автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка вихревых газоветроэлектроагрегатов для выхлопных систем конвертируемых авиационных двигателей

На правах рукописи

Красноруцкий Алексей Сергеевич

Разработка вихревых газоветроэлектроагрегатов для выхлопных систем конвертируемых авиационных двигателей

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 НАР 2015

005559836

Самара - 2015

005559836

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» на кафедре теплотехники и тепловых двигателей.

Научный руководитель: Бирюк Владимир Васильевич,

доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты: Балалаев Анатолий Николаевич, доктор

технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный университет путей сообщения", заведующий кафедрой «Вагоны»,

Федорченко Дмитрий Геннадьевич, кандидат технических наук, главный конструктор ОАО "Металлист-Самара".

Ведущее предприятие: федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет», г. Самара

Защита состоится 17 апреля 2015 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке и на сайте федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», адрес сайта: http://diss.ssau.ru.

Автореферат разослан 17 февраля 2015 г.

Учёный секретарь ____ ^^

диссертационного совета Д 212.215.02 /^^^-^^-^-Скуратов Д.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время авиационные газотурбинные двигатели, отработавшие свой летный ресурс, находят применение для привода газоперекачивающих агрегатов.

На собственные нужды каждой из сотен компрессорных станций (КС) с газоперекачивающими агрегатами (ГПА) оснащенных приводами от газотурбинных двигателей затрачивается порядка 2,5 МВт электрической мощности. Актуальным является применение экологически чистых, возобновляемых источников энергии, к которым относится, в том числе, и энергия ветра. В условиях непрерывного роста цен на централизованно поставляемую электроэнергию, целесообразно стремиться к сокращению зависимости потребителей от поставок внешней электроэнергии. Одно из возможных направлений - выработка электроэнергии для обеспечения собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов с использованием энергии ветра.

Представляет интерес создание новых типов энергетических установок на основе вихревых газоветроэлектроагрегатов с возможностью эффективного использования энергетического потенциала потока отходящих газов газоперекачивающих агрегатов с приводами от газотурбинных двигателей и кинетической энергии ветра.

Оснащение вихревыми газоветроэнергетическими установками компрессорных станций позволит решить проблему электроснабжения собственных нужд компрессорных станций, повысить надежность их работы, отказаться от потребления электроэнергии из внешних высоковольтных сетей. Эта проблема наиболее актуальна для компрессорных станций, находящихся за сотни километров от электростанций.

Степень разработанности темы. Закрученные потоки жидкости и газа начали привлекать внимание исследователей с начала XX века. Тем не менее, до настоящего времени остаются нерешенными многие вопросы, касающиеся теории описания вихревых процессов. Основным недостатком всех проведенных ранее исследований является то, что они не дают функциональной зависимости между геометрическими размерами вихревых устройств и параметрами потока газа на выходе из вихревых устройств. Полуэмпирические зависимости, выведенные для конкретных геометрических соотношений, несправедливы для других.

Цели и задачи. Цель работы - повышение энергетической эффективности комплекса с газоперекачивающими агрегатами на базе приводов с конвертируемыми авиационными газотурбинными двигателями за счет использования энергетического потенциала выхлопных газов. Задачи исследования:

1. Разработать новый тип вихревой газоветроэнергетической установки (ВГВЭУ).

2. Разработать методику расчета характеристик вихревой газоветроэнергетической установки.

3. Методами численного моделирования:

- произвести расчет газодинамической структуры потоков рабочего тела исследуемой ВГВЭУ;

- определить характер протекания вихревых процессов, возникающих при работе установки.

4. Экспериментально установить:

- закономерности взаимодействия газовых потоков при работе ВГВЭУ;

— оценить уровень гидравлических потерь, возникающих при работе установки.

5. Оценить влияние вихревой газоветроэнергетической установки на работу и

параметры газотурбинного привода газоперекачивающего агрегата.

Объект исследования. Вихревые газодинамические процессы, протекающие при работе вихревой газоветроэнергетической установки.

Предмет исследования. Методы проектирования вихревой газоветроэнергетической установки для электроснабжения собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов.

Научная новизна.

