автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Моделирование комбинированных энергоустановок на основе авиационного ГТД и топливных элементов в компьютерной среде



ЛОСКУТНИКОВ Александр Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ АВИАЦИОННОГО ГТД И ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДЕ

Специальность: 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

~9 лек гт

Уфа - 2010

004615901

Работа выполнена на кафедре авиационной теплотехники и теплоэнергетики ГОУ ВПО "Уфимский государственный авиационный технический университет" (УГАТУ)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Бакиров Федор Гайфуллович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Кривошеее Игорь Александрович кафедра авиационных двигателей Уфимского государственного авиационного технического университета

- доктор технических наук, профессор, Нефёдкин Сергей Иванович научный центр водородной энергетики Московского энергетического института (технического университета)

Ведущая организация - ФГУП УАП «Гидравлика», г. Уфа

Защита состоится 24.12.2010 г. в 14.00 часов в конференц-зале II корпуса на заседании диссертационного совета Д 212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу. 450000 Уфа, ул. К. Маркса, 12. Телефон (347) 273-06-81, факс (347)-272-29-18, e-mail: admin@ugatu.ac.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

"¿Д."

Автореферат разослан "¿л." 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ^ч

д-р техн. наук, профессор У^О^'рО ф.Г. Бакиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В современных условиях газотурбинные двигатели (ГТД) находят в силу своих высоких технических характеристик широкое применение не только в традиционных областях экономики страны, таких как авиация, судостроение, транспорт и др., но и в качестве наземных энергоустановок (ЭУ), например, в энергетике, газопроводном транспорте.

В целях повышения КПД энергоустановок разрабатываются и создаются на базе ГТД все более сложные комбинированные энергоустановки (КЭУ), в числе которых в последние годы за рубежом и в нашей стране начали активно прорабатываться КЭУ на базе ГТД и топливных элементов (ТЭ), которые в перспективе могут обеспечить повышение КПД КЭУ до 70-75%. В ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова» ведутся исследования по повышению эффективности ГТД и ЭУ на их базе введением ТЭ, применению ТЭ на борту летательных аппаратов.

Современные конкурентные экономические условия требуют наличия методов и инструментов для разработки новых образцов техники в кратчайшие сроки, а это невозможно без широкого применения современного математического аппарата и программных средств для ЭВМ, тем более при разработке таких новых и технически очень сложных объектов как КЭУ на базе ГТД и ТЭ.

Известные программные комплексы математического моделирования позволяют выполнять термогазодинамические расчеты только ГТД (ГРАД DVIGwT, GasTurb и др.) или ТЭС, ПТУ (Boiler Designer и др.). На сегодняшний день отсутствуют программные продукты, позволяющие рассчитывать параметры различных КЭУ на базе ГТД и ТЭ, в том числе из-за отсутствия модуля расчета ТЭ, базирующегося на учете внутренних электрохимических процессов.

Из вышеизложенного следует, что задача разработки программного комплекса для расчета характеристик на различных режимах многовариантных схем ЭУ на базе ГТД и ТЭ является актуальной.

Существующие методы расчета параметров ТЭ опираются на параметры вольт - амперных характеристик (ВАХ) ТЭ, которые на этапе проектирования закладываются гипотетически и уточняются экспериментальным путем. Сложность таких методик заключается в использовании индивидуальных ВАХ для ТЭ. При исследовании различных ТЭ необходимо опираться не на ВАХ конкретного ТЭ, а подробно рассматривать параметры внутренних электрохимических реакций ТЭ.

Цель работы: повышение эффективности проектирования и создания КЭУ на базе ГТД и ТЭ:

- разработкой методики, алгоритма и математической модели расчета КЭУ на базе ГТД и твердооксидных ТЭ (ТОТЭ), в которых будут

рассматриваться внутренние электрохимические процессы в ТЭ, с отказом отВАХ;

- созданием программного комплекса в компьютерной среде для расчета КЭУ на базе авиационных ГТД и ТОТЭ с оценкой их адекватности и апробацией на конкретных примерах.

Для достижения поставленной цели сформулированы и выполнены исследования по следующим основным задачам:

1. Выбор типа ТЭ для применения в составе КЭУ на базе ГТД на основе сравнительного анализа характеристик различных типов ТЭ.

2. Создание алгоритма, методики, математической модели расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанных на математических уравнениях (моделях), описывающих реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

3. Программная реализация на ЭВМ пакета, состоящего из математической модели функционального ТОТЭ, включенного в систему DVIGwT, позволяющего определять параметры различных схем КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ. Проверка адекватности математической модели ТЭ.

4. Исследование повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

Научная новизна работы:

■ Впервые созданы алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе АД и ТОТЭ, опирающиеся на математические уравнения, описывающие реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

■ Создан реализованный на ЭВМ программный пакет, позволяющий осуществлять структурно- параметрический синтез и анализ КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из созданной математической модели твердооксидного топливного элемента SOFC (официально зарегистрирован в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 2009613945 от 24.07.2009 г.), включенной в систему DVIGwT.

" Впервые получены результаты расчетных исследований, обосновывающие возможность повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

Методы исследований основаны на использовании:

• теории авиационных ГТД;

• основ термодинамики, теплопередачи, механики жидкости и газа;

• теории электрохимических процессов, проходящих внутри ТЭ;

• системного анализа и объектно-ориентированного подхода при моделировании сложных процессов и изделий;

• методов современных информационных технологий;

• численных методов решения систем нелинейных уравнений.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается использованием базовых фундаментальных положений теории электрохимических процессов, теории рабочих процессов ГТД, термодинамики равновесных химических реакций и подтверждается сопоставлением теоретических результатов исследований с экспериментальными характеристиками созданных ТОТЭ и энергетических установок на их основе.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель и ее программная реализация в виде модуля БОРС позволяют производить расчет основных параметров и характеристик ТЭ. Включение в программный комплекс ОУЮхуТ модуля позволяет рассчитывать характеристики различных схем КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ:

- на этапе проектирования - повысить эффективность процессов проектирования КЭУ на базе ГТД надстройкой их ЭХГ из ТОТЭ;

- на этапе исследований - возможность анализа работы проектируемых или созданных КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ на установившихся режимах, а также замены ряда экспериментов, связанных с натурными испытаниями на дорогостоящем оборудовании, на численное моделирование;

- в учебном процессе - выполнять термодинамическое моделирование КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ при проведении лабораторных работ, в курсовом и дипломном проектировании.

Реализация результатов работы. Разработанный программный модуль БОРС и результаты проведенных автором исследований с его использованием, внедрены в ОАО НЛП «Мотор», ФГУП УАП «Гидравлика», ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ) в учебном процессе кафедр «Авиационные двигатели» и «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика», а также в научно-исследовательской деятельности университета.

Использование модуля БОРС подтверждено прилагаемыми актами.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, опирающиеся на математические уравнения, описывающие реакции пароводяной конверсии топлива в ТОТЭ, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

2. Реализованный на ЭВМ программный пакет, позволяющий осуществлять структурно- параметрический синтез и анализ КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из созданной матёматической модели твердооксидного топливного элемента БОРС, включенной в систему БУЮ\уТ.

3. Результаты расчетных исследований, обосновывающих

возможность повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на 6 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Международной молодежной научной конференции "XII Туполевские чтения" (Казань. 1011 ноября 2004 г.); II научно - технической конференции молодых специалистов, посвященной годовщине образования ОАО "УМПО". (Уфа. 5-7 июля 2006 г.); Международной научно - технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (Самара. 24-26 июня 2010 г.); научно- технической конференции "Мавлютовские чтения". (Уфа. 27-28 октября 2009 г.); всероссийской конференции "ТОТЭ и ЭУ на их основе" (Черноголовка. 16-18 июня 2010 г.), на III международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века" в ЦИАМ (Москва. 30 ноября - 3 декабря 2010 г.).

