Влияние регенерации теплоты на оптимальные значения параметров рабочего процесса газотурбинного двигателя в системе вертолёта


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Исследования, проводимые в России и зарубежом в интересах экономии топлива в воздушном транспорте, показывают, что применение регенерации теплоты в авиационных газотурбинных двигателях (ГТД) позволяет значительно – до 20…30% снизить расход топлива. До недавнего времени применение в авиационных газотурбинных двигателях регенерации теплоты сдерживалось значительным увеличением массы силовой установки за счёт установки теплообменника. В настоящее время появились технологические возможности создания лёгких, высокоэффективных теплообменников для применения на летательных аппаратах без ущерба для их эксплуатационных характеристик. Эффективность авиационной силовой установки с регенерацией теплоты в системе летательного аппарата в значительной степени зависит от выбора параметров рабочего процесса ГТД. В работе рассматривается постановка задачи оптимизации и выбора рациональных значений параметров рабочего процесса газотурбинных двигателей с рекуператором для вертолётов. На основе разработанного метода многокритериальной оптимизации путём численного моделирования проведены и представлены результаты оптимизации значений параметров рабочего процесса газотурбинного двигателя со свободной турбиной и рекуператором (ГТД СТр) в системе лёгкого вертолёта по таким критериям, как суммарная масса силовой установки и топлива, потребного на полёт, и удельные затраты топлива вертолёта на тонно-километр перевозимой коммерческой нагрузки. Расчет показателей эффективности двигателя проводился на основе моделирования полётного цикла вертолёта с учетом его аэродинамических характеристик. Приведена разработанная математическая модель расчёта массы компактного теплообменника, предназначенная для решения задач оптимизации на этапе концептуального проектирования двигателя. Разработанные методы и модели реализованы в автоматизированной системе АСТРА. Показано, что оптимальные параметры рабочего процесса ГТД СТр существенно зависят от степени регенерации теплоты в рекуператоре, а также показана возможность повышения эффективности ГТД СТ за счёт применения регенерации теплоты.

Об авторах

Х. Х. Омар

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Автор, ответственный за переписку.
Email: dr.hewa.omar@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4574-0339

аспирант кафедры теории двигателей летательных аппаратов

Россия

В. С. Кузьмичев

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: kuzm@ssau.ru
ORCID iD: 0000-0003-1696-2899

доктор технических наук, профессор кафедры теории двигателей летательных аппаратов

Россия

А. О. Загребельный

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: zao_sam156@mail.ru

инженер-конструктор Научно-образовательного центра газодинамических исследований

Россия

В. А. Григорьев

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: grigva47@gmail.com

доктор технических наук, профессор кафедры теории двигателей летательных аппаратов