1. Предложен новый тип вихревой газоветроэнергетической установки, отличающийся высокими показателями использования энергетического потенциала выхлопных систем конвертируемых авиационных газотурбинных двигателей и энергии ветра для энергоснабжения собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов.

2. Выявлены расчётными и экспериментальными способами особенности протекания процессов совместной работы выхлопных систем авиационных ГТУ и ВГВЭУ, заключающиеся в вихреобразовании в рабочей зоне статорной части установки, обеспечивающей увеличение скорости и кинетической энергии газовоздушного потока, а также увеличение массы потока проходящего через турбину электрогенератора.

3. Разработан метод определения рабочих характеристик ВГВЭУ, отличающийся учетом влияния всего комплекса на работу и параметры газотурбинного привода газоперекачивающего агрегата.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке математических моделей, описывающих работу вихревой газоветроэнергетической установки нового типа.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- разработана методика расчета характеристик ВГВЭУ. Предложенный подход позволяет получить выработку электроэнергии от 17,2 кВт до 123,4 кВт с каждой установки и снизить затраты компрессорной станции на оплату электроэнергии и мощности;

- результаты работы могут быть использованы для проектирования газоветроэнергетических установок компрессорных станций магистральных газопроводов, а также при подготовке специалистов в области энергосбережения.

Методология и методы исследования. Решение задач диссертационного исследования осуществлялось на основе системно-информационного подхода к анализу газодинамических процессов выхлопных систем конвертируемых авиационных двигателей, с использованием современных методов двумерного и трехмерного геометрического проектирования, численного моделирования сложных систем, методов быстрого прототипирования, эмпирических методов оценки параметров эффективности работы технической системы.

Положения, выносимые на защиту:

1. Новый тип ВГВЭУ для электроснабжения собственных нужд

компрессорных станций магистральных газопроводов.

2. Методика расчета характеристик вихревой газоветроэнергетической

установки для различных типов газоперекачивающих агрегатов с различными типами выхлопных устройств.

3. Результаты теоретического исследования и численного моделирования

работы ВГВЭУ.

4. Результаты экспериментального исследования газодинамической структуры

потока на модельных образцах ВГВЭУ.

Степень достоверности проведенных исследований, разработанных моделей и полученных результатов исследования подтверждена корректностью постановки задачи исследования, применением использованных ранее и апробированных теорий, программных комплексов, а также полученной сходимостью результатов компьютерного численного моделирования с экспериментальными данными, полученными на специально созданном модельном стенде.

Апробация работы. Основные результаты и положения, полученные в ходе диссертационного исследования были изложены на: VII Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» - Самара: СГАУ, 2010; одиннадцатой международной школе-семинаре «Модели и методы аэродинамики» - Евпатория, 2011; VI международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного социально-экономического развития» - Самара: МИР, 2010. Проекты ГВЭУ выставлялись на международных выставках «Энергетика 2010» г. Самара, «Энергетика 2011» г. Самара, «Энергетика 2012» г. Самара, а также «Энергосбережение 2011» г. Самара, «Энергосбережение 2012» г. Самара.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 работ из них 3 -.в изданиях, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников в количестве 105 наименований. Работа изложена на 137 страницах, содержит 76 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость выполненной работы, достоверность исследований и представлена информация по апробации и публикации результатов.

В первой главе представлено описание и назначение, современное состояние газоперекачивающих агрегатов на основе конвертируемых авиационных газотурбинных двигателей. Рассмотрены способы снабжения энергетическими ресурсами удаленных компрессорных станций. Подробно рассмотрены способы снабжения компрессорных станций электрической энергией.

Проведен обзор существующих гипотез и вариантов теоретического обоснования процессов вращающихся потоков. Отмечено, что с 1953 г. по 1998 г. под руководством профессора А. П. Меркулова в Куйбышевском авиационном институте (ныне - СГАУ) велась работа по исследованию вихревого эффекта и его промышленному применению. Создана отраслевая научно-исследовательская лаборатория (ОНИЛ-9), в которой разработаны теоретические основы вихревого эффекта, а также десятки промышленных образцов вихревых холодильных-нагревательных и вакуумируюших установок для многих отраслей народного хозяйства. В настоящее время работы по данному направлению исследований в СГАУ продолжаются под руководством В. В. Бирюка. Исследованием вращающихся потоков и вихревого эффекта занимаются также

Ш. А. Пиралишвили, А. Н. Балалаев, А. И. Азаров, В. Т. Волов, Р. А. Серебряков, А. А. Халатов и другие. Их работы посвящены исследованию теории вихревого движения и содержат различные предложения по его промышленному использованию.

