Выбор параметров и эффективных тепловых схем газотурбинных установок замкнутого цикла для наземного и космического применения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, доктор наук Арбеков Александр Николаевич

• Арбеков Александр Николаевич
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Арбеков Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР И ОБОБЩЕНИЕ МАТЕРИАЛА ПО ЗАМКНУТЫМ ГАЗОТУРБИННЫМ УСТАНОВКАМ ДЛЯ НАЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

1.1. Замкнутые газотурбинные установки для наземных и космических применений

1.2. Смежные системы замкнутых газотурбинных установок

1.3. Методы термогазодинамического анализа циклов замкнутых газотурбинных установок для наземных и космических применений

1.4. Выводы по Главе

ГЛАВА 2. ДИАПАЗОНЫ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ЗАМКНУТЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ НАЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

2.1. Диапазоны параметров цикла замкнутых газотурбинных установок для наземных и космических применений

2.2. Оптимизация термодинамического цикла замкнутой газотурбинной установки космического аппарата для минимизации массогабаритных характеристик газоохладителя-излучателя

2.3. Выбор рабочего тела замкнутых газотурбинных установок для наземных и космических применений в зависимости от реализуемого диапазона параметров цикла и уровня агрегатной мощности

2.4. Выбор схем замкнутых газотурбинных установок, обеспечивающих потребителей электроэнергией и холодом в наземных и космических условиях

2.5. Выводы по Главе

Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ЗАМКНУТЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ НАЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

3.1. Исследование малоразмерного центробежного компрессора

3.2. Исследование центростремительной турбины

3.3. Исследование газонагревателя

3.4. Методы экспериментальных исследований теплообменных аппаратов замкнутых газотурбинных установок для наземных и космических применений

3.5. Методы испытаний макетных образцов замкнутых газотурбинных установок для наземных и космических применений

3.6. Тарировка измерительного оборудования

3.7. Методика оценки неопределенности экспериментальных измерений

3.8. Выводы по Главе

Глава 4. ОБОБЩЕННЫЙ МЕТОД ВЫБОРА ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦИКЛА ЗАМКНУТОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

4.1. Методика газотермодинамического исследования цикла и тепловой схемы газотурбинной установки замкнутого цикла

4.2. Выбор рабочего тела

4.3. Система источника теплоты

4.4. Система отвода теплоты

4.5. Примеры реализации обобщенного метода проектирования

4.6. Выводы по Главе

ГЛАВА 5. РАБОТА ЗАМКНУТЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

ДЛЯ НАЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ НА ПЕРЕМЕННЫХ РЕЖИМАХ

5.1. Регулирование мощности замкнутой газотурбинной

установки количественным методом

5.2. Регулирование мощности замкнутых газотурбинных установок количественно-качественным методом

5.3. Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

БКСО - бортовая криогенная система охлаждения; ВЗМП - внешнее замыкание магнитного поля; ВТСП - высокотемпературная сверхпроводимость; ДБЯМ - допустимая по безопасности ядерная машина; ГСО - геостационарная орбита; ДИ - динамический имитатор; ДЭУ - двигательноэнергетическая установка; ДУ - двигательная установка;

ЗГТКУ - замкнутая газотурбинная криогенная установка;

ЗГТКЭДУ - замкнутая газотурбинная криоэнергодвигательная установка;

ЗГТКЭУ - замкнутая газотурбинная криоэнергетическая установка;

ЗГТСЭП - замкнутая газотурбинная система энергопреобразования;

ЗГТУ - замкнутая газотурбинная энергоустановка;

ЗПТУ - замкнутая паротурбинная энергоустановка;

КА - космический аппарат;

МКС - Международная космическая станция;

МПРДПУИ - магнитоплазменный ракетный двигатель с переменным удельным

импульсом; НИЦ - научно-исследовательский центр; НТСП - низкотемпературная сверхпроводимость; ОС - орбитальная станция; РРС - радиорелейная станция; РД - ракетный двигатель; РН - ракетоноситель; СГР - система газового регулирования;

СДЗГТУ - солнечная демонстрационная замкнутая газотурбинная установка; СИТ - система источника теплоты;

СК - солнечный концентратор; СОИ - стратегическая оборонная инициатива; СОЭ - солнечная орбитальная электростанция; СПА - солнечный приемник - аккумулятор;

СПРЭ - система преобразования и распределения электроэнергии;

СЭП - система энергопреобразования;

ТА - тепловой аккумулятор;

ТАМ - теплоаккумулирующий материал;

ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент;

ТДИ - теплодинамический имитатор;

ТГК - турбогенератор - компрессор;

ТИТ - теплообменник источника тепла;

ТМК - турбомотор - компрессор;

ЦБК - центробежный компрессор;

ЦСТ - центростремительная турбина;

ЭС - электрическая система;

ЭДУ - энергодвигательная установка

ЭУ - энергоустановка;

ЯР - ядерный реактор.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор параметров и эффективных тепловых схем газотурбинных установок замкнутого цикла для наземного и космического применения»

ВВЕДЕНИЕ

Работа посвящается светлой памяти создателя первой отечественной космической замкнутой газотурбинной установки В.Л. Самсонова и моих учителей: М.И. Осипова, В.С. Бекнева, А.Ф. Куфтова, В.Е. Михальцева, Р.А. Янсона.

В настоящее время в большинстве развитых стран ведутся работы по исследованию и созданию перспективных энергетических установок, способных обеспечить электроэнергией потребителя, находящегося в самых разных условиях: в отдаленных районах земного шара, под землей и под водой, в космосе и на поверхности планет и их спутников. Несмотря на быстрое развитие микроэлектроники и производства наноматериалов, а в ряде случаев и благодаря им, одним из наиболее эффективных способов преобразования тепловой энергии в электрическую по-прежнему является машинный метод, который в указанных условиях может быть реализован только в виде двигателя с внешним подводом теплоты.

В зависимости от используемого рабочего тела это может быть газовый или паровой двигатель, а по способу его реализации объемная или лопаточная машина.

Из-за ряда особенностей наибольший интерес представляет замкнутая газотурбинная установка, которая способна обеспечить автономного потребителя, которым может быть космический аппарат и планетарная база, наземный, подземный, надводный или подводный автономный объект, электричеством, теплотой и (или) холодом в различных комбинациях. Реализуемые электрические мощности замкнутых газотурбинных установок перекрывают диапазон от десятков ватт до сотен мегаватт, но в рассматриваемых приложениях он несколько уже и составляет от единиц киловатт на технологических космических аппаратах и у автономных наземных потребителей до десятков мегаватт на межпланетных пилотируемых кораблях.

В ходе работ были исследованы теплогазодинамические схемы замкнутых газотурбинных установок с параллельным, последовательным и смешанным движением рабочего тела в энергетической и холодильной (криогенных) частях единого газового контура.

В каждом конкретном случае подбиралось наиболее приемлемое рабочее тело, которое обеспечивало реализацию заданного температурного диапазона, необходимой геометрии проточных частей турбомашин и заявленные выходные параметры.

Обобщение рассмотренных частных случаев позволило подойти к созданию единого подхода к проектированию замкнутых газотурбинных установок, для чего оказалось необходимым определиться с оценкой эффективности установки.

