GÁZTURBINÁS HAJTÓMŰVEK JELLEMZŐINEK JAVULÁSA AZ ÁRAMLÁSI FELÜLETEK TISZTÍTÁSAKOR, A JAVULÁS MEGHATÁROZÁSA

Átírás

1 GÁZTURBINÁS HAJTÓMŰVEK JELLEMZŐINEK JAVULÁSA AZ ÁRAMLÁSI FELÜLETEK TISZTÍTÁSAKOR, A JAVULÁS MEGHATÁROZÁSA Dr. Pásztor Endre Prof. Emeritus, egyetemi docens ZMNE Reülő Sárkány-Hajtómű Tanszék A szerző a sugárhajtómű aramétereinek, a hajtómű áramlási felületei tisztításakor bekövetkező javulását határozta meg. Megállaította, hogy az áramlási felületek tisztítása minden esetben kedvezően javítja a hajtómű jellemzőit. A javulás mértékének megállaítására, a közvetlenül mérhető araméterekre támaszkodva, kétáramú hajtómű figyelembevételével, számítási eljárást dolgozott ki. Vizsgálatai kimutatták, hogy a hajtómű alavető jellemzőinek javulása, jól sikerült tisztítás esetén eléri az 1%-ot. Megfontolásokat végzett a nagyjavítási időszakok közötti tisztítások otimális elosztására és számára vonatkozóan, figyelemmel arra, hogy a tisztítás számának növekedésekor már a tisztítás költségei és a reülési idő kieséséből származó veszteség sem elhanyagolható. Vizsgálatai szerint két nagyjavítási időszak között -3 tisztítást célszerű végezni. A HAJTÓMŰVEK ELSZENNYEZŐDÉSÉNEK FOLYAMATA, JELENTŐSÉGE ÉS TISZTÍTÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI A hajtóművek belső áramlási felületeinek durvulása és elszennyeződése következtében a tolóerő csökken, és a tüzelőanyag-fogyasztás növekszik. Az áramlási veszteség növekedéséből adódó kedvezőtlen hatásokat a munkafolyamat maximális hőmérsékletének (tüzelőtér utáni hőmérséklet) növelésével egy ideig még lehet ellensúlyozni a tüzelőtér utáni hőmérséklet megengedett maximális értéke eléréséig. A tüzelőanyag-fogyasztás természetesen ilyenkor már növekszik. Amikor a munkafolyamat maximális hőmérséklete tovább már nem emelhető, az áramlási veszteség további növekedésekor a tolóerő már csökken. Elsősorban a komresszor belső felülete érzékeny a kvarc-szemcsék (or) okozta kotató hatásra és a szennyeződésre. A szennyeződés jelentősen növekszik abban az esetben, ha a felületekre olajgőzök csaódnak le, l. a csaágylabirintok tömítő 19

2 DR. PÁSZTOR ENDRE kéessége csökkenésekor. A tisztítás különösen fontos a földön üzemelő gázturbinák esetében. Erre tiikus élda a MOL gázvezetékei mellett üzemelő gáznyomás-fokozó gázturbinás teleek gázturbináinak roblémája, ahol az igen gondos levegőszűrés mellett a gázturbinák belső feleletét ontosan előírt technológiával és gyakorisággal tisztítják (mossák). Hasonló a helyzet, bár nem ennyire szigorúan előírt, a szállító reülőgéek hajtóművei belső felületei tisztításakor is. A tisztítással csak a szennyeződés távolítható el, az áramlási felületek (döntően a laátok felületei) durvulása nem állítható meg. Ennek következtében a hajtóművek aramétereinek romlása a leggondosabb tisztítás mellett sem akadályozható meg, csuán mérsékelhető. A tisztításkor elsősorban a komresszor jellemzői (hatásfoka) javulnak, mivel a komresszor-laátokra az olajgőzökkel dúsított szennyeződés oldható formában rakódik le. A komresszor utáni áramlástechnikai részegységekre a szennyeződés koksz formában ég rá, azt a hajtómű megbontása nélküli tisztítással eltávolítani már nagyon nehéz. A szétszerelés nélküli tisztításra eddig két, egymástól nem jelentősen különböző tisztítási eljárás alakult ki. A leggyakrabban valamilyen, megfelelő hígítású mosófolyadékot fecskendeznek be a hideg-indítással forgatott gázturbinába. A másik módszer szerint, ugyancsak hideg-indítással, megőrölt dióhéjat vagy rizst juttatnak be a komresszor elé, ilyenkor a katató hatás tisztít. A kotatással történő tisztítás hátránya, hogy nehezen szabályozható, a túlzott tisztítás a laátokra felvitt védőbevonatot is megbonthatja. A mosófolyadékos tisztítás komlikáltabb, de jól szabályozható és eredményessége vizuálisan is jól érzékelhető. A mosófolyadékos tisztítás látványos jelenség. Először erősen barnás-feketés mosóhab áramlik ki a fúvócsövön, majd a hab lassan világosodik és a hab színének stabilizálódása után a mosás befejezettnek tekinthető. A mosást jelentős (kb. negyed-, félóra) szünetekkel többször ismétlik, a szennyeződés fellazulása folyamatának elősegítése, másrészt a hideg-indításkor felmelegedett indítómű lehűtésére [1]. A TERMIKUS-ÁRAMLÁSI JELLEMZŐK JAVULÁSÁNAK FOLYAMATA A VIZSGÁLT TÍPUSÚ HAJTÓMŰ TISZTÍTÁSA FOLYAMÁN E tanulmány az NK 8 U jelű, kétáramú reülőgé sugárhajtómű tisztításával foglalkozik és a szerző erre a tíusra dolgozott ki a javulás meghatározására számítási eljárást. Azért választotta ezt a tíust vizsgálódása tárgyául, mert erre a 130

