Математическая модель расчёта массы теплообменника в задачах оптимизации параметров рабочего процесса авиационных газотурбинных двигателей

В. С. Кузьмичёв, Х. Омар, А. Ю. Ткаченко, А. А. Бобрик

Аннотация


Несмотря на то, что авиационные газотурбинные двигатели (ГТД) достигли высокой степени совершенства, требования по повышению их эффективности постоянно возрастают. Снижение удельного расхода топлива и удельной массы силовой установки позволяет улучшить лётно-технические характеристики летательного аппарата. Одним из эффективных средств снижения удельного расхода топлива и получения высокой тепловой эффективности ГТД является применение регенерации тепла. Поэтому интерес к ней сохраняется на протяжении всего периода развития газотурбинных двигателей. Однако применение регенерация тепла в авиационных ГТД сталкивается с противоречием: с одной стороны, регенерация тепла позволяет уменьшить удельный расход топлива, а с другой – увеличивает массу силовой установки за счёт наличия регенератора. Причём с ростом степени регенерации удельный расход топлива уменьшается, а масса силовой установки растёт. Для получения необходимого эффекта следует одновременно оптимизировать и параметры рабочего процесса двигателя, и степень регенерации теплообменника по критериям оценки силовой установки в системе летательного аппарата. Для этого необходимо иметь математическую модель оценки массы высокоэффективного регенератора авиационного назначения. Приводится разработанная математическая модель расчёта массы компактного пластинчатого теплообменника, применяемого для увеличения эффективности авиационного газотурбинного двигателя за счёт подогрева сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания, горячим газом за турбиной. Выбраны рациональная схема относительного движения рабочих сред в теплообменнике, оптимальный тип пластинчатой поверхности теплопередачи с точки зрения минимизации массы теплообменника и гидравлических потерь в воздушном и газовом каналах. На основании расчётного алгоритма для выбранного типа поверхности определена зависимость удельной массы теплообменника от степени регенерации при различных скоростях истечения газа сопла. Для оценки достоверности полученной модели проведён сравнительный анализ влияния степени регенерации на удельную массу теплообменника, выполненный на основании сравнения результатов расчётов по разработанной модели с данными других авторов и с данными по созданным регенераторам.

Ключ. слова


Авиационный газотурбинный двигатель; рекуператор; компактный теплообменник; пластинчатая поверхность; регенеративный цикл; удельная масса; степень регенерации; расчётная модель

Полный текст:

PDF

Список литературы

1. Агульник А.Б., Гусаров С.А., Омар Х.Х.О. Выбор основных параметров циклов газопаротурбинной установки для газоперекачивающего агрегата // Труды МАИ. 2017. № 92. http://trudymai.ru/published.php?ID=77084

2. Кузьмичёв В.С., Омар Х.Х., Ткаченко А.Ю. Способ повышения эффективности газотурбинных двигателей для наземного применения за счёт регенерации тепла // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25, № 4. С. 133-141.

3. Filinov E., Tkachenko A., Omar H.H., Rybakov V. Increase the efficiency of a gas turbine unit for gas turbine locomotives by means of steam injection into the flow section // MATEC Web of Conferences. 2018. V. 220. DOI: 10.1051/matecconf/201822003010

4. McDonald C.F. Low-cost compact primary surface recuperator concept for microturbines // Applied Thermal Engineering. 2000. V. 20, Iss. 5. P. 471-497. DOI: 10.1016/S1359-4311(99)00033-2

5. Traverso A., Zanzarsi F., Massardo A. Cheope: a tool for the optimal design of compact recuperators // Proceedings of the ASME Turbo Expo. 2004. V. 6. P. 115-123. DOI: 10.1115/GT2004-54114

6. McDonald C.F., Wilson D.G. The utilization of recuperated and regenerated engine cycles for high efficiency gas turbines in the 21st century // Applied Thermal Energy. 1996. V. 16, Iss. 8-9. P. 635-653. DOI: 10.1016/1359-4311(95)00078-X

7. Тихонов А.М. Регенерация тепла в авиационных ГТД. М.: Машиностроение, 1977. 108 с.

