автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Теоретическое обоснование и реализация методов улучшения характеристик транспортных регенеративных газотурбинных двигателей

На правах рукописи

Елисеев Сергей Юрьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНЫХ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА-2005

Работа выполнена на кафедре «Транспортные газотурбинные двигатели» Московского государственного технического университета «МАМИ».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Ю.С. Кустарёв Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор А.Е. Зарянкин кандидат технических наук, доцент Л.В. Виноградов

Ведущее предприятие ГУЛ НИИД

Защита диссертации состоится « 22 » декабря 2005 в 16:00 на заседании диссертационного Совета 212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семёновская, 38, МГТУ «МАМИ», ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес учёного секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан: «_»_2005

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

С.В. Бахмутов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработка и освоение транспортных газотурбинных двигателей (ТГТД) является одной из важных государственных задач. Речь в первую очередь идёт о применении ТГТД для наземного транспорта. Наземному транспорту требуются силовые установки с увеличенной габаритной и массовой мощностью, минимальной токсичностью отработавших газов. В России с её огромными расстояниями и холодным климатом на значительной части экономически перспективной территории нужда в таких силовых установках особенно велика. Весьма перспективным представляется использование газотурбинных двигателей в составе гибридных силовых установок транспортных средств. Появившиеся в последнее время сведения о прогрессе в разработках топливных элементов на керамических плёнках с использованием природного газа вселяют уверенность в реальность создания в ближайшие годы силовых установок, состоящих из топливных элементов и газотурбинного двигателя, экологически чистых с минимальным расходом топлива.

Освоению регенеративных ТГТД мешает целый ряд затруднений, среди которых на первом месте находится отсутствие надёжного высокоэффективного теплообменника со стабильными эксплуатационными характеристиками в течении заданного срока службы. Для ТГТД мощностью до 500 кВт с точки зрения габаритно-массовых показателей наилучшим образом соответствуют роторные теплообменники. Среди них оригинальным и многообещающим является освоение дисковых теплообменников, впервые созданных на Горьковском автозаводе (ГАЗ). Вместе с тем эксплуатация таких теплообменников выявила два существенных недостатка, а именно засоряемость каналов сетчатой матрицы и уменьшение степени регенерации вследствие неравномерного распределения теплоносителей по каналам теплообмена.

Важной проблемой при освоении ТГТД является также реализация эффективного климатического регулирОМ^£я^Щ|й5деяМ®иросггыми средствами

библиотека ] СПе^ргО/Л I

99 т>

- }

в широком диапазоне температур атмосферного воздуха, вплоть до -50°С. Такой подход позволяет реализовать термодинамические преимущества при эксплуатации регенеративных ТГТД в зимних условиях и получить существенную экономию топлива.

Эта ситуация и определила актуальность данного исследования. Цель работы. Разработка методов улучшения эксплуатационных характеристик ТГТД, обеспечивающих повышение работоспособности поверхностей теплообмена в секциях роторного теплообменника, а также реализация эффективного климатического регулирования ТГТД в широком диапазоне температур атмосферного воздуха.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- разработан метод расчёта течения теплоносителей в пакете роторного теплообменника с ленточно-щелевыми каналами;

- разработана математическая модель и программа расчёта климатических характеристик регенеративного транспортного газотурбинного двигателя с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины и регулируемым направляющим аппаратом центробежного компрессора;

- проведено математическое моделирование течения воздуха в решётке регулируемого направляющего аппарата центробежного компрессора для определения параметров потока перед колесом компрессора;

- проведена проверка адекватности математических моделей путём исследования характеристик транспортного регенеративного газотурбинного двигателя на стенде, выполнен анализ результатов экспериментов.

Научная новизна работы заключается:

- разработана математическая модель течения теплоносителей в секциях роторного теплообменника с ленточно-щелевыми каналами с учётом нестационарности теплообмена, позволяющая определять основные термодинамические показатели роторного теплообменника секционного типа с ленточно-щелевыми каналами;

. - V |

IV

- разработана математическая модель климатических характеристик регенеративного ТГТД с регулируемым сопловым аппаратом (РСА) силовой турбины и регулируемым направляющим аппаратом (РНА) на входе в компрессор, позволяющая получать климатические характеристики двигателя с более точным определением линии совместных режимов турбомашин при учёте угла закрутки потока перед центробежным компрессором в качестве дополнительного параметра регулирования;

- разработана математическая модель течения воздуха в решётке РНА центробежного компрессора ТГТД, которая позволяет определять аэродинамические параметры решёток как неразрезных, так и разрезных лопаток РНА;

- исследованы пути совершенствования регенеративных ТГТД с целью создания на этой основе ТГТД повышенной надёжности и улучшенными климатическими характеристиками.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью исходных предположений; надёжностью научных и расчётных методов, основных на использование фундаментальных уравнений гидродинамики и термодинамики с соответствующими граничными условиями, применением современных численных методов реализации математических моделей, высокой повторяемостью опытных данных; хорошим совпадением результатов численных экспериментов с данными натурных испытаний. Практическую ценность работы представляют:

- программное обеспечение для аналитического моделирования процессов теплообмена п ленточно-щелевых каналах роторного теплообменника секционного типа и для расчёта климатических характеристик ТГТД с закруткой потока на входе в компрессор;

- цилиндрический теплоперсдающий элемент с ленточно-щелевой поверхностью теплообмена, обеспечивающей уменьшение засоряемости каналов теплообмена, упрощение конструкции и уменьшение стоимости роторного теплообменника;

- рекомендовано использование в РИА компрессора решётки разрезных лопаток;

- полученные результаты используются в ФГУП ММПП «САЛЮТ» при выполнении проектных работ при создании ТГТД мощностью 350-500 кВт;

- разработанные методики используются в учебном процессе кафедры «Транспортные газотурбинные двигатели» МГТУ «МАМИ»

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены:

- на 12 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004г;

- на международной 49-й научно-технической конференции Ассоциаций автомобильных инженеров «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», посвященной 140-летию МГТУ «МАМИ» (г.Москва, 2005).