Если для оценки эффективности электрогенерирующих установок достаточно ввести эффективный коэффициент полезного действия на клеммах генератора, то для многоцелевых установок с оценкой их эффективности возникают проблемы. Обычно приводимый коэффициент полезного действия по полной энергии, являющийся полным аналогом коэффициента использования топлива, или КПД по методу Министерства электростанций СССР не учитывают ценность, потребляемой энергии, как это показано в ряде работ.

Во второй половине XX века нашел применение эксергетический метод, восходящий к работам Г. Гюи и А. Стодолы, однако и он оказался не лишенным недостатков.

Еще на заре развития термодинамики, Р. Клаузиус предложил метод вычитания потерь, который получил свое дальнейшее развитие в энтропийно-статистическом методе или методе потерь эксергии, который и представляет наибольший интерес в данном случае.

Источники высокопотенциальной теплоты:

- солнечное излучение;

- теплота химической реакции окисления органического топлива;

- теплота ядерной реакции деления;

- теплота ядерного распада радиоактивных изотопов;

- теплота высокотемпературного прозводства.

Стоки низкопотенциальной теплоты:

- земная атмосфера;

- вода океанов;

- атмосфера планет;

- излучение в космическое пространство;

- грунт планет;

- криогенное топливо, рабочее тело ракетных двигателей;

- сжиженный природный газ.

Диапазон рабочих температур ограничен:

- опорной температурой (температурой стока);

- максимальная температура ограничена конструктивными свойствами используемых материалов;

- минимальная температура определяется заданными условиями работы бортовой аппаратуры или хранения криогенного топлива...;

Диапазон давлений определяется:

- минимальное давление в наземных и напланетных установках выше атмосферного;

- максимальное давление прочностными свойствами конструкционных материалов.

Выбор рабочего тела должен обеспечивать:

- нахождение в газовой фазе во всем температурном диапазоне;

- обеспечение рациональной геометрии проточных частей;

- обеспечение заданного ресурса установки.

Актуальность проблемы. В условиях постоянно возрастающей конкуренции в борьбе за ресурсы и нарастания экологических проблем резко проявляется противостояние производителей различных видов преобразователей тепловой энергии в механическую, а затем и в электрическую

как наиболее универсальную. В этом противостоянии уже давно были выделены два основных направления: тепловые машины (двигатели) и безмашинные преобразователи энергии. Кажущаяся простота последних, компенсируется низкой единичной мощностью и (или) низкой эффективностью. Среди машинных преобразователей также можно выделить две ветви: двигатели внутреннего сгорания (поршневые, роторные, газотурбинные) и двигатели с внешним подводом теплоты (паровые машины и турбины, двигатели Стирлинга, замкнутые газотурбинные установки). На начальном этапе развития тепловых двигателей (последняя четверть XVIII -первая четверть XIX века) первенство принадлежало поршневым паровым и газовым двигателям с внешним подводом теплоты, имеющим относительно простое устройство, но спустя примерно 100 лет они начали вытесняться двигателями внутреннего сгорания из-за более высокой эффективности последних, а также благодаря развитию науки и технологий. В «крупной» энергетике главенствующее место заняли паротурбинные установки с их большими единичными (агрегатными) мощностями. И лишь колоссальный рывок в материаловедении в середине XX в. создал условия для формирования научно-технических, технологических и организационных основ широкого распространения авиационных, наземных и морских газотурбинных установок открытого цикла. Их развитие во многом способствовало, в частности, началу «газовой революции» в Советском Союзе в 1950-е годы, радикально изменившей топливно-энергетический баланс страны.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания не имеют конкурентов во многих отраслях промышленности, транспорта и энергетики, благодаря, их высокой топливной экономичности. Однако в ряде областей техники (например, для освоения космоса) их применение затруднено, если отсутствует естественный окислитель - воздух. Использование других источников высокопотенциальной теплоты (солнечное излучение, продукты сгорания органического топлива, ядерная энергия) возможно только в двигателях с внешним подводом теплоты - как поршневых (двигателях Стирлинга), так и

газотурбинных. Основным достоинством двигателей с внешним подводом теплоты является возможность выбора рабочего тела, причем для двигателей Стирлинга наиболее приемлемы легкие рабочие тела (водород, гелий), а для газотурбинных больше подходят тяжелые рабочие тела (аргон, диоксид углерода, криптон и ксенон).

КПД цикла теплового двигателя ограничен в соответствии с теоремой С. Карно, но это ограничение оказалось слишком слабым для двигателей с внешним подводом теплоты, в которых необходим учет необратимости подвода теплоты в цикл от внешнего источника, который, как показал И.И. Новиков, существенно снижает эффективность двигателей с внешним подводом теплоты по сравнению с двигателем внутреннего сгорания.

Одним из видов двигателей с внешним подводом теплоты, конкурентоспособным с двигателем Стирлинга в широком диапазоне мощностей - от сотен ватт до сотен мегаватт, является замкнутая газотурбинная установка, которая способна одновременно обеспечить потребителя электроэнергией, теплом и холодом (в том числе криогенного уровня). Такими потребителями могут быть космические аппараты, планетарные базы, наземные, подземные, надводные и подводные автономные объекты. В данной работе рассмотрены замкнутые газотурбинные установки мощностью от единиц киловатт для космических аппаратов и наземных систем радиорелейной связи до десятков мегаватт для межпланетных пилотируемых космических кораблей, морских судов, космических и наземных электростанций. Они обладают следующими достоинствами:

- возможность использования различных источников теплоты (солнечное излучение; теплота, выделяющаяся при сгорании органического топлива или в ядерных реакциях; «бросовая теплота» различных производств);

- достаточно высокая эффективность преобразования энергии (коэффициент полезного действия от 20 % для мощности менее 100 кВт до 50 % при мощностях в десятки мегаватт);

- высокая тепловая эффективность в широком диапазоне изменения

мощности;

- возможность создания единого холодоэнергетического комплекса, обеспечивающего потребителя всеми видами энергии;

- отсутствие масляной системы смазки (применение газодинамических или электромагнитных подшипников);

- отсутствие низкочастотной вибрации, свойственной поршневым двигателям Стирлинга.

Первые замкнутые газотурбинные установки для электростанций были созданы швейцарской фирмой Escher-Wyss еще перед второй мировой войной, а с появлением ядерной энергетики, в 1950-х гг., стали рассматриваться как один из перспективных преобразователей теплоты в электрическую энергию, особенно для реакторов, охлаждаемых диоксидом углерода (Великобритания), а впоследствии и гелием. В начале XXI в. консорциум отечественных предприятий (Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова, Опытное конструкторское бюро машиностроения им. И.И. Африкантова и Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова) по заказу фирмы General Atomics (США) спроектировал ядерный моноблочный газотурбинный реактор электрической мощностью 300 МВт и отработал его основные узлы.

