Сравнительный анализ расчета термодинамических циклов приводных газотурбинных двигателей

Об авторах:

Аксенов Андрей Николаевич, кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории, ПАО «Тюменские моторостроители»; 9123975423@mail.ru

Култышев Алексей Юрьевич, кандидат технических наук, заместитель генерального директора — технический директор, ООО «Газпром энергохолдинг индустриальные активы»; info@gehia.ru
Пульдас Людмила Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции, Тюменский индустриальный университет; eLibrary AuthorID, puldasla@tyuiu.ru

Аннотация:

Приводится краткий обзор отечественных и зарубежных программ для расчета термодинамического цикла работы газотурбинного двигателя. Основное внимание уделяется сравнению методик немецкой компании GasTurb и ПАО «Тюменские моторостроители». Приводятся конфигурационные файлы для программы NASA Chemical Equilibrium with Applications для вычисления термодинамических свойств метана, воздуха и продуктов сгорания. Излагаются основные положения методики расчета тепловых схем энергетических и приводных газотурбинных установок. На примере трехвального газотурбинного двигателя судового типа UGT 15000 показаны потенциалы повышения КПД на 4-7% (абс.) и снижения выбросов CO2 на 20% за счет установки промежуточного воздухо охладителя при сжатии рабочего тела. По результатам сравнения программ GasTurb и предложенной в ПАО «Тюменские моторостроители» установлено соответствие основных параметров в пределах допустимой погрешности измерений. На основе опубликованных данных по UGT 15000 (ДГ90) идентифицированы параметры термодинамического цикла, вклю- чая политропическую эффективность каждого узла и расходы на охлаждение (в условиях ISO 2314). Показано, что за счет изотермо-адиабатного цикла В. В. Уварова уже в первом приближении, без экстремальных параметров термодинамического цикла, могут быть реализованы характеристики газотурбинного двигателя V поколения на основе доступных и экономных технологий II-IV поколения (с использованием относительно простых поли- кристаллических никелевых суперсплавов, циклонно-вихревого или конвективно-пленочного охлаждения наиболее нагруженных деталей горячей части турбины). Программа-методика ПАО «Тюменские моторостроители» с открытым исходным кодом положительно зарекомендовала себя при разработке технических решений для модернизации двигателей типа ДГ90/ДН80/ДУ80 (III-IV поколение) и нового двигателя ТМ16М2.

Список литературы:

1. Ахмедзянов Д. А. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGw: учеб. пос. / Д. А. Ахмедзянов, И. М. Горюнов, И. А. Кривошеев. Уфа: УГАТУ, 2003. 162 с.

2. Белов Г. В. Моделирование равновесных состояний термодинамических систем с использованием ИВТАНТЕРМО для Windows / Г. В. Белов, В. С. Иориш, В. С. Юнгман // Теплофизика высоких температур. 2000. Том 38. № 2. С. 209-214.

3. Белов М. С. Параметрическая диагностика газотурбинных двигателей / М. С. Белов, А. Б. Шабаров. Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. 39 с.

4. Бойко Л. Г. Метод расчета термогазодинамических параметров турбовального ГТД на основе повенцового описания лопаточных машин. Часть 1. Основные уравнения / Л. Г. Бойко, О. В. Кислов, Н. В. Пижанкова // Авиационно-космическая техника и технология. 2018. № 1 (145). С. 48-58. DOI: 10.32620/aktt.2018.1.05

5. Боцула А. Л. Использование газотурбинных двигателей разработки НПП «Машпроект» в газотранспортных сетях и в качестве приводов технологического оборудования / А. Л. Боцула, С. В. Рыбальченко // Известия Академии инженерных наук Украины. 1999. № 1. С. 74-85.

6. Горюнов И. М. Направления развития современных математических моделей рабочих процессов газотурбинных двигателей / И. М. Горюнов, О. И. Болдырев // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 6. С. 122-129.

7. Егоров И. Н. Особенности математического моделирования авиационных ГТД: учеб. пос. / И. Н. Егоров, Г. В. Кретинин, И. А. Лещенко. М.: ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1998.

