Эжекторная установка с авиационным газотурбинным двигателем для ледокольной платформы на воздушной подушке

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

УДК 629.12

Д. С. Буров, С. Н. Зеленов, П. В. Семашко, А. Р. Хабибуллина

ЭЖЕКТОРНАЯ УСТАНОВКА С АВИАЦИОННЫМ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ДЛЯ ЛЕДОКОЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ

D. S. Burov, S. N. Zelenov, P. V. Semashko, A. R. Khabibullina

EJECTOR UNIT WITH AVIATION GAS TURBINE ENGINE FOR THE ICE-BREAKING PLATFORM ON THE AIR CUSHION

Опыт применения ледокольных платформ на воздушной подушке показывает, что в определенных условиях такие суда оказываются более экономичными, чем любые другие транспортные средства. Решается актуальная задача обеспечения надежного круглогодичного технического обслуживания объектов нефтегазодобычи в условиях мелководья Северного Каспия. Рассматривается применение для разрушения льда платформы на воздушной подушке. Анализируются возможность и эффективность использования в качестве нагнетательной тур-боэжекторной установки в составе авиационного газотурбинного двигателя и газодинамического эжектора. Выполнен расчет основных геометрических характеристик эжектора: внутреннего диаметра, длины и диаметра камеры смешения. Определены его газодинамические характеристики: коэффициент эжекции, давление и расходы газа на входе в подушку. Полученные результаты необходимы для подтверждения целесообразности постройки экспериментальной ледокольной платформы на воздушной подушке с турбоэжекторной установкой.

Ключевые слова: ледокольная платформа на воздушной подушке, подъемный комплекс, нагнетательная установка, эжектор, авиационный газотурбинный двигатель.

The experience of the application of ice-breaking platforms on the air cushion shows that under certain conditions such vessels prove to be more economical than any other transportation means. The urgent problem of guaranteeing the reliable year-round maintenance of the objects of oil and gas extraction under the conditions of the shallow waters of the North Caspian Region is solved. Application for breaking the ice of the platform on the air cushion is examined. The possibility and effectiveness of its use as a pressuring turbine ejector unit in the structure of aviation gas-turbine engine and gas-dynamic ejector is analyzed. The calculation of such fundamental geometric characteristics of the ejector as inside diameter, length and diameter of the mixing chamber is executed. Its gas-dynamic characteristics such as the coefficient of ejection, pressure and gas supply at the entrance into the air cushion are determined. The obtained results are necessary for the confirmation of the expediency of building an experimental ice-breaking platform on the air cushion with the turbine ejector unit.

words: ice-breaking platform on the air cushion, lifting complex, pressuring set, ejector, aviation gas turbine engine.

Введение

В разное время в России и за рубежом [1] были построены и эксплуатировались ледокольные платформы на воздушной подушке (ЛПВП). Ледокольная платформа на воздушной подушке - это несамоходное судно, способное непрерывно при скорости 5...12 км/ч разрушать лед толщиной до 1,5 м в местах, где не могут работать речные ледоколы.

Проектируемая ЛПВП предназначается для эксплуатации в Северной части Каспийского моря. Известно, что для большей части площади (68 %) Северного Каспия характерны значения

глубины менее 4,5 м, что затрудняет использование здесь обычных ледоколов в силу их значительных габаритных размеров. В то же время интенсивность добычи углеводородов в этом регионе нарастает с каждым годом. К 2020 г. объем добычи нефти ожидается на уровне 200 млрд т, газа - 270 млрд м3, что составляет 3 % мирового запаса нефти и 5 % газа. Значения темпов роста добычи в этом регионе выше мировых значений.

Платформа будет использоваться для решения следующих задач:

1. Транспортировка грузов, в том числе крупногабаритных, от берега до объектов нефтегазодобычи.

2. Доставка грузов на объекты в прибрежной морской зоне и на шельфе.

3. Транспортировка ремонтных партий с техникой, инструментами и материалами к местам аварий, разливов нефти и т. п.

Отметим, что при этом должна быть обеспечена возможность круглогодичной эксплуатации над водной поверхностью; сплошным, толщиной до 0,5 м, битым и торосистым льдом; над поверхностью суши; снежным покровом; над лугами, покрытыми кочками и мелким кустарником; над болотами при температуре наружного воздуха от -30 до + 30 оС.

