Теоретическое обоснование и реализация методов улучшения характеристик транспортных регенеративных газотурбинных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Елисеев, Сергей Юрьевич

• Елисеев, Сергей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Елисеев, Сергей Юрьевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретическое обоснование и реализация методов улучшения характеристик транспортных регенеративных газотурбинных двигателей»

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.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Елисеев, Сергей Юрьевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Елисеев, Сергей Юрьевич, 2005 год

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).