Россия

Список литературы

  1. McDonald C.F., Massardo A.F., Rodgers C., Stone O. Recuperated gas turbine aeroengines, part I: early development activities // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2008. V. 80, Iss. 2. P. 139-157. doi: 10.1108/00022660810859364
  2. McDonald C.F., Massardo A.F., Rodgers C., Stone O. Recuperated gas turbine aeroengines, part II: engine design studies following early development testing // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2008. V. 80, Iss. 3. P. 280-294. doi: 10.1108/00022660810873719
  3. McDonald C.F., Massardo A.F., Rodgers C., Stone O. Recuperated gas turbine aeroengines. Part III: engine concepts for reduced emissions, lower fuel consumption, and noise abatement // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2008. V. 80, Iss. 4. P. 408-426. doi: 10.1108/00022660810882773
  4. Zhang Ch., Gümmer V. High temperature heat exchangers for recuperated rotorcraft powerplants // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 154. P. 548-561. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.03.119
  5. Zhao X., Grönstedt T. Conceptual design of a two-pass cross-flow aeroengine intercooler // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2015. V. 229, Iss. 11. P. 2006-2023. doi: 10.1177/0954410014563587
  6. Bouty E., Cheftel-Py B., Paty G. SAGE 5 cleansky’s approach to greener helicopter turboshafts // Proceedings of the XX International Symposium on Air Breathing Engines (September, 12-16, 2011, Gothenburg, Sweden). P. 736-741.
  7. Rolt A., Kyprianidis K.G. Assessment of new aero engine core concepts and technologies in the EU framework 6 NEWAC programme // Proceedings of the 27th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences (September, 19-24, 2010, Nice, France).
  8. 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
  9. 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.
  10. 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
  11. Омар Х.Х.О., Кузьмичев В.С., Ткаченко А.Ю. Повышение эффективности авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей за счёт применения интеркулера и рекуператора // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2020. Т. 19, № 3. С. 85-99. doi: 10.18287/2541-7533-2020-19-3-85-99
  12. Омар Х.Х.О, Кузьмичёв В.С., Ткаченко А.Ю. Повышение эффективности авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей за счёт применения рекуператора // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27, № 4. С. 133-146. doi: 10.34759/vst-2020-4-133-146
  13. Маслов В.Г., Кузьмичев В.С., Коварцев А.Н., Григорьев В.А. Теория и методы начальных этапов проектирования авиационных ГТД. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 1996. 147 с.
  14. Zhang Ch., Gümmer V. The potential of helicopter turboshaft engines incorporating highly effective recuperators under various flight conditions // Aerospace Science and Technology. 2019. V. 88. P. 84-94. doi: 10.1016/j.ast.2019.03.008
  15. 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
  16. Fakhre A., Pachidis V., Goulos I., Tashfeen M., Pilidis P. Helicopter mission analysis for a regenerated turboshaft // Proceedings of ASME Turbo Expo 2013 (June, 3-7, 2013, San Antonio, Texas). V. 2. doi: 10.1115/GT2013-94971
  17. Fakhre A., Pachidis V., Goulos I., Pervier H., Tashfeen M. Helicopter mission analysis for a regenerative turboshaft engine // Proceedings of the 69th American Helicopter Society International Annual Forum 2013 (May, 21-23, 2013, Phoenix, Arizona, USA). V. 4. P. 2636-2649.
  18. Осипов И.В., Ломазов В.С. Разработка малоразмерных ГТД различного типа на базе унифицированного газогенератора // Авиационные двигатели. 2019. № 4 (5). С. 11-18.
  19. Омар Х.Х.О, Кузьмичев В.С., Ткаченко А.Ю. Повышение эффективности авиационных турбовальных газотурбинных двигателей за счёт утилизации тепла // Вестник УГАТУ. 2020. Т. 24, № 3 (89). С. 83-89.
  20. Utriainen E., Sundén B. Evaluation of the cross corrugation and some other candidate heat transfer surface for microturbine recuperators // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2002. V. 124, Iss. 3. P. 550-560. doi: 10.1115/1.1456093
  21. 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
  22. McDonald C.F. Low cost recuperator concept for microturbine applications // Proceedings of ASME Turbo Expo 2000 (May, 8-11, 2000, Munich, Germany). V. 2. doi: 10.1115/2000-GT-0167
  23. Омар Х.Х.О., Кузьмичев В.С., Ткаченко А.Ю. Оптимизации параметров рабочего процесса авиационных ТРДД с регенерацией тепла // Сборник трудов по материалам VI Международной конференции и молодёжной школы «Информационные технологии и нанотехнологии (ИТНТ-2020)» (26-29 мая 2020 г., Самара). Т. 3. Самара: Изд-во Самарского университета, 2020. С. 233-238.
  24. Кузьмичев В.С., Кулагин В.В., Крупенич И.Н., Ткаченко А.Ю., Рыбаков В.Н. Формирование виртуальной модели рабочего процесса газотурбинного двигателя в CAE системе «АСТРА» // Труды МАИ. 2013. № 67. http://mai.ru//upload/iblock/c28/c28cebd188b7e5afafe2f3c5b5444af2.pdf.
  25. Григорьев В.А., Ждановский А.В., Кузьмичев В.С., Осипов И.В., Пономарёв Б.А. Выбор параметров и термогазодинамические расчёты авиационных газотурбинных двигателей. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2009. 202 с.
  26. Кузьмичёв В.С., Омар Х.Х.О., Ткаченко А.Ю., Бобрик А.А. Математическая модель расчёта массы теплообменника в задачах оптимизации параметров рабочего процесса авиационных газотурбинных двигателей // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019. Т. 18, № 3. С. 67-80. doi: 10.18287/2541-7533-2019-18-3-67-80
  27. Григорьев В.А., Загребельный А.О. Учёт степени совершенствования массы ГТД со свободной турбиной для вертолётов // Материалы докладов международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (12-14 сентября 2018 г., Самара). Самара: Изд-во Самарского университета, 2018. С. 154-155.
  28. АНСАТ. Лёгкий многоцелевой вертолёт. http://roe.ru/catalog/vozdushno-kosmicheskie-sily/vertolety/ansat/

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2021

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах