Тезисы 2021. Проектирование трубчатого рекуператора для малоразмерной газотурбинной установки
 Скачать 26.51 Kb.
|
|
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБЧАТОГО РЕКУПЕРАТОРА ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Газотурбинные установки (ГТУ) являются основным типом привода газотранспортной системы России [1]. Однако большая часть из них к настоящему времени морально и физически устарела, что приводит к чрезмерным расходам газа на собственные нужды[1,2]. К основным способам повышения экономичности ГТУ можно отнести следующие мероприятия: - увеличение температуры газа на входе в турбину, что связано с поиском новых материалов для лопаток турбин и методов их охлаждения; - использование ступенчатого расширения с промежуточным подогревом рабочего газа; - повышение к.п.д. отдельных элементов ГТУ (компрессора, газовой турбины, камеры сгорания). Из способов улучшения параметров ГТУ наиболее перспективным является применение воздухонагревателей (регенераторов) для утилизации теплоты отработавших в турбине газов [1]. При проектировании регенераторов большое внимание уделяется простоте и компактности конструкции. С другой стороны, важно, чтобы гидравлические сопротивления регенератора были по возможности минимальными, так как выгоды от применения регенерации в значительной степени снижается из-за дополнительных сопротивлений, вызванных введением регенератора. Наибольшее распространение получили трубчатые регенераторы, рассматриваемые в данной статье [3]. Целью работы является проектирование оптимальной по основным критериям конструкции трубчатого 4-ходового рекуператора для малоразмерного ГТД производства ПАО «КАДВИ» мощностью 200 кВт. Двигатель имеет габаритные размеры 1270 х 765 х 900 мм, поэтому проектируемый рекуператор должен быть компактным. Первым этапом проектирования являлся расчет необходимых характеристик рекуператора: степени регенерации, температуры и давления на выходе, площади поверхности теплообмена, а также габаритных размеров. Исходные данные: p1возд = 588000 Па – давление воздуха на выходе из компрессора t1возд = 152 С – температура воздуха на выходе из компрессора t1газ = 413 С – температура продуктов сгорания на выходе из турбины Gвозд = 2 кг/с - расход воздуха Gвозд = 2,015 кг/с - расход продуктов сгорания r = 0.5 – степень регенерации (выбрана по предварительным расчётам) Для сравнения выбраны 3 конструкции, исходя из ряда рекомендуемых соотношений внутреннего и наружного диаметров d2/d1 и относительных шагов трубок S/d2. Для расчета основных параметров была использована САПР система – Mathcad. В ходе расчетов были получены параметры на выходе: По воздуху: t2возд = 282,5 С, p2возд = 582,12 кПа По газу: t2газ = 287,4 С, p2газ = 105,9 кПа Оставшиеся данные сведем в таблицу 1. Таблица 1. Характеристики рассматриваемых вариантов рекуператоров
После теоретического расчета в Mathcad с целью верификации результатов произведено 3D моделирование данных конструкций в среде SolidWorks и в среде Flow Simulation. При задании граничных условий использовались такие параметры как: расход на входе/выходе, температура на входе, давление окружающей среды. Результаты полученных в результате моделирования теплофизических параметров на выходе сведем в таблицу 2. Таблица 2. Результаты моделирования рекуператоров.
Из табл. 2 видны отклонения теоретических данных от данных, полученных в Flow Simulation. В некоторых случаях они достигают 14% (хотя в большинстве случаев намного меньше), что объясняется неравномерностями реальных потоков и универсальностью теоретического метода (без учёта конструктивных особенностей рекуператоров). Поэтому, можно считать полученные результаты достаточно точными для рассматриваемой задачи оптимизации. По конечной температуре газа видно, что наиболее эффективным по процессу теплообмена является вариант 2 (однако не сильно отличается от варианта 1), он же характеризуется наименьшими потерями давления воздуха. Габаритные размеры, полученные из 3D-модели, занесем в таблицу 3. Таблица 3. Габаритные размеры рекуператоров.
Из таблицы видно, что наименьший объём имеет вариант 1. Как было сказано выше, уменьшение объёма является очень важным для малоразмерной ГТУ. На последнем этапе была оценена стоимость сравниваемых конструкций рекуператоров. Результирующие данные приведены в таблице 4. Таблица 4. Результаты расчета срока окупаемости
По итогу всех расчетов был сделан вывод, что по совокупности характеристик тепловая эффективность-габариты-стоимость и по степени их важности для рассматриваемого малоразмерного двигателя оптимальным является первый вариант конструкции рекуператора. Библиографический список: 1. Е.В. Сафонов, К.А. Бромер, А.О. Шульц, И.С. Шулев Особенности конструкции эффективных рекуператоров микрогазотурбинных энергоустановок. Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение», 2013. с. 1-5. 2. Акулов К.А. Методические указания для практических занятий по дисциплине «Газотурбинные установки» для студентов, обучающихся по направлению 131000.62 «Нефтегазовое дело» всех форм обучения. Часть II. Тюмень: Изд-во ТюмГНГУ, 2013. с. 1-32. 3. Ардатов К.В., Нестеренко В.Г., Равикович Ю. А. Классификация высокоэффективных рекуператоров газотурбинных двигателей. Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 71, 2013. с.1-30. 4. К.Э. Аронсон, С.Н. Блинков, В.И. Брезгин, Ю.М. Бродов, В.К. Купцов, И.Д. Ларионов, М.А. Ниренштейн, П.Н. Плотников, А.Ю. Рябчиков, С.И. Хает Теплообменники энергетических установок. Екатеринбург, УрФУ, 2015, гл.№6. |