В начале 1960-х гг. в США начались широкомасштабные работы по созданию космических замкнутых газотурбинных установок, лидером которых стало отделение Garrett AiResearch фирмы Allied Signal, ныне входящей в состав корпорации Honeywell. Результатом работ стал выбор в качестве рабочего тела гелий-ксеноновых смесей с низкими числами Прандтля. К настоящему времени NASA и Allied Signal успешно испытали солнечную замкнутую газотурбинную установку мощностью 2 кВт. Разработан ряд проектов ЗГТУ для электроснабжения пилотируемых и беспилотных КА, в том числе для исследования дальнего космоса, солнечные электростанции гигаваттного класса и микроустановки мощностью 50.. .100 Вт (Creare Inc.). Выведена в космос и успешно работает криогенная система космического телескопа «Hubble». Получены характеристики макетной двухпетлевой

двухмодульной замкнутой газотурбинной установки, созданной на базе установки открытого цикла С30 фирмы Capstone, при работе на различных рабочих телах, позволившие создать и оттестировать ряд программ для математического моделирования замкнутых газотурбинных установок.

С конца 1960-х гг. в ряде организаций Советского союза (научно-исследовательский институт тепловых процессов, Ракетно-космический комплекс «Энергия», Научно-производственное объединение «Энергомаш», Научно-производственное объединение «Наука» и др.), в том числе и в МВТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре Турбостроения под научным руководством проф. В.В. Уварова в секторе (впоследствии отдел космических замкнутых газотурбинных установок Научно-исследовательского института Энергетического машиностроения), возглавляемом В.Л. Самсоновым, проводились фундаментальные и прикладные исследования замкнутых газотурбинных установок, которые позволили получить экспериментальные и теоретические характеристики основных узлов замкнутых газотурбинных установок, разработать комплектные установки, в числе которых:

- теплодинамические имитаторы замкнутых газотурбинных установок мощностью 15 кВт и 3 кВт;

- прототип первой солнечной космической замкнутой газотурбинной установки мощностью 3 кВт;

- макетный образец замкнутой газотурбинной установки мощностью 1.. .3 кВт, работающий на органическом топливе.

Выполнены исследования и разработаны технические проекты опытно-промышленного образца и перспективной замкнутых газотурбинных установок мощностью 1.3 кВт, работающих на природном газе; солнечных космических замкнутых газотурбинных криоэнергетических установок электрической мощностью 2,3 кВт и холодопроизводительностью 3,4 Вт при 80 К для космического аппарата и электрической мощностью 3*16 кВт для лунной базы; замкнутых газотурбинных энергодвигательных установок электрической мощностью 50 кВт для энергонасыщенного геостационарного

телекоммуникационного спутника и электрической мощностью 3*5 МВт для пилотируемого межпланетного космического корабля; замкнутой газотурбинной установки электрической мощностью 160 кВт для марсианской базы; тригенерационной замкнутой газотурбинной установки, работающей на органическом топливе; исследованы возможности создания унифицированного транспортно-энергетического модуля мощностью 1 МВт.

В результате этих работ был создан экспериментальный и теоретический задел для разработки замкнутых газотурбинных установок различного назначения, обеспечивающих потребителя электроэнергией, теплом и холодом в различных сочетаниях, рассмотрены схемы с параллельным, последовательным и комбинированным движением рабочего тела в едином газовом контуре.

Подходы, разработанные в указанных работах, нашли применение при исследовании возможности конверсии двигателя Д30 пассажирского самолета Ту-134 в двухконтурную тригенерационную газотурбинную установку открытого или полузамкнутого цикла.

Самыми объемными и тяжелыми узлами, определяющими массогабаритные характеристики замкнутых газотурбинных установок, являются теплообменные аппараты (газонагреватель, газоохладитель, регенератор). Кроме того, потери давления в этих и других узлах замкнутых газотурбинных установок, как правило, почти втрое превосходят соответствующие потери в газотурбинных установках открытого цикла. Стремление к уменьшению массы и размеров замкнутых газотурбинных установок при одновременном обеспечении приемлемых гидравлических потерь в тракте привело к заключению о целесообразности использования в качестве рабочих тел смесей наиболее легких газов с тяжелыми газами (например, гелия с ксеноном).

Поскольку реальные процессы в замкнутых газотурбинных установках, являются необратимыми, то возникает необходимость применения методов термодинамики, которые можно свести к двум подходам, наиболее часто

применяемым на практике: эксергетическому анализу (метод потоков эксергии) и энтропийно-статистическому анализу (метод потерь эксергии). Последнему, как наиболее простому и наглядному, отдано предпочтение.

Цель работы: создание газотурбинных установок замкнутого цикла для наземного и космического применения, обладающих высокими показателями экономичности, надежности, технологичности, безопасности в эксплуатации путем выбора тепловой схемы установки и оптимизации параметров ее основных узлов.

Объект исследования: замкнутая газотурбинная установка, предназначенная для энергоснабжения космических и наземных объектов, а при необходимости и холодом, с единым газовым контуром энергетической и холодильной (криогенной) частей, а также системой утилизации теплоты.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Выполнить анализ и обобщение результатов исследований, опубликованных в литературных источниках.

2. Определить диапазон параметров термодинамического цикла в зависимости от назначения установки, видов вырабатываемой энергии и типа источника теплоты.

3. Разработать алгоритм и метод термодинамического расчета эффективности замкнутых газотурбинных установок, обеспечивающей потребителя энергией требуемых видов (электричеством, теплом и холодом) в необходимых сочетаниях.

4. Разработать методику выбора рабочего тела, обеспечивающего высокую эффективность турбомашин и теплообменных аппаратов с учетом термопрочностных характеристик применяемых конструкционных материалов.

5. Провести экспериментальные исследования узлов замкнутых газотурбинных установок при работе на различных рабочих телах и получить экспериментальные данные необходимые для корректировки и верификации предложенных методик.

6. Разработать методику оценки эффективности установки на переменных

режимах с регулированием составом и параметрами рабочего тела.

7. Выработать рекомендации по применению разработанного метода для анализа замкнутых газотурбинных установок различных типов.

Методы исследований. Поставленная в диссертации цель достигается комбинацией теоретических и экспериментальных методов исследования. В качестве теоретического метода исследования принята комбинация термогазодинамического анализа эффективности циклов замкнутых газотурбинных установок, математического моделирования турбомашин и теплообменных аппаратов, анализа процессов отвода теплоты от газоохладителя в окружающее пространство с учетом полученных экспериментальных результатов. Полученные результаты теоретических исследований сопоставлялись с опубликованными данными других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем: обобщены результаты экспериментальных и теоретических исследований замкнутых газотурбинных установок и их узлов; сформулированы условия выбора рабочего тела для конкретных параметров цикла, условий применения, выходных характеристик замкнутых газотурбинных установок и термопрочностных характеристик материалов деталей ротора; разработан обобщенный метод выбора эффективной тепловой схемы и параметров замкнутых газотурбинных установок, предназначенных для космических и наземных применений и способных обеспечить потребителя электроэнергией, холодом и теплом в различных сочетаниях, разработана методика оценки параметров замкнутых газотурбинных установок, предназначенных для космических и наземных применений, при работе на частичных режимах; определены и проанализированы методы форсирования замкнутых газотурбинных установок, предназначенных для космических и наземных применений.