Программный модуль БОБС зарегистрирован в Федеральном институте промышленной собственности РОСПАТЕНТа в соавторстве с Горюновым И. М. и Бакировым Ф. Г.

Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на научно-технических советах ОАО "НЛП "Мотор" (НТС в 2010 г.), ФГУП УАП «Гидравлика» (НТС в 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 3 статьи в изданиях из списка ВАК и 1 свидетельство Роспатента об официальной регистрации модуля программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя в разработку проблемы. Все основные положения, связанные с разработкой алгоритма математического моделирования ТОТЭ, учитывающего внутренние электрохимические процессы ТОТЭ, программная реализация алгоритма в системе БУЮигТ, проверка адекватности предложенного алгоритма в сравнении с экспериментальными данными "РФЯЦ-ВНИИТФ", а также расчетные исследования по повышению эффективности КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ выполнены и разработаны автором лично.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного материала, библиографического списка из 62 наименований, изложенных на 148 страницах, и трех приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе на основе рассмотрения преимуществ авиационных ГТД, в результате которых они могут быть конвертированы в ЭУ различного назначения, проведен аналитический обзор основных способов

конвертирования и повышения эффективности ГТД, а также модернизации конвертированных ГТД в КЭУ с ЭХГ на базе ТОТЭ.

Сделан вывод о том, что значительно повысить КПД ЭУ по мощности до 75% возможно с применением КЭУ на основе ГТД и ТЭ. Рассмотрены преимущества некоторых схем КЭУ с ГТД и ТЭ:

- схема КЭУ, в которой ТЭ замещает камеру сгорания ГТУ;

- схема КЭУ с ТЭ с внутренней конверсией природного газа;

- схема КЭУ с ТЭ, работающими на продуктах газификации углей.

Проанализирована актуальность разработки и внедрения ТЭ. За

рубежом этой проблемой занимаются длительное время: W. Vielstich, К. Kordesch, Е. Cairns, К. Wiesener, N.F. Bessette, Pei Wen Li, Kenjiro Suzuki, a также корпорации "Plug Power", "General Electric Corp.", "Vaillant", "MTU", "Fuell Cell Energy".

В России исследования в области ТЭ отмечены работами А. С. Липилина, Н. В. Коровина, А. Н. Фрумкина, А. Н. Барабошкина, В. П. Легасова, H. Н. Баталова, А. К. Демина, Э. И. Григорова, В.Д. Бурова, Е.А. Захаренкова, а также разработками предприятий: РКК "Энергия"; ГНПП "Квант"; Институт электрофизики УрО РАН г. Екатеринбург); РФЯЦ — ВНИИТФ; ЦИАМ; РФЯЦ "ВНИИЭФ" (г. Саров); ГНЦ "Физико-энергетический институт" (г. Обнинск); ГНЦ "Курчатовский институт" (г. Москва); МЭИ (ТУ) и др.

Сделан вывод о необходимости создания программного модуля, позволяющего учитывать электрохимические внутренние процессы ТЭ для рассмотрения КЭУ на базе ГТД и ТЭ в целом.

Анализ существующих программных комплексов моделирования ГТД и ЭУ, а также ТЭ (ЦИАМ, ГРАД, DVIGwT, GasTurb, GSP, Ebsilon Professional, United cycle, АСТРА и др.) выявил отсутствие эффективного, надежного и простого в эксплуатации модуля расчета параметров ТЭ, что делает невозможным выполнение системных исследований КЭУ на их основе.

Буров В.Д. и Захаренков Е.А. (МЭИ (ТУ)) при создании программного продукта для расчета ТЭ не рассматривают процесс пароводяной конверсии (ПВК) углеводородного топлива в ТЭ, а также не учитывают электрохимические особенности протекания реакций в ТЭ.

Из выполненного анализа работ следует, что актуальной задачей являются разработка алгоритма расчета ТЭ, учитывающего внутренние электрохимические процессы, необходимого для выполнения исследований рабочих процессов как ТЭ отдельно, так и КЭУ сложных схем и циклов с различными рабочими телами. Проведение исследований по повышению эффективности существующих ГТД путем их конвертации в КЭУ с ТЭ. Сформулирована цель и определено основное направление исследований -создание алгоритма структурно-параметрического синтеза и анализа ТЭ в конфигурации программной среды САМСТО, позволяющего встроить его в программный комплекс DVrGwT.

Во второй главе рассмотрены физико-химические процессы, проходящие внутри ТЭ, а также произведен выбор оптимального типа ТЭ для совместной работы с ГТД в составе КЭУ. Рассмотрены составные части ЭХГ, основной частью которого является ТОТЭ.

Автором выбраны ТОТЭ, как наиболее перспективные ТЭ для применения в КЭУ на базе конвертированных авиационных ГТД. Это связано с возможностью соединения ТОТЭ и ГТД по газовым, топливным и воздушным потокам.

Наиболее приемлемым для ТЭ окислителем является кислород воздуха, а оптимальным топливом - водород, получаемый ПВК при применении углеводородного топлива. ТЭ помимо электроэнергии вырабатывает теплоту (теплоту Пельтье).

Опираясь на выводы и результаты работ Н. В. Коровина, В. Н. Борисова, М. А. Ахлюстина сделан вывод о том, что основным параметром ТЭ является электродвижущая сила (ЭДС), зависящая от парциальных давлений исходных веществ и продуктов реакции ТЭ.

ЭДС ТЭ определяется по следующей формуле:

Я, = +(^МХ^исх -'^исх -5>/пр пр>' (1)

где у к у - стехиометрические коэффициенты ]-х исходных веществ 7'исх у'пр

и продуктов реакции в уравнении реакции;

п и п - парциальные давления ¡-х исходных веществ и продуктов

^уисх ^у'пр

реакции;

п - число моль-эквивалентов на 1 моль превращенного вещества; постоянная Фарадея;

Л - универсальная газовая постоянная;

Г-температура реакции;

- стандартная ЭДС элемента.

Для обеспечения согласованного снабжения ГТД и ТЭ в составе КЭУ топливом, применяется двустадийная ПВК. Для предупреждения сажеобразования отношение пар/газ должно быть не менее 3.

Рассмотрен электрохимический генератор (ЭХГ) - установка, состоящая из батареи ТЭ, систем подвода и распределения топлива и окислителя по ТЭ, систем отвода продуктов реакции и теплоты, систем автоматики для регулирования режимов работы ТЭ. Эффективный КПД г)е разработанных ЭХГ составляет 0,45 - 0,65, для ЭХГ с конверсией топлива -имеет более низкие значения 0,3 - 0,45. Выбраны основные критерии оценки эффективности работы ТЭ на основании работ Коровина Н. В.: напряжение, мощность, КПД (термический, эффективный, по напряжению 7?„, фарадеевский щ), генерируемая в ТЭ теплота, плотность тока, плотность мощности.

Весь комплекс физико-математических процессов и соответствующих элементов системы по режимам работы и характеристикам рассмотрен с

ориентацией на перспективу использования при создании КЭУ на базе ГТДиТЭ.

В третьей главе разработаны алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанных на математических уравнениях (моделях), описывающих реакции ПВК топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ (без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ). Химические реакции рассматриваются как равновесные.

На ЭВМ реализован программный пакет для расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из математической модели ТОТЭ, включенной в систему БУЮ\уТ (БОБС). Основу математической модели составляют 12 уравнений характеристик ТОТЭ, приведенных в работах Коровина Н. В., Храмушина Н. И., Борисова В. Н. Параметры равновесных реакций определяются решением системы уравнений, описывающих химические превращения, реализованным в процедуре 'Тепло", разработанной Трусовым Б. Г. Остальные уравнения и зависимости - общеизвестные уравнения термодинамики, теплопередачи, электрохимии и механики жидкости и газа.

Математическая модель служит главным образом для определения ЭДС ТЭ. В качестве движущей силы перемещения заряда служит сила в виде постоянного потенциала, возникающего при протекании реакции между окислителем и топливом.