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на заседании кафедры «транспортные ГТД» МГТУ «МАМИ» в 2005г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, подана заявка на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка используемой литературы, включающей 62 наименования. Результаты изложены на 133 страницах машинописного текста, включая 6 таблиц и 57 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении обосновывается актуальность и научная новизна темы диссертации, формулируются цели и задачи исследования, приводятся основные положения и результаты диссертации.

В первой главе приведён анализ современного состояния применения газотурбинных двигателей на наземном транспорте. Отмечается, что до сих пор в России и за рубежом основным типом теплового двигателя на назем-

ном транспорте является дизель. Важно установить причину этой ситуации и таким образом правильно наметить пути дальнейшего совершенствования

В СССР наибольших успехов в разработке регенеративных ТГТД добились на Горьковском автозаводе (ГАЗ), где была создана серия ТГТД мощностью 280-480 кВт. Успех этих работ базировался на заводской разработке оригинального высокоэффективного роторного теплообменника (рис. 1).

Рис. 1. Роторный теплообменник с коническими теплопередающими

В России, обладающей огромными, в основном неосвоенными, территориями Сибири, Дальнего Востока, Крайнего Севера с низкими среднегодовыми температурами, имеются значительные проблемы эксплуатации транспортных средств с мощными дизельными двигателями. Известно, что при снижении температуры окружающей среды экономичность ТГТД существенно растёт. Очевидно, что ТГТД с его лёгким запуском при низких температурах, многотопливностью и хорошими экологическими показателями мо-

ТГТД.

элементами

жет иметь серьёзные перспективы для применения на Севере. ТГТД могут быть использованы и в качестве теплового двигателя в составе гибридной силовой установки. Появившиеся в последнее время высокотемпературные (850°С) топливные дают возможность регенерации теплоты электрохимических процессов в ГТД, что делает такую энергоустановку не только экологически чистой, но и более экономичной, чем дизель по расходу топлива.

Всесторонние исследования секционных роторных теплообменников типа ГАЗ и эксплуатация ТГТД с такими теплообменниками выявили ряд существенных недостатков, а именно: засоряемость каналов матрицы, образованной мелкоячеистой сеткой (0,15 мм), неравномерное распределение теплоносителей по каналам теплообмена и дороговизну исходного материала матрицы. Было высказано предположение о целесообразности замены сетчатой матрицы на другую поверхность без изменения конструкции ротора и системы уплотнений, которые показали высокую стабильность своих эксплуатационных характеристик. Была выбрана ленточно-щелевая поверхность, которая образуется путём сворачивания плоской ленты в рулон. Теплоносители в щелевых каналах (эквивалентный диаметр 1 мм) движутся прямолинейно вдоль гладких стенок, что замедляет процесс засоряемости, распределение теплоносителей по каналам теплообмена близко к равномерному, а стоимость пакетов, изготовленных из плоской ленты, в десятки раз меньше стоимости конических пакетов из мелкоячеистой сетки.

ТГТД эксплуатируется в широком диапазоне температур атмосферного воздуха: от -50°С до +40°С. Высокие летние температуры воздуха ставят проблему получения номинальной мощности регенеративного ТГТД, а низкие создают благоприятную возможность получения заметного снижения расхода топлива, для чего необходимо климатическое регулирование двигателя, обеспечивающее поддержание постоянной максимальной температуры газа или, что очень близко, температуры перед силовой турбиной. Подходы к решению этих проблем могут быть следующими: увеличение диапазона устойчивой работы компрессора или введение дополнительного регулирования

компрессора (регулируемый направляющий аппарат (РНА) или регулируемый лопаточный диффузор (РЛД)). Наиболее перспективным путём улучшения проблемы улучшения климатических характеристик регенеративного ТГТД представляется применение регулирования компрессора посредством РНА.

В связи с тем, что улучшение климатических характеристик регенеративного двухвального ТГТД посредством изменения закрутки потока воздуха на входе в компрессор, а также улучшение эксплуатационных характеристик роторного дискового каркасно-секционного теплообменника посредством применения гладких ленточно-щелевых поверхностей теплообмена были изучены недостаточно, то решения этих вопросов были обозначены как основные цели данного исследования.

Во второй главе рассмотрено математическое моделирование процессов теплообмена между потоками теплоносителей в роторном теплообменнике каркасно-секционного типа с ленточно-щелевыми каналами теплопере-дающей матрицы. В качестве объекта исследования взяты цилиндрические пакеты, габариты которых и число их при проведении численного эксперимента были приняты такими же, как и в реальном теплообменнике. Теплопе-редающий пакет представляет собой свёрнутый из металлической ленты цилиндр (рис. 2). Диаметр пакета равен 69 мм, ширина ленты 145 мм, толщина 0,1 мм при ширине щели между слоями - 0,5 мм В качестве инструмента для расчёта тепломассовых процессов в пакете использовался гидрогазодинамический конечно-элементный программный комплекс СРХ 5.6.

В качестве расчётной взята объёмная модель, которая из-за ограничений по вычислительным ресурсам и времени счёта представляет собой сектор кольцевой щели малой протяжённости (0,001 м) и включает в себя две пластины с толщиной вдвое меньше толщины ленгы, щелевой канал между ними, входной и выходной участки для учёта искажений скоростного поля на входе и выходе из щели. В связи с малой кривизной на взятой протяжённости

Рис. 2. Цилиндрический и конический теплопередающие элементы теплообменника ГАЗ

сектора, пластины и, соответственно, образованная ими щель приняты плоскими (рис. 3). При таком допущении на верхней и нижней поверхностях расчётной модели обеспечиваются условия симметрии, что имеет место и на боковых гранях модели.