Основной особенностью энергетических установок (ЭУ) таких судов [2-4] является то, что вся энергия главных двигателей затрачивается на создание и поддержание в воздушной подушке избыточного давления Р, обеспечивающего эффективное разрушение льда определенной толщины, и расхода воздуха (или газа) Q. Характерные значения давления и расхода при средней высоте висения с зазором в гибком ограждении 3...5 мм и указанных значениях толщины льда для ЛПВП, по статистическим данным, составляют Р = 10.12,5 кПа и Q = 0,6.. .0,9 м3/с на 1 м гибкого ограждения [1, 2].

При выборе типа и состава ЭУ ЛПВП [3] приходится учитывать также требование ее надежной работы в условиях низких значений температуры, обводненности и заснеженности забортного воздуха. Это относится и к системам, обеспечивающим подвод, хранение и подачу топлива, запуск двигателей. С учетом повышенной шумности двигателей и нагнетательных установок управление и контроль над их работой должны осуществляться с поста управления, располагающегося в рубке судна, где обеспечиваются необходимые условия обитаемости.

Ниже приводятся результаты расчета газодинамических и геометрических характеристик эжектора нагнетательной установки подъемного комплекса с авиационным газотурбинным двигателем (ГТД) для ЛПВП, представляющей собой в плане понтон прямоугольной формы с размерениями Ь х В х Н = 14 х 12 х 1,5 м (рис. 1).

14000

Рис. 1. Размещение эжекторной установки на палубе ЛПВП

Опытная эксплуатация турбоэжекторных установок [2, 4] показала, что, несмотря на повышенный расход топлива и шумность, они имеют ряд преимуществ: надежный и быстрый запуск главных двигателей в холодное время, отсутствие обмерзания гибкого ограждения, возможность эффективного подогрева жидкого балласта и др. В случае оборудования эжектора дополнительным выпускным соплом ЛПВП также сможет самостоятельно перемещаться с небольшой скоростью и, при необходимости, выходить на необорудованный берег.

Рассматриваемая нами установка включает турбореактивный двигатель АИ-25ТЛ и эжектор, состоящий из воздухозаборника, смесительной камеры и диффузора. В этом случае непосредственно в подкупольное пространство ЛПВП подается газовоздушная смесь, состоящая из выпускных газов ГТД и эжектируемого забортного воздуха. Параметры смеси на выходе из диффузора по избыточному давлению должны составить не менее 4,2 кПа, по суммарному расходу - не менее 40 кг/с, температура из условия нормальной работы гибкого ограждения принимается +70. 80 0С.

При выборе типа ГТД и режима его работы нами учитывались возможность обеспечения необходимых давления, расхода и температуры газа в подушке ЛПВП, а также отсутствие при этом каких-либо ограничений на рабочие параметры двигателя, приводящих к снижению его ресурса. Анализ характеристик современных авиационных ГТД показал, что наиболее подходящим по своим параметрам является двигатель ТРД АИ-25ТЛ. За рабочий режим работы двигателя принят режим 0,5 номинального. Эксплуатация двигателя на указанном режиме позволит существенно снизить температуру газов перед турбиной и увеличить срок его службы до первого ремонта, который на номинальном режиме составляет 6000 ч, и, таким образом, не устанавливать ограничения на продолжительность непрерывной работы.

При решении задачи были приняты следующие допущения:

1. Течение в эжекторе, камере смешения и диффузоре дозвуковое, т. е. < 1.

2. Поток газа в выходном сечении камеры смешения, которую принимаем цилиндрической, считаем одномерным и осесимметричным. Реальная картина течения может быть получена при натурных испытаниях.

3. При расчете пренебрегаем разницей в физических свойствах потоков активного и пассивного газов.

4. Так как масса эжектируемого воздуха относительно невелика, принимаем значение показателя адиабаты (для продуктов сгорания) k = 1,33.

5. В расчете не учтены потери на трение.

Исходными данными для расчета турбоэжекторной установки являлись давление в подушке ЛПВП Рп, расход газа (воздуха) Qп и допустимая температура в подушке Тп. Давление выбиралось исходя из толщины льда, характерной для районов Северного Каспия, расход - из расхода через зазор в гибком ограждении при принятых размерах ЛПВП, температура - из допустимого температурного режима работы материала гибкого ограждения.