Созданная математическая модель ТОТЭ, базирующаяся на законах сохранения массы, энергии и уравнениях электрохимических реакций, рассматривает процессы в ТОТЭ. Ее особенностью является независимость от параметров ВАХ исследуемого ТОТЭ. Для нахождения электрохимических параметров реакции в ТОТЭ определяется сопротивление ТЭ в зависимости от расхода водорода на ТЭ и температуры основной реакции (опираясь на зависимость, полученную по экспериментальным данным, опубликованную Коровиным Н. В). При создании алгоритма возникли сложности с нахождением температуры основной реакции и энтальпии продуктов реакции, которые были решены методом последовательных приближений.

Математическая модель ТОТЭ адаптирована для создания модуля БОРС в программной среде САМСТО для программного продукта ШЮ\уТ. В ТОТЭ имеются четыре потока: горючее, окислитель, водяной пар и продукты реакции (см. рисунок 1).

Горючед.

ОккслительI

Продукты реакции ТЭ

Пароводяная Основные

конверсия реакции

горючего в ТЭ

Рисунок 1 - Схема расчета ТОТЭ

Выбрана система математического моделирования тепловых, энергетических и комбинированных установок ОУЮ\/Г, разработанная

в

д.т.н. Горюновым И. М. (УГАТУ), в которую был встроен созданный модуль расчета БОБС.

Информационно-математическая модель ТОТЭ (см. рисунок 2) имеет несколько уровней: визуальный, топологический, текстовый и алгоритмический.

Входные параметры

Газовый (окислитель) Газовый (продукты реакцюГ)

-1-1-1, Топливо 1РГ

Паровой (

Выходные параметры

Рисунок 2 - Информационная модель элемента 80РС

Описаны входные параметры, алгоритм расчета ТОТЭ и полученные в выходные данные.

Особенности алгоритма Для наглядности алгоритм приведен в виде блок-схемы на рисунке 3.

Имеется три информационных потока: топливо, окислитель, водяной пар (шаг 1 алгоритма). 2 шаг алгоритма - расчет смеси топлива и водяного пара для дальнейшего расчета ПВК. 3 шаг - расчет равновесных параметров реакции ПВК смеси при температурах порядка 900-1000 К. 4 шаг - расчет смеси необходимой части водорода (после ПВК) и кислорода воздуха (без прохождения основной реакции окисления). 5 шаг алгоритма - расчет равновесного состава смеси основной реакции.

Для оценки работоспособности и адекватности предложенного алгоритма, а также созданного модуля расчета БОРС выполнено моделирование отдельных ТОТЭ и ЭХГ. Оценка произведена в сравнении с экспериментальными данными РФЯЦ - ВНИИТФ (г. Снежинск).

При сравнении экспериментальных параметров ячейки ТОТЭ планарной конструкции, мощностью 0,55 Вт, с данными, полученными расчетом в модуле 80РС, отклонение не превышает 3%. Максимальное отклонение величины плотности мощности ячейки составило 2,74 %.

Произведено моделирование ЭХГ модуля ТОТЭ для макета ЭУ мощностью 1 кВт, который состоит из 16 последовательно соединенных батарей ТОТЭ Р111-Л305.030, каждая из которых состоит из 8 трубчатых ТОТЭ, соединенных параллельно. При сравнении полученных расчетных параметров с экспериментальными параметрами выявлено, что погрешность величины максимального напряжения не превышает 3,35 %.

Полученное расхождение экспериментальных и рассчитанных величин объясняется тем, что в программном продукте не учитывается влияние на внутренние процессы в ТЭ катализатора и применяемого электролита. В то же время экспериментальные данные также получены с определенной погрешностью измеренных параметров.

Согласованность результатов расчетных исследований с экспериментальными данными подтверждает адекватность предложенного алгоритма и применимость разработанной математической модели расчета ТОТЭ для исследований и новых разработок КЭУ.

В четвертой главе проведены исследования возможности повышения эффективности ГТЭ-10/95 при совместной работе с ТОТЭ в составе КЭУ. С использованием системы ОУЮ\уТ и разработанного модуля расчета ТОТЭ БОБС созданы модели КЭУ.

За объект исследования принят газотурбинный привод ГТП-10/95, математическая модель которого приведена на рисунке 4. По данным ОАО

"НГПТ'Мотор" произведен расчет при номинальной электрической

1 - ВУ; 2 - КНД; 3 - КВД; 4 - камера сгорания; 5 - ТВД; 6 - ТНД; 7 - смеситель воздуха; 8 - переходный канал; 9 - СТ; 10 - электрогенератор; 11 - охлаждение ТВД; 12 -охлаждение ТНД; 13 - охлаждение СТ; 14 - подача топлива; 15 - насос котловой воды; 16 - КУ; 17 - преобразователь информационного потока вода-пар; 18 -потребитель тепла; 19 - вход сетевой воды; 20 - выход газов из КУ; 21 - выход сетевой воды

Рисунок 4 - Структурная схема модели ГТЭ-10/95

Для сравнительного расчета создана модель автономной ЭУ на базе ЭХГ, состоящего из ТОТЭ (см. рисунок 5)

подача воды для ТОТЭ; 4 - газовый подогреватель воды; 5,14 - преобразователи потока вода- пар; 6 - ТОТЭ; 7 - продукты реакции ТОТЭ; 8 - вход сетевой воды; 9 - насос котловой воды; 10 - котел-утилизатор (КУ); 11 - выход газов из КУ; 12 - выход сетевой воды; 13 - потребитель тепла; 15, 16- смесители; 17 - газовый подогреватель топлива; 18 - подача топлива; 19, 20 - отборы газа; 21 - подача продуктов реакции ТОТЭ на подогрев воздуха на входе в ЭХГ

Рисунок 5 - Структурная схема автономной модели ЭУ на базе ЭХГ

Произведено сравнение данных, полученных при моделировании ГТЭ-10/95 в программном комплексе ВУЮ^'Т с экспериментальными данными ОАО "НШТ'Мотор", расхождение не 'превышает 1 %, что подтверждает адекватность созданной модели.

Автономная ЭУ с ЭХГ при электрической мощности в 11906 кВт имеет Чэ=24,88 %, при этом передается 7988 кВт теплоты потребителю.

Расчетные исследования различных КЭУ на номинальном режиме обосновывают возможности повышения эффективности газотурбинной установки ГТЭ-10/95 в составе КЭУ при совместной работе с ЭХГ, состоящим из ТОТЭ. Рассмотрен способ повышения эффективности ГТЭ-10/95 введением ЭХГ, состоящего из ТОТЭ, в который подается воздух, отобранный за КНД (структурная схема приведена на рисунке б).

работающем на отборе воздуха за КНД (схема № 1)

Допустимый расход отбираемого воздуха за КНД для ЭХГ, обеспечивающий стабильную работу ГТЭ, выбран по расчетам, предоставленным Каримовым Т. Р. (ОАО "НПП "Мотор"), который составляет не более 4 % от расхода воздуха на входе в КНД. В состав ЭХГ входит: газовоздушный подогреватель воздуха, парогенератор, газовый подогреватель топлива и батареи ТОТЭ. Выбран режим ПВК, при котором температура основной реакции ТЭ (1197 - 1293 К) отличается от температуры ПВК (не менее 925 К), что объясняется недостаточными параметрами исходных веществ.

Проведены расчетные исследования возможности повышения эффективности ГТЭ-10/95 заменой камеры сгорания (КС) на ЭХГ (состоящий из ТОТЭ) с камерой дожигания, обеспечивающей подогрев продуктов реакции ЭХГ для подачи их в ТВД. На рисунке 7 приведена структурная схема разработанной математической модели.