На входной и выходной гранях задавались скоростью и статическим давлением соответственно, причём их эпюры вследствие достаточного удаления от входа и выхода щели брались равномерными. Оценка чисел Рей-нольдса газовоздушных пакетов показала, что они не превышают Ке=500ч-600, поэтому для определения параметров течения использовалась ламинарная модель течения. При течении воздуха (газа) в пакете имеется значительная нестационарность всех теплогидравлических процессов, поэтому выполнялось моделирование нестационарного сжимаемого ламинарного потока.

л

Рис. 3. Расчётная модель теплопередающего элемента:

а) общий вид;

б) увеличенный фрагмент входного, выходного участка модели

В систему дифференциальных уравнений входят уравнения: неразрывности, Напье-Стокса, энергии (с учётом работы трения), и состояния (идеальный газ). Для решения данной системы уравнений использовался метод конечных элемен го в.

Фрагмент расчетной сетки приведён на рис. 4. Размерность сетки 50000 элементов. Материал ленты - сталь 1Х18Н9Т.

Для имитации условий, в которых работает пакет в роторном теплообменнике, в расчётной модели принималось во внимание переменное и противоположное по направлению движение газа и воздуха. Переменный обдув имитировался до момента выхода теплообменника на установившийся режим работы.

Рис. 4. Фрагмент расчётной части

В качестве критерия, определявшего этот режим принималось отличие количества переданного в модели к воздуху тепла за два смежных оборота не более чем на 1 %. По результатам численного эксперимента можно проследить процесс выхода теплообменника на установившийся режим работы.

Как это показано на рис.5, температура двух соседних сторон (охлаждения или нагрева) практически одинакова через 50 секунд. Расчёт тепловой эффективности теплообменника проводился по величине переданного тепла в цилиндрическом пакете воздуху и, для проверки, по отведённому теплу от газа. Полученное значение степени регенерации теплообменника с цилиндрическими пакетами ленточно-щелевого типа составило 86 процентов, что выше (на 2%) чем у прототипа вследствие неравномерного заполнения каналов потоками в конических пакетах. Гидравлическое сопротивление цилиндрического пакета осталось на прежнем уровне.

Программный комплекс СРХ 5.6 позволил получить также поле скоростей в канале модели (рис. 6). Обращает на себя внимание струйный, слоистый характер течения, без застойных зон, что предполагает более высокий уровень стабильности эксплуатационных характеристик, чем при вихревом течении через сетчатые матрицы.

т. с

—ф— стар компр —•—стар турб 1 время, с

Рис. 5. Изменение температуры концов пластин расчетной модели

Скорость м/с

и

Р

Ь, 8

ш

газ воздух

Рис. 6. Распределение скорости в канале между пластинами, справа при продувке воздухом, слева при продувке газом

Разработанная методика расчёта течений с использованием газодинамического конечно-элементного программного комплекса CFX 5.6 позволяет оптимизировать габаритно-массовые показатели теплопередаю-щих пакетов с щелевыми каналами. В качестве варьируемых параметров могут быть использованы: толщина ленты, ширина щели, диаметр и высота пакета, число пакетов и материал ленты. Исследования показали, что приведенные размеры пакета близки к оптимальным как по тепло-гидравлической эффективности, так и по габаритно-массовым показателям. В третьей главе изложена методика расчёта климатических характеристик регенеративного ТГТД. При этом в качестве дополнительного параметра регулирования используется угол закрутки потока перед центробежным компрессором. При составлении программы расчёта широко использовались материалы испытаний двигателей типа «ГАЗ», которые прошли всевозможные стендовые и дорожные испытания. В качестве программы регулирования двигателя принимался характерный для регенеративных ТТТД закон постоянства температуры газа перед силовой турбиной. Поскольку расчёт характеристик центробежных компрессоров имеет весьма приближённый характер, то при моделировании работы двигателя использовались экспериментальные характеристики компрессора ТГТД «ГАЗ», полученные при испытаниях с серией неподвижных направляющих аппаратов. Особое внимание уделялось точности аппроксимации напорных кривых и линий КПД компрессора. Схема аппроксимации напорных кривых представлена на рис. 7. Программа расчёта климатических характеристик ТГТД была разработана в лектронных таблицах «EXCEL».

Использование математической модели позволило построить характеристики регенеративного ТГТД в широком диапазоне температур атмосферного воздуха.

Рис. 7. Аппроксимация функции лк = /((?в)„^ р т

Применение закрутки потока воздуха на входе в одноступенчатый центробежный компрессор регенеративного ТГТД способствует улучшению топливной экономичности двигателя (рис. 8).

Так, при снижении температуры воздуха от +15 до -50°С удельный расход юплива снижается почти на 20%, однако при очень низких температурах изменение угла закрутки теряет свою эффективность.

При высоких летних температурах при отсутствии закрутки потока на входе в компрессор требуется увеличение частоты вращения ротора турбокомпрессора для получения номинальной мощности.

Закрутка потока против вращения колеса компрессора приводит к увеличению степени повышения давления в компрессоре и к снижению частоты вращения ротора турбокомпрессора при номинальной мощности двигателя (рис. 9). При закрутке же потока в направлении вращения колеса компрессора можно устранить опасность помпажа при низких температурах атмосферного воздуха (рис. 10).

Четвёртая глава посвящена математическому моделированию течения воздуха в решётке РНА компрессора. Диапазон углов поворота лопаток РИА ограничивается величиной потерь в решётке. Этот вопрос до последнего времени был изучен недостаточно.

»10 »20

»30 "с

Рис. 8. Климатические характеристики регенеративного ГТД при регулировании по программе Т5 =сопя^ =1,0 и при различной закрутке потока воздуха на входе в компрессор О арнА^в" в аРнА=90° о аРНА=82° • аРНА=76°

1 Об 1 04 ■ 1 02 1 00 0 98 О 96 С 94 0 92 0 50

-50

П.