С учетом изложенного были приняты следующие значения параметров.

1. Давление газа в подушке (избыточное) - 0,042 кгс/см2 (4,2 кПа), принимается в зависимости от принятой толщины разрушаемого льда h = 0,3 м.

2. Суммарный расход воздуха (газа) - 40 кг/с.

3. Приведенные параметры двигателя АИ-25ТЛ на режиме 0,5 номинального при давлении окружающей среды Р0 = 1,033 кгс/см2 (103,3 кПа), То = 15 оС:

- расход газа Gг = 32,3 кг/с;

- тяга двигателя R = 750 кгс (7500 Н);

- полное давление в камере смешения двигателя Р*м= 1,29 кгс/см2 (129 кПа);

- температура газа на срезе сопла Тс = 435 К;

- расход топлива Gт = 435 кг/ч;

- диаметр среза сопла dс = 470 мм = 0,1734 м2).

Для определения перепада давления в сопле Рс рассчитаем параметры газа на срезе сопла двигателя. Расчет произведем, используя газодинамические функции (ГДФ), через известную величину тяги, развиваемой двигателем на принятом режиме, R = Gг•Cг. Тогда скорость газа будет равна Сг = R/Gг = 7500/32,3 ~ 228 м/с, а критическую скорость газа определим из соотноше-

ния акр = 18,12^ = 18,1^л/435 ~ 378 м/с. Относительная скорость, по которой определяются

значения ГДФ, будет равна X с = Сг/акр = 228/378 ~ 0,60. По таблицам ГДФ находим: р(Хс) = 0,8098; д(Хс) = 0,8133; г(Хс) = 2,27. Используя найденные вспомогательные величины, определим полное давление газа на срезе активного сопла по формуле

Р* = -

32,3л/435

0,388д(Хс) Fc 0,388 • 0,8133 • 0,1734 -104

В таком случае перепад давления в сопле составит

Р* 1,23

Р = =------* 1,19.

Ра 1,033

= 1,23 кгс/см2 * 123 кПа .

Потребную степень повышения давления воздуха в эжекторе р3 можно определить по величине давления в подушке: Р4* = Ра + Ризб = 1, 075 кгс/см2 ~ 107,5 кПа.

Примем Р4 ~ Р^, тогда, с учетом коэффициента восстановления давления в диффузоре о = 0,97, получим величину полного давления в камере смешения:

Р; 1,075

Рд 0,97

*1,11.

Искомая степень повышения давления будет равна:

Р* 1,11 , П-7,

п3 = — =------«1,075.

3 Ра 1,033

Основную геометрическую характеристику эжектора ^ определим по формуле А. С. Христиановича [5], подставив в нее необходимые величины (формула справедлива при Хь Х2, Х3 = 0,15 < X < 1). Получим:

= £-1 = Д = Ц9-1.^ 2 3 п -1 I 1,075 -1

Размеры проходного сечения камеры и диаметр смешения эжектора

dз = 470^253 к 750 мм.

Схема эжектора приведена на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема эжекторной установки

Размеры эжектора принимаем из конструктивных соображений - угол раскрытия диффузора о = 14о; относительные длина прямого участка камеры смешения lKJd3 = 4 и длина диффузора ljd3 = 2,5; расстояние до экрана h/d3 = 0,5; R/d3 = 0,7; диаметр экрана d3/d3 = 3. Экран на выходе из диффузора устанавливаем для более равномерного распределения потока газа (выравнивания давления) в подкупольном пространстве ЛПВП.

Заключение

Анализ показал возможность и эффективность использования авиационных турбореактивных ГТД для создания воздушной подушки ЛПВП. Существующая в авиации практика списания выработавших свой срок летной годности, но еще работоспособных двигателей позволит решить проблему создания высокоэффективных и относительно дешевых энергетических установок для наземного применения, в частности для ЛПВП.

Расчеты по экспериментальной ЛПВП с турбоэжекторной установкой, выполненные нами, предназначаются для подтверждения имеющихся теоретических положений и выводов в реальных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зуев В. А. Средства продления навигации на внутренних водных путях / В. А. Зуев. Л.: Судостроение, 1986. 207 с.