Достоверность и обоснованность научных положений определяются применением термогазодинамического анализа к исследованию циклов замкнутых газотурбинных установок, использованием экспериментальных

результатов для верификации расчетных методик. Экспериментальные исследования замкнутых газотурбинных установок и их узлов выполнены с использованием диагностического оборудования, обеспечивающего необходимую точность получения и фиксацию данных в режиме реального времени.

Практическая ценность состоит в том, что: получены обобщенные зависимости параметров основных узлов, позволяющие с достаточной для практики точностью принимать их значения при проектировании, обоснованно выбирать рабочее тело для замкнутых газотурбинных установок космического и наземного применения с учетом диапазонов определяющих параметров и условий окружающей среды; в создании единого подхода к проектированию замкнутых газотурбинных установок, способной обеспечить потребителя электричеством, холодом и теплом в необходимых соотношениях; рекомендации по выбору метода регулирования и оценке параметров на переменных режимах работы и выработанным рекомендациям по применению обобщенного метода проектирования замкнутых газотурбинных установок.

На защиту выносятся:

1. Рекомендации по выбору диапазонов исходных параметров термодинамического цикла в зависимости от назначения замкнутой газотурбинной установки, видов вырабатываемой энергии и типа источника высокопотенциальной теплоты.

2. Обобщенный метод определения параметров цикла и выбора эффективных тепловых схем замкнутых газотурбинных установок.

3. Методика обоснованного выбора рабочего тела замкнутой газотурбинной установки.

4. Расчетные и экспериментальные характеристики основных узлов замкнутой газотурбинной установки.

5. Методика оценки параметров установки при работе на переменных режимах.

6. Рекомендации по использованию обобщенного метода определения

параметров цикла и выбора эффективных тепловых схем замкнутых газотурбинных установок различных типов при практических применениях.

Личный вклад автора. Разработан обобщенный метод анализа циклов и схем, включающий методики обоснованного выбора рабочего тела, оценки эффективности замкнутых газотурбинных установок, оценки параметров установки при работе на переменных режимах; определены диапазоны исходных параметров термодинамического цикла в зависимости от назначения установки, видов вырабатываемой энергии и типа источника высокопотенциальной теплоты; разработаны и усовершенствованы методики экспериментальных исследований турбомашин и процессов теплообмена; даны рекомендации по использованию обобщенного метода анализа циклов и схем замкнутых газотурбинных установок; под непосредственным руководством автора выполнены экспериментальные исследования центробежного компрессора и процессов теплообмена в элементах конструкции.

Реализация результатов. Результаты исследований использованы при разработке проектов космических и наземных замкнутых газотурбинных установок наземного и космического применения в МГТУ им. Н.Э. Баумана, послужили обоснованием для принятия ряда решений при разработке унифицированного транспортного модуля мощностью 1 МВт, выполняемой в ФНЦ «Центр им. М.В. Келдыша» и ПАО «НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля», а также при исследовании возможности создания конверсионных двухконтурных тригенерационных газотурбинных установок на базе авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были представлены и обсуждались:

на заседаниях кафедры газотурбинных и нетрадиционных энергоустановок МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2016, 2017 гг.);

на Международной космической конференции «Космос без оружия -арена мирного сотрудничества в XXI веке», МАИ (ТУ) (Москва, 2001 г.);

на XII-й и XШ-й Всероссийских межвузовских научно-технических

конференциях «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели», МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2004, 2008 гг.);

на 3-й, 4-й и 5-й Российских национальных конференциях по теплообмену, МЭИ (ТУ) (Москва, 2002, 2006, 2010 гг.);

на II-й и III-й Международных научно-технических конференциях «Авиадвигатели XXI века», ЦИАМ (Москва, 2005, 2010 гг.)

на 10-й, 11-й и 12-й Международных конференциях «Авиация и космонавтика», МАИ (ТУ) (Москва, 2011, 2012, 2013 гг.);

на Международном научно-техническом форуме, посвященном 100-летию Н.Д. Кузнецова и 70-летию СГАУ (Самара, 2012 г.);

на Международной конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», СГАУ (Самара, 2014 г.);

на LXI научно-технической сессии по проблемам газовых турбин и парогазовых установок, посвященной 75-летию ОАО «Авиадвигатель» и 65-летию Комиссии по газовым турбинам РАН (Пермь, 2014 г.);

на Международной конференции «Атомные станции малой мощности -актуальное направление развития атомной энергетики» (Москва, 2013 г.);

на Международной конференции «International Conference on the Methods of Aerophysical Research, ICMAR 2016» (Пермь, 2016 г.);

на XV Международной конференции «Renewable and small power engineering-2018» (Москва, 2018 г.);

на заседаниях Всероссийского научно-технического семинара им. проф. В.В. Уварова по газотурбостроению при кафедре газотурбинных и нетрадиционных энергоустановок МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2003, 2005 гг.).

Публикации. По теме диссертации изданы 20 научных статей, 11 из них опубликованы в журналах, включенных в перечень ВАК РФ рецензируемых ведущих научных журналов и изданий, в том числе 5 в журналах, входящих в Web of Science и Scopus. Общий объем - 10 п.л. Кроме того, по теме диссертации опубликовано 20 тезисов и материалов конференций.

Получен 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и заключения, списка использованной литературы. Общий объем работы 333 страницы, включая 294 страницы основного текста, содержащего 142 рисунка, 45 таблиц. Список литературы включает 333 наименований на 34 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проведения работ, направленных на создание метода проектирования замкнутых газотурбинных установок космического и наземного применения, дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе диссертации выполнен анализ и обобщение отечественных и зарубежных работ, посвященных исследованию и созданию замкнутых газотурбинных установок для наземных и космических применений и их узлов, методам термогазодинамического анализа их циклов. Сформулированы цель и задачи работы.

Выявлены основные потребители энергии, для которых замкнутые газотурбинные установки могут быть использованы в качестве источника электричества, тепла и холода: космические аппараты, планетарные базы, космические межпланетные корабли, системы радиорелейной связи и катодной защиты трубопроводов и др.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Арбеков Александр Николаевич, 2019 год

/ // /У

2

3

4

5

6

О

Рис. 2.9. Влияние отношения температур на: 1 - максимальный КПД цикла; 2 КПД цикла при его максимальной удельной работе

ц

10

✓

2 у У * X и*

✓ * * ¿г х»

ж ¿г ^ - ** 1

4

2

5

8

О

Рис. 2.10. Влияние отношения температур на степень повышения давления при максимальных значениях КПД (1) и удельной работы (2) цикла

7

1

Выбор рабочего тела и размеры турбомашин определяются значением относительной удельной работы цикла, которая представлена на Рис. 2.11.

