Содержание
Глава 1. Современное состояние исследований ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия
1.1 Теоретическое исследование ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия
1.2 Постановка задачи исследования
1.3 Выводы
Глава 2. Математическое моделирование ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и 3 j дальности действия
2.1 Характеристики ГТД
2.2 Определение температуры в теплообменниках
2.2.1 Теплообменник ТОб
2.2.2 Теплообменник ТОА
2.3 Параметры эффективности системы
2.4 Параметры пара и парогазовой смеси
2.4.1 Параметры парогазовой смеси
2.4.2 Параметры парогазовой смеси за турбиной
2.4.3 Температура парообразования воды
2.4.4 Удельная теплота парообразования
2.4.5 Удельная теплоемкость пара
2.5 Выводы
Глава 3. Численное исследование пожарной системы с ГТД
3.1 Выбор исходных параметров и условия работы вариантов системы
3.3.1 Выбор исходных параметров
3.3.2 Условия работы системы в разных вариантах
3.2 Алгоритм расчета
3.3 Анализ полученных результатов
3.4 Выводы 114
Заключение 115
Список литературы
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ Ср — удельная теплоемкость, Дж/кг-К
Се — удельный расход топлива системы, кг/(ч.Вт)
Gbi — расход воздуха на входе компрессора, кг/с
Gr — расход газа, кг/с
Сготб — расход отбираемого газа за турбиной Та в камеру смешения, кг/с
СЖ1 — расход жидкости через теплообменники, кг/с
Стжз — количество жидкости, подаваемой в КСМ, кг/с
GOXJI — количество воздуха, необходимого на охлаждение первой ступени турбины, кг/с
Gt — расход топлива, кг/с
G° - начальный массовый расход, кг/с g° - весовая доля gt — весовая концентрация (доля)
Г — энтальпия, Дж/кг i — энтальпия смеси газов, Дж/кг и ° - внутренняя энергия, Дж/кг и — внутренняя энергия смеси газов Дж/кг Ни — теплотворная способность топлива, Дж/кг-К к — показатель адиабаты L — работа, Дж/кг
Lo — количество воздуха, теоретически необходимое для полного сжигания 1 кг топлива, кг/кг — отношение тепловой энергии потребляемой на формирование струи к расходу отбираемого газа, кДж/кг /2 — отношение тепловой энергии потребляемой на формирование струи к работе компрессора
3 — отношение тепловой энергии потребляемой на формирование струи к работе создаваемой турбинами ш — коэффициент отбора парогаза mi — коэффициент отбора газа
N — мощность, Вт
Nyfl — удельная мощность системы, Дж/кг
P" - давление окружающей среды, Па
Рксм — давление в КСМ, Па p* rH — полное давление окружающей среды, Па
P* - полное давление, Па относительный расход топлива
R — газовая постоянная, Дж/(кг-К) r — теплота парообразования, Дж/кг
T* — температура торможения, К
T* — температура торможения за камерой сгорания, К
Tn — температура парообразования, К w — скорость, м/с
П, — концентрация жидкости в КСМ
Пж1 — отношение расхода жидкости через теплообменники к расходу воздуха на входе компрессора
Q — тепловая энергия, кДж/с nK — степень повышения давления в компрессоре 7tT — степень понижения давления в турбине г (Л?)-газо динам и ческая функция
Рж л — плотность, кг/м
Ф — коэффициент потерь скорости
Зохл — коэффициент отбора воздуха на охлаждение турбины
СГВОЗ — коэффициент возврата тепла
Т рег — степень регенерации тепла, а — коэффициент потерь полного давления
— коэффициент потерь полного давления во входном устройстве КПД. кс — тепловые потери в КСГ- а — коэффициент избытка воздуха в КСГ f) — приведенная скорость газа на выходе из двигателя
3i — коэффициент влияния
Индексы: в — воздух ж — жидкость (вода) г-газ к, кр — компрессор ксг — камера сгорания кем — камера смешения НА — насос, А НБ — насос Б п-пар см — парогазовая смесь т —топлива
Та — первая ступень турбины Те — вторая ступень турбины Тв — свободная турбина ТОд — теплообменник, А ТОб — теплообменник Б 1, 2,., 22 — сечение 1, 2,
Актуальность темы
.
В городах ежедневно происходит большое количество пожаров различной сложностипериодически случаются крупные пожары, для тушения которых требуется длительное время. Пожары являются причиной большого материального ущерба и человеческих жертв, причем часто ущерб от процесса тушения может превышать ущерб от пожара из-за длительного тушения и заливания водой объектов вне очага пожара. Кроме того, в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ — продуктов сгорания: СОч, СО, NOx, сажи и других веществ, оказывающих неблагоприятное воздействие на людей, здания и техничесие сооружения. Продукты сгорания крупных пожаров приводят к ухудшению экологической обстановки не только в районе пожара, но и во всем регионе.