3 GÁZTURBINÁS HAJTÓMŰVEK BELSŐ ÁRAMLÁSI FELÜLETEINEK TISZTÍTÁSA tíusra rendelkezett legtöbb adattal a tisztításra vonatkozóan is, és erre merült fel igény a javulást számítási eljárással meghatározni []. 1. ábra A hajtómű jelölési rendszere A vizsgált hajtómű tisztításakor (vázlata és az alkalmazott jelölések az 1. ábrán) csökken az áramlási ellenállás, elsősorban ott, ahol még levegő és nem forró gáz (égéstermék) áramlik. Ennek következtében javul a ventilátor (V), a kisnyomású (K 1 ) és kisebb mértékben a nagynyomású (K ) komresszor hatásfoka, valamelyest csökken a diffúzor (d) és a külső áramkör (K a ) nyomásvesztesége is. Az eddigi vizsgálatok szerint elsősorban a ventilátor és a kisnyomású komreszszor hatásfoka javulásának van jelentősége, a továbbiakban csak ezek hatását vesszük figyelembe. A kisnyomású komresszor és a vele együttforgó ventilátor teljesítményfelvétele hatásfokaik javulása következtében csökken, így a kisnyomású turbina (t 1 ) még változatlan teljesítmény-leadása következtében a kisnyomású tengely n 1 fordulatszáma növekszik, ennek következtében nő a nagynyomású tengely n fordulatszáma is. A tisztítás után megnövekedett n fordulatszámot, a tüzelőtér utáni T 5 hőmérséklet csökkentésével, az eredeti n értékre kell visszaszabályozni. A T 5 hőmérséklet csökkenése a tüzelőanyag-fogyasztás csökkenését és a hajtómű gazdaságossága növekedését eredményezi. A T 5 csökkenése a t 1 turbina után mért T hőmérséklet csökkenésén keresztül érzékelhető. Az üzembentartó a tisztítástól a turbinák körüli hőmérsékletek nem elhanyagolható csökkenésén kívül a tolóerő növekedését és az üzemanyag-fogyasztás csökkenését várja. Eddigi irodalmi [3] és saját eredményeink szerint e két jellemző változása még igen eredményes tisztítás esetén is 1%-on belül mozog, így ezen változásokat közvetlen méréssel megállaítani nem lehet. Ezért a szerző a javulás megállaítására számítási eljárást dolgozott ki, melyet az alábbiakban vázlatosan ismertet. 131