ЩСрТо)

4

2

0

У " У '

4 У у * у * 6

✓ * 4 ........ ^ ■ ■ .......... ^, ............ 3 1

--

2 5 8 0

Рис. 2.11. Влияние отношения температур на относительную удельную работу: 1, 4 - компрессора; 2, 5 - турбины; 3, 6 - цикла при максимальных КПД (1, 2, 3) и удельной работе (4, 5, 6) цикла

Наиболее громоздкими и массивными узлами ЗГТУ являются теплообменные устройства (теплообменник источника теплоты, концевой газоохладитель и регенератор), габариты которых определяются их тепловыми мощностями, приведенными на Рис. 2.12, и диапазонами температур рабочего тела, представленными на Рис. 2.13. Последние зависят от заданного отношения температур в цикле д, значений 02 = Т2*/То и 05 = Т5*/Т0*, а также от относительной температуры при входе в компрессор (она равна единице) Из Рис. 2.12 следует, что при максимальном КПД тепловая мощность, возвращаемая в цикл, превышает мощность, подводимую в цикл, во всем диапазоне д, а при максимальной работе превышает подводимую только при д < 2,5, тогда как в остальном диапазоне д подводимая теплота больше возвращаемой в цикл.

елел*)

0

* у '

3. 5

2

5

8

О

Рис. 2.12. Влияние отношения температур на теплоту: подведенную (1, 4);

отведенную (2, 5); возвращенную (3, 6) при максимальных КПД (1, 2, 3) и удельной работе (4, 5, 6) цикла

3

Рис. 2.13. Влияние отношения температур в цикле на диапазоны относительных температур: 1,3- перед газонагревателем; 2, 4 - перед газоохладителем при максимальных КПД (1,2) и работе цикла (3, 4)

Следовательно, выбирая степень повышения давления из диапазона, заключенного между значениями, соответствующими максимальному КПД и максимальной работе цикла, можно подобрать оптимальное значение, дающее минимальную суммарную массу газонагревателя и регенератора.

Для идеального цикла (КПД турбомашин г| * = г| * = 1 , степень регенерации е = 1 , коэффициент сохранения полного давления о * = 1 и доли утечек и отборов рабочего тела ^ = 0) величина относительной удельной работы определяется зависимостью

Г \

3

Ьц0 =

к-1

-1

Г к-1 ^ п* к -1

V пк у

* к

V У

(2.12)

В качестве примера влияния степени повышения давления на КПД и относительную работу цикла на Рис. 2.14 представлены зависимости для идеального и реального циклов Брайтона-Джоуля, и регенеративного цикла. Рабочее тело - одноатомный газ с показателем адиабаты к = 1,66 7, отношение температур ; для реального цикла КПД турбины и компрессора приняты = 0 , 8 7 и = 0 , 7 8 , степень регенерации е = 0 , 9 5 , коэффициент сохранения полного давления , доля утечек и отборов рабочего тела .

Для выбранного отношения температур 0=3 КПД цикла Карно составляет 0,667 и достигается в идеальном регенеративном цикле при = 1 и нулевой работе цикла. Как следует из представленных данных, удельная работа реального цикла не зависит от наличия регенерации, если пренебречь изменением газодинамического сопротивления тракта.

Обобщив полученные данные, можно выделить область приемлемых параметров высокорегенеративного цикла ЗГТУ, ограниченную на Рис. 2.15 линиями максимумов КПД (4) и работы цикла (5), которым соответствует диапазон степени повышения давления от 1,7 до 3,0 [235]. При низкой температуре и значительном количестве отводимого от газа тепла необходима оптимизация цикла для сокращения излучающей площади газоохладителя.

0,6

Л

ц

Щ(срГо*) 0,4

0,2

0,0

""" ^ ^ ^ /

4 \ // ...................... 2 • • * ^ • _

/ А ^ ^ # ^

6

У

1,0

2,0

3,0

Рис. 2.14. Влияние степени повышения давления на относительную мощность цикла (1, 4); КПД регенеративного цикла (2, 5); КПД простейшего цикла (3, 6); 1, 2, 3 - реальный цикл; 4, 5, 6 - идеальный цикл

Лэ

0,3

0,15

0

• • • •

• • • • • • * • • • • • • • • • / / / / 5 •

• — ✓

1,5

2,0

2,5

3,0 п

Рис. 2.15. Область наиболее приемлемых параметров цикла ЗГТУ: 1 - д = 2 , 5 ;

2 - д = 3 , 0 ; 3 - д = 3 , 5 ; 4 - максимумы КПД; 5 - максимумы работы

*

2.2. Оптимизация термодинамического цикла замкнутой газотурбинной установки космического аппарата для минимизации массогабаритных характеристик газоохладителя-излучателя

Одной из основных проблем, которые сдерживают создание космических ЗГТУ, является необходимость применения низкотемпературного газоохладителя-излучателя с развитой поверхностью, что обусловлено малым отношением температур ( в цикле, ограничивающим максимально

достижимые уровни КПД и работы цикла [75, 235]. Еще в 1930-е годы В.В. Уваровым [209] для повышения эффективности ГТУ было предложено использование «карнотизации» термодинамического цикла путем введения в него промежуточного охлаждения (Х) и подогрева рабочего тела (Г), а Г.И. Зотиковым еще и регенерации теплоты (Р) [208], как это представлено на Рис. 2.16.

На 5*-Т-диаграмме показаны: С 2 - 3, С 2-3 - количества теплоты, подводимой в цикл; С 5-о , С? 5-0 - количества теплоты, отводимой из цикла; С 4 - 5 - количество теплоты, возвращаемой в цикл; Ьк - работа сжатия; Ьт -

работа расширения. Параметры цикла в контрольных точках: р1 , Т1 - давление

* *

и температура при выходе из компрессора; р3 , Т3 - давление и температура

при входе в турбину; р4 , Т4 - давление и температура при выходе из турбины;

* * * *

р0 , Т0 - давление и температура при входе в компрессор; Т2 , Т5 - температура при выходе из регенератора холодного и горячего теплоносителей, соответственно.

Выполним анализ влияния усложнения («карнотизации») цикла на удельную поверхность газоохладителя-излучателя, следуя известным подходам [16, 140, 208, 209, 212], для следующих циклов ЗГТУ:

- простейшего цикла Брайтона-Джоуля (обозначение 1Х1Г);

- регенеративного цикла (1Х1Р1Г);

- цикла с промежуточным охлаждением (2Х1Г);

- регенеративного цикла с промежуточным охлаждением (2Х1Р1Г);

- цикла с промежуточным охлаждением и подогревом (2Х2Г);

- регенеративного цикла с промежуточным охлаждением и подогревом (2Х1Р2Г).

Обозначения, используемые в данной работе, отличаются от принятых для ГТУ открытого цикла, в которых концевой (предвключенный) газоохладитель отсутствует.

Рис. 2.16. Т-диаграмма «карнотизированного» регенеративного цикла (2Х1Р2Г)

Анализ выполним для частного случая: примем отношение температур в цикле ; степень регенерации ; коэффициент сохранения

полного давления в зависимости от типа цикла определяем как произведение величин о * - 2 = 0,9 8 , а 2 - з = а 2 - з'= 0,9 8 , <г*_5 = сг5*_о = о 5-о'=0,9 9 ; КПД

турбины т|* = 0 , 8 8; КПД компрессора т|* = 0 ,8 0 ; относительные утечки и отборы рабочего тела д = 0 , 0 4.

Результаты сравнения КПД циклов показаны на Рис. 2.17 и 2.18.