ЭХГ (схема №2)

ЭХГ состоит из газовоздушного подогревателя воздуха, парогенератора, газового подогревателя топлива и батареи ТОТЭ. Расход

топлива в камере дожигания намного меньше, чем в КС ГТЭ. Топливо, направляемое в ЭХГ, предварительно подогревается водой, нагретой в КУ. В ЭХГ смешиваются сжатый воздух с топливом, прошедшим предварительную ПВК. Пар для ПВК генерируется из части питательной воды в КУ, состоящей из пароперегревателя, испарителя и экономайзера. Расходы воздуха, топлива и пара, направляемые в ЭХГ, количество параллельно и последовательно соединенных ячеек ТОТЭ определены по соотношению к расходу воздуха в ГТЭ, соответствующим данным Siemens Westinghouse Corp.

Температуры ПВК и основной реакции в ЭХГ равны и подобраны с учетом рекомендаций работ Коровина Н. В., Борисова В. Н., Демина А. К.

Произведено исследование повышение эффективности ГТЭ-10/95 в составе КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ, питающегося воздухом от КНД (0,3 МПа) (рисунок 8).

Рисунок 8 - Структурная схема КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ на базе ТОТЭ, питающегося воздухом от КНД (0,3 МПа) (схема № 3)

Анализ результатов расчетных исследований показывает, что схема № 1 характеризуется минимальной модернизацией исходной ГТЭ, вырабатываемая электроэнергия и )?э достаточно низкие (22,75 % при 8543 кВт), в то время как схема № 2 требует значительных переделок, однако это компенсируется повышением электрической мощности КЭУ до 20630 кВт (вместо 8000 кВт базовой ГТЭ) и повышением Д° 30,82 % (вместо 22,63% базовой ГТЭ). Схема № 3 требует также значительных переделок, при этом электрическая мощность достигает 14004 кВт при г/э 27,75%.

Произведен анализ дроссельных характеристик рассмотренных выше схем КЭУ. Зависимости основных параметров КЭУ от ппр кнд приведены на рисунках 9 а, б, в, г, д. Для базовой ГТЭ-10/95, схем №№ 1,2 параметры получены в диапазоне приведенных частот вращения ротора КНД (ппр кнд), соответствующих мощности от 8 до 2 МВт, для третьей схемы - от 1,2 МВт до 0,050 МВт. В схеме № 1 за счет отбора воздуха за КНД увеличилась

Г

.J

пропускная способность свободной турбины на 4%, так как 4% расхода воздуха было отобрано из КНД.

С уменьшением п„р кнд суммарные расходы топлива на ГТУ и исследуемые КЭУ уменьшаются. Суммарная электрическая мощность (Njjcay) базовой ГТУ и рассматриваемых схем КЭУ с падением ппр кнд уменьшается (рисунок 9а). При п„р кнд = 9627 об/мин (8 МВт ГТЭ) мощность базовой ГТЭ равна 8000 кВт, в схеме № 1 - увеличена на 6,78%, в схеме № 2 - возросла в 2,58 раза, а в схеме, основанной на контуре НД ГТУ (схема № 3) больше в 1,75 раза мощности базовой ГТЭ. Такое резкое увеличение Ngoy в схеме № 2 объясняется более высокими термодинамическими параметрами входных потоков веществ в ЭХГ, что повлекло за собой резкое увеличение как мощности ЭХГ, так и расхода топлива. Следовательно, мощность в КЭУ в целом увеличилась.

Анализ изменения электрического КПД рассматриваемых схем (рисунок 96) показывает, что при снижении п„р кнд в схемах № 1,3 и базовой ГТЭ - 7]э уменьшается, а в схеме №2-1), возрастает и при Ппрщд ~ 7100 об/мин (2 МВт ГТЭ) достигает 35 %, в то время как у базовой ГТЭ -Tj3 = 12%, а в схеме № 1 - tj3 = 14 %. В схеме № 3 при минимальном значении n„p кнд = 8900 об/мин (0,5 МВт ГТЭ) ц3 = 17%. Объясняется это тем, что в схемах № 2, 3 электрическая мощность снижается не так интенсивно, как уменьшается суммарный расход топлива на КЭУ при дроссельных режимах. Повышение 7)э с уменьшением п^ квд есть следствие распределения электрической мощности между ГТЭ и ЭХГ так как ЭХГ работает практически на стационарном режиме.

При рассмотрении характеристик ЭХГ на дроссельных режимах в составе КЭУ необходимо отметить тенденцию уменьшения плотности тока и плотности мощности (см. рисунки 9в, 9г) с уменьшением ппр кнд- Для схемы № 2 значения этих параметров во всем исследуемом диапазоне располагаются выше значений остальных исследуемых схем. Это объясняется тем, что в схеме № 2 электрическая мощность больше, чем в остальных схемах, при равных параметрах единичных ТЭ. При ппр кнд = 9627 об/мин (8 МВт ГТЭ) в схеме № 1 плотность тока равна 1712 АУм2 (плотность мощности 697 кВт/м2), в схеме № 2 -1749 А/м2, (729 кВт/м2).

В схеме № 2 исследуемая температура несколько ниже базовой, так как камера дожигания установлена для обеспечения поддержания пропускной способности ТВД. В схеме № 1 температура после камеры сгорания выше базовой, что объясняется необходимостью компенсировать отобранный за КНД воздух повышенной температурой газов камеры сгорания для обеспечения пропускной способности ТВД.

Таким образом, рассмотренные схемы КЭУ подтверждают эффективность использования разработанных методики расчета и программного продукта для прогнозирования характеристик вновь разрабатываемых КЭУ на базе конвертированных авиационных ГТД и ТЭ, а также на основе ГТУ другого назначения.

25000 20000 15000 10000 5000 0

N3, кВт

/

г*

--^

40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00

КПДэ

10,00

м-Я

/

£

г

7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000

ПпрКВД

7000 7500 8000 8500

а)

б)

9000 9500 ЮООО ПпрКНД

), А/м2

7000 7500 8000 8500 9000

950 850 750 650 5Б0 450 350 250

и, кВт/и2

7000 7500 8000 8500 9000 9500 ЮООО

ПпрКВД

9500 10000 ПпрКВД

В) г)

-ГТЭ-10/95; -КЭУ с ОКС вместо КС;

- КЭУ с отбором после КНД; - КЭУ с НД и ЭХГ Рисунок 9 - Зависимость параметров исследуемых ЭУ от ппр кпд: а - общей электрической мощности ЭУ; б - электрический КПД ЭУ; в - плотности тока ЭХГ; г плотности мощности ЭХГ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании сравнительного анализа характеристик различных типов ТЭ по рабочей температуре, единичной мощности, плотности тока и плотности мощности, ресурсу, выявлено, что наиболее подходящим видом ТЭ, для применения в КЭУ на базе ГТУ являются ТОТЭ. Для оценки эффективности ТОТЭ определены следующие критерии: ЭДС, напряжение ТЭ, плотность тока, плотность мощности, КПД (эффективный, термический, по напряжению, фарадеевский).

2. Созданы математическая модель, алгоритм, методика расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанные на математических уравнениях (моделях), описывающих реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, отличие которых заключается в отсутствие привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

3. На базе разработанного алгоритма создан программный продукт на ЭВМ, представляющий собой математическую модель ТОТЭ, включенную в систему БУЮ\уТ. Программа позволяет определять параметры различных схем КЭУ на базе ГГД и ТОТЭ. Разработанная и реализованная на ЭВМ математическая модель функционального твердооксидного топливного элемента БОРС (официально зарегистрирована в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 2009613945 от 24.07.2009 г.), включенная в систему ОУЮтуТ. Согласованность результатов расчетных исследований ТОТЭ с известными данными подтверждает адекватность описания рабочих процессов и применимость разработанной математической модели БОРС.

4. Расчетные исследования обосновывают повышение эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ:

КЭУ на базе ГТЭ-10/95 с ЭХГ из ТОТЭ, работающем на отборе воздуха за КНД характеризуется минимальной модернизацией исходной ГТЭ. Вырабатываемая электроэнергия и электрический КПД по выработке достаточно низкие (22,75 % при электрической мощности 8543 кВт). КЭУ на базе ГТЭ-10/95 с замененной КС на ЭХГ требует значительных переделок ГТУ, однако экономический эффект от такого вложения компенсируется повышением электрической суммарной мощности КЭУ до 20630 кВт и повышением КПД до 30,82 %. КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ из ТОТЭ, питающегося воздухом 0,3 МПа требует также значительных переделок, при этом суммарная электрическая мощность достигает 14004 кВт при КПД по выработке электроэнергии в 27,75%.