-»о

-30

I

-20

-10

I

♦10

+20

+30 X

Рис. 9. Изменение частоты вращения пп ТГТД на номинальном режиме (N,=14. о) в зависимости от температуры атмосферного воздуха при различной закрутке потока воздуха на входе в компрессор

0 арНА=98°и аРНА=90°о аР„А=820# аРНА=760

[кг/с]

Рис. 10. Линия совместных режимов ТГТД при 1н=-50° С и ар„»=65°

Была применена схема с осевым РНА, расположенным непосредственно перед колесом компрессора. Такая схема позволяет иметь наименьшие габариты конструкции.

Для получения как положительной, так и отрицательной закрутки потока воздуха исследованию подверглись решётки с прямыми симметричными профилями. Большие у| лы поворота лопаток РНА (0 - 30°) и собственно большие углы атаки на входе в решётку РНА потребовали рассмотрения также и решётки разрезных лопаток (рис. 11).

Для математического моделирования течения воздуха в РНА использовался расчётный комплекс СРХ 5.6. Пространственные модели, используемые для расчёта течения в межлопаточных каналах с разрезными (и неразрезными) профилями лопаток, приведены на рис. 12. В качестве граничных условий для всех расчётов задавались: на входе в решётку - параметры потока, на боковых поверхностях - условие периодичности, на задней стенке модели - свободный выход, на остальных поверхностях - условие «стенка».

Результатом численного эксперимента явились поля полного давления в выходных сечениях моделей (рис. 13), в результате обработки которых построены зависимости коэффициента восстановления полного давления от выходного конструктивного угла профиля.

Рис. 12.

Расчетная модель РНА с разрезными лопатками

Рис. 13. Поле полного давления на выходе из расчетной модели с неразрезными лопатками при а |к = 60°

Решётка РНА с разрезным профилями имеет меньшие потери полного давления чем решётка неразрезных профилей во всём диапазоне поворота лопаток (рис. 14); поскольку поток воздуха натекает на разрезную лопатку под одним и тем же углом вне зависимости от поворота хвостовика. РНА с разрезными лопатками имеют существенно более низкие (почти на 25%) потери энергии, чем РНА с неразрезными лопатками. Влиянием перетеканием воздуха через щель между стойкой и хвостовиком, как оказалось, можно пренебречь. Удовлетворительное совпадение потерь энергии в неразрезных решётках, которое было получено в процессе не только математического, но и физического моделирования, свидетельствует о достоверности результатов численного моделирования.

В пятой главе изложены результаты стендовых экспериментальных исследований характеристик двухвального регенеративного 11 1 Д. Объектом исследования был многоцелевой ТГТД типа ГАЗ-9021-03 мощностью 270 кВт с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины и с изменяемой закруткой потока воздуха на входе в компрессор (рис.15).

0995 | 0990 | 0995 0990 0 975 0 ЭТО 0965 0950 -

Рис. 14. Зависимость коэффициента восстановления полного давления Ор„„ от угла а|К в решетке с разрезными и неразрезными лопатками РИА

Целью испытаний было определение скоростных и нагрузочных характеристик двигателя. Закрутка потока воздуха на входе в компрессор создавалась сменными осевыми решётками лопаток - направляющими аппаратами. На всех режимах работы двигателя температура газа пред силовой турбиной поддерживалась постоянной и равной 1140 К. На основании экспериментальных данных по скоростным характеристикам определялись оптимальные (по удельному расходу топлива) нагрузочные характеристики ТГТД (рис. 16).

Рис. 15. Установка для снятия характеристик регенеративного ГТД

1„ = 1 °С ар1И=82и

8 с

1.25

045 0,50 0 55 0 60 0,65 0 70 0,75 0 80 0,85 0,90 0 95 1.00 1 05

N е

я - эксперимент - - расчет

Рис. 16. Оптимальные нагрузочные характеристики двухвального ГТД с РСА силовой турбины и РНА центробежного компрессора ен=1°С арн,=82°

Как видно из сопоставления опытных и расчётных параметров, результаты испытания двигателя и математического моделирования достаточно близко совпадают друг с другом. Удовлетворительное совпадение с результатами численного эксперимента имеют и линии совместных режимов работы компрессора и турбины двигателя (рис. 17). Сравнение результатов испытаний ТГТД и численного эксперимента также показало хорошее совпадение параметров при выявлении влияния угла закрутки потока на входе в компрессор на величину номинальной частоты вращения ротора турбокомпрессора (рис. 18).

Эксперименты подтвердили эффективность применения регулируемой закрутки потока на входе в компрессор для улучшения характеристик регенеративного транспортного ТГТД.

-27 000 -30 000 1 -32 000 !| -34000 || - woгk '! -тпО/ -тах Сл'

Ов„р [КГ/С]

• расчет

* - эксперимент

Рис. 17. Линии совместных режимов работы турбомашин двухвального ГТД

пт 1„=20ПС Ые=1

■ - эксперимент арна [град]

- - расчет

Рис. 18. Зависимость относительной частоты вращения ротора

Основные результаты и выводы

1. Разработана и проверена на адекватность методика расчёта течения теплоносителя в канале каркасного роторного теплообменника с ленточно-щелевыми каналами. Полученные на основании численного эксперимента значения теплогидравлической эффективности теплообменника (степень регенерации 86% и относительное гидравлическое сопротивление в газовых каналах 5,2%) - указывают на то, что по показателем теплогидравлической эффективности пакеты с ленточно-щелевыми каналами эквивалентны пакетам с коническими сетчатыми матрицами.

2. Использование в каркасном роторном теплообменнике ленточно-ще-левых цилиндрических теплопередающих элементов устраняет неравномерность распределения теплоносителей по каналам теплообмена, уменьшает засоряемость каналов, что повышает стабильность эксплуатационных свойств теплообменника. Использование более дешёвого исходного материала для изготовления матрицы, а также упрощение конструкции обеспечивает существенное уменьшение стоимости роторного теплообменника.