Рис. 2.17. Влияние степени повышения давления на КПД циклов: 1 - 1Х1Г; 2 -1Х1Р1Г; 3 - 2Х1Г; 4 - 2Х2Г; 5 - 2Х1Р1Г; 6 - 2Х1Р2Г

мда

0,4

0,2

0,0

^ШЯЯШ*—* а* с

• • • / _

(

1 3 5 7 лк*

Рис. 2.18. Влияние степени повышения давления на относительную работу циклов: 1 - 1Х1Г; 2 - 1Х1Р1Г; 3 - 2Х1Г; 4 - 2Х2Г; 5 - 2Х1Р1Г; 6 -2Х1Р2Г

Из графиков, представленных на Рис. 2.17 и 2.18, следует, что степень повышения давления, соответствующая минимуму расхода (максимуму работы), для циклов без промежуточного подогрева находится в диапазоне от 2,6 до 4,2, а с промежуточным подогревом смещается к 8,0. Для степени повышения давления, соответствующей максимальному КПД для регенеративных циклов, характерен диапазон от 1,7 до 2,9, а для безрегенеративных - от 3,5 до 8,0.

Аналогичным образом изменяются тепловые мощности (( 2 концевого (предвключенного) и (('2 промежуточного газоохладителей (Рис. 2.19).

2

0

\\

1 • • • • • • - " • .• -в 6 • • в

5

— 7

1

3

5

7

я.

Рис. 2.19. Влияние степени повышения давления на отводимую теплоту в концевом газоохладителе при циклах: 1 - 1Х1Г; 2 - 1Х1Р1Г; 3 -2Х1Г; 4 - 2Х2Г; 5 - 2Х1Р1Г; 6 - 2Х1Р2Г; 7 - в промежуточном газоохладителе

1

Как видно из полученных результатов, для регенеративных циклов количество отводимой теплоты при увеличении степени повышения давления увеличивается, а для безрегенеративных - уменьшается. Количество отводимой

теплоты для безрегенеративных циклов становится сопоставимым с регенеративными циклами при 77^ > 5 . Однако в циклах с промежуточным охлаждением (2Х1Г, 2Х1Р1Г, 2Х2Г, 2Х1Р2Г) к этому количеству добавляется теплота 7, отводимая между компрессорами.

Рассмотрим условия сброса теплоты в газоохладителе-излучателе, пренебрегая термическим сопротивлением промежуточного контура (жидкий металл, кремнийорганический теплоноситель или тепловые трубы) и стенок холодильника-излучателя. Примем температуру излучающей поверхности равной температуре рабочего тела, и, полагая, что температура стока Тс на два порядка меньше, чем опорная температура цикла [238, 239], запишем упрощенный вариант зависимости для определения удельной поверхности излучателя [75]:

' "(Т - Тс )(Г5 + Тс)

Аи —

А

1

2о0еЖ Тс

11п 2

(То + Тс) (т - Тс)_

+

+аг

г т \ ¿0.

Т

VТс у

аг

г т \

т

V Тс у

(2.12)

где о0=5,67 10-8 - постоянная Стефана-Больцмана, е - степень черноты, принятая равной единице. Подробный вывод приведен в Главе 5.

Полученные выше зависимости КПД и относительной работы для рассмотренных циклов позволили оценить потребные площади А и газоохладителей (2.12), приходящиеся на единицу полезной мощности ЗГТУ (Рис. 2.20 и 2.21).

Как видно из Рис. 2.20 и 2.21, введение регенерации позволяет существенно сократить площадь концевого газоохладителя 1 . Во всех остальных случаях уменьшение его площади компенсируется наличием площади промежуточного (межкомпрессорного) газоохладителя 2, что в итоге приводит к неприемлемому увеличению их суммарной поверхности. Основной причиной значительного возрастания излучающей площади является

относительно низкая температура рабочего тела в промежуточном газоохладителе.

А

м2/(Вт/К) 0,12

0,08

0,04

0

1Х1Г 1Х1Р1Г 2Х1Г

2Х2Г 2Х1Р1Г 2Х1Р2Г

тип цикла ЗГТУ

Рис. 2.20. Влияние типа цикла ЗГТУ при максимальном КПД на удельную площадь: газоохладителя-излучателя: 1 - концевого и 2 -промежуточного

А,

м2К/Вт 0,12

0,08

0,04

0

1Х1Г 1Х1Р1Г 2Х1Г

2Х2Г 2Х1Р1Г 2Х1Р2Г тип цикла ЗГТУ

Рис. 2.21. Влияние типа цикла ЗГТУ при максимальной работе на удельную площадь газоохладителя-излучателя: 1 - концевого и 2 -промежуточного

Все предыдущие результаты данного раздела были получены для относительных величин, которые удобны для оценки системы в целом, но не дают возможности выбрать конкретные инженерные решения, к которым относится, прежде всего, выбор рабочего тела.

2.3. Выбор рабочего тела замкнутых газотурбинных установок для наземных и космических применений в зависимости от реализуемого диапазона параметров цикла и уровня агрегатной мощности

Широкий диапазон агрегатных мощностей и температур при выборе рабочего тела ЗГТУ для наземного и (особенно) космического применения приводит к жестким ограничениям, которые связаны с необходимостью обеспечения рациональной геометрии проточной части турбомашин и высокой эффективности теплообменных аппаратов. В данной работе рассмотрены ЗГТУ, для которых принята одновальная конструкция ротора блока турбогенератора-компрессора с радиальными турбомашинами. Применение радиальных одноступенчатых турбомашин (центробежного компрессора и центростремительной турбины) обусловлено необходимостью конструирования турбоблока минимального осевого размера и ограничением расходных скоростей рабочего тела в проточных частях турбомашин и подсоединяемых к ним теплообменных аппаратах.

В качестве рабочих тел ДВПТ традиционно рассматривают инертные газы, азот, диоксид углерода и углеводороды, параметры насыщения которых представлены на Рис. 2.22.

Высокой температурой кипения выделяется пентан и близкий к нему толуол (на рисунке не показан), которые используются в низкотемпературных долгоресурсных ПТУ фирмы Ormat Technology (Израиль) с КПД не превышающем 0,05 [246].

Стремление к повышению эффективности энергетических установок

привело к возобновлению исследований углекислотных циклов со сверхкритическими параметрами, которые на s-T - диаграмме расположены между циклами Ренкина и Брайтона-Джоуля. При их реализации появляется возможность резко уменьшить габариты турбомашин, однако и в этом случае определяющими являются массогабаритные характеристики теплообменной аппаратуры, которая работает при давлении от 7,5 до 20 МПа [247].

Р, МПа

6

0

/ /

3\ / 4- 1! К -7 /'

1 • / ¿' ' - /У // / /

0 200 400 Т, К

Рис. 2.22. Линии насыщения рабочих тел ДВПТ: 1 - гелий, 2 - неон, 3 - аргон, 4 - криптон, 5 - ксенон, 6 - азот, 7 - диоксид углерода, 8 - пентан

3

Основным критерием, характеризующим теплофизические свойства рабочих тел, является число Прандтля Р г = / Я [248, 249], зависимости которого от температуры представлены на Рис. 2.23.