Дроссельные характеристики показывают, что со снижением Пщ, квд КЭУ на базе ГТЭ-10/95 с замененной КС на ЭХГ КПД по выработке электроэнергии возрастает и при ппр кнд = 7100 об/мин (2 МВт ГТЭ) достигает 35%, (в то время как в базовой ГТЭ снижается до 12%), а мощность КЭУ падает при снижении п^щц с 9627 до 7100 об/мин (с 2 до 8 МВт ГТЭ), при этом мощность КЭУ уменьшается с 20630 до 12436 кВт.

Анализ характеристик КЭУ показывает, что наиболее эффективной для модернизации и повышения эффективности ГТЭ-10/95 является схема КЭУ с заменой камеры сгорания на ЭХГ на базе ТОТЭ.

Функциональные возможности, реализованные в модуле моделирования ТОТЭ "БОРС", позволяют за счет создания новых схем КЭУ с ТОТЭ, уточнения описания рабочих процессов внутри ТЭ, в том числе с применением рабочих тел с различными теплофизическими свойствами, сократить сроки проектирования и исследования, повысить качество создаваемых КЭУ на базе ТОТЭ в производстве и эксплуатации.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в резецируемых окурналах из списка ВАК:

1. Алгоритм расчета комбинированных энергоустановок на базе ГТД и твердооксидных топливных элементов. / Ф. Г. Бакиров, И. М. Горюнов, А. А. Лоскутников // Вестник СГАУ №3 (19), часть 1. - Самара: изд. СГАУ, 2009, - С. 235-243.

2. Разработка модуля термодинамического расчета твердооксидных топливных элементов SOFC. / И. М. Горюнов, Ф. Г. Бакиров, A.C. Липилин, В.В. Кунаев, A.A. Лоскутников // Вестник Воронежского государственного технического университета, Т. 6. №10. - Воронеж: изд. ВГТУ, 2010,-С. 186-190.

3. Лоскутников, А. А. Исследование возможности повышения эффективности ГТЭ-10/95 при совместной работе с ТОТЭ в составе КЭУ. / И. М. Горюнов, Ф.Г. Бакиров // Вестник Воронежского государственного технического университета, Т. 6. №10. - Воронеж: изд. ВГТУ, 2010, - С.

Статьи в других изданиях:

4. Лоскутников, А. А. Авиадвигателестроение как база для развития энергосберегающих технологий для энергетики. / XII Туполевские чтения: Материалы международной молодежной научной конференции // Казань, 10-11 ноября 2004 г. -Казань: изд. КГТУ, 2004. - С. 215-216.

5. Лоскутников, А. А. Перспективы развития комбинированных установок на базе ГТУ и топливных элементов //: Сборник тезисов П научно- технической конференции молодых специалистов, посвященной годовщине образования ОАО "УМПО", Уфа, 5-7 июля 2006 г. - Уфа: изд. ОАО "УМПО", 2006. - С. 36-38.

6. Лоскутников, А. А. Гибридные энергоустановки на базе ГГД и твердооксидных топливных элементов. / Ф. Г. Бакиров // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция. Сборник в 5 томах. Том 1. - Уфа: изд. УГАТУ, 2009. - С. 71-72.

7. Лоскутников, А. А. Расчет твердооксидных топливных элементов II Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2. Химия, новые материалы, химические технологии, машиностроение, электроника, приборостроение, теоретические и практические проблемы экономического развития, естественные наук: Сборник трудов пятой всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых, 17-20 февраля 2010 г. - Уфа: изд. УГАТУ, 2010.-С. 274-278.

8. Лоскутников, А. А. Исследования возможностей повышения эффективности ГТЭ-10/95 при совместной работе с ТОТЭ. / И. М. Горюнов, Ф. Г. Бакиров, А. С. Липилин // Твердооксидные топливные элементы и энергоустановки на их основе: Всероссийская конференция, Черноголовка, 16-18 июня 2010 г. - Черноголовка: изд. ИНФТ РАН, 2010. -С. 103-104.

9. Свидетельство в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ) № 20

155-163.

Диссертант

ЛОСКУТНИКОВ Александр Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ КОНВЕРТИРОВАННОГО АВИАЦИОННОГО ГТД И ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДЕ

Специальность: 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 19.12.2010. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отг.1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 471.

ГОУВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СПОСОБОВ КОНВЕРТИРОВАНИЯ 16 АВИАЦИОННЫХ ГТД ДЛЯ НАЗЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

1.1 Применение авиационных ГТД в наземных установках

1.2 Повышение эффективности ГТУ, созданных на базе 19 конвертированных авиационных ГТД

1.3 Повышение эффективности использования теплоты топлива

1.4 Повышение эффективности ГТУ применением топливных 24 элементов

1.4.1 Схема КЭУ, в которой ТЭ замещает камеру сгорания ГТУ

1.4.2 КЭУ на основе ГТУ и ТЭ с внутренней конверсией природного газа, работающая при атмосферном давлении

1.4.3 КЭУ на основе ТЭ, работающих на продуктах газификации углей (мощностью до 300 МВт и более)

1.5 ГТУ, применяемые совместно с имеющимися ТЭ

1.6 Современное состояние работ по созданию и применению ТЭ

1.7 Анализ существующих программных комплексов для 36 моделирования ГТД и ЭУ

1.8 Постановка задачи исследования

2 ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В 40 ТОПЛИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ. ВЫБОР ТИПА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КЭУ НА БАЗЕ ГТУ

2.1 Физико-химические основы процессов в ТЭ

2.2 Электрохимические процессы в ТЭ

2.3 Выбор и обоснование применения ТЭ в составе КЭУ

2.4 Пароводяная конверсия

2.5 Электрохимический генератор и электрохимическая 57 энергоустановка

2.6 Критерии оценки эффективности ТЭ 61 Выводы по главе

3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 68 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗОЕС

3.1 Краткая характеристика системы моделирования ОУЮ\уТ

3.2 Математическая модель ТОТЭ

3.3 Структура модуля БОБС с учетом интерфейса БУГСауТ

3.4 Описание модуля ЗОБС

3.4.1 Функциональное назначение и метод расчета 81 ~

3.4.2 Информационная модель

3.4.3 Методика расчета

3.4.4 Выходные параметры

3.5 Методика моделирования ТОТЭ и ЭХГ на их базе

3.6 Оценка работоспособности и адекватности модуля ЗОТС 98 Выводы по главе

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ 103 ЭФФЕКТИВНОСТИ ГТЭ-10/95 ПРИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЕ

С ТОТЭ

4.1 Разработка математической модели газотурбинной 103 энергоустановки ГТЭ-10/95 "Шакша"

4.1.1 Исследование адекватно сти математической модели

ГТЭ-10/

4.2 Исследование эффективности автономного ЭХГ на базе ТОТЭ

4.3 Исследование повышения эффективности ГТЭ-10/95 за счет 112 включения в схему КЭУ ЭХГ на ТОТЭ, работающего на отборе воздуха за КНД

4.4 Исследование возможности повышения эффективности ГТЭ

10/95 заменой ОКС на ЭХГ, состоящий из ТОТЭ

4.5 Исследование эффективности КЭУ на базе каскада НД ГТЭ- 120 10/95 и ЭХГ, питающегося 3 атм. воздухом

4.6 Анализ результатов расчетных исследований

4.7 Анализ результатов исследований дроссельных характеристик 125 Выводы по главе 138 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ 140 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 142 ПРИЛОЖЕНИЕ А.

