Диссертация (Разработка методики проектирования, расчета и изготовления теплообменного аппарата для малоразмерных ГТД с регенерацией тепла), страница 2

На основании существующих методов параметризацииразработана параметрическая модель пластины и оснастки теплообменника, атакже расчетные параметрические модели теплоносителей. Разработана методикатрехмерного расчета, характерной новизной которой является возможностьрешения комплексной задачи газодинамики и теплопередачи. Разработанатехнологияизготовленияисваркипластинтеплообменника.Полученыкритериальные зависимости на основе трехмерного расчетного исследования, иразработана программа аналитического расчета для определения основныхпараметров теплообменника (степень регенерации, потери давления) призаданных размерах.Теоретическая и практическая значимость результатов работыПолученныерезультатыпозволяютпрогнозироватьиопределятьоптимальные параметры пластинчатого теплообменного аппарата для различныхвариантов ГТД с регенерацией тепла.Результат исследования по определению оптимального варианта расчетнойсетки позволяет снизить затраты компьютерных мощностей и времени.Методикатрехмерногорасчетапозволяетпровестивиртуальныйэксперимент и уточнить конструкцию теплообменного аппарата при заданныхпараметрах.

Программа аналитического расчета при заданных размерах пластиныпозволяет оценить целесообразность применения выбранной конструкции ТА дляпоследующего более глубокого 3D-исследования.Использованиепараметрическоймоделипластиныиоснасткитеплообменника снижает время проектирования с 8 ч. до 2-5 мин, что такжеспособствует ускорению подготовки расчетных моделей.7Технология изготовления и сварки пластин теплообменника позволяютизготавливатьтеплообменникиприемлемымимассогабаритнымиипрочностными характеристиками.Результатыработыиметодикипроектированияиспользуютсянапредприятии ФГУП «ЦИАМ им. П.И.

Баранова».Методология и методы исследованияПри подготовке и проведении эксперимента использованы: ГОСТ 2402680 (Исследовательские испытания; Планирование эксперимента), методическиеуказания РД 50-411-83 (Расход жидкостей и газов методика выполненияизмерений с помощью специальных сужающих устройств).Приразработкепараметрическихмоделейиспользовалисьметодытабличной, иерархической, вариационной и геометрической параметризации.Достоверность результатов. Полученные в результате исследованияданныенепротиворечатЭкспериментальныеопубликованнымисследованияработампроводилисьподругихавторов.стандартизированнымметодикам с помощью аттестованной аппаратуры.Апробация результатовОсновныерезультатыработыдокладывалисьнароссийскихимеждународных конференциях: 29-ый Конгресс Международного Совета поаэронавтическим наукам (ICAS) 7-12 сентября 2014 г.

(Санкт-Петербург), IIIМеждународная научно-практическая конференция: «Научные перспективы ХХIвека. Достижения и перспективы нового столетия», 15-16 августа 2014(Новосибирск);16-аяМеждународнаянаучно-практическойконференция«Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применениевысоких технологий в промышленности и экономике», 5-6 декабря 2013 г.

(СанктПетербург), LX Научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин ипарогазовых установок «Научно-технические проблемы проектирования иэксплуатации наземных объектов с газотурбинными и парогазовыми установками24-26сентября2013(Казань),Международнаяконференции «Образование и наука без границ»,87-15научно-практическойдекабря 2013. (г.Пшемысль), LVIV Научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин ипарогазовых установок. 6-7 сентября 2012 г.

(Санкт-Петербург), ДевятойВсероссийскойнаучно-практическойконференции«ПрименениеИПИ–технологий в производстве» 18-20 ноября 2011 (Москва).Основные положения диссертации, выносимые на защиту:Методика расчета, проектирования и изготовления теплообменногоаппарата.Результаты анализа конструкций теплообменных аппаратов дляопределениярациональноговыборатеплообменнойповерхностииеегеометрических параметров.Результатыанализатехнологийизготовлениятеплообменногоаппарата.Результаты выбора геометрических параметров, удовлетворяющихтребованиям по эффективности и технологичности;Геометрические параметризованные 3D-модели пластин и штампов, атакже теплоносителей для расчета и изготовления теплообменного аппарата.Метод трехмерного численного расчета параметров теплообменногоаппарат.Верификация метода трехмерного численного расчета.Программа аналитического расчета для определения основныхпараметров теплообменника (степень регенерации, потери давления) призаданных размерах пластины.Личный вклад соискателяСоискательница проанализировала конструкции теплообменных аппаратовс целью выбора наиболее перспективных направлений.

Провела исследованиегеометрических параметров гофра на основе экспериментов, представленных влитературе. Участвовала в разработке технологии изготовления пластинчатоготеплообменника. Принимала участие в разработке алгоритма методики расчета,проектирования и изготовления теплообменного аппарата.9Авторпринималаэкспериментальныхнепосредственноеисследованийпоучастиеопределениюввыполнениитеплогидравлическиххарактеристик пластинчатого теплообменного аппарата, полученного методомпослойного спекания, занималась разработкой методики сбора и обработкиинформации. Соискательница обработала, проанализировала и обобщила данныеэкспериментов.Участвовала в разработке трехмерного метода численного расчета.Разрабатывала параметризованные геометрические модели пластины, оснастки итеплоносителей и участвовала в их доводке.Провела верификацию экспериментальных и расчетных данных.