Рассмотрен новый тип ВГВЭУ. Установка имеет входной завихритель воздушного потока вызывающий его смерчевое вращение с увеличением скорости и созданием разрежения в осевой части вихря, а также тангенциальное ускорение выхлопного потока газов ГПА. Поток газов, выходящий из выхлопной трубы ГПА поступает в центральную часть цилиндрического статора и смешивается, тангенциально ускоряясь в нем вместе с воздушным потоком. На рисунке 1, а изображена принципиальная схема ВГВЭУ ГПА, а на рисунке I, б схема газовоздушных потоков в статоре установки. Воздушный ветровой поток с помощью направляющих лопаток 2 закручивается с увеличением его тангенциальной скорости, поступает в гиперболический статор установки 3. где смешивается с газами, выходящими из выхлопной трубы 1 ГПА. Ускоренный газовоздушный поток с помощью соплового аппарата 4 подается на лопатки осевой турбины 6, приводящей во вращение электрогенератор 5.

1 - выхлопная труба ГПА: 2 - направляющие воздушные каналы; 3 -гиперболический статор;

4 - турбина; 5 - электрогенератор.

Св, Сг- скорости воздушного и газового потоков на входе в ветрогазоэнергетическую установку; С - абсолютная скорость газо-воздушного потока у стенок статора; Сг, Сг, С® -

проекции скорости С на оси координат; ш - осевая скорость газовоздушного потока.

Рисунок I - Принципиальная схема ВГВЭУ ГПА (а) и схема газовоздушных потоков в статоре

установки (б)

Рассмотренный принцип и конструктивная схема ВГВЭУ дают возможность достаточно эффективно использовать энергию отходящего потока газов ГПА и кинетическую энергию воздушных потоков. При этом для нее характерны следующие положительные качества:

- увеличение скорости и кинетической энергии газовоздушного потока с их использованием для выработки электроэнергии;

- увеличение массы потока проходящего через турбину электрогенератора;

- в случае установки на ГПА ВГВЭУ и сохранения принципа централизованного электроснабжения, существенно снизятся затраты на покупку электроэнергии у внешних поставщиков, или же появится возможность сокращения расходования топливного газа на аварийные резервные газотурбинные энергоагрегаты.

На рисунке 2 изображена предлагаемая схема снабжения электрической энергией потребителей компрессорной станции, подключенных по 2 и 3

а

б

категории электроснабжения. На рисунке 3 представлена модель ГПА совместно с предлагаемой к исследованию в работе ВГВЭУ.

В настоящее время большое количество двигателей марки «НК» установлено на компрессорных станциях, расположенных в различных климатических зонах. Одним из наиболее распространенных ГПА с двигателями марки «НК» является ГПА-Ц-16 с приводом НК-16СТ. Их количество по стране превышает 650 шт. Поэтому в ходе исследования в качестве двигателя, используемого для привода ГПА на который предполагается установить ВГВЭУ был принят двигатель НК-16СТ.

ВГВЭУ

Выпрячительно зарядное устройство

Елок

РЕЗЕРВНОЕ

Центральное электроснабжение

Рисунок 2 — Предлагаемая схема снабжения электрической энергией потребителей компрессорной станции, подключенных по 2 и 3 категории электроснабжения

В результате проведенного анализа сформулированы задачи исследования.

Во второй главе представлена математическая модель физических процессов, протекающих в вихревой газоветроэнергетической установке.

Создание вихревых газоветроэнергетических установок основано на возможности формирования ламинаризированных закрученных потоков в специальных генераторах закрученного потока, образованных кривыми второго порядка в вертикальной плоскости и по спирали Архимеда в горизонтальной плоскости, подобных по своим свойствам природному смерчу, обладающему значительным запасом кинетической энергии. В приосевой, центральной области сформированного в устройстве вихря, давление понижено по отношению к внешнему атмосферному давлению, что способствует образованию тяги и всасыванию тем самым в этот смерчеобразный столб дополнительной массы воздуха.

Важным фактором, вынуждающим воздух двигаться по заданным траекториям, является избыточное давление торможения р*, определяющее величину азимутальной компоненты скорости вращения потока при выбранной форме закручивающего канала статора.

Величина избыточного давления торможения определяется:

Зная давление торможения для всех сечений канала можно определить значения компонентов скорости потока - осевой Уг ¡(г), радиальной Уг ¡(г) и азимутальной Уф ¡(г). Физический смысл составляющих (Уг ¡(г), Уг ¡(г), Уф ¡(г))

7

Рисунок 3 - Газоперекачивающий агрегат совместно с ВГВЭУ

скорости потока состоит в том, что: Уг(г) - интенсифицирует давление у стенок цилиндрической камеры статора ВГВЭУ; Уг(г) - расходуется в энергетическом балансе на преодоление гидравлического сопротивления в осевом движении вихря; Уф ¡(г) - частично преобразуется в энергию в форме механической работы потока на лопатках ротора ВГВЭУ и частично рассеивается в окружающую среду.

Условием работоспособности ВГВЭУ является зависимость:

/ \ , Р ^г(вых) ~ р(г, г) +-^ 2: ратм . (2)

При этом вся энергия потока с компонентой скорости Уф перейдет в полезную работу, а величина р(г,г) - в давление за ротором ВГВЭУ. Если это условие не соблюдается, то часть кинетической энергии закрученного потока превращается в давление подтормаживания струи. Очевидно так же, что ВГВЭУ имеет свои границы устойчивой работы, определяемые минимальными значениями р(г,г) и Уг (г).

Так как каналы проектируемой ВГВЭУ имеют специальный профиль (рисунок 4) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, меняющийся от сечения к сечению, так, что в центральную зону поступают струи, "сшивающиеся" в общий смерчеобразный вихревой поток, движение в канале рассматривается как безотрывное, ускоряющееся к выходной щели.

Траектория воздушных струй, обеспечивающая условия для образования квазипотенциального ламинаризированного потока, подобного природному смерчу, описывается системой уравнений, характеризующую ее движение.

Условно в первом приближении можно представить ВГВЭУ как аналог вихревой самовакуумирующейся трубы. На выходе установлен ротор, цилиндрическая зона статора выполняет функцию направляющего аппарата турбины.

В главе представлена методика расчета характеристик вихревой газоветроэнергетической установки, в которой показано, что принятые за основу габаритные размеры, позволяют получить при скорости ветра в атмосфере Увет = 10 м/с мощность установки 1МВГВэу =120 кВт.

В третьей главе внимание уделено численному моделированию

газодинамических процессов при работе установки. Рассмотрен процесс создания компьютерной модели установки и задания граничных и начальных условий. Проведен компьютерный аэродинамический и гидравлический расчет структуры потоков рабочего тела статорной части исследуемой газоветроэнергетической установки на различных режимах работы. Проанализированы результаты компьютерных расчетов и выявлены зависимости.

На рисунках 5-6 изображена картина линий тока рабочего тела в статорной части газоветроэнергетической установки с входным отверстием диаметром 133мм при скорости ветра в атмосфере равной 1 м/с и скорости рабочего тела на входе в установку 0,6 м/с.

Рисунок

тела в статорной части ВГВЭУ

Рисунок 6 - Линии тока рабочего тела в статорной части ВГВЭУ. Вид сверху

Проведенные компьютерные исследования потоков в вихревой зоне модели ВГВЭУ позволили установить, что в ней образуется периферийный поток, текущий к выходному сечению и имеющий распределение окружной скорости, близкое к потенциальному течению и приосевой поток, вращающийся в ту же сторону и имеющий радиальное распределение окружной скорости, близкое к закону вращения твердого тела. Наиболее интенсивное круговое движение наблюдается в выходном сечении вихревой зоны, здесь имеет место наибольший градиент давления по радиусу.