3. Разработана методика и программа расчёта климатических характеристик транспортного регенеративного ГТД с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины и регулируемой закруткой воздуха на входе в компрессор.

4. Показано, что применение закрутки потока воздуха на входе в одноступенчатый центробежный компрессор ТГТД способствует улучшению топливной экономичности двигателя в широком диапазоне температур атмосферного воздуха и обеспечивает получение номинальной мощности двигателя при высоких летних температурах атмосферного воздуха без превышения номинальной величины частоты вращения ротора турбокомпрессора

5. Исследование течения потока воздуха в решётках регулируемых направляющих аппаратов центробежного компрессора позволило выявить закономерности изменения аэродинамических потерь в зависимости от угла за-

крутки потока. Установлено, что в решётке разрезных лопаток потери полного давления в потоке воздуха ниже, чем в решётке неразрезных лопаток симметричного профиля.

6. Результаты экспериментального исследования характеристик двух-вального регенеративного ТГТД с РСА силовой турбины и РИА на входе в одноступенчатый центробежный компрессор подтвердили корректность разработанной методики расчёта климатических характеристик ГТД.

7. Повышение стабильности работы роторного теплообменника за счёт применения гладких ленточно-щелевых поверхностей теплообмена и введения регулируемой закрутки потока воздуха на входе в компрессор с целью реализации эффективного климатического регулирования, способствуют улучшению характеристик регенеративных транспортных ГТД.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кустарёв Ю.С., Костюков A.B., Елисеев С.Ю. Транспортные ГТД. «Полёт», № 5, 2003г.

2. Кустарёв Ю.С., Костюков A.B., Елисеев С.Ю. Газотурбинные двигатели нового поколения. «Автомобильная промышленность», № 3,2005г.

3. Кустарёв Ю.С., Костюков A.B., Елисеев С.Ю., Ппыкин М.Е. Исследование роторного теплообменника малоразмерного регенеративного ГТД. «Полёт», № 1, 2005г.

4. Кустарёв Ю.С., Костюков A.B., Елисеев С.Ю., Борисенко Д.Н. Регулирование регенеративного транспортного ГТД закруткой потока на входе в компрессор. «Полёт», № 5, 2004г.

5. Кустарёв Ю.С., Костюков A.B., Елисеев С.Ю. Результаты моделирования климатических характеристик транспортного регенеративного ГТД. Сборник тезисов докладов. 12 Всероссийская межвузовская научнотех-ническая конференция «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004г.

6. Кустарёв Ю.С., Костюков A.B., Елисеев С.Ю., Мищенко С.Э., Агафонов С.Е. Энергоустановки с газовой турбиной и топливными элементами. «Полёт», №11, 2005.

7. Способ охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника и устройство для его осуществления. Per. №2005123206, 22.07.2005. Кустарёв Ю.С., Костюков A.B., Елисеев С.Ю., Крутов М.А.

Сергей Юрьевич Елисеев

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук «Теоретическое обоснование и реализация методов улучшения характеристик транспортных регенеративных газотурбинных двигателей» Подписано в печать /5~ Ц Об Заказ 4&0-05 Объём Тираж

Бумага типографская Формат 60 х 90 /16

МГТУ «МАМИ» 107023, Москва, Б. Семёновская ул., дом 38

t

05 - 2 2 7 32

РНБ Русский фонд

2006-4 27008

Основные обозначения.

Введение.

1. Транспортные ГТД, состояние проблемы и цели исследования.

2. Математическое моделирование процессов теплообмена между потоками теплоносителей в роторном теплообменнике с ленточно-щелевыми каналами теплопередающей матрицы.

2.1. Конструктивная схема теплопередающего пакета.

2.2. Расчётная модель теплопередающего пакета.100.

2.3. Методика проведения численного эксперимента.

2.4. Моделирование стационарного процесса теплопередачи.

2.5. Моделирование теплопередачи в роторном теплообменнике.

2.6. Выводы.

3. Разработка математической модели и программы расчёта климатических характеристик транспортного регенеративного ГТД с регулируемым сопловым аппаратом.

3.1. Методика расчёта климатических характеристик двухвального регенеративного ТГТД.

3.1.1. Используемые допущения.

3.1.2. Алгоритм расчёта климатических характеристик двухвального транспортного регенеративного ГТД.

3.2. Исследование характеристик ТГТД в широком диапазоне температур атмосферного воздуха.

3.3. Выводы.

4. Математическое моделирование течения воздуха в решётке регулируемого направляющего аппарата.

4.1. Объект исследования. Расчётная модель.

4.2. Результаты математического моделирования течения воздуха в каналах РНА компрессора.

4.3. Выводы.

5. Исследование характеристик двухвальиого регенеративного транспортного ГТД.

5.1. Объект исследования.

5.1.1. Техническая характеристика ТГТД.

5.2. Установка для проведения экспериментального исследования двигателя.

5.3. Методика проведения испытаний.

5.4. Измеряемые параметры и приборы.

5.4.1 .Измерительные приборы

5.5. Обработка результатов исследований.

5.6. Точность экспериментальных результатов.

5.7. Экспериментальное исследование характеристик регенеративного транспортного ГТД с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины и регулируемым направляющим аппаратом центробежного компрессора.

5.8. Выводы.

Вводы по работе.

Разработка и освоение транспортных газотурбинных двигателей (ТГТД) является одной из важных государственных задач. Речь в первую очередь идет о применении ТГТД для наземного транспорта.

Наземному транспорту, играющему важнейшую и все возрастающую роль в экономике промышленно развитых стран, требуются* силовые установки с увеличенной габаритной и массовой мощностью, минимальной токсичностью, приспособленные для тяжелых условий эксплуатации. Все более мощные двигатели требуются сельскохозяйственным машинам, локомотивам, а также транспортной и строительной техники используемой-на открытых разработках полезных ископаемых. В России с ее огромными расстояниями, холодным климатом на значительной части экономически перспективной территории^ нужда в таких силовых установках особенно велика.