2. Рябинкин А. Б. Результаты испытаний ледокольной платформы на воздушной подушке / А. Б. Ря-бинкин, П. А. Малахов, А. В. Саватеев // Проектирование средств продления навигации: межвуз. сб. Горький: ГПИ им. А. А. Жданова, 1986. С. 104-107.

3. Зеленов С. Н. Энергетические установки ледокольных платформ на воздушной подушке / С. Н. Зеленов // Вторая Междунар. конф. и выставка по морским интеллектуальным технологиям: материалы конф. МОРИНТЕХ-97. СПб.,1997. Т. 5. С. 101-103.

4. Богданов А. В. Некоторые результаты испытания авиационного турбореактивного двигателя РД-9Б / А. В. Богданов, А. С. Косолапов, В. В. Назаров, А. Б. Рябинкин // Проектирование средств продления навигации: межвуз. сб. Горький: ГПИ им. А. А. Жданова, 1986. С. 60-62.

5. Щукин Р. К. Газоструйные компрессоры / Р. К. Щукин, И. И. Калмыков. М.: Машгиз, 1963. 146 с.

REFERENCES

1. Zuev V. A. Sredstva prodleniia navigatsii na vnutrennikh vodnykh putiakh [Means of the prolongation of navigation on the inland waterways]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1986. 207 p.

2. Riabinkin A. B., Malakhov P. A., Savateev A. V. Rezul'taty ispytanii ledokol'noi platformy na voz-dushnoi podushke [Results of the tests of ice-breaking platform on the air cushion]. Proektirovanie sredstvprodleniia navigatsii. Mezhvuzovskii sbornik. Gorky, GPI im. A. A. Zhdanova, 1986. P. 104-107.

3. Zelenov S. N. Energeticheskie ustanovki ledokol'nykh platform na vozdushnoi podushke [The power plants of ice-breaking platforms on the air cushion]. Vtoraia Mezhdunarodnaia konferentsiia i vystavka po morskim in-tellektual’nym tekhnologiiam. Materialy konferentsii MORINTEKh-97. Saint Petersburg, vol. 5, pp. 101-103.

4. Bogdanov A. V., Kosolapov A. S., Nazarov V. V., Riabinkin A. B. Nekotorye rezul'taty ispytaniia avia-tsionnogo turboreaktivnogo dvigatelia RD-9B [Some results of testing the aviation turbojet engine RD-9B]. Proektirovanie sredstv prodleniia navigatsii. Mezhvuzovskii sbornik. Gorky, GPI im. A. A. Zhdanova, 1986, pp. 60-62.

5. Shchukin R. K., Kalmykov 1.1. Gazostruinye kompressory [Gas flow compressors]. Moscow, Mashgiz, 1963. 146 p.

Статья поступила в редакцию 19.04.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Буров Дмитрий Сергеевич - Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; магистрант кафедры «Энергетические установки и тепловые двигатели»; dmitry.burov@mail.ru.

Burov Dmitriy Sergeyevich - Nizhniy Novgorod State Technical University after R. E. Alekseev; Master’s Student of the Department "Electric Power Installations and Heat Engines"; dmitry.burov@mail.ru.

Зеленов Сергей Николаевич - Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Энергетические установки и тепловые двигатели»; zelenov.52@yandex.ru.

Zelenov Sergey Nikolayevich - Nizhniy Novgorod State Technical University after R. E. Alekseev; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Electric Power Installations and Heat Engines"; zelenov.52@yandex.ru.

Семашко Петр Владимирович - Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Энергетические установки и тепловые двигатели»; petrsemashko@mail.ru.

Semashko Peter Vladimirovich - Nizhniy Novgorod State Technical University after R. E. Alekseev; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Electric Power Installations and Heat Engines"; petrsemashko@mail.ru.

Хабибуллина Алина Равильевна - Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; магистрант кафедры «Кораблестроение и авиационная техника»; cottononly@gmail.com.

Khabibullina Alina Ravilievna - Nizhniy Novgorod State Technical University after R. E. Alekseev; Master’s Student of the Department "Shipbuilding and Aviation Equipment"; cottononly@gmail.com.