Аэрокосмический научный журнал. 2017; 3: 1-16
Конверсия авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя в установку для выработки пиковой электроэнергии
https://doi.org/10.24108/aersp.0217.0000062Аннотация
Целью работы является рассмотрение конверсии авиационного двигателя в установку для выработки пиковой или кратковременно используемой электроэнергии, что актуально для поставленной правительством задачи специального освоения северных районов нашей страны. За исследуемый авиационный двигатель принимается трёхвальный ТРДДФ с двенадцатиступенчатым компрессором и четырёхступенчатой турбиной. Из модуля газогенератора удаляется форсажная камера с блоком реактивных сопел и на выходе из 2-го контура устанавливается камера подогрева для того, чтобы повысить электрическую мощность двигателя и не усложнять конструкцию наличием смесительной камеры. К тому же камера подогрева служит для выравнивания полных давления и температуры потока в сечении перед свободной турбиной и позволяет использовать короткий переходник между модулем газогенератора и свободной турбиной, что снижает потери полного давления. Затем устанавливаются свободная турбина и диффузор с выхлопным устройством. Выходной вал силовой турбины при помощи муфты соединяется с электрогенератором переменного тока или другой специальной нагрузкой.
Для нахождения параметров установки был выполнен расчёт, в котором за исходные данные были приняты: температура газа перед турбиной 1530 К (температура газа перед турбиной снижена на 100 К для продления срока службы двигателя, поэтому изначально температура газа перед турбиной составляла 1630 К); расход воздуха ; степень двухконтурности (отношение расхода воздуха во втором контуре к расходу воздуха в первом контуре). В результате этого расчёта получено, что двигатель обладает удельным расходом топлива 0,296 кг/(кВт час) (топливо – авиационный керосин) и мощностью 78,5 МВт. Для полученного значения мощности в качестве нагрузки был выбран электрогенератор переменного тока марки ТЗФП-80-2У3. В итоге энергетическая установка, укомплектованная из конверсированного двигателя и электрогенератора, обладает электрической мощностью 77,3 МВт и КПД 27,8 %.
Для оценки влияния введения камеры подогрева на параметры ГТД произведён расчёт без камеры подогрева и получено, что введение камеры подогрева во втором контуре, для подогрева потока воздуха второго контура с 402 К до 967 К, снижает КПД двигателя на 2 %, но увеличивает его мощность на 79 % – с 43,8 МВт до 78,5 МВт.
Из-за достаточно высокой температуры газа перед конверсированный двигатель обладает относительно малым сроком службы. Напротив, свободная турбина обладает бо́льшим сроком службы и поэтому отсутствует необходимость в изготовлении по свободной турбине для каждого конверсированного двигателя (одной модели). Для примерной оценки ресурса свободной турбины до переборки горячей части было посчитано максимальное напряжение в корне рабочей лопатки. Для значений температуры 1000 K и напряжения 242 МПа возможно создать турбину со сроком службы свыше 30000 часов.
Список литературы
1. Арбеков А.Н. Автономная долгоресурсная малообслуживаемая замкнутая газотурбинная установка, работающая на органическом топливе // Вестник Самарского ун-та. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2012. № 3-2(34). Спец. вып. С. 307-312.
2. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки последовательной схемы // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/359008.html (дата обращения 20.12.2016).
3. Арбеков А.Н., Бурцев С.А. Исследование цикла замкнутой газотурбинной тригенерационной установки параллельной схемы // Тепловые процессы в технике. 2012. Т. 4. № 7. С. 326–331.
4. Моляков В.Д., Осипов М.И., Сыромятникова Л.И., Тумашев Р.З. Метод расчета и анализ режимов работы многовальных газотурбинных двигателей усовершенствованных циклов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2008. № 4(73). С. 3-24.