Особо следует отметить, что существенный экономический эффект обещает дать изменение газотурбинных двигателей на грузовых автомобилях. Они особенно перспективны для автопоездов, карьерных самосвалов и грузовых автомобилей, эксплуатируемых на Севере.

Весьма перспективным представляется использование газотурбинных двигателей в составе гибридных силовых установок транспортных средств.

Опыт показывает, что газотурбостроение для наземного транспорта, имеющее за своими плечами более 40 лет интенсивных разработок различных моделей ТГТД и их испытаний на локомотивах, тракторах и автомобилях различного типа все еще не смогла создать двигатель, отвечающий требованиям наземного транспорта.

Решающей мере это объясняется- тем, что в течение длительного времени ТГТД создавались по нормам авиационного и энергетического газотурбостроения, не учитывающим многих специфических требований потребителей - локомотива, трактора, автомобиля. Так, например, только на потребителей - локомотива, трактора, автомобиля. Так, например, только на автомобиле газовая турбина практически все время работает на переменных режимах, причем ее отрицательная (тормозная) мощность достигает 80 % от номинальной, а температура атмосферного воздуха может колебаться в широком диапазоне: от -50° С до +40° С. Наземному транспорту требуются двигатели с чрезвычайно низкой токсичностью выхлопа и сроком службы не менее 25-30 тыс. часов при невысокой стоимости производства и обслуживания. Теория'и опыт показали также, что транспортное применение требует существенного'изменения конструкции и программ регулирования ГТД. Во всех предложенных схемах ТГТД реализуются регенеративные циклы.

В целом^ опыт показал, что ТГТД могут стать эффективными силовыми установками наземного транспорта лишь в том случае, если их расчет и конструирование будут существенно отличаться от расчета и конструирования хорошо освоенных газотурбинных установок других типов.

Данная работа и посвящена теоретическому обоснованию и реализации некоторых методов улучшения показателей газотурбинных двигателей наземного транспорта.

Освоению ТГТД мешает целый ряд затруднений, среди которых на 1 первом месте находится отсутствие надежного, высокоэффективного теплообменника со стабильными эксплуатационными характеристиками в течении заданного срока службы. Разработка теплообменника-регенератора является одной из важнейших задач транспортного газотурбостроения.

Для малоразмерных ТГТД (мощностью до 500 кВт) с точки зрения габаритно-массовых показателей наилучшим образом соответствуют роторные (вращающиеся) теплообменники. Среди них оригинальным и многообещающим является освоение дисковых теплообменников, впервые созданных на Горьковском автозаводе (ГАЗ).

Эти теплообменники имеют не сплошную теплопередающую матрицу, а набор отдельных теплопередающих элементов (пакетов), через которые попеременно проходят теплоносители (воздух и газ). Основная идея этих теплообменников заключается в том, что в такой конструкции можно обеспечить надежную работу уплотнений по гладким металлическим дискам, а не непосредственно по торцам каналов теплопередающей поверхности

I ^ сплошных матриц, как это имеет место в теплообменниках другого типа. С момента их создания и по настоящее время, по своей работоспособности эти теплообменники являются одним из лучших и перспективных. Вместе с тем

I 1 эксплуатация таких теплообменников выявила два существенных недостатка, а именно - засоряемость каналов сетчатой матрицы и уменьшение степени t I регенерации вследствие неравномерного распределения теплоносителей по каналам ' теплообмена. Каждый теплопередающий пакет такого I теплообменника представляет собой теплогидравлическую систему с принципиально неравномерным' распределением потоков по фронту конического теплопередающего пакета, что существенно влияет не только на величину гидравлического сопротивления, но и на тепловую эффективность I теплообменника в целом. Речь идет о z-схеме подвода теплоносителей к I матрице. Эта схема является наименее рациональной схемой подсоединения раздающего- и сборного коллекторов относительно матрицы: Применение z-схемы расположения коллекторов, размещенных внутри каждой секции теплообменника повлекло за собой также использование сверхмелкоячеистой сетки, что отрицательно отразилось на засоряемости пакетов.

Важной проблемой при освоении ТГТД является также реализация 1 достаточно простыми средствами эффективного климатического регулирования в широком диапазоне температур атмосферного^ воздуха, вплоть до -50° С. Такой подход позволяет реализовать.термодинамические' преимущества при эксплуатации ТГТД в зимних условиях и получить 1 . ' существенную1 экономию топлива. Эта ситуация и определила актуальность и характер данного исследования.

В нем рассматривается способ модернизации роторного каркасного теплообменника путем замены конических теплопередающих пакетов, изготовленных из мелкоячеистой сетки, на ленточно-щелевые цилиндрические пакеты с гладкими стенками. Для определения теплогидравлических характеристик цилиндрических ленточно-щелевых пакетов использовался метод численного моделирования, адаптированный к условиям нестационарного процесса теплообмена в теплопередающем пакете роторного теплообменника.

С целью реализации эффективного климатического регулирования ТГТД регенеративного типа использован способ закрутки потока на входе в центробежный компрессор. Разработана модель двухвального ТГТД с теплообменником, одноступенчатым центробежным компрессором, регулируемым сопловым аппаратом на тяговой турбине и регулируемым направляющим аппаратом на входе в компрессор.

Цель работы заключается в исследовании тепловых и гидравлических характеристик ленточно-щелевых цилиндрических теплопередающих пакетов роторного теплообменника, определения * основных показателей теплообменника, а также разработка методики расчета характеристик регенеративного ТГТД с закруткой потока воздуха на входе в компрессор для улучшения топливной экономичности в широком диапазоне температур атмосферного воздуха и в создании на основе этих исследований научной базы для совершенствования экономических и эксплуатационных характеристик ТГТД.