8. Kays W.M., London A.L. Compact heat exchangers. New York: McGraw-Hill Comp., 1984. 224 p.

9. Аронсон К.Э., Блинков С.Н., Брезгин В.И., Бродов Ю.М., Купцов В.К., Ларионов И.Д., Ниренштейн М.А., Плотников П.Н., Рябчиков А.Ю., Хает С.И. Теплообменники энергетических установок: эл. уч. издание. Екатеринбург: УрФУ, 2015. https://openedu.urfu.ru/files/book/

10. Иванов В.Л., Леонтьев А.И., Манушин Э.А., Осипов М.И. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 592 с.

11. Zohuri B. Compact heat exchangers. Selection, application, design and evaluation. Switzerland: Springer, 2017. 570 p. DOI: 10.1007/978-3-319-29835-1

12. Ranganayakulu C., Seetharamu K.N. Compact heat exchangers: Analysis, design and optimization using FEM and CFD approach. John Wiley & Sons, 2018. 541 p.

13. Doo J.H., Ha M.Y., Min J.K., Stieger R., Rolt A., Son C. An investigation of cross-corrugated heat exchanger primary surfaces for advanced intercooled-cycle aero engines (Part-I: Novel geometry of primary surface) // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. V. 55, Iss. 19-20. P. 5256-5267. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.05.034

14. Doo J.H., Ha M.Y., Min J.K., Stieger R., Rolt A., Son C. An investigation of cross-corrugated heat exchanger primary surfaces for advanced intercooled-cycle aero engines (Part-II: Design optimization of primary surface) // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013. V. 61. P. 138-148. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.01.084

15. Байгалиев Б.Е., Щелчков А.В., Яковлев А.Б., Готышов П.Ю. Теплообменные аппараты: учебное пособие. Казань: Казанский государственный технический университет, 2012. 180 с.

16. Xiao G., Yang T., Liu H., Ni D., Ferrari M.L., Li M., Luo Zh., Cen K., Ni M. Recuperators for micro gas turbines: A review // Applied Energy. 2017. V. 197. P. 83-99. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.03.095

17. Min J.K., Jeong J.H., Ha M.Y., Kim K.S. High temperature heat exchanger studies for applications to gas turbines // Heat Mass Transfer. 2009. V. 46, Iss. 2. P. 175-186. DOI: 10.1007/s00231-009-0560-3

18. Shah R.K., Sekulic´ D.P. Fundamentals of heat exchanger design. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2003. 941 p.

19. Utrianen E., Sunden B. A comparison of some heat transfer surfaces for small gas turbine recuperators // Proceedings of the ASME Turbo Expo. 2001. V. 3. DOI: 10.1115/2001-GT-0474

20. Беляев В.Е., Беляева С.О., Коваль В.А., Ковалева Е.А. Высокоэффективный газотурбинный двигатель мощностью 1 МВт // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2009. Т. 4, № 4 (40). С. 66-69.

21. Сиссе С.У. Тепловая эффективность рекуперативных теплообменников на частичных и неустановившихся режимах. Дис. … канд. техн. наук. Москва, 2000. 117 с.

22. Барский И.А., Сиссе С.У. Переходные характеристики теплообменников при любых отношения водяных эквивалентов // В сб.: «Актуальные проблемы научных исследований». М.: Машиностроение, 1999. С. 99.

23. MacDonald C.F. Recuperator considerations for future higher efficiency microturbines // Applied Thermal Engineering. 2003. V. 23, Iss. 12. P. 1463-1487. DOI: 10.1016/S1359-4311(03)00083-8

24. Ардатов К.В., Нестеренко В.Г., Равикович Ю.А. Классификация высокоэффективных рекуператоров газотурбинных двигателей // Труды МАИ. 2013. № 71. http://trudymai.ru/published.php?ID=46706


DOI: http://dx.doi.org/10.18287/2541-7533-2019-18-3-67-80

Ссылки

  • Ссылки не определены.


© Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2019

 

Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License.

 

ISSN: 2541-7533