В четвертой главе описан процесс проведения экспериментального исследования. Для подтверждения корректности выбранных предположений о характере работы ВГВЭУ и правильности задания граничных условий при проведении компьютерного исследования, был проведен физический модельный эксперимент на модели установки на различных режимах работы. Экспериментальное исследование газоаэродинамической структуры потоков ВГВЭУ проводилось в научно-образовательном центре газодинамических исследований - НОЦ ГДИ СГАУ, в лаборатории лазерно-оптических исследований структуры потока. Была осуществлена доработка экспериментального стенда соединенного с автоматизированным комплексом сбора параметров. Стенд оборудован средствами и системами измерений, позволяющими определять следующие параметры двухфазного потока:

- расходные характеристики по воздуху - с помощью трех расходомеров термоанемометрического типа;

- средние и локальные скорости в заданных точках потока, которые измеряются с помощью трехкомпонентного лазерно-оптического анемометра ЗО-

9

LDA-PDA. Проведено определение аэродинамических и гидравлических характеристик модели ВГВЭУ, измерены скоростные, гидравлические и расходные параметры потока на входе и выходе из ВГВЭУ.

Измеряемые величины: расход рабочего тела на входе в установку (GBX); полное давление рабочего тела через входное отверстие установки (Р*вх); полное давление на выходе из ВГВЭУ через выходное отверстие (Р*вых); скорость рабочего тела на выходе из ВГВЭУ через выходное отверстие (Увых); скорость ветра в атмосфере (VaTM).

На рисунке 7 изображен аэродинамический стенд для испытания статорной части модели установки.

После выполнения комплекса экспериментальных исследований и анализа результатов была получена зависимость величины потери давления на выходе из установки относительно давления на входе во входное отверстие «inlet gas» от величины расхода рабочего тела на входе в установку через входное отверстие «inlet gas» (рисунок 8).

Полученная в компьютерных расчетах картина качественно хорошо согласуется с теоретическими предположениями о характере работы вихревой газоветроэнергетической установки, а также с результатами физических модельных экспериментальных исследований. Данный вывод позволяет говорить о возможности дальнейшего инженерного анализа конструкции газоветроэнергетической установки с помощью средств компьютерного моделирования и методов вычислительной газовой динамики, что позволит значительно сократить время создания конечного готового устройства.

Рисунок 7 -

Аэродинамический стенд №2 НОЦ ГДИ СГАУ для испытания статорной части модели установки

О 0,01 0,02 0,03 0.04 0.05 0,06 0,07 0,08

Расход рабочего тела на входе в установку, кг/с

Рисунок 8 - Зависимость потери давления на выходе из установки от расхода рабочего тела на

входе в установку

В пятой главе описано численное моделирование аэродинамических процессов ВГВЭУ для ГПА-Ц-16. На основании проведенных ранее компьютерных и экспериментальных исследований на моделях ВГВЭУ были получены зависимости параметров работы ВГВЭУ для ГПА-Ц-16 от скорости воздуха в атмосфере. На рисунке 9 изображена диаграмма распределения векторного поля тангенциальной скорости рабочего тела в зоне вихреобразования. На рисунке 10 изображена диаграмма распределения векторов скорости рабочего тела в установке.

Дальнейшим этапом работы был выбор приемлемых для изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации геометрических характеристик конструкции ВГВЭУ для ГПА-Ц-16 и компьютерный расчет установки с принятыми размерами на рабочих режимах.

Рисунок 9 - Диаграмма распределения Рисунок 10 - Диаграмма распределения

векторного поля тангенциальной скорости векторов скорости рабочего тела в установке рабочего тела в зоне вихреобразования

На рисунке 11 изображены габаритные размеры модели статорной части газоветроэнергетической установки для ГПА-Ц-16, а на рисунке 12 представлен график зависимости потерь давления в ВГВЭУ при работе принятого варианта конструкции установки от скорости ветра в атмосфере.