4 DR. PÁSZTOR ENDRE SZÁMÍTÁSI ELJÁRÁS A TISZTÍTÁS UTÁNI TOLÓERŐ NÖVEKEDÉS ÉS A TÜZELŐANYAG-FOGYASZTÁS CSÖKKENÉSÉNEK MEGHATÁROZÁSÁRA ALAPELVEK, ALAPADATOK A számítási eljárást azon alagondolatra feléítve dolgoztuk ki, hogy a javulás a ventilátor és a kisnyomású komresszor hatásfok növekedése következtében jön létre. Ezen alagondolatnak megfelelően a számítási eljárás két főrészre osztható. Először a mérhető jellemzők változásából meghatározzuk a ventilátor és a kisnyomású komresszor hatásfok javulását, majd a hatásfokok javulása segítségével a tisztítás utáni hajtómű aramétereket. Tanulmányunkban elsősorban a számítás első részével foglalkozunk, mivel a számítás második része már ismertebb elemekből éül fel. A számítás végrehajtásához szükségünk van a hajtómű matematikai modelljére a vizsgált üzemállaotban. Ez szolgáltatja azt a bázisállaotot, melynek termikus áramlási jellemzői megegyeznek a hajtómű tisztítás előtti jellemzőivel. A matematikai modellt eddigi munkásságunk [] eredményei segítségével hoztuk létre. A modell legfontosabb termikus áramlási jellemzői felszálló (start) üzemállaotban (jelölések az 1. ábra szerint): Nyomásveszteségi tényezők: σ d 1 0 0,995; σ é 5 4 0,9; σ ka 0,99; σ m 8 0,99 Hatásfokok: η 0,95; η é η izt izv 0,86; η Kétáramúsági fok: m 0,86; η izt 1 0,855; η izk 1 izk 0,865; η m m ka k1 1 izf 0,95 0,845; Az 1. ábrán látható kitüntetett metszetek lefékezett jellemzői: 13

5 GÁZTURBINÁS HAJTÓMŰVEK BELSŐ ÁRAMLÁSI FELÜLETEINEK TISZTÍTÁSA 0 0,104 MPa; T k 4 3 3; T 0,054 MPa; K; 14,85K; T 8 v 903K; T 0,034 MPa; 1,0515; k1 1, ,501K; 3 0,104 MPa. kg Tolóerő: 103,14 kn; Levegőfogyasztás: m ka m k1 108,816 ; kg Teljes tüzelőanyag-fogyasztás: 69,5 h s A MÉRÉSI EREDMÉNYEK PONTOSÍTÁSA A tényleges számítás megkezdése előtt a tisztítás előtti és utáni mért adatokat ontosan azonos környezeti állaotra kell vonatkoztatni, mert egy esetleges, a tisztítás alatti jelentősebb környezeti állaotváltozás nagyobb eltérést okozhat a hajtómű jellemzőiben, mint maga a tisztítás. Az azonos állaotra történő átszámítást a gékönyv idevonatkozó utasítása [4] alaján végeztük el. Az 1. számú táblázatban azonos környezeti állaotra vonatkoztatva ( 0 0,104 MPa; T 0 88 K), éldakéen látható egy kiválasztott hajtómű tisztítás előtti és utáni mért jellemzői. 1. számú táblázat n 1 n T Tisztítás előtt 96,5% 98,% 890 K Tisztítás után 96,6% 98,0% 883 K A mérési eredmények ontosításának második alakövetelménye az, hogy az n fordulatszám ontosan azonos legyen tisztítás előtt és után. E feltétel nem teljesülése esetén e szabályozási ontatlanságból (n tisztítás előtt n tisztítás után) szintén nagyobb változás jöhet létre, mint a hajtómű tisztításából. A hajtómű fékadi jelleggörbéi felhasználásával korrekciós összefüggéseket hoztunk létre, hogy a hajtómű tisztítás előtti és utáni üzemállaota ontosan azonos n fordulatszám mellett legyen összehasonlítható. A start teljesítménye érvényes korrekciós összefüggések: t kor t mért (n mért -95,5) 13,333 (1) n 1kor n 1mért (n mért -95,5) 1,6 () Az összefüggésekben a hőmérsékleteket C 0 -ban, a fordulatszámokat %-ban kell behelyettesíteni. A 95,5 értékű konstans, a start üzemállaotban az n fordulatszám előírt %-os értéke. 133

6 DR. PÁSZTOR ENDRE A. számú táblázatban az 1. számú táblázat korrigált értékei láthatók. (A kor indexet elhagytuk, mivel a továbbiakban csak a korrigált értékekkel számolunk). n 1 n T Tisztítás előtt 9,18% 95,5% 854 K Tisztítás után 9,6% 95,5% 849 K. számú táblázat A SZÁMÍTÁSI MÓDSZER ISMERTETÉSE Figyelembe véve, hogy a nagynyomású tengely fordulatszáma nem változott, n n (a továbbiakban a tisztítás utáni jellemzőket csillag értékkel jelöljük), ezért igen jó közelítéssel k k. A kisnyomású tengely n 1 fordulatszáma a. számú táblázat adatai szerint megnőtt, így v > v és k1 > k1. Az Euler imulzus-nyomatéki egyenletből igen jó közelítéssel: ΔT ΔT n 1 n1 (3) ahol ΔT és ΔT a valóságos hőmérsékletek emelkedése a ventilátorban és a komresszorban mosás után és előtt. A nyomásviszonyok növekedése a Poisson egyenletből: n ΔT 1 1 n + T ΔT 1+ T (4) ahol: T a vizsgált komresszor előtti hőmérséklet, n a komresszió folyamatok olitroikus kitevője. Az n olitroikus kitevő és a komresszorok izentróikus hatásfoka közötti kacsolat: η iz k k κ 1 κ n 1 n 1 1 (5) 134