Научная значимость работы определяется тем, что автором разработана расчетная математическая модель течения теплоносителей в секциях теплообменника с учетом нестационароности теплообмена, определены основные термодинамические показатели теплообменника. Разработана математическая модель двухвального регенеративного ТГТД с регулируемым направляющим аппаратом на входе в компрессор. Это позволило понять основные закономерности изменения характеристик ТГТД с закруткой потока на входе в компрессор при изменении температуры

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями ТГТД, а также анализом показателей ТГТД с теплообменниками, проверками на адекватность результатов численного моделирования, сопоставлением с широко опубликованными . надежными данными физического моделирования течения теплоносителей в каналах теплообмена, а также влияния закрутки потока на входе в компрессор на изменение характеристик компрессора.

Практическая значимость работы.

В1 результате* исследований удалось показать правильность теоретических расчетов, и разработать ряд методов» существенно улучшающих эффективность, надежность и стоимость теплообменников секционного типа, позволяющих улучшить топливную экономичность ТГТД введением закрутки потока на входе в компрессор.

Апробация^ работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской-Межвузовской конференции.

Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели», посвященной 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана и 55-летию кафедры Э-3 (г. Москва, 2004 г.)

На- 49-й научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», посвящённой 140-летию МГТУ «МАМИ» (г. Москва,, 2005 г.)

Диссертационная работа была заслушана и одобрена на заседании кафедры «Транспортные газотурбинные двигатели» МГТУ «МАМИ» (2005 г.)

Публикация. Основное содержание работы изложено в четырёх статьях:

Содержание работы. Диссертационная работа состоит из пяти глав.

В первой главе сделан обзор литературных источников по современному состоянию, перспективам развития и применения ТГТД, проведен анализ состояния проблем и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе автором обосновывается целесообразность использования ленточно-щелевых каналов в качестве теплопередающей поверхности в секциях роторного теплообменника, излагается методика проведения численного эксперимента для определения теплогидравлических характеристик цилиндрических пакетов, приведенные результаты математического моделирования.

В третьей главе излагается методика расчета климатических характеристик ТГТД с регулируемым сопловым аппаратом тяговой турбины и регулируемой закруткой воздуха на входе в компрессор, приведены результаты численного моделирования.

Четвертая глава содержит результаты численного эксперимента, в котором исследовалось течение потока воздуха в регулируемом направляющем аппарате центробежного компрессора.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию климатических характеристик регенеративного ТГТД. В заключении приводятся основные выводы по данной работе.

Выводы по работе

1. Разработана и проверена на адекватность методика расчёта течения теплоносителя в канале каркасного роторного теплообменника с ленточно-щелевыми каналами. Полученные на основании численного эксперимента значения теплогидравлической эффективности теплообменника (степень регенерации 86% и относительное гидравлическое сопротивление в газовых каналах 52%) - указывают на то, что по показателем теплогидравлической эффективности пакеты с ленточно-щелевыми каналами эквивалентны пакетам с коническими сетчатыми матрицами.

2. Использование в каркасном роторном теплообменнике ленточно-щелевых цилиндрических теплопередающих элементов уменьшает засоряемость каналов и тем самым повышает стабильность эксплуатационных свойств теплообменника. Использование более дешёвого исходного материала для изготовления матрицы, а также упрощение конструкции обеспечивает существенное уменьшение стоимости роторного теплообменника

3. Разработана, методика и программа' расчёта климатических характеристик транспортного регенеративного1 ГТД с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины и регулируемой закруткой воздуха на входе в компрессор

4. Показано, что применение закрутки потока воздуха на входе в одноступенчатый центробежный компрессор ТГТД .способствует улучшению топливной экономичности двигателя в широком диапазоне температур атмосферного воздуха и обеспечивает получение номинальной мощности двигателя при высоких летних температурах атмосферного воздуха без повышения частоты вращения ротора турбокомпрессора

5. Исследование течения потока воздуха в решётка регулируемых направляющих аппаратах центробежного компрессора позволило выявить закономерности изменения потерь работоспособности рабочего тела в зависимости от угла закрутки потока. Установлено, что в решётке разрезных лопаток потери полного давления в потоке воздуха ниже, чем в решётке неразрезных лопаток симметричного профиля.

6. Результаты экспериментального исследования характеристик двухвального регенеративного ТГТД с РСА силовой турбины и РНА на входе в одноступенчатый центробежный компрессор подтвердили корректность разработанной методики расчёта климатических характеристик ГТД.

7. Повышение стабильности работы роторного теплообменника за счёт применения гладких ленточно-щелевых поверхностей теплообмена и введения регулируемой закрутки потока воздуха на входе в компрессор с целью реализации эффективного климатического регулирования способствуют улучшению эксплутационных характеристик транспортных регенеративных ГТД.

1. Елисеев Ю.С. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.

2. Бартош Е.Т. Газотурбоводы и турбопоезда. М.: «Транспорт» 1978.

3. Gas Turbine World, т. 6, №1, 1976.

4. Ранке, Валланс. Надёжность и долговечность керамических регенераторов в газовой турбине. Энергетические машины и установки, №1, 1978.

5. Фёдоров В.В. Исследование характеристик стеклокерамических матриц вращающегося теплообменника транспортного газотурбинного дваигателя. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., М., 1980.

6. Костюков В.М. Автомобильные газотурбинные двигатели Горьковского автозавода. Доклад на соиск. уч. ст. к.т.н., Горький, 1971.

7. Костюков В.М., Байдаков Г.К. Анализ течения теплоносителей в пакетах регенеративного теплообменника карманного типа. Межвуз. сб. «Транс. ГТД» Вып 1., М., МАМИ, 1977.

8. Бартенев Ю.А. Исследование эксплуатационных характеристик АГТД с регенерацией тепла. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., МАМИ, 1973.

9. Антуфьев В.М. и др. Теплообменные аппараты из профильных листов. Л., «Энергия», 1972.

10. Ю.Костюков В.М. Лукьянов В.И. Перспективы примененияавтомобильных ГТД. Автомобильная промышленность. №6, 1979.