Наиболее опасны пожары на нефтеперерабатывающих заводах, бензозаправочных станциях, нефтехранилищах, на предприятиях, производящих экологически опасную продукцию, поскольку сегодня практически отсутствуют соответствующие системы пожаротушения, обеспечивающие большую дальность действия. Такие пожары обладают высокой интенсивностью излучения и опасностью, не позволяющей приблизится к ним на расстояние, обеспечиваемое существующими средствами.
В последние годы из-за неблагоприятной погодной обстановки резко увеличилась вероятность пожаров в городских лесопарковых зонах и лесах. Это чревато не только увеличением вредных веществ в атмосфере и уменьшением концентрации кислорода в воздухе, но и значительным материальным ущербом.
Основными проблемами тушения пожаров сегодня являются:
— ущерб от самого процесса тушения, связанный с использованием значительного количества воды, используемой при тушении и заливающей нижележащие этажи;
— тушение пожаров в верхних этажах высоких зданий, когда существующая техника не может обеспечить подачу тушашей жидкости на необходимую высоту;
— тушение пожаров с высокой интенсивностью теплового излучения, например горение нефти, топлив, т.п. потому что трудно приблизится к очагу пожара из-за ограниченной дальности действия пожарных систем;
— тушение лесных пожаров.
Решение выше отмеченных проблем может быть получено, если.
— удастся существенно снизить потребное количество жидкости для тушения.
— увеличить скорость и эффективность тушения.
— повысить дальность действия тушащих струй.
— использовать современную технику базирования и доставки средств тушения.
Поэтому была разработана новая технология получения пожаротушащих струй и создан ряд систем ее реализующих под общим названием газодинамические управляемые дисперсные пожарные системы. Эта технология лишена отмеченных выше недостатков и основывается на формировании высокоскоростных газокапельных струй, содержащих мелкодисперсные капли жидкости, а в качестве рабочего газа — воздух.
Газодинамическая управляемая дисперсная пожарная система состоит из источников жидкости и сжатого воздуха с давлением порядка 10−15 атм, камеры смешения (КСМ), где происходит дробление жидкости на капли заданного размера и получение двухфазной газокапельной смеси, и сопла, где полученный двухфазный газокапельный поток разгоняется до высокой скорости. При этом на выходе из сопла образуется высокоскоростная газокапельная струя, обладающая необходимыми свойствами: она содержит мелкие капли, которые быстро испаряются, а струя обладает большой мощностью благодаря большой скорости и значительному расходу жидкости, и большой дальностью. Для получения рабочих тел высокого давления порядка 10−15 атм с большими расходами системе пожаротушения необходима мощная энергетика, которая эффективно может быть обеспечена только с помощью газотурбинного двигателя (ГТД). Поэтому система пожаротушения большой мощности и дальности действия (СПБМД) создается на базе ГТД. Система пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД имеет разные схемы реализации, но в данной диссертации выбрана схемы ГТД как источник рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия с отбором рабочего газа за первой ступенью турбины.
Цель и задачи работы.
Теоретическое исследование системы пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД с отбором рабочего газа за первой ступенью турбины и дополнительными системами теплообмена и впрыска жидкости в различные элементы двигателя, анализ вариантов ее работы, влияния параметров и характеристик двигателя и системы теплообмена и впрыска на эффективность СПБМД при использовании уже существующих двигателей.
Главными задачами работы являлись:
— анализ современного состояния вопроса исследований ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия;
— разработка математической модели;
— определение вариантов и режимов работ системы;
— анализ результатов проведенных численных расчетов;
— разработка рекомендаций для проектирования системы пожаротушения с ГТД как источником рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия.
Научная новизна работы.
Данная работа посвящена решению специфической задачи: исследованию работы ГТД в системе пожаротушения большой мощности и дальности действия. Эта работа исследуется впервые, а также новизна работы в следующем: определение схемы ГТД как источника рабочего тела для СПБМД с отбором рабочего газа за турбиной первой ступени и впрыске теплоносителя (воды) за турбиной или в камеру сгорания. определение режимов и вариантов использования ГТД и системы теплообмена СПБМД. сравнение эффективности системы при впрыскивании пара за турбиной и в камеру сгорания.
Достоверность результатов работы. Достоверность подтверждается соответствием полученных результатов теории ВРД и ТРД с регенерацией тепла.
Практическая ценность результатов работы.
Разработанная математическая модель, алгоритм, программа и результаты исследования могут быть использованы для расчета и проектирования систем пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД исследованной в работе схемы.
Результаты исследования могут также использоваться для сравнения эффективности с другими схемами СПБМД на базе ГТД и выбора ГТД для проектирования СПБМД на базе ГТД.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Исследования ГТД как источника рабочего тела и мощности для' системы пожаротушения большой мощности и дальности действия.
2. Варианты и режим работы системы пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД и системы теплообмена и впрыска.
3. Сравнительные результаты эффективности системы и рекомендации по вариантам и режимам работы, параметрам ГТД и системе теплообмена и впрыска.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались на 3 конференциях.
