УДК 621.4

МГТУ им. Н.Э. Баумана

arbekov2012@yandex.ru

kvazargius@gmail.com

1.    ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

При проектировании различных энергоустановок зачастую возникает необходимость создания уменьшенного макетного образца, необходимого для отработки основных узлов, подтверждения правильности выбора конструкции, определения параметров запуска и переходных процессов машины. Это позволяет значительно сэкономить средства и время создания крупных установок, а также выявить основные проблемы на ранней стадии проектирования. Поэтому для снижения стоимости разработки натурного образца (много петлевой (2…6) замкнутой газотурбинной энергетической установки большой мощности) была поставлена задача - создать макетный стенд для решения следующих задач:

•      Исследование совместной работы двух газотурбинных преобразователей энергии в едином газовом контуре от общего нагревателя.

•      Совместная работа модулей ЗГТЭУ (Замкнутая газотурбинная энергоустановка) на номинальном режиме. Отработка работы на режиме собственных нужд.

•      Исследование процессов пуска и останова модулей, а также выбор оптимального алгоритма управления пуском.

•      Исследование переходных процессов.

•      Построение алгоритма управления модулями ЗГТУ (Замкнутая газотурбинная установка) в переходных процессах.

•      Исследование аварийных и форсированных режимов работы установки.

•      Выявление принципиальных проблем в устройстве и конструкции установки.

Был проведён анализ технических характеристик полноразмерной установки. Для возможности моделирования процессов полноразмерной установки в узлах макетного образца необходимо соблюдение определяющих тепло- и гидродинамических условий подобия, таких как критерий Прандтля, Маха, Рейнольдса, а также подобия термодинамических процессов и общего снижения давления в контуре. Исходя из вышеперечисленного, было составлено техническое задание для макетного образца. Во время проектирования установки были рассчитаны и оптимизированы основные узлы двухпетлевой ЗГТУ: центробежный компрессор, центростремительная турбина, рекуператор и концевой охладитель. Ротор турбоблока был рассчитан на критические частоты вращения в среде инженерного анализа Ansys Multiphisics. Исходя из полученных габаритный размеров узлов ЗГТУ была исследована возможность создания макетного образца двухпетлевой замкнутой газотурбинной энергетической установки.

2.    КОМПОНОВКА СТЕНДА

Установка создаётся с требованием минимизировать габаритные размеры конструкции, для возможности размещения стенда в лабораториях кафедры «Газотурбинные и комбинированные установки» (Э3) в научно-учебном комплексе «Энергомашиностроения». Так же уменьшение общих габаритов способствует снижению потерь на гидравлическое сопротивление, снижающее давление в контуре, в подводящих и отводящих патрубках. Во время расчёта основных узлов ЗГТЭУ закладывался коэффициент сохранения полного давления в контуре 0,9. Поэтому уменьшение потерь в трубопроводах, подводящих и отводящих патрубках позволяет закладывать большие сопротивления, а следовательно, и скорости протекания смеси газов в рекуператоре, что позволяет уменьшить объём теплообменного аппарата, тем самым уменьшив объём занимаемый всей установкой. При проектировании 2-х петлевой установки важное значение придаётся обеспечению симметричности петель и равенству потерь давления в них, это необходимо для облегчения управления установкой. В ЗГТЭУ большое влияние оказывают утечки тепла из горячих частей (рекуператор, нагреватель турбина, газопроводы между ними), поэтому необходимо реализовать наименьшую длину по горячему тракту. А, значит, турбину необходимо располагать как можно ближе к источнику теплоты. Рекуператор сразу же за турбиной, целесообразно после рекуператора сразу же расположить концевой охладитель. Электронагреватель, с целью минимизацией тепловых потерь через корпус, предполагается выполнить с двойным корпусом. Конструкция нагревателя представляет собой цилиндрический теплообменник с трубчатой матрицей из хромоникелевых трубок. Гелиоксеноновая смесь сначала попадает во внешний корпус, снижая температуру стенок, одновременно нагреваясь о стенку внутреннего корпуса, а далее, в самом низу нагревателя, разворачивается и попадает во внутренний корпус, где обтекает трубки и проходит через них, нагреваясь до заданной температуры. Далее рабочее тело попадает в турбоблок по кратчайшему пути. Как уже было упомянуто выше, в качестве рабочего тела замкнутой газотурбинной энергетической установки используется гелиоксеноновая смесь с молярной массой 83,8 кг/кмоль - по сути являющейся смесью инертных газов, следовательно нужно конструкционно предусмотреть расположение элементов подпитки рабочего тела и по возможности расположить их как можно дальше от «горячей части» установки.