Для тяжелых (криптон и ксенон) и многоатомных (азот, диоксид углерода и пентан) газов характерно резкое возрастание числа Прандтля при приближении к верхней границе двухфазной области пар-жидкость (см. Рис. 2.22). Для легких одноатомных газов (гелий, неон и аргон) такое поведение характерно для области криогенных температур. Причина такого протекания кривых определяется в первую очередь соотношением динамической вязкости и теплопроводности газов (Рис. 2.24 и 2.25).

Рг

0,75

0,7

0,65

\

\

■7

6

2

'5

у4

3,

250 750 Т К 1250

Рис. 2.23. Зависимости от температуры чисел Прандтля рабочих тел ДВПТ: 1 - гелий, 2 - неон, 3 - аргон, 4 - криптон, 5 - ксенон, 6 - азот, 7 -диоксид углерода, 8 - пентан

60

106Пас

30

0

^4

5 3

7 /^6 ^ -О/

8

0

500

1000

Т, К

Рис. 2.24. Зависимости от температуры динамической вязкости рабочих тел ДВП: 1 - гелий, 2 - неон, 3 - аргон, 4 - криптон, 5 - ксенон, 6 - азот, 7 - диоксид углерода, 8 - пентан

0,3

X,

102Вт/(мК) 0,2

0,1

0

.....

/ 2\ ........... ................ • ^

-5 4 3

0

500

1000

Т К

Рис. 2.25. Зависимости теплопроводности рабочих тел ДВПТ от температуры: 1 - гелий, 2 - неон, 3 - аргон, 4 - криптон, 5 - ксенон, 6 - азот, 7 -диоксид углерода, 8 - пентан

Противоречивые требования, предъявляемые к рабочему телу ЗГТУ малой мощности, привели к необходимости использования гелий-ксеноновых смесей [250 - 252], теплофизические свойства которых представлены на Рис. 2.26 -2.28.

Для гелий-ксеноновых смесей с молярными массами от 20 до 80 кг/кмоль характерны низкие числа Прандтля Р г = 0 , 2 . . . 0 , 3 (Рис. 2.28), что приводит к существенному увеличению коэффициентов теплоотдачи при числах Рейнольдса Яе < 1 2 0 0 и обеспечивает снижение массогабаритных характеристик теплообменных аппаратов примерно на треть по сравнению с теплообменниками на чистых газах.

Используя данные, полученные в разделе 2.1, определим потребные относительные расходы рабочих тел ЗГТУ электрической мощностью Ыэ, механическим ?7м и электромагнитным ?7г КПД, относительными утечками рабочего тела ^ в зависимости от их молярной массы.

Рис. 2.26. Зависимости от температуры вязкости гелий-ксеноновых смесей с молярными массами (в кг/кмоль): 1 - 4,003; 2 - 20,2; 3 - 39,95; 4 - 60; 5 - 81,3; 6 - 131,3

Т, К

Рис. 2.27. Зависимости от температуры теплопроводности гелий-ксеноновых смесей с молярными массами (в кг/кмоль): 1 - 4,003; 2 - 20,2; 3 -39,95; 4 - 60; 5 - 81,3; 6 - 131,3

Рг

0,45

0,15

250

У1

6

/5 /2

\ ^4

750

Т, К

1250

Рис. 2.28. Зависимости от температуры чисел Прандтля гелий-ксеноновых смесей с молярными массами (в кг/кмоль): 1 - 4,003; 2 - 20,2; 3 - 39,95; 4 - 60; 5 - 81,3; 6 - 131,3

Используем известную зависимость для массового расхода рабочего тела [255, 256]:

N

тп

Пм Пг

(2.13)

в которую входят действительные величины удельных работ компрессора и турбины в виде:

Г к-1 А |

(2.14)

Ьк = срТ0

п* к -1

Ь = с Т

т р 3

V у Пк'

Г 1-к\

1 - п* к пт

V

(2.15)

У

С учетом коэффициента сохранения полного давления с* = 7Т*/ 7тК работу турбины перепишем в виде

4 = СрТ 8

1 -( пК о-)

\_-k_

(2.16)

и тогда потребный расход рабочего тела через компрессор ЗГТУ составит

N

тп

г Г 1-к 1 Г к-1 л 1 ~ * Пк

ГТ1* СРТ0 ' 8 1 -( п к о *) к пт (1 - я п к к -1 -Пм Пг

(2.17)

Зависимости массовых расходов рабочего тела, приходящихся на единицу электрической мощности, показывают, что заданная мощность ЗГТУ может быть получена при использовании рабочих тел с различными молярными массами, как это представлено на Рис. 2.29.

М, кг/кмоль

Рис. 2.29. Влияние молярной массы на удельный расход рабочего тела: при максимальном КПД (1 - 0 = 2 , 5 ; 2 - 0 = 3 , 0 ; 3 - 0 = 3 , 5 ) ; при максимальной удельной работе (4 - 0 = 2 , 5 ; 5 - 0 = 3 , 0 ; 6 - 0 = 3 , 5 )

Конкретная реализация полученных результатов в данном исследовании связана с использованием радиальных турбомашин (центробежных компрессоров и центростремительных турбин), область применения которых, представленная на Рис. 2.30 и 2.31 в британских единицах измерения [255], определяется соотношением коэффициента быстроходности

п =

5 тт 0,75

н0

(2.18)

и условного диаметра

Д = А н 0<25

№ '

(2.19)

где п - частота вращения рабочего колеса в 1/мин; У± - объемный расход в м/с

3 3

(1 фут 3/с = 0,02832

м3/с), определенный по параметрам рабочего тела при входе в рабочее колесо; - адиабатный напор в метрах столба рабочего тела (1 фут фунт-сила/фунт = 2,989 Дж/кг); Юк - диаметр рабочего колеса в метрах (1 фут = 0,3048 метра) [218]. Пересчет из британских единиц в СИ можно осуществить, используя коэффициенты пересчета: п5 - 0,07403, 03 - 0,7531.

Областям применения ЦБК и ЦСТ на основании данных, представленных на диаграммах (Рис. 2.30 и 2.31), соответствуют диапазоны п3 = 2 0. . .3 0 0 и

при в британских единицах, или

и п5 = 2,2 2 ... 1 1 , 1 при й5 = 0,45 . . . 2,2 6 в СИ.

Реализация целесообразных диапазонов значений коэффициента быстроходности и условных диаметров для достижения заявленной мощности (см. Рис. 2.29) требует выбора рабочего тела с соответствующей молярной массой и давления в контуре ЗГТУ. Выбор определяется не только расчетом термодинамического цикла, но и геометрией проточной части турбомашин.

Одним из важнейших факторов, влияющих на надежность и долговечность установки, является уровень напряжений в диске рабочего колеса, возникающих от инерционной нагрузки. Нагрузка пропорциональна квадрату окружной скорости ик рабочего колеса, которая, как представлено

на Рис. 2.32, обратно пропорциональна квадратному корню из молярной массы рабочего тела.

Рис. 2.30. Области применения компрессоров

Рис. 2.31. Области применения детандеров

Сравнение окружных скоростей полуоткрытых рабочих колес компрессора и турбины с допустимыми значениями для титанового, никелевого и ниобиевого сплавов при температурах 673 К, 1123 К и 1373 К, соответственно, позволяет выбрать приемлемую молярную массу рабочего тела ЗГТУ [256 - 261].

