Диссертация (Разработка методики проектирования, расчета и изготовления теплообменного аппарата для малоразмерных ГТД с регенерацией тепла)

ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 41. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ........................................................................................ 111.1. Повышение эффективности газотурбинных двигателей и установок за счетсложных термодинамических циклов ...................................................................... 111.2. Обоснование выбора схемы теплообменного аппарата .................................. 201.4. Исследования, проведенные в области пластинчатых теплообменников cповерхностью типа Френкель ................................................................................... 312.

ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГОФРА ПЛАСТИНЫТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА ........................................................................... 362.1 Характеристики поверхностей теплообмена .................................................... 363. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННИКА ................................. 483.1.

Технические требования и особенности изготовления пластинчатоготеплообменного аппарата для малоразмерных ГТУ .............................................. 483.2 Штамповка эластичными средами ..................................................................... 503.3. Холодная штамповка инструментальными штампами ................................... 563.4 Технологические переходы изготовления теплообменного аппарата ........... 603.5 Изготовление теплообменного аппарата аддитивными методамипроизводства ...............................................................................................................

683.5.1 Планирование эксперимента............................................................................ 703.5.2 Описание экспериментальной установки ....................................................... 733.5.3 Условия и порядок проведения испытаний ................................................... 793.5.4 Анализ и обработка экспериментальных данных.......................................... 814. МЕТОДИКА ТРЕХМЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА .................. 874.1 Анализ оптимальных теплогидравлических и технологических параметровтеплообменного аппарата ..........................................................................................

874.2. Принципы конструирования и методы расчетного исследования ................ 884.2.1 Конструктивный расчет теплообменных аппаратов ..................................... 914.2.2. Поверочный расчет теплообменных аппаратов ............................................ 924.2.3. Основные уравнения теплового расчета теплообменных аппаратов ......... 934.3. Разработка алгоритма методики проектирования и расчета теплообменногоаппарата ....................................................................................................................... 9824.3.1. Параметрическая методика проектирования пластины теплообменногоаппарата и оснастки ................................................................................................. 100Классификация методов параметрического проектирования ............................. 1014.3.2.

Применение методов параметрического проектирования к построению3D-модели теплообменника и штампа................................................................... 1054.2. Метод трехмерного численного расчета ........................................................ 1114.2.1.Классификация расчетных сеток 3D-моделей ............................................. 1124.2.2.

Обоснование выбора физической модели расчета ..................................... 1154.3. Верификация метода трёхмерного численного расчета ............................... 1204.3.1 Построение расчетной сетки для 3D-моделей исследуемого объекта. ..... 1204.3.2 Экспериментальное исследование и верификация метода трёхмерногочисленного расчета .................................................................................................. 1254.4.

Программа оценочного аналитического расчета ........................................... 130ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 144СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... 1463ВВЕДЕНИЕАктуальность работыПроблема повышения эффективности газотурбинных двигателей (ГТД)возникла в связи с фактом неуклонного роста требований к экономичностиавиационных двигателей и энергетических установок. Согласно экономическойстратегии в России на период до 2030 г., внутренний спрос на топливноэнергетические ресурсы к 2030 г. вырастет в 1,6-1,7 раза по отношению к уровню2005 г. [1].

Особенно актуальна данная проблема для малоразмерных ГТД.Улучшение экономичности ГТД возможно за счет регенерации тепла.В настоящее время роль малоразмерных ГТД в энергетической иавиационной отрасли значительно расширяется. Наибольшее распространениеони получили при решении задач малой энергетики. Также малоразмерные ГТДимеют большие перспективы использования в беспилотных летательныхаппаратах (БПЛА).Вместе с тем эффективность регенерации тепла в значительной мерезависит от теплообменных аппаратов. На сегодняшний день в малоразмерныхГТД с регенерацией тепла применяются в основном пластинчато-ребристыетеплообменныеаппараты.Однако,теплообменниковпозволяетсущественноиспользованиепластинчатыхснизитьимассугабаритытеплообменного аппарата.Одним из наиболее эффективных методов повышения экономичности иэффективности ГТД с регенерацией тепла является интенсификация процессовтеплообмена, позволяющая снизить габариты теплообменного оборудования и,соответственно, его стоимость.