шо

газоветроэнергетической установки для ГПА-Ц-16

Скорость ветра в атмосфере, м/с

Рисунок 12 - График зависимости потерь давления в ВГВЭУ от скорости ветра в атмосфере

Таким образом, при втекании воздуха из атмосферы в зону вихреобразования через тангенциальные направляющие каналы в вихревой зоне возникает интенсивный круговой поток или свободный вихрь, перемещающийся в сторону выходного сечения статорной части установки. По мере осевого перемещения этот поток, взаимодействует с заполняющим приосевую область потоком горячих выхлопных газов ГПА. За счет воздействия внешнего кругового потока, приосевой поток, являющийся вынужденным вихрем, закручивается в ту же сторону и движется в сторону выходного сечения под действием осевого градиента давления.

Также в главе представлен анализ влияния газоветроэнергетической установки на работу и параметры газотурбинного привода газоперекачивающего агрегата. На основе данных, полученных при компьютерном моделировании работы вихревой газоветроэнергетической установки сделан вывод, что увеличение гидравлического сопротивления выхлопного устройства ГПА в ходе работы установки не превышает допустимый уровень для выхлопных систем двигателей НК.

Оценка влияния нового типа установки на работу ГТД в целом произведена с помощью автоматизированной системы термогазодинамического расчета и анализа газотурбинных двигателей - АСТРА. Система АСТРА является комплексной, универсальной и включает весь цикл термогазодинамического проектирования газотурбинного двигателя, а также его термогазодинамической доводки.

На рисунке 13 изображена полученная в ходе расчета модели ГТД НК-16СТ в системе АСТРА характеристика компрессора низкого давления на различных режимах работы, а также изменение положения линии совместной работы относительно варианта работы двигателя на номинальном режиме без установки и при работе двигателя на номинальном режиме с предложенной установкой при скорости ветра в атмосфере 10 м/с.

л Номинальный режим без установки Овчине

• Номинальный режим с установкой при ветре 10 м/с — Граница устойчивой работы —> Линия совместной работы Кнд без установки

-----Линия совместной работы Кнд с установкой при скорости ветра 10 м/с

Рисунок 13 - Характеристика компрессора низкого давления

Анализ представленной зависимости показывает, что при работе установки совместно с ГТД НК-16СТ при скоростях ветра 0-10 м/с линия совместной работы смещается вверх и вправо по направлению к границе устойчивой работы двигателя, однако величина этого перемещения крайне мала. Таким образом, рассматриваемый двигатель при работе совместно с установкой обладает достаточным запасом устойчивой работы.

На рисунке 14 изображены зависимости эффективного КПД двигателя на различных режимах работы без установки и с установкой при скорости ветра 10

м/с.

ПКад. об/мин

-без установи! — — с установкой при скорости ветра 10 м/с

Рисунок 14 - Зависимости эффективного КПД двигателя на различных режимах работы без установки и с установкой при скорости ветра 10 м/с

Выполнен расчет мощности, развиваемой на валу ротора турбины вихревой газоветроэнергетической установки. При выбранных геометрических размерах статорной части установки, заданных условиях работы двигателя и диапазоне скоростей ветра в атмосфере 0-10 м/с, диапазон мощности, развиваемой на валу ротора установки составит 17,2 кВт - 123,4 кВт, что соответствует 0,11 % - 0,77 % мощности ГТД НК-16СТ, при этом эффективный КПД двигателя снижается на 0,029 % - 0,22 %. КПД всего комплекса больше КПД двигателя на величину 0,1 -0,6% (рисунок 15).

Увеличение гидравлического сопротивления на выхлопе двигателя. Па —•—КПД комплекса уровень КПД двигателя без установки

-»-КПД двигателя с установкой -«-КПД двигателя без установки

Рисунок 15 - Зависимость КПД комплекса с газоперекачивающим агрегатом и установкой от величины создаваемого при работе установки дополнительного гидравлического сопротивления выхлопного устройства при различных скоростях ветра в атмосфере

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решена важная научно-техническая задача по выявлению новой возможности использования энергетического потенциала выхлопных систем конвертируемых авиационных газотурбинных двигателей для энергоснабжения собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов.