11. Спундэ Я.А. Перспективы развития автомобильных ГТД. Промышленная теплотехника, т. 2, №6, 1980.

12. Кустарёв Ю.С., Костюков А.В., Елисеев С.Ю. Транспортные ГТД. «Полёт». М., №5, 2003.

13. Кустарёв Ю.С., Костюков А.В., Елисеев С.Ю. Газотурбинные двигатели нового поколения. Автомобильная промышленность, №3, 2005.

14. Холщевников К.В. и др. Теория и расчёт авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1986.

15. Лукьянов В.И. Хавин В.М. Особенности регулирования транспортных ГТД в условиях северной эксплуатации. Межвуз. сб. «Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов». Казань, 1983.

16. Кочетков А.В. Проектирование центробежного компрессора на заданный запас устойчивой работы. Труды НАМИ, 1985.

17. Костюков В.М. и др. Опыт создания вращающегося теплобменника для малоразмерных ГТД. Доклад на 26-й всесоюзной сессии Комиссии по газовым турбинам АН СССР, Киев, 1972.

18. Михеев М.А. Основы теплопередачи. «Энергия», 1973.

19. Исаченко В.П. Теплопередача. М.: «Энергия», 1975.

20. Крейт Ф. Блек У. Основы теплопередачи. М.: «Мир», 1983.

21. Кейс В.М. конвективный тепло- массообмен. М.: «Энергия», 1972.

22. Исаев С.И. и др. Теория тепломассообмена. М.М.: «Высшая шкла», 1979.

23. Хаузен X. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрёстном токе. М.: «Энергоиздат», 1981.

24. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. М.: «Энергия». 1977.

25. Быстров П.И., Михайлов B.C. Гидродинамика коллекторных теплообменных аппаратов. М.: «Энергоиздат», 1982.

26. Ибрагимов М.Х и др. Структура турбулентного потока и механихм теплообмена в каналах. М.: «Автомиздат», 1978.

27. Воронин Г.И. Конструирование машин и агрегатов систем кондиционирования. М.: «Машиностроение», 1978.

28. Тихонов A.M. Регенерация тепла в авиационных ГТД. М.: «Машиностроение», 1977.

29. Хринижак В. Регенераторы газотурбинных установок. M.-JL: «Машиностроение», 1962.

30. Справочник по теплообменникам в 2-х томах. М.: «Энергоатомиздат», 1987.31 .Варгафтик . Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: «Наука», 1972.

31. Кутателадзе С.С. Справочник по теплопередаче. М.: «Энергоиздат», 1961.

32. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: «Машиностроение», 1975.

33. Кустарёв Ю.С., Елисеев С.Ю. и др. Исследование роторного теплообменника малоразмерного регенеративного ГТД. Общероссийский научно-технический журнал «Полёт», №1, 2005.

34. Плотников Д.А. Разработка и исследование дисковых секционныхгрегенераторов автомобильных газотурбинныхдвигателей. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н., 1981.

35. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров. «Мир», 2000.

36. Методика расчёта автомобильного ГТД. Технический отчёт ГАЗ №ГТД-11-73. 1973.

37. Спундэ Я.А. и др. Расчёт характеристик АГТД с дополнительными средствами регулирования. Уч. пособие. М.: МАМИ, 1987.

38. Прокофьев А.Н. Математическое моделирование АГТД на ЭВМ Уч. пособие. М.: МАМИ, 1987.

39. Барский И.А. Расчёт характеристик газотурбинных установок. М.: УДН, 1971.

40. Маханёв В.Т. Разработка и исследование РСА турбин малоразмерных газотурбинных двигателей. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н., Казань, 1984.

41. Елисеев С.Ю. и др. Регулирование регенеративного транспортного ГТД закруткой потока на входе в компрессор. «Полёт», №5, 2004.

42. Брэдшоу П. Турбулентность. Машиностроение, М., 1981.

43. Singer В.А. Modeling the transition region //NASA CR 4492 1993.

44. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей М., Мир, 1991.

45. Ершов С.В. Численное моделирование турбулентных отрывных течений в плоских решётках. // Изв. Вузов. Авиационная техника, 1994, №1.

46. Wilcox D.C. Reassessment of the Scale-determining equation for advanced turbulence models // AIAA Journal. 1988. - 26, №11.

47. Jones W.P. Launder B.E. The calculation of low-Reynolds number phenomena with a two-equation model of flow near a spinning disc // Letters in Heat and Mass transfer. -1974. -1, №2.

48. Menter F.R., Kyntz M., Langtry P. Ten years of industrial Experience withfh

49. SST turbulence model. Proc. 4 International Symposium of turbulence, Heat and Mass Transfer, October 12-17, 2003, Antalya, Turkey.

50. Boussinesq J. Essai Sur La Theorie Des Eaux Courantes. Mem. Presentes Acad. Sci. -Paris. -1877. -23.

51. Исследование рабочего процесса и характеристик центробежного компрессора. Ст. «Труды КАИ», вып. 56, Казань, 1960.

52. ГОСТ 14846-81 (СТ СЭВ 765-77). Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний.

53. РТМ 37.031.011.-79. Методика стендовых испытаний АГТД. М.: МИНАВТОСЕЛЬХОЗМАШ.

54. Дондошанский В.К. и др. Расчёт и испытания проточной части ГТД. Л.: «Машиностроение», 1972.

55. Правила 28-64 измерение расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. М.: Изд-во государственного комитета стандартов, мер и измерений приборов СССР, 1965.

56. Ханжевников В.И. Аэродинамические характеристики коллекторов. В сборнике «Промышленная аэродинамика». М.: ЦАГИ, №4, 1953.

57. Преображенский В.И. Теплотехнические измерения и приборы. М.: «Энергия», 1978.63.«Способ охлаждения каркаса вращающегося дискового теплообменника и устройство для его осуществления». Заявка от 22.07.2005. Регистрационный номер: 2005123206 (РОСПАТЕНТ).