5. Арбеков А.Н., Вараксин А.Ю., Иноземцев А.А. Влияние степени двухконтурности базового турбореактивного двигателя на возможность создания конверсионных тригенерационных двухконтурных энергетических установок // Теплофизика высоких температур. 2015. Т. 53. № 6. С. 928-933. DOI: 10.7868/S0040364415050026
6. Манушин Э.А., Бирюков В.В. Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений Камчатского края // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2011. № 9. С. 1-8. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/220323.html (дата обращения 30.01.2017).
7. Моляков В.Д., Тумашев Р.З. Обоснование схем и параметров высокоэффективных газотурбинных установок для малой энергетики // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. №. 10. С. 52-58. DOI: 10.18698/0536-1044-2012-10
8. Тумашев Р.З., Моляков В.Д., Лаврентьев Ю.Л. Повышение эффективности компрессорных станций магистральных газопроводов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2014. №. 1(94). С. 68-79.
9. Шпилевой В.А., Закирзаков А.Г. Сопоставление электрического и газотурбинного типов привода насосных станций магистральных нефтепроводов // Успехи современного естествознания. 2016. № 6. С. 202-206.
10. Shpilevoy V.A., Chekardovsky S.M., Zakirazkov A.G. A mathematical model of gas-turbine pump complex // Intern. Scientific-Practical Conf. of students, graduate students and young scientists “Transport and storage of hydrocarbons” (Tyumen, Russia, 20-25 May 2016): Proc. Bristol: IoP, 2016. P. 012009. DOI: 10.1088/1757-899X/154/1/012009
11. Abbas H.F., Wan Daud W.M.A. Hydrogen production by methane decomposition: A review // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. Iss. 3. Pp. 1160-1190. DOI:10.1016/j.ijhydene.2009.11.036
12. Чернова Н.И., Киселева С.В., Попель О.С. Эффективность производства биодизеля из микроводорослей // Теплоэнергетика. 2014. № 6. С. 14-21. DOI: 10.1134/S0040363614060010
13. Михальцев В.Е., Моляков В.Д., Тумашев Р.З. Полузамкнутая газотурбинная установка на твёрдых горючих // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 1999. № 1 (34). С. 75-84.
14. Иванов В.Л. Газотурбинный энергопреобразователь для установки утилизации твердых бытовых и промышленных отходов методом газификации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. Спец. вып. № 7. С. 134-144.
15. Данилова С.К., Тумашев Р.З. Энерготехнологическая установка на базе газотурбинного двигателя с использованием продуктов газификации древесных отходов // Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация. 2016. № 4. С. 1-13. DOI: 10.7463/aplts.0416.0846815
16. Михальцев В.Е., Моляков В.Д. Расчёт параметров цикла при проектировании газотурбинных двигателей и комбинированных установок: учеб. пособие / под ред. И.Г. Суровцева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 60 с.
17. Зрелов В.А. Отечественные газотурбинные двигатели. Основные параметры и конструктивные схемы: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 2005. 336 с.
18. Моляков В.Д., Куникеев Б.А. Особенности проектирования эффективных турбин с учетом влияния радиального зазора // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 9 (654). С. 9-18. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-9-9-18
19. Тумашев Р.З., Михеев С.С., Куникеев Б.А. Производство электроэнергии на компрессорных станциях утилизационными газотурбинными установками // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. №. 1 (106). С. 44-53. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-1-44-53
20. Шафиков Г.А. Интенсификация теплоотдачи при помощи лунок и накатки на поверхности теплообмена // Молодёжный научно-технический вестник. 2015. № 4. С. 14.
21. Клименко А.В., Агабабов В.С., Ильина И.П., Рожнатовский В.Д., Бурмакина А.В. Схемы тригенерационных установок для централизованного энергоснабжения // Теплоэнергетика. 2016. № 6. С. 36-43. DOI: 10.1134/S0040363616060047
22. Шафиков Г. А. Влияние состава рабочего тела на объём теплообменных аппаратов замкнутой газотурбинной установки // Машины и установки: проектирование, разработка, эксплуатация. 2016. № 2. С. 25-37. DOI: 10.7463/aplts.0216.0837906
23. Манушин Э.А., Суровцев И.Г. Конструирование и расчёт на прочность турбомашин газотурбинных и комбинированных установок. М.: Машиностроение, 1990. 399 с.
24. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок / Иванов В.Л., Леонтьев А.И., Манушин Э.А., Осипов М.И. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 591 с.
25. Сулима А.М., Носков А.А., Серебренников Г.З. Основы технологии производства газотурбинных двигателей. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1996. 480 с.
26. Справочник по конструкционным материалам / Арзамасов Б.Н., Соловьева Т.В., Герасимов С.А. и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 636 с.
27. Клауч Д.Н., Овсеенко А.Н., Овумян Г.Г., Кущева М.Е., Щегольков Н.Н., Кудинов А.А. Технологические методы повышения качества изготовления и ресурса работы турбинных лопаток // Вестник Магнитогорского гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2008. №. 4. С. 49-53.
Aerospace Scientific Journal. 2017; 3: 1-16
Conversion of Aircraft Dual-flow Turbojet into Peak Power Plant
https://doi.org/10.24108/aersp.0217.0000062Abstract
The paper is aimed at considering the aircraft engine conversion into peak or short-used energy unit, which is relevant for the task of developing the northern regions of the Russian Federation. The three-shaft turbojet engine with a twelve-stage compressor and a four-stage turbine is adopted as an aircraft engine under consideration. The afterburner with a block of jet nozzles is removed from the gas generator module, and a heating chamber is set at the outlet of the by-pass duct to raise electric power of engine and not complicate the construction by the presence of a mixing chamber. In addition, the heating chamber serves to equalize the total pressure and flow temperature in the section before the free turbine and allows the use of a short adapter between the gas generator module and the free turbine, which reduces the loss of total pressure. Then a free turbine and a diffuser with an exhaust device are installed. The output shaft of the power turbine is connected by means of a coupling to an alternating current (a. c.) generator or other special load.
To find the parameters of the plant, a calculation was made in which the initial data were taken, namely a gas temperature in front of the turbine of 1530 K (the gas temperature in front of the turbine is reduced by 100 K in order to prolong the engine life; therefore, the gas temperature before the turbine was 1630 K); air flow of 364 kg/s; bypass ratio of 1.36 (the ratio of the air flow passing through the bypass duct to the air flow entering the core). As a result, it consumes 0.296 kg / (kWh) (fuel-aviation kerosene) and a power capacity of 78.5 MW. For the received value of capacity the ТЗФП-80-2У3 a. c. electric generator has been chosen as the load. As a result, the power plant, equipped with a converted engine and electric generator, has an electric power of 77.3 MW and an efficiency of 27.8%.
To assess the effect of introduced preheating chamber on the parameters of the gas turbine engine, a calculation was performed with no heating chamber, and it was obtained that the introduction of a heating chamber in the bypass duct to heat the bypass duct airflow from 402 K to 967 K, reduces the engine efficiency by 2%, but increases its power by 79% - from 43.8 MW to 78.5 MW.
Due to the sufficiently high gas temperature, the converted engine has a relatively short lifetime. On the contrary, the free turbine has a longer life, and therefore there is no need to manufacture a free turbine for each converted engine. For an approximate evaluation of the free turbine life before the overhaul of the engine hot section, the maximum stress at the root of the working blade was calculated. For temperature values of 1000 K and stress of 242 MPa it is possible to create a turbine with a lifetime of over 30,000 hours.
References
1. Arbekov A.N. Avtonomnaya dolgoresursnaya maloobsluzhivaemaya zamknutaya gazoturbinnaya ustanovka, rabotayushchaya na organicheskom toplive // Vestnik Samarskogo un-ta. Aerokosmicheskaya tekhnika, tekhnologii i mashinostroenie. 2012. № 3-2(34). Spets. vyp. S. 307-312.
