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 объясняетсятем, 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 раздающегои 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.