7 GÁZTURBINÁS HAJTÓMŰVEK BELSŐ ÁRAMLÁSI FELÜLETEINEK TISZTÍTÁSA ahol: κ 1,395 1,39 a komresszió folyamat átlagos izentróikus kitevője. A keverőtérre érvényes összefüggések: σ ka 10 (6.a.) * σ ka * 10 * (6.b.) A turbinák össz-nyomásviszonya: tσ t t1 Az m keverőtérbe beléő közegek (külső és belső áramkör) statikus nyomásainak jó közelítéssel egyenlőnek kell lenni, különben valamelyik közeg fojtásos állaotváltozást szenvedne a belééskor. A keverőtérbe beléő közegek sebességei sem különbözhetnek jelentősen egymástól, mert megnövekedne a keveredés közbeni imulzuscseréből származó veszteség. Fentiek következtében a keverőtérbe beléő közegek lefékezett (torló) nyomásai is egyenlők egymással. Ezeket a gondolatokat a matematikai modellek összeállításánál használtuk fel. A belső és külső áramkörök matematikai rész-modelljei felhasználásával [5, 6]: σ σ 5 0 d v k é () d v (8) 0σ A (6.b.) és a (8) egyenletek felhasználásával 0 σ d vσ ka (9) tσ értéke a () és (9) egyenletek felhasználásával: tσ 5 k1 σ k KA σ é (10) A vizsgált esetben tisztítás után: v,0659; k1 1,61; k k 3; t 5,194 (11) Feltételünk szerint tisztítás után csak a ventilátor és a kisnyomású komresszor fokozat hatásfoka javul, a többi géegység jellemzői változatlanok. Figyelembe véve, hogy a kis- és nagynyomású tengelyeken forgó géegységek tisztítás után is teljesítmény egyensúlyi állaotban üzemelnek, e feltételből meghatározható a ventilátor és a kisnyomású komresszor tisztítás utáni hatásfokai. Tekintettel a rend- Σ 135

8 DR. PÁSZTOR ENDRE η izv ésη izk1 kívül kicsi (maximum 1%-os) változásokra, a számítás folyamán lineáris interolációt alkalmaztunk. Számításaink folyamán értékeit arányosan változtattuk, mivel feltételeztük, hogy mindkettő javul. A számítás kiinduló alaontjai a következők voltak. Ismeretes a turbinák össznyomásviszonya: * tσ5,194, valamint az alacsonynyomású turbina utáni, tisztítás hatására bekövetkező hőmérsékletcsökkenés, ΔT * 5 K. Ezt a hőmérsékletcsökkenést levonva a matematikai modellben szerelő T 903 K-ből, megkatuk a tisztítás utáni matematikai modellhez tartozó T * 898 K értéket, mint kiindulási alaontot. A lineáris interoláció folyamán értékeit addig változtattuk, η izv ésη izk1 míg a matematikai modell fenti alaontokat kielégítette. A SZÁMÍTÁS EREDMÉNYEI Az előző ontban vázlatosan ismertetett számítás eredményei szerinti ventilátor és kisnyomású komresszor hatásfok javulásokat a 3. Táblázat mutatja be. 3. számú táblázat Tisztítás előtt η izv 0,86 η izk1 0,855 Tisztítás után η * izv 0,866 η * izk1 0,861 Látható, hogy a hatásfokok a tisztítás hatására közelítően 0,5%-kal javultak. Ezzel a tisztítás utáni matematikai modell minden jellemzője meghatározható, többek között a tolóerő és a tüzelőanyag-fogyasztások értékei is. A 4. táblázat a tisztítás előtti és utáni tolóerő és fogyasztási jellemzőket, a változások abszolút és százalékos értékeit tartalmazza. 4. számú táblázat Tisztítás után Tisztítás előtt Abszolút javulás Százalékos javulás F t 103,14 N 103,005 N 09 N 0,688 % B tüz 68 kg/h 69,5 kg/h 10,5 kg/h 0,16 % m lev 109,4 kg/s 108,8 kg/s 0,65 kg/s 0,59 % b fajl 0,0605 kg/nh 0,06109 kg/nh 0,0005 Kg/Nh 0,851 % F t fajl 94,4 Ns/kg 946,56 Ns/kg 0,86 Ns/kg 0,091 % A hajtómű aramétereinek javulása közül külön figyelmet érdemel a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás, mely közel 1%-os csökkentésével alavetően meghatározza az áramlási felületek tisztításának gazdasági előnyeit. Amennyiben tisztí- 136