Таблица А. 1 Параметры существующих ГТУ малой мощности

Актуальность темы. В современных условиях газотурбинные двигатели (ГТД) находят в силу своих высоких технических характеристик широкое применение не только в традиционных областях экономики страны, таких как авиация, судостроение, транспорт и др., но и в качестве наземных энергоустановок (ЭУ), например, в энергетике, газопроводном транспорте.

Так, парогазовые энергоустановки (ПТУ) комбинированного цикла, в составе которых от одной до нескольких ГТД, широко распространены в ведущих зарубежных странах вследствие их высокого КПД, 55-57%, в последние десятилетия они начали внедряться и в нашей стране. Российская специфика заключается в том, что ГТД наземного1 применения в основном проектируются и создаются на авиационных предприятиях, главным образом, на базе конвертированных авиационных двигателей (АД).

В целях дальнейшего повышения КПД энергоустановок разрабатываются и создаются на базе ГТД все более сложные комбинированные энергоустановки (КЭУ), в числе которых в последние годы за рубежом и в нашей стране начали активно прорабатываться КЭУ на базе ГТД и топливных элементов (ТЭ), которые в перспективе могут обеспечить повышение КПД КЭУ до 70-75%. При этом, для достижения максимального коэффициента использования энергии топлив могут применяться весьма разнообразные схемы КЭУ на базе конвертированных АД и ТЭ, число которых уже сегодня составляет десятки вариантов, и будут разработаны еще более совершенные и сложные схемы.

В ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» под руководством Л.С. Яновского, A.B. Байкова ведутся исследования по повышению эффективности АД и ЭУ на базе ГТД введением твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), применению ТЭ на борту летательных аппаратов, а также по термохимической регенерации тепла в энергетических установках на их базе. Результаты исследований готовятся к печати.

Современные конкурентные экономические условия требуют наличия методов и инструментов для разработки новых образцов техники в кратчайшие сроки, а это невозможно без широкого применения современного математического аппарата и программных средств для ЭВМ, тем более при разработке таких новых и технически очень сложных объектов как КЭУ на базе ГТД и ТЭ. Необходимы программные комплексы, позволяющие выполнять моделирование, структурно-параметрический синтез и анализ этих ЭУ.

Известные системы и программные комплексы математического моделирования позволяют выполнять термогазодинамические расчеты только ГТД (ГРАД, DVIGwT, GasTurb и др.) или ТЭС, ПТУ (Boiler Designer, Epsilon Professional, United Cycles и др.). На сегодняшний день отсутствуют программные продукты, позволяющие рассчитывать параметры различных КЭУ на базе ГТД и ТЭ, в том числе из-за отсутствия модуля расчета ТОТЭ, базирующегося на учете внутренних электрохимических процессов.

Из вышеизложенного следует, что задача разработки программного комплекса для расчета характеристик на различных режимах многовариантных схем ЭУ на базе ГТД и ТЭ является актуальной. Актуальной задачей также является разработка способов модернизации существующих ГТУ, созданных на базе конвертированных авиационных ГТД, на основе применения ТЭ. Решение этих вопросов, что и является целью данной работы, позволит нашим авиационным КБ и предприятиям значительно повысить конкурентоспособность в вопросах разработки новой техники и технологий на базе конвертированных авиационных ГТД.

Существующие методы расчета параметров ТЭ опираются на параметры вольт - амперных характеристик (ВАХ) ТЭ, которые на этапе проектирования закладываются гипотетически и уточняются экспериментальным путем. Сложность таких методик заключается в использовании индивидуальных ВАХ для ТЭ. и

При исследовании различных ТЭ необходимо опираться не на ВАХ конкретного ТЭ, а подробно рассматривать параметры внутренних электрохимических реакций ТЭ.

В связи с вышеизложенным, следующие научные проблемы являются актуальными:

- отсутствуют алгоритм, методика расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанных на известных математических (моделях) уравнениях, описывающих реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

- выявление оптимальных схем КЭУ на базе ГТУ и ТОТЭ как с позиции экономичности, так и с точки зрения характеристик, управляемости.

Цель работы: повышение эффективности проектирования и создания КЭУ на базе ГТД и ТЭ:

- разработкой методики, алгоритма и математической модели расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, в которых будут рассматриваться внутренние электрохимические процессы в ТЭ, с отказом от ВАХ;

- созданием программного комплекса в компьютерной среде для расчета КЭУ на базе авиационных ГТД и ТОТЭ с оценкой их адекватности и апробацией на конкретных примерах.

Для достижения поставленной цели сформулированы и выполнены исследования по следующим основным задачам:

1. Выбор типа ТЭ для применения в составе КЭУ на базе ГТД на основе сравнительного анализа характеристик различных типов ТЭ.

2. Создание алгоритма, методики, математической модели расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанных на математических уравнениях (моделях), описывающих реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

3. Программная реализация на ЭВМ пакета, состоящего из математической модели функционального ТОТЭ, включенного в систему

ОУЮчуТ, позволяющего определять параметры различных схем КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ. Проверка адекватности математической модели ТЭ.

4. Исследование повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ -10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

Область исследования - рабочие процессы ТОТЭ' и ЭХГ, схемы и характеристики КЭУ на основе ГТУ и ТОТЭ.

Объект исследования - комбинированные энергетические установки на базе ГТП-10/95 "Шакша" и ТОТЭ, их схемы, рабочие процессы и характеристики.

Методы исследования основаны на использовании:

• теории авиационных ГТД;

• основ термодинамики, теплопередачи, механики жидкости и газа;

• теории электрохимических процессов, проходящих внутри ТЭ;

• системного анализа и объектно-ориентированного подхода при моделировании сложных процессов и изделий;

• методов современных информационных технологий;

• численных методов решения систем нелинейных уравнений.

Научная новизна работы:

Впервые созданы алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе АД и ТОТЭ, опирающиеся на математические уравнения, описывающие реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

Создан реализованный на ЭВМ программный пакет, позволяющий осуществлять структурно- параметрический синтез и анализ КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из созданной математической модели твердооксидного топливного элемента ЗОБС (официально зарегистрирован в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 2009613945 от 24.07.2009 г.), включенной в систему ОУЮ\уТ.

Впервые получены результаты расчетных исследований, обосновывающих возможность повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается использованием базовых фундаментальных положений теории электрохимических процессов, теории рабочих процессов ГТД, термодинамики равновесных химических реакций и подтверждается сопоставлением теоретических результатов исследований с экспериментальными характеристиками созданных ТОТЭ и энергетических установок на их основе.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель и ее программная реализация в виде модуля ЗОБС позволяют производить расчет основных параметров и характеристик ТЭ. Включение в программный комплекс БУЮ\уТ модуля позволяет рассчитывать характеристики различных схем КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ:

- на этапе проектирования - повысить эффективность процессов проектирования КЭУ на базе ГТД надстройкой их ЭХГ из ТОТЭ;

- на этапе исследований - возможность анализа работы проектируемых или созданных КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ на установившихся режимах, а также замены ряда экспериментов, связанных с натурными испытаниями на дорогостоящем оборудовании, на численное моделирование;

- в учебном процессе - выполнять термодинамическое моделирование КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ при проведении лабораторных работ, в курсовом и дипломном проектировании.

Реализация результатов работы. Разработанный программный модуль ЗОБС и результаты проведенных автором исследований с его использованием, внедрены в ОАО НПП «Мотор», ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ) в учебном процессе кафедр «Авиационные двигатели» и «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика», а также в научно-исследовательской деятельности университета.

Использование модуля SOFC подтверждено прилагаемыми актами.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, опирающиеся на математические уравнения, описывающие реакции пароводяной конверсии топлива в ТОТЭ, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

2. Реализованный на ЭВМ программный пакет, позволяющий осуществлять структурно- параметрический синтез и анализ КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из созданной математической модели твердооксидного топливного элемента SOFC, включенной в систему DVIGwT.