По результатам проведенных исследований можно отметить следующие выводы:

1 Разработана принципиальная схема нового типа вихревой газоветроэнергетической установки, позволяющей эффективно использовать энергетический потенциал потока отходящих газов газоперекачивающих агрегатов с газотурбинными приводами и кинетической энергии ветра.

2 На основании проведенных экспериментальных исследований, а также разработанных математических моделей предложена методика расчета характеристик вихревой газоветроэнергетической установки для различных типов газоперекачивающих агрегатов с различными типами выхлопных устройств.

3 При работе установки для ГПА-Ц-16, в зависимости от условий эксплуатации, расход атмосферного воздуха может возрасти до 24,4% от расхода рабочего тела через ГПА.

4 Увеличение гидравлического сопротивления выходного устройства ГПА в ходе работы установки при скоростях ветра 0-10 м/с, составляет соответственно 150-1156 Па. Двигатель при работе совместно с установкой обладает достаточным запасом устойчивой работы.

5 При выбранных геометрических размерах статорной части установки, заданных условиях работы двигателя и диапазоне скоростей ветра в атмосфере 0-10 м/с, диапазон мощности, развиваемой на валу ротора установки составит 17,2 - 123,4 кВт, что соответствует 0.11% - 0,77% мощности ГТД НК-16СТ, при этом КПД всего комплекса больше КПД двигателя на 0,1 - 0,6%.

6 Применение численного моделирования, в комплексе с физическим модельным экспериментом позволяет снизить сроки проектирования и доводки ВГВЭУ за счет ускорения процесса получения информации о её рабочем процессе.

Полученные в ходе выполнения диссертационного исследования результаты работы могут быть использованы на компрессорных станциях магистральных газопроводов, а также при подготовке специалистов в области энергосбережения.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК:

1. Бирюк, В.В. Вихревая газоветроэнергоустановка для электроснабжения компрессорных станций [Текст] / В.В. Бирюк, A.C. Красноруцкий, И.А. Зубрилин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). - 2011. -№5 (29). - С. 29-35.

2. Бирюк, В.В. Вихревая ветроэнергетическая установка [Текст] / В.В. Бирюк,

A.C. Красноруцкий // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). — 2013. - №3 (41). - 4.1. — С. 29-34.

3. Бирюк В.В. Методика расчета и анализа аэродинамических показателей газового потока в вихревой ветроэнергетической установке [Текст] /

B.В. Бирюк, Д.А. Угланов, A.A. Горшкалев, Д.В. Большов, A.C. Красноруцкий, В.А. Лапшина, П.А. Чертыковцев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). - 2013. - №3 (41).-4.1.-С. 40-47.

В других изданиях:

4. Бирюк, В.В. Повышения энергоэффективности компрессорных станций магистральных газопроводов [Текст] / Е.И. Анищенкова, В.В. Бирюк, A.C. Красноруцкий // Актуальные проблемы современного социально-экономического развития: материалы VI Международной научно-практической конференция. - Самара: МИР, 2010. - С.118-119.

5. Бирюк, В.В. Использование энергетического потенциала выхлопных газов газотурбинных агрегатов для электроснабжения собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов [Текст] / В.В. Бирюк, A.C. Красноруцкий, С.К. Крюков, Г.Г. Панкова, Д.А. Угланов // Модели и методы аэродинамики: материалы Одиннадцатой Международной школы-семинара. -М.: МЦНМО, 2011. -С. 23-24.

6. Бирюк, В.В. Газоветроэнергетическая установка электроснабжения собственных нужд компрессорных станций магистральных газопроводов [Текст] / В.В. Бирюк, A.C. Красноруцкий, Л.П. Шелудько // Труды XII Международного симпозиума посвященного актуальным проблемам повышения эффективности использования материальных и энергетических ресурсов, разработки и реализации региональных и производственных программ энергоресурсоэффективности. - Казань: Центр оперативной печати, 2011.-С. 188-197.

Подписано в печать 13.02.2015 г. Формат 60 х 84 1/16 Бумага офсетная. Печать оперативная. Объем 1.0 печ. л. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета

в типографии «ИНСОМА-ПРЕСС» 443080, Самара, ул. Санфировой, 110А, тел. (846) 222-92-40.