.Н. Зарицкий, А.Е. Зарянкин, И.В. Котляр, Ю.П. Кузнецов, А.С. Наталевич, Б.В. Овсянников, В.А. Рассохин, Ю.Я. Фершалов и др. Их работы отражают результаты экспериментальных и теоретических исследований турбинных ступеней, имеющих малые размеры проточной части.Современные микротурбины уступают по уровню КПД полноразмерным турбинам. Однако исследования показывают, что коэффициенты скорости СА и РК осевых микротурбин могут достигать соответственно 0,97 и 0,92, что соиз-меримо с полноразмерными ступенями турбин, т.е. можно констатировать факт того, что потери кинетической энергии в лопаточных аппаратах турбин до-стигли теоретически возможных минимальных значений.Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что резерв повышения эффективности МТ кроется в совершенствовании их конструкции, в которой будут минимизированы потери энергии, не связанные с проточной частью СА и РК.Цель работы — повышение эффективности осевых микротурбин за счет технического совершенствования конструкции ступени путем частичной интеграции рабочего колеса в сопловой аппарат.Объект исследований – ступень микротурбины с частичной интеграцией рабочего колеса в сопловой аппарат.Предмет исследований – КПД ступени микротурбины с частичной интеграцией рабочего колеса в сопловой аппарат.Научную новизну работы составляют:– база данных результатов экспериментальных исследований микротурбин с частичной интеграцией рабочего колеса в сопловой аппарат;– математическая модель регрессионного типа, позволяющая решать за-дачу определения КПД микротурбин в диапазоне проведенных эксперимен-тальных исследований;– новые знания о взаимном влиянии режимных и конструктивных пара-метров исследованных ступеней МТ на КПД;– инженерная методика для определения оптимальных геометрических и режимных параметров МТ, соответствующих максимальному КПД в случае применения конструкции с частичной интеграцией РК в СА.Теоретическая значимость работы состоит в результатах комплексной оценки влияния на эффективность микротурбин применения конструкции с ча-стичной интеграцией рабочего колеса в сопловой аппарат.Практическая значимость работы заключается в новой инженерной ме-тодике определения оптимальных геометрических и режимных параметров микротурбин, соответствующих максимально возможному КПД в случае при-менения конструкции с частичной интеграцией рабочего колеса в сопловой аппарат, при разработке новых и модернизации существующих ступеней микро-турбин, эксплуатирующихся в составе судовых энергетических установок и в других отраслях энергетики.