3. Результаты расчетных исследований, обосновывающих возможность повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на 6 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Международной молодежной научной конференции "XII Туполевские чтения" (Казань. 10-11 ноября 2004 г.); II научно - технической конференции молодых специалистов, посвященной годовщине образования ОАО "УМПО". (Уфа. 5-7 июля 2006 г.); Международной научно - технической конференции "Проблемы и перспективы развития двигателестроения" (Самара. 24-26 июня 2010 г.); научно-технической конференции "Мавлютовские чтения". (Уфа. 27-28 октября 2009 г.); всероссийской конференции "ТОТЭ и ЭУ на их основе" (Черноголовка. 1618 июня 2010 г.), на III международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века" в ЦИАМ (Москва. 30 ноября — 3 декабря 2010 г.).

Программный модуль SOFC зарегистрирован в Федеральном институте промышленной собственности РОСПАТЕНТа в соавторстве с Горюновым И. М. и Бакировым Ф. Г.

Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на научно-технических советах ОАО "НПП "Мотор" (НТС в 2010 г.), ФГУП УАП «Гидравлика» (НТС в 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 3 статьи в изданиях из списка ВАК и 1 свидетельство Роспатента об официальной регистрации модуля программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя в разработку проблемы. Все основные положения, связанные с разработкой алгоритма математического моделирования ТОТЭ, учитывающего внутренние электрохимические процессы ТОТЭ, программная реализация алгоритма в системе БУЮ\уТ, проверка адекватности предложенного алгоритма в сравнении с экспериментальными данными "РФЯЦ-ВНИИТФ", а также расчетные исследования по повышению эффективности КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ выполнены и разработаны автором лично.

Автор выражает признательность д.т.н., профессору И. М. Горюнову за научные консультации, возможность использования системы моделирования БУЮ\уТ, за поддержку и полезное обсуждение работы, а также помощь в проверке выдвинутых гипотез, А. С. Липилину (Институт электрофизики УрО РАН) за поддержку и полезное обсуждение работы.

Автор данной работы выражает благодарность проф. МГТУ им. Э. Баумана Б. Г. Трусову за предоставленный модуль для расчета равновесного состава смеси, включенный в программный модуль ЗОБС.

Специалистов ОАО "НГПГМотор" О. И. Болдырева, Т. А. Каримова -автор благодарит за ценную помощь и предоставленные данные, В. В. Кулаева - (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина") за предоставленные экспериментальные данные по твердооксидным топливным элементам.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Г. На основании!сравнительного анализа характеристик различных типов ТЭ по рабочей температуре, единичной мощности, плотности тока и плотности г мощности, ресурсу, виду применяемых, горючего^ и- окислителя; сложности» конструкции.1 и-» изготовления, выявлено; что. наиболее подходящим^ видом ТЭ, для' применения в КЭУ на. базе- ГТУ являются, ТОТЭ. Для оценки эффективности ТОТЭ определены следующие критерии: ЭДС, напряжение ТЭ, плотность тока, плотность мощности, КПД' (эффективный, термический, по напряжению; фарадеевский).

2. Созданы математическая модель, алгоритм, методика расчета КЭУ на базе ГТД' и ТОТЭ, основанные на- математических, уравнениях (моделях), описывающих реакции* пароводяной« конверсии топлива-, внутренние электрохимические реакцииТОТЭ, без привязки,к В АХ конкретных ТОТЭ.

3. На базе разработанного * алгоритма создан программный продукт на ЭВМ, представляющий * собой математическую модель ТОТЭ; включенную в систему ВУЮ\уТ. Программа-позволяет определять параметры различных схем, КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ: Разработанная и реализованная на ЭВМ математическая модель функционального твердооксидного топливного элемента БОБС (официально зарегистрирована в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство-]^ 2009613945 от 24.07.2009 г.), включенная-в систему ОУЮшТ. Согласованность результатов расчетных исследований ТОТЭ с известными данными подтверждает адекватность описания рабочих процессов и применимость разработанной математической модели ЗОГС.

4. Расчетные исследования обосновывают повышение эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13-300 (ГТЭ - 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ:

КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ (схема №. 1), работающего; на отборе воздуха за КНД, характеризуется минимальной модернизацией; исходной;ГТЭ: Вырабатываемая . электроэнергия и электрический; КПД по выработке : достаточно низкие (22,75 % при электрической мощности 8543 кВт).

КЭУ с замененной; камерой сгорания на; ЭХГ (схема № 2), в ГТЭ-10/95 требует значительных, переделок, однако экономический эффект от такого вложения- компенсируется, повышением электрической; суммарной; мощности КЭУ до 20630 кВт и повышением КПД до 30,82 %.

Схема КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ на базе ТОТЭ (схема № 3), питающегося 0,3 МПа. воздухом требует. также значительных переделок, при этом суммарная электрическая мощность достигает 14004 кВт при КПД по выработке электроэнергии в 27,75%. . ' ; '

Дроссельные характеристики показывают, что со снижением приведенной; частоты; вращения; КНД в схеме № 2 КПД; по выработке электроэнергии возрастает и при приведенной частоте КНД; равной 7100 об/мин (2 МВт ГТЭ) достигает 35%, в то время как в базовой ГТЭ.снижается до 12%,; мощность в схеме № 2 падает при снижении приведенной; частоты вращения КНД с 9627 до 7100 об/мин (с 8 до 2 МВт ГТЭ), при этом? мощность КЭУ уменьшается с 20630 до 12436 кВт.

Анализ характеристик КЭУ показывает, что наиболее эффективной для модернизации и повышения эффективности ГТЭ-10/95 является, схема КЭУ с заменой камеры сгорания на ЭХГ на базе ТОТЭ.

Функциональные возможности, реализованные в модуле моделирования твердооксидных топливных элементов 80БС, позволяют за счет создания новых схем КЭУ с ТОТЭ, уточнения описания рабочих процессов внутри ТЭ, в том числе с применением рабочих тел с различными теплофизическими свойствами, сократить сроки проектирования и исследования^ повысить качество создаваемых комбинированных энергетических установок на базе ТОТЭ в производстве и эксплуатации.

1. Арсеньев Л. В., Тырышкин В. Т., Богов* И. А. Стационарные газотурбинные установки Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1989. -543 с.

2. Ахмедзянов A.M., Кожинов Д.Г. Система конструирования САПР1 сложных технических объектов САМСТО: Учебное пособие.-- Уфа: УГАТУ, 1993. -34 с.

3. Баррет С. Твердооксидный топливный элемент. Патент США N 5395704 от 7.03.1995.-5 с.

4. Беляев<В.Е., Косой А.С., Листопадов Д.В., Маркелов А.П., Синкевич М.В. Влияние расхода- охлаждающего пара на характеристики паро-газовых установок с впрыском пара // Теплоэнергетика, 2002. № 91 С. 47 51.

5. Введение в термодинамику? топливного элемента / В.Н. Борисов, И.Г. Лукашенко, М.А. Ахлюстин / Твердооксидные топливные элементы: Сборник научно технических статей: - Снежинск: Издательство РФЯЦ - ВНИИТФ, 2003. С. 9-15.

6. Газотурбинная* энергетическая установка ГТЭ-10/95 БМ. Рекламный проспект. Уфа: ОАО"НПП"Мотор", 2010. - 10 с.

7. Газотурбинная энергоустановка ГТЭ-10/953-002. Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию. ГТП 953.00.0.0000РЭ. Уфа: ФГУП "НГПТ'Мотор", 2004. 458 с.

8. Горюнов И. М. Структурно-параметрический синтез и анализ авиационных ГТД и энергетических установок на их- основе. Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.07.05

9. Тепловые, электроракетные двигатели п энергоустановки летательных аппаратов Уфа: изд. УГАТУ, 2007.-31 с.