Рис. 1. Электронагреватель

Блок ТГК (турбогенератор-компрессора), рекуператор и нагреватель имеют высокие рабочие температуры (температура рабочего тела перед центростремительной турбиной блока ТГК равняется 1023 К), следовательно, в трубопроводы необходимо устанавливать компенсационные сильфоны (призванные компенсировать тепловые расширения установки), а основные элементы на раме крепятся с возможностью их перемещения при прогреве установки. Так как сильфоны имеют достаточно высокое гидравлическое сопротивление в силу их конструкционных особенностей, то необходимо при проектировании компоновки стенда конструкционно учесть возможность минимального использования сильфонов. В данной компоновке предполагается установка сильфона на трубопроводе, соединяющим  концевой холодильник с компрессором, а так же сильфон между компрессором и рекуператором, между нагревателем и рекуператором и нагревателем и турбиной. Остальные тепловые расширения будут компенсироваться смещением узлов установки по раме. Увеличение плотности компоновки в свою очередь негативно влияет на вентиляцию и охлаждение некоторых узлов макетного стенда. Исходя из этих возможных проблем,  концевые охладители контура сброса теплоты в атмосферу, продуваемые вентиляторами, развёрнуты внутрь установки. Данное решение позволяет прокачивать относительно не горячий воздух (с температурой не выше 293 К) через бак подпитки рабочего тела и его вспомогательного оборудования, охлаждая его, при этом не вентилируя «горячую часть» установки, увеличивая тепловые потери стенда.

Горячие поверхности установки должны быть обёрнуты теплоизоляционным материалом, выдерживающим 1000 К, для уменьшения тепловых потерь через стенку.

Рама представляет собой набор уголков и швеллеров, сваренных друг с другом, что удешевляет конструкцию, облегчая монтаж и работу с установкой. Центральная часть рамы, к которой через четыре керамические вставки закрепляется электронагреватель и блок ТГК, крепиться к полу через рым-болты. Другие секции рамы, держащие рекуператор, концевой холодильник и систему подпитки рабочей смеси, не закреплены к полу и имеют возможность перемещения по полу, для компенсации тепловых расширений при прогреве установки.

Рис. 2. Компоновка стенда: 1- электронагреватель; 2 - рекуператор; 3 – блок ТГК; 4 – расширительный бак; 5 – радиатор концевого охладителя; 6 – бак подпитки рабочего тела; 7 – рама; 8 – насос для прокачки промежуточного охладителя; 9 – система подпитки рабочего тела; 10 - концевой охладитель промежуточного рабочего тела; 11 –  сильфоны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конструирование и расчет на прочность турбомашин. /Э.А. Манушин, И.Г. Суровцев – Москва.: Машиностроение, 1990. – 400 с.

2. Шерстюк А. Н., Зарянкин А. Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. – Москва.: Изд-во: Машиностроение, 1976. – 208 с.

3. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок. /В.Л. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов – Москва.: Изд-во МГТУ, 2004. – 592 с.

4. Методическое указание по расчёту и проектированию центробежных компрессоров ГТД. /В.С. Бекнев., А.Ф. Куфтов, Р.З. Тумашев - Москва.: Изд-во МГТУ, 1996. – 41 с.

5. Руководство по основным методам проведения анализа в программе Ansys.