Провеласерию расчетов для получения критериальных зависимостей и разработкианалитической программы расчета, а также участвовала в доводке даннойпрограммы.Разработаны:методикарасчета,проектированияиизготовлениятеплообменного аппарата, геометрические модели параметризованной пластины иоснасткитеплообменника,атакжетеплоносителей.Методтрехмерногочисленного расчета, учитывающий особенности геометрической формы пластиныи свойства теплоносителей и аналитический метод расчета.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырехглав,заключения,спискаиспользованныхисточниковиз104наименований, изложена на 155 страницах машинописного текста, включающего69 иллюстраций и 9 таблиц.101.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ1.1. Повышение эффективности газотурбинных двигателей и установок засчет сложных термодинамических цикловОдним из направлений дальнейшего развития газотурбинных двигателей иустановок (ГТД и ГТУ) является применение сложных термодинамическихциклов [45]. К ним относится цикл с регенерацией тепла. Газотурбинныйдвигатель с регенерацией тепла — двигатель, термодинамический цикл которогоотличается от обычного двигателя наличием регенеративного охлаждениярабочего тела на выходе из газовой турбины и соответственно регенеративногоподогрева воздуха за компрессором [79].Данное мероприятие повышаетэкономичность ГТД, что особенно актуально для летательных аппаратов сбольшой продолжительностью полета.

На рисунке 1 показана одна из схем ГТД срегенерацией тепла.Благодаря предварительному подогреву воздуха втеплообменнике для достижения заданной температуры газа перед турбинойтребуется меньший подвод тепла в камере сгорания [80].Из компрессора 1сжатый воздух попадает в теплообменник 4, далее нагретый и сжатый воздухпоступает в камеру сгорания 3, далее газ поступает в турбину 2, которая можетбыть соединена с генератором 5 (энергетическая наземная ГТУ). Послерасширенияв турбине горячие газы проходят в теплообменник 4 ивыбрасываются в атмосферу.Рисунок 1 - Схема ГТД с регенерацией тепла11Применение регенерации тепла в реальных тепловых двигателях позволяетуменьшить необратимость цикла, связанную с конечной разностью температуртеплоотдатчика и рабочего тела при передаче тепла от первого к последнему.Регенеративный подогрев рабочего тела устраняет (на одних участках циклаполностью, на других частично) необратимый теплообмен и снижает разностьтемператур между теплоотдатчиком и рабочим телом [14].Регенерация тепла являетсяВ работах [73, 79, 80] показано, что цикл с регенерацией тепла возможноприменять в целях повышения экономичности газотурбинных установок.В настоящее время ГТД в основном используется в:- авиационной промышленности;- энергетическом комплексе (ГТУ больших мощностей – более до 250 кВт);- нефтегазовой промышленности и др.Применениесложныхтермодинамическихцикловоткрываетновыеперспективы использования ГТД.

Так благодаря повышению КПД цикла ГТДстановиться конкурентоспособной заменой поршневых двигателей, которыешироко применяются в:- машиностроении (автомобили, танки);- энергетическом комплексе (малых мощностей – до 250 кВт);- авиации (беспилотные летательные аппараты, вертолеты) и др.Идея применять в автомобиле- и танкостроении газотурбинные двигателивозникла давно.

Но лишь за последние несколько лет их конструкция достиглатой степени совершенства, которая дает им возможность на существование.Высокий уровень развития теории лопаточных двигателей, металлургии итехникипроизводстваобеспечиваетвозможностьсозданиянадежныхгазотурбинных двигателей, способных с успехом заменить на автомобилепоршневые двигатели внутреннего сгорания [66]. В работе [21], например,предложена конструктивная схема и отмечены преимущества автомобиля с ГТД,к которым относится: сниженный вес, более простая конструкция, легкость12запуска.

В данной схеме также использован цикл с регенерацией тепла. Примеромприменения регенерации тепла в танкостроении являетсяОсобенную роль играет сложный цикл в энергетическом комплексе в нишемалых мощностей (до 250 кВт). Только благодаря использованию цикларегенерации использование микрогазотурбинных установок (МГТУ) становитсяоправданным, поскольку КПД МГТУ без цикла регенерации составляет 24 %, апри регенерационном цикле 28 – 32 % [62,63]. Следует отметить, что на основерегенерационного цикла во ФГУП ЦИАМ им.

Баранова была разработана схема свнешним подводом тепла, которая позволяет МГТУ использовать не толькожидкое и газообразное топливо, но и твердое топливо (древесину) [61-65].Необходимоотметить,чтоиспользованиерегенерациитеплавгазотурбинных двигателях более актуально и перспективно, это также открываетвозможность использования одинаковых технологий в энергетических иавиационных двигателях. Кроме того, при сравнении ГТД и поршневыхдвигателей (ПД), можно выделить следующие преимущества ГТД (для всехобластей применений):1. Низкий уровень эмиссии NOx (при использовании низкоэмиссионныхкамер сгорания);2.