Рис. 2.32. Влияние молярной массы рабочего тела на допустимые окружные скорости рабочего колеса (5 - из титанового сплава при 673 К; 6 - из никелевого сплава при 1123 К; 7 - из ниобиевого сплава при 1373 К): 1 - компрессора и 2 - турбины при максимальном КПД; 3 -компрессора и 4 - турбины при максимальной удельной работе цикла

Из представленных на Рис. 2.32 данных следует, что создание высокоэффективных установок с максимальной удельной работой ограничено областью высоких молярных масс, для турбины превышающих 75 кг/кмоль. Рабочие колеса радиально-осевых турбин ЗГТУ с наибольшим КПД могут быть сконструированы при молярных массах не менее 50 кг/кмоль. Для компрессорных колес из титановых сплавов допустимо использование рабочего тела с молярной массой не менее 20 кг/кмоль, например неона.

Для холодильной (криогенной) части контура определяющие температуры задаются условиями работы кондиционируемого объекта, что накладывает дополнительное ограничение на выбор рабочего тела в виде

сохранения его в газовой фазе. Для газовой смеси температурный диапазон может быть расширен в низкотемпературную область с учетом парциального давления конкретного компонента, которое, согласно закону Дальтона, относится к давлению смеси как его молярная (объемная) доля. Температуры насыщения для инертных газов при давлении 0,1 МПа приведены в Таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Температура насыщения инертных газов при давлении 0,1 МПа

Инертные газы Гелий Неон Аргон Криптон Ксенон

Температура насыщения, К 4,21 27,06 87,18 119,6 172,7

При определении парциального давления компонента необходимо выбрать его молярную долю, чтобы получить заданную молярную массу смеси, в соответствии с графиками на Рис. 2.33.

Рис. 2.33. Влияние молярной доли гелия на молярную массу смеси газов: 1 - гелий-криптоновой; 2 - гелий-ксеноновой

Проектирование замкнутых газотурбинных установок для энергообеспечения космических аппаратов и автономных объектов

представляет сложную научно-техническую задачу, особенно в случае их использования для одновременного электро- и холодоснабжения.

2.4. Выбор схем замкнутых газотурбинных установок, обеспечивающих потребителей электроэнергией и холодом в наземных и

космических условиях

В отличие от электрогенерирующих ЗГТУ, рассмотренных в гл. 2, выработка холода требует введения в контур установки холодильной части, которая позволяет избавиться от автономной холодильной установки и уменьшить нагрузку на электрогенерирующую систему.

Наиболее серьезным вопросом является выбор оптимальных параметров цикла, обеспечивающих решение обеих задач. Такой выбор ограничен, с одной стороны, необходимостью достижения высокого КПД выработки электроэнергии, а с другой - минимально возможной степенью расширения в турбодетандере, обеспечивающем отвод теплоты от кондиционируемого объекта.

Выполненные оценки [262 - 264] показали, что в зависимости от холодопроизводительности и температурного уровня холода возможно исполнение регенеративной энергохолодильной ЗГТУ по одной из трех схем: параллельной, последовательной и комбинированной, рассмотренных далее.

Для одновременной выработки электроэнергии и холода традиционно рассматривается ЗГТУ с параллельно включенными энергетической и холодильной частями, схема которой представлена на Рис. 2.34, а ее s-T -диаграмма - на Рис. 2.35 [263, 264].

Установка работает следующим образом: рабочее тело с начальными параметрами и расходом сжимается до давления в компрессоре 1,

за которым расход делится на две части.

Одна (энергетическая) часть рабочего тела с расходом тт поступает в регенератор 3, где подогревается до температуры Т-* теплотой газа, вышедшего

из турбины 2, и затем поступает в газонагреватель 4, в котором его температура Г3* повышается до максимального значения в цикле.

Нагретый газ работает в турбине 2, затем через горячую сторону регенератора и газоохладитель 10 возвращается на вход компрессора.

3 2 1 11 10 9 8

Рис. 2.34. Энергохолодильная ЗГТУ параллельной схемы: 1 - компрессор; 2 - турбина; 3, 6 - регенератор; 4 - газонагреватель; 5 -турбодетандер; 7, 10 - газоохладители; 8 - кондиционируемый объект; 9, 11 - электрогенераторы

Холодильная часть рабочего тела с расходом (гп 0 — гпт) поступает в газоохладитель 7, а затем в холодильный регенератор 6, где охлаждается до температуры , после чего расширяется в турбодетандере и с минимальной температурой цикла поступает в теплообменник кондиционируемого объекта 8, отбирает в нем теплоту и нагревается до температуры Затем вновь поступает в холодильный регенератор 6, подогревается до исходной температуры, после чего смешивается с энергетической частью рабочего тела при входе в компрессор.

т, к

Тз, Рз

02-:

2-3

Т2, Р2

/Р"

Низкое давление

4

#

Т4, Р4

01-2

T1, Р1

1

5

_■ —»

— #

/ Т5, Ра

/ЧА

Высокое давление

05-0

Ьо-1

Т7, Р7 7

#

/Ч

Т * /

'8, Р - 8 07-8 _. 10

Т10, Р10

К

Т0, Р0

¿8-9

9\ \ Т9, Р9 0П9-

10

- Процесс в турбомашине Границы рекуператора изобара

- Тепловые потоки

5, кДж/кг

Рис. 2.35. s-T - диаграмма энергохолодильной ЗГТУ параллельной схемы

0

Альтернативным вариантом рассмотренной установки является энергохолодильная ЗГТУ с последовательным включением прямого и обратного регенеративных циклов, при котором через все узлы установки проходит полный расход рабочего тела, как это представлено на Рис. 2.36 в соответствие с s-T - диаграммой, показанной на Рис. 2.37 [262 - 264].

В такой ЗГТУ рабочее тело, сжатое в компрессоре 1, поступает в регенератор 3, где подогревается теплотой газа, вышедшего из турбины 2, после чего подогревается в газонагревателе 4 до максимальной температуры в

цикле. Затем в турбине 2 срабатывается часть теплоперепада, а в регенераторе 3 часть теплоты возвращается в цикл. Дальнейшее охлаждение рабочего тела происходит в газоохладителе 7 и регенераторе 6, из которого рабочее тело направляется в турбодетандер 5, где срабатывается оставшийся теплоперепад, а затем отбирает тепло от потребителя 8. Подогрев рабочего тела перед возвращением в компрессор 1 осуществляется в регенераторе 6. В данной схеме достаточно одного газоохладителя.

3 2 1 10 9 8

Рис. 2.36. Энергохолодильная ЗГТУ последовательной схемы: 1 - компрессор;

2 - турбина; 3,6- регенераторы; 4 - газонагреватель; 5 -турбодетандер; 7 - газоохладитель; 8 - кондиционируемый объект; 9, 10 - генераторы

Иногда возникает необходимость производства холода разного температурного уровня (например, для кондиционирования жилых помещений или аппаратной и хранения СПГ), и в этом случае целесообразно объединить обе схемы в комбинированную энергохолодильную ЗГТУ, работающую по

схеме, представленной на Рис. 2.38. s-T - диаграмма такой установки показана на Рис. 2.39.

т, к

Тз, Р3