При этом повышение эффективности теплообменана 30-40% ведет к росту сопротивления на 40-60%.Создание ГТД с приемлемыми массогабаритными и эксплуатационнымипоказателями требует дальнейшего совершенствования методов расчета ипроектирования компактных теплообменников, анализа условий рациональногосогласования параметров теплообменника и двигателя.4Проблеме разработки методики проектирования, расчета и изготовленияпластинчатых теплообменных аппаратов посвящено значительное количествоисследований, выполненных в нашей стране и за рубежом. Среди множестваработ, посвященных расчету и проектированию теплообменников можновыделить работы, проведенные: Э.К. Калининым, Г.А.

Дрейцером, И.З. Коппом,А.С. Мякоченным, С.А. Ярхо, Г.П. Нагога [32,33], Б.С. Петуховым, Л.Г. Гениным,С.А. Ковалевым [58] и др.В данных работах рассматривается интенсификация теплообмена втрубчатыхтеплообменниках,источникамитепла;процессыосвещенытеплопроводностивопросыконвективногосвнутреннимитеплообменаигидродинамики при движении в трубах, приводится анализ экспериментальныхданных и рекомендации.Работы: Коваленко Л.М., Ястребенецкого А.Р., Барановского Н.В. [9,88],Савостина А.Ф., Тихонова А.М. [80,73], Кэйса В.М., Лондона А.Л.

[39],Жукаускаса A.A.[29], Жаднова О.В. [28], Евсеева Г.А. [25], Емельянова А.Л.,Кожевникова Е.В. [27] и др. посвящены проблемам создания эффективныхпластинчатых теплообменников. В них рассматриваются вопросы гидродинамикии конвективного теплообмена в потоках газов и различных жидкостей.Представлены данные теоретическихи экспериментальныхисследованийконвективного теплопереноса. Даны практические рекомендации по тепловому игидродинамическому расчету теплообменников.Несмотря на достаточно глубокие исследования, проведенные в даннойобласти, остается открытым вопрос о модернизации методики проектирования,расчета и изготовления с учетом современных возможностей компьютернойтехники и производства.Основным недостатком существующих методов разработки являютсябольшие затраты времени на его проведение.

Решением данной проблемы можетбытьиспользованиетрехмерныхпрограммрасчетаипроектирования,позволяющих объединить некоторые из этапов расчетного исследования, тем5самым сократить время и учесть большее количество факторов, влияющих напроцесс, представить результаты расчета в наглядном виде (поля скоростей,температур, давлений).Всовременнойнаучнойлитературе,посвященнойисследованиямтеплообменников, часто не реализуется такой комплексный подход к изучениюфакторов, влияющих на процессы в теплообменнике. Для совершенствованияконструкции и повышения эффективности необходимо более точно представлятьпроцессы, происходящие внутри исследуемого объекта и учитывать все факторы,в том числе конструкционные и технологические, влияющие на исследуемыепроцессы в комплексе.Объектом исследования являются:- авиационные и энергетические малоразмерные установки мощностью до250 кВт;- пластинчатые теплообменные аппараты сварной конструкции;- методы параметрического проектирования и трехмерного расчета, а такжепрограммы, в которых возможно их реализовать;Цели и задачи работыЦелью настоящей научной работы является разработка методики расчета,проектирования и технологии изготовления пластинчатых теплообменныхаппаратов для газотурбинных установок с регенерацией тепла.Основными задачами работы являются:-проведениеанализаконструкцийтеплообменныхаппаратовдляопределения рационального выбора теплообменной поверхности;- разработка метода трехмерного параметрического проектированияпластины и штампов для изготовления теплообменного аппарата;-проведениеэкспериментальногоисследованияпластинчатоготеплообменника для верификации программы трехмерного расчета;- разработка метода трехмерного расчета параметров пластинчатоготеплообменника и его верификация;6- выполнение расчетного исследования для получения критериальныхзависимостей, и разработка метода аналитического расчета;- разработка технологии изготовления и сварки пластин теплообменногоаппаратаНаучная новизна диссертационной работы заключается в следующем:Реализованкомплексныйподходкпроектированиюпластинчатоготеплообменного аппарата.