10. Горюнов И.М; Термогазодинамические;, расчеты ГТД и теплоэнергетических установок с использованием системы DVIGwT // Вестник УГАТУ, 2006. Т 7, № 1 (14). С. 61 70. ;

11. Горюнов?И;М:, Курунов Ю^С., Гумеров G.G., Чистилин; С.Б. Расчетные исследования повышения ресурса ГТУ // Тезисы докладов? междун. научно-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». Ч. 1. Самара. 2003.С. 164- 166. ■

12. V 12 ГОСТ 28775-90. Агрегаты: газоперекачивающие с газотурбинным приводом: Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов; 2005: - 14 с.

13. ГОСТ 29328-92. Установки газотурбинные для привода турбогенераторов; Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2007; -16 с, '^.У"-' ;■;.■ .■:•.■• ;"

14. Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Лукачев С.В., Резник В.Е., Цыбизов Ю.И. Конвертирование авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения. Самара: СНЦ РАН, 2004.- 266 с.

15. Гулямов. Ю. М., Василенко А. В., Вольский X. А. Исследование восстановления катализатора в реакции пароводяной конверсии окиси углерода методом импульсного микрореактора // Вопросы химии и химической технологии, 1981. № 6. С. 98.

16. Издательство РФЯЦ ВНИИТФ, 2003. С. 334 - 339.

17. Комбинированная газопаротурбинная установка мощностью 16-25 МВт с утилизацией тепла отходящих газов и регенерацией, воды из парогазового потока / ВЖ Романов; В: А. Кривуца//Теплоэнергетика, 1996:.№ 4: С. 27 30Х

18. Коровин Н: В. Топливные элементы, и электрохимические энергоустановки: —МЬИздательствогМЭИ; 2005; —280'с: ,,

19. Лоскутников А. А. Гибридные энергоустановки на базе ГТД и твердооксидных топливных» элементов. / Ф. Г. Бакиров // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция: Сборник в 5 томах. Том 1.-Уфа: изд. УГАТУ, 2009. С. 71 - 72.

20. Лыкова С. А. Высокоэффективные гибридные энергоустановки на основе топливных элементов // Теплоэнергетика, 2002. № 1. С. 50 55.

21. Минигуллина Э. И., Масленникова Г. Н., Коровин В. Н. Курс общейхимии. Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1990.-445 с.

22. Миих Н. Монолитный ТОТЭ с улучшенным слоем коммутации. Патент США N 5351730 от 18.10.1994. 6 с.

23. Некоторые проблемы использования воды и водоподготовки на ПТУ с впрыском пара / Ю.А. Зейгарник, И.Л. Мостинский, Э.А. Цалко, В.Я. Штеренберг // Теплоэнергетика, 1995. № 12. С. 53 60.

24. Ольховский Г. Г. Газовые турбины для энергетики // Теплоэнергетика, 2004. № 1.С. 38-43.

25. Перспективы применения энергоустановок на топливных элементах в энергоснабжении / В.Н. Борисов // Твердооксидные топливные элементы: Сборник научно- технических статей. Снежинск: Издательство РФЯЦ - ВНИИТФ, 2003. С. 110-119.

26. Перфильев М. В., Демин А. К., Кузин Б. Д., Липилин А. С. Высокотемпературный электролиз газов. М.: Наука, 1988. - 232 с.

27. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор) / Под общ. ред. д.т.н. В.А. Скибина, к.т.н. В.И. Солонина. М.: ЦИАМ, 2004. - 424 с.

28. Разработка методик и программ для расчета и оптимизации основных характеристик планарного твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ) /Н. И. Храмушин, В. А. Субботин, В.А. Ружников, Н.И. Соловьев. Статья в электронном виде. С. 61 74.

29. Расчетные исследования возможности форсирования конверсионной газотурбинной установки путем впрыска пара / A.B. Челомбитько, Л.И. Швец // Конверсия в машиностроении, 1999. № 5. С. 57 66.

30. Синярев Г. Б., Ватолин Н. А., Трусов Б. Г., Моисеев Г. К. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. М.: Наука,1982. 267 с.

31. СТО 2-3,5-138-2007. Типовые технические требования к газотурбинным ГПА и их системам. М: Изд-во ВНИИГАЗ, 1997. - 35 с.

32. Тезисы II Всероссийской конференции "Прикладные аспекты химии высоких технологий", Москва, 26-28 октября 2004 г. М: изд. РХТУ им. Д. И. Менделеева - С. 105.

33. Теория и проектирование газотурбинных двигателей и комбинированных установок: Учебник для вузов / Ю.С. Елисеев, Э.А. Манушин, В.Е. Михальцев и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 640 с.

34. Тепловые схемы гибридных электростанций и методика их расчета / В.Д. Буров, Е. А. Захаренков // Вестник МЭИ, 2009. №2. С. 20 27.

35. Технологические схемы и показатели экономичности ПТУ с впрыском пара в газовый тракт / О.Н. Фаворский, C.B. Цанев, В.Д. Буров, Д.В. Карташев // Теплоэнергетика, 1995. № 4. С. 28 34.

36. Топливные элементы. Сборник статей под. ред. В. Митчелла. Ленинград: Издательство "Судостроение", 1966. 373 с.

37. Трусов Б. Г. Инструкция к программной процедуре "Thermo". Электронный документ MS Word. 2009. 10 с.

38. Цанев C.B., Буров В.Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. Учебное пособие для вузов / Под ред. C.B. Цанева М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 584 с.

39. Яковлева Н. В. Модифицирование никелевых катализаторов пароводяной конверсии "метана диоксидом церия. Диссертация на соискание, ученой, степени кандидата химических наук по специальности 05.17.01 Москва: РГБ ОД, 2005. -141 с.

40. All S.A., Moritz R. A prototype for the first commercial pressurized fuel cell system // Proceed ASME Turboexpo 2000. Munich, Germany. 2000. P. 13 15.

41. Bessette N.F. et al. A Mathematical Model of a Solid Oxide Fuel Cell // J. Electroc. Soc. v. 142. N 11. 1995. P. 37 92.

42. Fuell cell fever distributed generation // Modern power systems. 1998. № 7. P. 17-21.

43. High Efficiency PSOFC / ATS Gas Turbine Power System. Final report. National Energy Technology Laboratory. Siemens Westinghouse Power Corp, 2001. -180 p.

44. Hirschenhofer J. H., Stauffer D. B., Engleman R. R. Fuell Cell Handbook / DOE/METC-94/1006. P. 2-1 to 2-861 http://ww w .mashproekt.nikolaev.ua/

45. Modern Status and Future of SOFC / Lipilin A. S. Ceramic Materials Reseach Trend Editors: Paul H. Lin Chapter 5. Nova Pablisher. 2007. P. 139 158.

46. Ргак@\УЫй1еу БТ5 8Т5 8Т6Ь-721 5Т6Ь-795 8Т6Ь-813 1997 395/492 457/563 508/567 678/743 848/932 - - 34,4*/-24,6*/-23,4/24,7/26/- 86,6 139.6 156,2 197.7 237,7 - - - - -

47. ТигЬес ! Т100СНР 103/- 155 - 0,4 - 30,0*/77 - г - 15 2920x870x1900

48. Успсог Power Бз^егщ АБЕЙ УРБ1 1974 525/514/- - 0,4 - - - г/ж г - - -

49. Уаптаг Со, Ш АТбООв АТ9008 550/900/- - - г/ж г/ж - - -1. СВИДЕТЕЛЬСТВОо государственной регистрации программы для ЭВМ2009613945

50. Модуль термогазодинамического расчета твердоокеидных топливных элементов (БОЕС)

51. Пратюбладатель(ли): Лоскутников Александр Александрович (Ш1), Горюнов Иван Михайлович (Ш1), Бакиров Федор Гайфуллович (¡111)

52. Автор(ы): Лоскутников Александр Александрович,

53. Горюнов Иван Михайлович, Бакиров Федор Гайфуллович (К11)1. Заявка № 2009612855

54. Дата поступления 9 ИЮНЯ 2009 Г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ24 шоля 2009 г.

55. Руководитель Федеральной службы по Ш1телдеюпуаяьтй собственности, патентам и товарным таксы1. Б.П, Си.ыонов152