Диссертация (Разработка методики проектирования, расчета и изготовления теплообменного аппарата для малоразмерных ГТД с регенерацией тепла), страница 3

Возможность применения газообразного, жидкого и твердого топлива(МГТУ с внешним подводом тепла);3. Высокие эксплуатационные характеристики:- минимальные потребление масла (в перспективе без масла). Примеромслужит микротурбинная установка фирмыCapstone, использующая системувоздушных подшипников;- быстрый запуск установки в любых климатических условиях (±50 °С);4.

Длительная работа в диапазоне от режима холостого хода до 100%нагрузки с одновременной выработкой электроэнергии и тепла;5. Более высокие параметры экономичности;6. Возможность эксплуатации, как автономном режиме, так и параллельно ссетью;137.

Уровень вибраций ГТД существенно ниже, чем у ПД;8. Ресурс до капитального ремонта в среднем в 2,5÷4 раза выше (40÷60 тыс.против 15÷20 тыс.ч.);9. Затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию в 1,5÷6 раз ниже(0,3центов за 1 кВт•ч против 1,5÷2 у ПД);10. Интервал между техническими обслуживаниями около 8 тыс., против750÷1500 ч. у ПД [61].11. Вес установки ниже, чем у ПД.12. Простая конструкция, свободная от дополнительного оборудования [21].ГТД с регенерацией теплаРазработки ГТД с регенерацией известны с середины прошлого века, такодной из первых попыток создания авиационного двигателя с регенерацией теплабыла предпринята фирмой «Бристоль Сиддли». Спроектированный этой фирмойдвигатель«Тезей»струбчатымтеплообменникомненашел,однако,практического применения из-за неудовлетворительных габаритно-массовыхпоказателей.

Далее фирма «Аллисон» (США), приняв за основу турбовинтовойдвигатель Т56-А-7, построила полноразмерный опытный двигатель мощностью3680 кВт. В ходе экспериментального исследования опытного двигателя былаподтверждена эффективность регенеративного цикла: удельный расход топливапри использовании теплообменника снизился на 36 % [80].В настоящее время ГТД с регенерацией тепла находят применение вэнергетической области. Особенно целесообразно применение регенерации теплав малогабаритных ГТД – микротурбинах. Из-за низкой эффективности данныйвид энергетического оборудования не сможет быть конкурентоспособным.Примером микротурбин с регенерацией тепла может стать компания «CapstoneTurbine Corporation» (США).

Двигатели широкого модельного ряда С15-С1000соответствуютмикротурбинаммощностью от 15до1000 кВт,широкоиспользуются во многих странах. Рекуператор использует тепловую энергиювыхлопа для предварительного нагрева воздуха в камере сгорания, что позволяетснизить объем потребляемого топлива практически в два раза [46].14Ряд компаний также работает в данном направлении. Одна из такихкомпаний — «Honeywell Power Systems».

Одна из ее микротурбин Parallon 75имеет максимальную электрическую мощность 75 кВт и тепловую мощность90 кВт [73]. К сожалению, российские аналоги, находятся в стадиях разработки.В связи с этим можно заключить, что работы в этом направлении остаютсяперспективны. ГТД имеет в настоящее время широкое применение в энергетике иавиации [80], но применение регенерационных циклов будет способствоватьпрогрессу многих других отраслей промышленности. Однако, для качественнойреализации конструктивных схем ГТД со сложных циклов необходимо провестиряд исследований в области используемых технологий.Одной из ключевых технологий является теплообменный аппарат, причинаэтоговзначительнойстепенизаключаетсявтом,чтоиспользованиетеплообменника приводит к значительному усложнению конструкции двигателя,увеличению его размеров и массы, снижению эксплуатационной надежности [80].Именно от этого узла также будут зависеть степень регенерации и суммарныепотери.

Значимость этого узла также обусловлена тем, что именно он определяетокончательную стоимость установки.Значительное число зарубежных публикаций и докладов по ГТД спромежуточным охлаждением и регенерацией посвящено исследованию в рамкахпрограммы «Component vaLidator for Environmentally friendly Aero Engine»(CLEAN), предусматривающей разработку узлов и деталей экологически чистогодвигателя с приводом вентилятора через редуктор и применением цикла спромежуточным охлаждением [67].Целью программы CLEAN является снижение расхода топлива на 20%,уровней эмиссии СО2 на 20% и NOx на 80% относительно норм ICAO 1996 г.Работы по этой программе сосредоточены на разработке технологий длядвигателей, ввод в эксплуатацию которых предполагается не ранее 2010…2015 гг.Руководит работами французская компания SNEСMA Moteurs, в международнуюрабочую группу входят MTU Aero Engines (MTU), Fiat Avia, Eldim, Avio,Techspace Aero и Volvo Aero, а также два института: ESIL, Ирландия и CEPR,15Франция.

Схематический разрез двигателя-демонстратора, разрабатываемого попрограмме CLEAN и распределение работ приведены на рисунок 2.Рисунок 2 -Схема двигателя-демонстратора и распределение работ попрограмме CLEANПо проекту CLEAN разработаны и испытаны:- система активного управления помпажом;- высокоэффективный высоконагруженный компрессор высокого давления;- малоэмиссионнаякамерасгораниясоступенчатымгорениемипредварительным смешением и испарением топлива;- высокотемпературная турбина высокого давления;- высокооборотная турбина низкого давления;- затурбинный корпус с применением новых жаростойких материалов;- теплообменник-рекуператор.По оценкам европейских исследователей, применение промежуточногоохлаждения и регенерации тепла за турбиной позволит улучшить экономичностьдвигателей на 4…6%.Одной из основных проблем, решаемых в программе CLEAN, являетсясоздание рекуператора для авиации, обладающего низкой массой.

