Особенности проектирования малоразмерных энергетических газотурбинных установок с применением методов и средств имитационного моделирования

Разработкой МЭГТУ в настоящее время занимается множество зарубежных компаний, например Capstone (США), Turbec (Швеция), Eliott (США) и др. Ведут разработку собственных МЭГТУ мировые лидеры энергетического бизнеса – Siemens AG (Германия) и General Electric (США). В России в настоящее время активные разработки малоразмерных энергетических газотурбинных установок ведутся на заводе им. В. Я. Климова (Санкт-Петербург). МЭГТУ как система, обладает специфической структурой и рядом особенностей, подтвержденных длительным зарубежным опытом разработки, производства и эксплуатации.

Рассмотрим особенности МЭГТУ, являющиеся определяющими на этапе функционального проектирования. В силовой части установки электрический генератор и газотурбинный привод могут быть объединены в одном предельно простом и надежном узле, имеющем общий ротор и статор (рис. 1.). При этом исключаются механические передачи (редуктор и коробка приводов), отсутствуют вращающиеся токосъемники, появляется возможность разработки силовой схемы МЭГТУ с двумя подшипниками (значительное упрощение силовой схемы газогенератора). Привод агрегатов – электрический, стартером служит синхронный генератор переменного тока, который обладает обратимостью (способностью работать в качестве электродвигателя). Основными особенностями МЭГТУ являются простота механической части конструкции, умеренные параметры термодинамического цикла, наличие современной силовой электроникой и рекуператора. Применение в схеме двигателя рекуператора позволяет значительно повысить топливную эффективность микротурбины и одновременно повысить электрический КПД МЭГТУ.

1– блок силовой электроники, 2 – высокоскоростной генератор, 3 – компрессор, 4 – воздухозаборник, 5 – воздуховод между компрессором и рекуператором, 6 – камера сгорания, 7 – турбина, 8 – газоход между турбиной и рекуператором, 9 – подвод природного газа из сети, 10 – рекуператор, 11 –заслонка, 12 – котел-утилизатор, 13 – выход горячей воды, 14 – газоход второго контура, 15 – вход холодной воды, 16 – выхлопной тракт, 17 – дожимной компрессор

Рисунок 1 – Принципиальная функциональная схема МЭГТУ

Проектирование МЭГТУ в термогазодинамическом аспекте производится в системе имитационного моделирования DVIGwp [2] (рис.2), разработанной в НИЛ САПР-Д кафедры авиационных двигателей УГАТУ.

Основные особенности системы имитационного моделирования описаны в работах [1, 3] и в данной статье детально не рассматриваются.

1 – начальные условия, 2 – входное устройство, 3 – информационная связь воздушный поток, 4 – компрессор, 5, 13 – отбор воздуха, 6 – вход газа, 7 – газовоздушный теплообменник, 8 – механическая информационная связь, 9 – источник-потребитель электроэнергии, 10,15 – выход газа, 11 – суммирование мощности, 12 – камера сгорания, 14 – турбина, 16 – общие результаты

Рисунок 2 – Модель МЭГТУ в СИМ DVIGwp

СИМ DVIGwp предназначена для структурного и параметрического анализа и синтеза на этапе предпроектных исследований МЭГТУ, а также позволяет решать следующие задачи в типовых проектных процедурах: формирование математической модели МЭГТУ произвольной схемы; «завязка двигателя»; определение «размерности» МЭГТУ с переменным рабочим циклом; расчет различных характеристик МЭГТУ (климатические, нагрузочные, динамические); оптимизация законов управления МЭГТУ и законов изменения параметров, характеризующих переменный рабочий цикл; параметрическая и структурная оптимизация математической модели МЭГТУ.

Газогенератор МЭГТУ обладает рядом конструктивных особенностей, которые необходимо учитывать при термогазодинамическом проектировании в СИМ DVIGwp. Газогенератор является малоразмерным газотурбинным двигателем (микрогазотурбинный двигатель), как правило, одновальной схемы. Отличительной особенностью микроГТД является высокая частота вращения ротора, которая обеспечивает потребные уровни окружных скоростей турбомашин. При высоких значениях частоты вращения ротора находят широкое применение центробежные компрессоры и центростремительные турбины. Широко применяется в газогенераторах МЭГТУ конструктивная схема с центробежным компрессором, петлевой (или полупетлевой) камерой сгорания и центростремительной турбиной. Подобная конструктивная схема обладает рядом преимуществ: компактность, простота, минимальная масса, упрощение силовой схемы гозогенератора МЭГТУ. Современные МЭГТУ проектируются с учетом возможности применения различных видов жидкого и газообразного топлива. Особенности конструктивной схемы необходимо учитывать при выборе параметров рабочего процесса газогенератора МЭГТУ, а также при выборе параметров, характеризующих эффективность рабочего процесса в узлах газогенератора [6].