1. Зуев Ю. В., Лепешинский И. А., Баранов П. А., Кирдсук С. Системы пожаротушения большой мощности и дальности действия на основе ГТД. Тезисы докладов 4-й межд. Научно — технической конференции. Современные научно-технические проблемы транспорта. Россия, Ульяновск, 2007 г.
2. Лепешинский И. А., Зуев Ю. В., Баранов П. А., Кирдсук С., Истомин Е. А. Авиационные ГТД в системах пожаротушения большой мощности и дальности действия. Тезисы докладов XIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» Москва, МГТУ, 2008 г.
3. Зуев Ю. В., Лепешинский И. А., Баранов П. А., Кирдсук С. Двухфазные газодинамические струи большой дальности для систем пожаротушения. Тезисы докладов XXI международного семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. Новосибирск, 2008 г.
Публикации.
По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 4-е статьи:
1. Лепешинский И. А, Зуев Ю. В., Кирдсук С., Истомин Е. А. Газотурбинный двигатель как источник рабочего тела в системе пожаротушения большой мощности и дальности действия // Вестник МАИ. 2008. Т15. № 4. -С. 44−49.
2. Зуев Ю. В., Лепешинский И. А., Баранов П. А., Кирдсук С. Системы пожаротушения большой мощности и дальности действия на основе ГТД // Тезисы докладов 4-й межд. научно — технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта», Ульяновск. 2007. —С. 150.
3. Зуев Ю. В., Лепешинский И. А., Баранов П. А., Кирдсук С. Двухфазные газодинамические струи большой дальности для систем пожаротушения // Тезисы докладов XXI международного семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям, Новосибирск. 2008. — С.126−128.
4. Лепешинский И. А., Зуев Ю. В., Баранов П. А., Кирдсук С., Истомин Е. А. Авиационные ГТД в системах пожаротушения большой мощности и дальности действия // Сборник тезисов докладов XIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели», Москва. — М.:Печатный салон «СПРИНТ», 2008. -С. 36−37.
Структура и объем диссертационный работы.
Диссертационная работа изложена на 118 машинописных страницах и состоит из введения, 3 глав, заключения и списка использованных источников. Иллюстративный материал представлен в виде 89 рисунков и 4 таблиц.
Список использованных источников
включает 21 наименование на 2 страницах.
Основные выводы проведённого исследования следующие:
1. Разработанная математическая модель, алгоритм и программа могут быть использованным для расчета и проектирования систем пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД исследованной в работе схемы системы пожаротушения.
2. Проведенное численное исследование позволило выработать рекомендации по выбору основных параметров газотурбинного двигателя, схемы и режимов работы системы теплообмена и впрыска дополнительно рабочего тела для системы пожаротушения большей мощности и дальности действия.
3. В диапазоне заданных параметров устройства формирования пожаротушащей двухфазной газокапельной струи, определяемых давлением в камере смешения в диапазоне РКСм= 7—12 атм и концентрацией конденсированной фазы капель П] = G"/Gra3a = 40 определены оптимальная схема работы системы теплообмена и впрыска жидкости и основные параметры ГТД.
4. Оптимальные значения степени сжатия компрессора ГТД я^=12—15 и температуры газа перед турбиной Гг*=1300К.
5. Оптимальная схема работы системы теплообмена и впрыска заключается в использовании одного теплообменника в тракте отбора горячего газа за турбиной первой ступени и впрыска перегретого пара за первой ступенью турбины.
6. Оптимальное количество жидкости используемое в системе теплообмена и впрыска составляет 20% от расхода газа для формирования пожаротушащей струи, отбираемого за первой ступенью турбины .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В данной работе проведено исследование ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большей мощности и дальности действия. Анализ состояния современных систем пожаротушения позволил определить направленность проводимых исследований — создание схемы для получения источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большей мощности и дальности действия. Для исследования была выбрана схема системы пожаротушения на базе ГТД с отбором рабочего тела за первой ступенью турбины с системой регенерации тепла, включающей два теплообменника с возможностью впрыска теплоносителя-воды в камеру сгорания, за первой и второй ступенями турбины, что позволило использовать теплоноситель в качестве дополнительного рабочего тела в турбине. Были сформулированы критерии и параметры системы, определяющие ее эффективность, разработана математическая модель системы, алгоритм и программа расчета, позволяющие анализировать различные схемы работы системы и влияние основных режимных параметров ГТД и системы пожаротушения на эффективность, экономичность и конструктивные особенности ГТД системы. В процессе работы на основе параметрических расчетов было проведено теоретическое исследование разных схем использования системы теплообмена и впрыска дополнительного пароводяного рабочего тела в системе пожаротушения с ГТД, сделан анализ полученных теоретических результатов, на основе которого сформулированы рекомендации для выбора параметров газотурбинного двигателя, схемы использования системы теплообмена и впрыска дополнительного рабочего тела.