9 GÁZTURBINÁS HAJTÓMŰVEK BELSŐ ÁRAMLÁSI FELÜLETEINEK TISZTÍTÁSA tás után is a tisztítás előtt tolóerőt kívánjuk létrehozni, akkor a hajtómű terhelésének csökkenése következtében tovább csökken a tüzelőanyag-fogyasztás és a csökkenés eléri az kg/h értéket. A számítás általánosított eredményei a. ábrán láthatók, ahol ΔT T -T hőmérséklet-csökkenés függvényében ábrázoltuk a különböző araméterek szemontjából elérhető %-os javulásokat. A kisnyomású komresszor Δn 1 % növekedésének értékét mérési eredményekből katuk, így ez az összefüggés közelítően érvényes. Az ábrában az egyes araméterek indexeit elhagytuk, mivel azok a 4. táblázatban egyértelműen megtalálhatók.. ábra A hajtómű jellemzőinek javulása a ΔT csökkenése függvényében Az eddigiekből megállaítható, hogy a hajtómű áramlási felületei tisztításának minden szemontból kedvező hatása van. Elsősorban jelentősebben elszenynyeződött hajtóművek (legalább óra üzemidő tisztítás nélkül) esetében tisztítás után a T hőmérséklet 8-10 fokot is csökkent, miközben az n 1 fordulatszám közel 1%-ot növekedett. A T csökkenése következtében nő a szabályozási tartalék, az üzembiztonság és az élettartam. A tisztításnak vannak azonban negatív hatásai is. Egy tisztítás ideje legalább 6-8 óra, a szükséges személyzet 3-4 fő, a tisztítás utáni hajtóműróbán elfogyasztott tüzelőanyag kb. 500 kg. Ezek után felmerül az igény a nagyjavítási időszak közötti otimális tisztítási szám meghatározására a maximális összgazdaságosság elérése érdekében. Sajnos ez a kérdés az előírt terjedelem következtében részleteiben nem tárgyalható, de az eddigi ilyenirányú vizsgálatok szerint [5; ] két nagyjavítási időszak között -3 tisztítás látszik otimálisnak. 13

10 DR. PÁSZTOR ENDRE FELHASZNÁLT IRODALOM [1] Cleaning the comressors of aircraft engines. Aircraft engineering. January [] Az Nk8-U hajtómű termikus áramlási analízise. Budaesti Műszaki Egyetem, Aero- és Termotechnika tsz. Budaest, kézirat. Témavezető: Dr.Pásztor Endre egy.tanár 198. Készült a MALÉV megbízásából. [3] Dvigatyel szemeisztva NK-8 romüvka gazovozdusnavo trakta dvigatyelej i roverka arametrov dvigatyelej imejuschih bolsuju narabotku v eksluatacii. Metodika N 0 MT Moskow. [4] Az NK8 U hajtómű jellemzőinek átszámítása normál araméterekre. Kézirat, MALÉV. [5] E.Pásztor: A matematical model for the investigation of aging rocesses with the two-flow turbofan jet-lants. Acta Technica Academiae Scientiarum Hungaricae, 9 (1-4),.59- (1984) [6] Az NK8 U hajtómű belső felületei tisztítása utáni aramétereinek számítással történő meghatározása. Budaesti Műszaki Egyetem, Aero- és Termotechnika tsz. Témavezető: Dr.Pásztor Endre egy.tanár. Kézirat Készült a MALÉV megbízásából. [] A hajtóművek belső felületei tisztítása gyakoriságának közelítő meghatározása. Kézirat. MALÉV 198. The author determined the imrovement of the arameters of jet-lants as a result of cleaning of flow-sace boundary surfaces of jet-lants. It was found that cleaning affected the economy of the jet-lant favourably in every case. To determine the rate of imrovement, a calculation method based on directly measurable arameters has been elaborated by the author to find that an imrovement of around 1 % of the basic arameters (thrust, fuel comsumtion, etc.) of the jet-lant can be achieved under favourable cleaning conditions. Based on aroximate economical considerations, the otimum number of cleanings between two general overhauls, and the otimum intervals at which cleaning shall be made within the service eriod of the jet-lant, has been determined, considering that the costs of cleaning are not negligible as the number of cleanings increase. According to the investigations, -3 cleanings shall be made in the eriod between two general overhauls. 138