На рис. 3,4 в качестве примера представлены результаты расчета климатической характеристики МЭГТУ по заданному закону изменения электрической мощности в зависимости от температуры воздуха на входе в воздухозаборник установки .

Рисунок 3 – Линия рабочих режимов на характеристике компрессора и изменение удельного расхода топлива газогенератора при расчете климатической характеристики в СИМ DVIGwp

Рисунок 4 – Зависимость мощности и КПД электрогенератора от температуры атмосферного воздуха

В НИЛ САПР-Д кафедры авиационных двигателей УГАТУ разработана система моделирования компрессоров авиационных ГТД COMPRESSOR [4]. Разработанная СИМ позволяет проводить проектировочный расчет многоступенчатых осевых компрессоров по среднему диаметру, распределять параметры по высоте пера лопатки в каждой ступени, производить профилирование лопаток рабочего колеса в различных сечениях по высоте пера лопатки. В СИМ COMPRESSOR реализована возможность получения характеристик многоступенчатых осевых компрессоров в широком диапазоне изменения входных условий и частот вращения ротора. Также в СИМ COMPRESSOR реализована возможность проектировочного расчета центробежных компрессоров.

Рассмотрим процесс проектирования центробежного компрессора для МЭГТУ в СИМ COMPRESSOR. Методика расчета центробежного компрессора, реализованная в СИМ COMPRESSOR представлена в работах [5, 7] и в данной статье детально не рассматривается.

Отличительной особенностью разрабатываемых в НИЛ САПР-Д средств имитационного моделирования является унифицированный подход, который базируется на следующих принципах: модульность построения модели расчетной схемы; единая схема представления модулей; выполнение законов сохранения; независимость и возможность вариации учета в модели различных факторов, влияющих на рабочий процесс в узлах газогенератора (например влажность воздуха, влияние чисел Re на характеристики узлов и т. п.); решение произвольных проектно-доводочных задач путем задания условий моделирования. Подобный подход позволяет организовать взаимодействие между системами имитационного моделирования различного уровня и функционального назначения. В рассматриваемом случае результаты проектировочного расчета МЭГТУ в СИМ DVIGwp являются исходными параметрами для проектировочного расчета центробежного компрессора в СИМ COMPRESSOR. На рис. 5 представлена топологическая схема модели одноступенчатого центробежного компрессора в СИМ COMPRESSOR.

Рис. 5. Модель центробежного компрессора в системе моделирования COMPRESSOR [4]

На рис. 6 представлены результаты проектировочного расчета центробежного компрессора в СИМ COMPRESSOR – проточная часть центробежного компрессора, состоящая из рабочего колеса, безлопаточного диффузора и лопаточного диффузора, а также изображен треугольник скоростей на концевом диаметре рабочего колеса. Рассматривается конструктивная схема без вращающегося направляющего аппарата.

Рис. 6. Проточная часть центробежного компрессора и треугольник скоростей

Таким образом, в статье представлены основные возможности разработанных в НИЛ САПР-Д кафедры авиационных двигателей УГАТУ средств имитационного моделирования для решения различных проектно-доводочных задач в течение жизненного цикла малоразмерных энергетических газотурбинных установок.

Литература:

1. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник / Под общей ред. проф. А.М. Ахмедзянова. М.: Машиностроение, 2000. - 454 с.
2. Ахмедзянов Д.А. Система термогазодинамического моделирования газотурбинных двигателей на переходных режимах работы DVIGwp /Д.А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев, Е.С. Власова: Cвидетельство № 2004610868. Москва: Роспатент, 2004.
3. Ахмедзянов Д.А. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGw / Д.А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев и др. Уфа: Изд. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та, 2003. - 162 с.
4. Козловская А. Б. Система моделирования компрессоров авиационных ГТД COMPRESSOR / А. Б. Козловская, Д.А. Ахмедзянов, И.А. Кривошеев: Cвидетельство № 2009612688. Москва: Роспатент, 2009.
5. Ахмедзянов Д. А. Методика расчета и моделирование центробежных компрессоров форсунки / Д. А. Ахмедзянов, А. Б. Козловская, Н. Б. Проскурина. Уфа: Вестник УГАТУ. Т14. -№3 (38) - 2010. с.62-71.
6. Кулагин В. В. Теория расчет и проектирования авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник. Основы теории ГТД. Рабочий процесс и термодинамический анализ. Кн. 1. Совместная работа узлов выполненного двигателя и его характеристики. Кн. 2. – М.: Машиностроение, 2002. – 616 с.
7. Холщевников К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учеб. для авиац. вузов и фак. – М.: Машиностроение, 1970. – 610 с.