Минимальнаямассаявляетсяоднойизограничивающиххарактеристикрекуператора.Основным недостатком рекуператора MTU (рисунок 3), разработанного в рамкахпрограммы CLEAN, является большой вес ~1000 кг, что существенно снижаетвыигрыш от использования регенерации тепла. Поэтому работа по оптимизациирекуператора будет продолжена [2]. В 2005 г.

руководство программы CLEAN16считало, что при сохранении финансирования проводимых работ такойрекуператор может быть создан фирмой MTU и ее партнерами через 10…15 лет.Рисунок 3 - Рекуператор MTU с профилированными трубками.В ходе выполнения работ по программе CLEAN была выработана концепцияIntercooled Recuperated Aeroengine (IRA) по разработке ГТД с промежуточнымохлаждением и регенерацией тепла.В 2003 г. компания MTU показала на авиационном салоне в Ле-Буржеизготовленный теплообменник-рекуператор и макет двигателя IRA.

К концу2003 г. планировалось изготовить и собрать двигатель, а весной 2004 г. провестипервые испытания. Однакозатем срокибылисдвинутыииспытаниядемонстрационного двигателя были проведены в марте 2005 г. Конструктивнаясхема ГТД (рисунок 4) была представлена в докладе представителя MTU в2005 г. [90].Рисунок 4 - Конструктивная схема перспективного двухконтурного ГТД спромежуточным охлаждением и регенерацией тепла за турбиной17Из имеющихся в открытом доступе материалов по концепции IRA видно,что рекуператор состоит из нескольких секций, выполненных по схеме MTU.Поконструктивномуисполнениюпромежуточногоохлажденияинформации практически нет.

На ГТД разработки MTU, как следует изпредставленныхсхем,промежуточныйохладитель-теплообменникпластинчатого типа, состоящий из модулей, установленных в канале наружногоконтура.Успешная реализация концепции IRA, начатая в программе CLEAN, былапродолжена в следующей программе NEWAC (New Aero Engine Core Concept)под руководством MTU. Концепция IRA была положена в основу программы какодно из четырёх направлений развития (рисунок 5).Рисунок 5 - Концепции развития двигателей по программе NEWACВ рамках программы NEWAC разрабатывается ГТД с промежуточнымохлаждением, центробежной последней ступенью компрессора и регенерациейтепла. Схема ГТД по программе NEWAC, развивающего концепцию IRA,представлена на рисунке 6.18Рисунок 6 -Схема ГТД с промежуточным охлаждением, центробежнойпоследней ступенью компрессора и регенерацией тепла по программеNEWACВ стационарных ГТД также используются сложные термодинамическиециклы.

Стационарная установка значительно снижает требования к конструкциитеплообменника, особенно по массе, но взамен требует многократногоувеличения ресурса.Наиболее широкое распространение сложные термодинамические циклыполучили в микротурбинах. Эти простые одновальные установки имеют малыеразмеры и мощность, что приводит к большим относительным потерям. Приработе в простом цикле микротурбины имеют низкий КПД (15…20 %). Переходна сложный цикл повышает КПД выше 30 %. Промежуточное охлаждение неприменяется из-за использования простого одноступенчатого центробежногокомпрессора.Большойтеплообменниковинтересввпониманииэффективностигазотурбинном двигателестроениипримененияпредставляетопытзарубежных фирм в создании микротурбинных установок. ТермодинамическийКПД таких установок увеличивается более чем в два раза (с 12…15 до 30…35 %)при использовании рекуператора.Микротурбинныеконкурентоспособнымиустановкиприсэффективности19рекуперациейрекуператорастановятся88…90 %иотносительных суммарных потерях давления в нем в пределах 5…6 %.

Приразработке рекуператоров основное внимание уделяется газовому тракту,поскольку его аэродинамическое сопротивление влияет на КПД значительнее, чемсопротивление воздушного тракта.Конструкция рекуператора должна обеспечивать ресурс не менее 40 тыс.часов в агрессивной среде продуктов сгорания с водяными парами и выдерживатьне менее 20 тыс. термических циклов при перепаде давления между газовым ивоздушным трактами до 400 кПа. При проектировании важно обеспечитьвысокую плотность упаковки рабочей поверхности теплообменника и низкуюстоимость.1.2. Обоснование выбора схемы теплообменного аппаратаРазработка более эффективных компактных теплообменных аппаратов (ТА)направлена на снижение затрат энергии и материалов, а следовательно истоимости.

Работа в данном направлении является весьма важной, посколькутеплосиловое оборудование зачастую составляет до 50% стоимости всегоагрегата.ГТДсложногоциклахарактеризуютсявысокимитребованиямиктеплообменникам. Прежде всего, это высокие давления и температуры.Теплообменный аппарат должен работать при температурах до 1000 К идавлениях до 400 кПа. Для таких условий подходят цельносварные и (сограничениями) паяные матрицы теплообменников.Жесткие требования по массе и габаритам накладывают множествоограничений на конструкцию, крепление и эксплуатацию теплообменников.Прежде всего, это минимальная толщина рабочей поверхности, корпуса итрубопроводов.