8. Иванов В. Л. Повышение эффективности двухконтурного турбовентиляторного двигателя введением промежуточного охлаждения при сжатии / В. Л. Иванов, Н. Л. Щеголев, Д. А. Скибин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. № 11 (656). 2014. С. 75-83.

9. Кузьмичёв В. С. Сравнительный анализ автоматизированных систем проектирования газотурбинных двигателей / В. С. Кузьмичёв, Я. А. Остапюк, А. Ю. Ткаченко, Е. П. Филинов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2015. Том 17. № 6-3. С. 644-656.

10. Марчуков Е. В. Опыт использования программы UNI_MM для выполнения термодинамических расчетов турбореактивных двухконтурных двигателей / Е. В. Марчуков, И. А. Лещенко, М. Ю. Вовк, А. А. Инюкин // Насосы. Турбины. Системы. 2015. № 2 (15). С. 45-53.

11. Мухамедов Р. Р. Математические модели ГТД / Р. Р. Мухамедов // Молодежный вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. Технические науки. 2014. № 1 (10). С. 35-43.

12. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: учеб. для студ. вузов / В. Л. Иванов, А. И. Леонтьев, Э. Л. Манушин, М. И. Осипов; под ред. А. И. Леонтьева. Изд. 2-е, стер. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 591 с.

13. Трусов Б. Г. Программная система моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах / Б. Г. Трусов // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. 2012. № 1 (1). С. 240-249. DOI: 10.18698/2308-6033-2012-1-31

14. Шмотин Ю. Н. Исследование термодинамической эффективности силовой установки многорежимного самолета с независимо управляемым третьим контуром / Ю. Н. Шмотин, Н. В. Кикоть, Г. В. Кретинин, И. А. Лещенко, К. С. Федечкин // Насосы. Турбины. Двигатели. 2016. № 2 (19). С. 40-48.

15. Apostolidis A. WebEngine: A web-based gas turbine performance simulation tool / A. Apostolidis, S. Sampath, P. Laskaridis, R. Singh // Proceedings of the ASME Turbo Expo 2013: Turbine Technical Conference and Exposition. Vol. 4: Ceramics; Concentrating Solar Power Plants; Controls, Diagnostics and Instrumentation; Education; Electric Power; Fans and Blowers (San Antonio, Texas, USA, June 3-7, 2013). 2013. Paper V004T08A007. DOI: 10.1115/GT2013-95296

16. Gomes K. J. Performance, usage, and turbofan transient simulation comparisons between three commercial simulation tools / K. J. Gomes, K. C. Masiulaniec, A. A. Afjeh // Journal of Aircraft. 2009. Vol. 46. No. 2. Pp. 699-704. DOI: 10.2514/1.38902

17. Gordon S. Computer program for calculation of complex chemical equilibrium compositions and applications. Part I. Analysis / S. Gordon, B. J. McBride // NASA Reference Publication. 1994. Vol. 1311. 61 p.

18. Hall N. EngineSim Version 1.8a / N. Hall // National Aeronautics and Space Administration. 2021. URL: https://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/ngnsim.html (дата обращения: 25.05.2022).

19. Kurzke J. Propulsion and Power: An Exploration of Gas Turbine Performance Modeling / J. Kurzke, I. Halliwell. Springer Cham: Switzerland, 2018. XXIV, 755 p. DOI: 10.1007/978-3-319-75979-1

20. McBride B. J. Computer program for calculation of complex chemical equilibrium compositions and applications. Part II. Users manual and program description / B. J. McBride, S. Gordon // NASA Reference Publication. 1996. Vol. 1311. 178 p.

21. Walsh P. P. Gas Turbine Performance / P. P. Walsh, P. Fletcher. 2nd ed. Blackwell Science, 2004. DOI: 10.1002/9780470774533 22. Water Vapor — Specific Heat vs. Temperature // Engineering ToolBox. 2005. URL: https://www.engineeringtoolbox.com/water-vapor-d_979.html (дата обращения: 26.05.2022).