2. Arbekov A.N., Burtsev S.A. Issledovanie tsikla zamknutoi gazoturbinnoi trigeneratsionnoi ustanovki posledovatel'noi skhemy // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2012. № 3. Rezhim dostupa: http://technomag.edu.ru/doc/359008.html (data obrashcheniya 20.12.2016).
3. Arbekov A.N., Burtsev S.A. Issledovanie tsikla zamknutoi gazoturbinnoi trigeneratsionnoi ustanovki parallel'noi skhemy // Teplovye protsessy v tekhnike. 2012. T. 4. № 7. S. 326–331.
4. Molyakov V.D., Osipov M.I., Syromyatnikova L.I., Tumashev R.Z. Metod rascheta i analiz rezhimov raboty mnogoval'nykh gazoturbinnykh dvigatelei usovershenstvovannykh tsiklov // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2008. № 4(73). S. 3-24.
5. Arbekov A.N., Varaksin A.Yu., Inozemtsev A.A. Vliyanie stepeni dvukhkonturnosti bazovogo turboreaktivnogo dvigatelya na vozmozhnost' sozdaniya konversionnykh trigeneratsionnykh dvukhkonturnykh energeticheskikh ustanovok // Teplofizika vysokikh temperatur. 2015. T. 53. № 6. S. 928-933. DOI: 10.7868/S0040364415050026
6. Manushin E.A., Biryukov V.V. Paroturbinnaya ustanovka geotermal'noi elektrostantsii binarnogo tsikla dlya geotermal'nykh mestorozhdenii Kamchatskogo kraya // Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana. Elektron. zhurn. 2011. № 9. S. 1-8. Rezhim dostupa: http://technomag.bmstu.ru/doc/220323.html (data obrashcheniya 30.01.2017).
7. Molyakov V.D., Tumashev R.Z. Obosnovanie skhem i parametrov vysokoeffektivnykh gazoturbinnykh ustanovok dlya maloi energetiki // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie. 2012. №. 10. S. 52-58. DOI: 10.18698/0536-1044-2012-10
8. Tumashev R.Z., Molyakov V.D., Lavrent'ev Yu.L. Povyshenie effektivnosti kompressornykh stantsii magistral'nykh gazoprovodov // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2014. №. 1(94). S. 68-79.
9. Shpilevoi V.A., Zakirzakov A.G. Sopostavlenie elektricheskogo i gazoturbinnogo tipov privoda nasosnykh stantsii magistral'nykh nefteprovodov // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. 2016. № 6. S. 202-206.
10. Shpilevoy V.A., Chekardovsky S.M., Zakirazkov A.G. A mathematical model of gas-turbine pump complex // Intern. Scientific-Practical Conf. of students, graduate students and young scientists “Transport and storage of hydrocarbons” (Tyumen, Russia, 20-25 May 2016): Proc. Bristol: IoP, 2016. P. 012009. DOI: 10.1088/1757-899X/154/1/012009
11. Abbas H.F., Wan Daud W.M.A. Hydrogen production by methane decomposition: A review // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. Iss. 3. Pp. 1160-1190. DOI:10.1016/j.ijhydene.2009.11.036
12. Chernova N.I., Kiseleva S.V., Popel' O.S. Effektivnost' proizvodstva biodizelya iz mikrovodoroslei // Teploenergetika. 2014. № 6. S. 14-21. DOI: 10.1134/S0040363614060010
13. Mikhal'tsev V.E., Molyakov V.D., Tumashev R.Z. Poluzamknutaya gazoturbinnaya ustanovka na tverdykh goryuchikh // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 1999. № 1 (34). S. 75-84.
14. Ivanov V.L. Gazoturbinnyi energopreobrazovatel' dlya ustanovki utilizatsii tverdykh bytovykh i promyshlennykh otkhodov metodom gazifikatsii // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2012. Spets. vyp. № 7. S. 134-144.
15. Danilova S.K., Tumashev R.Z. Energotekhnologicheskaya ustanovka na baze gazoturbinnogo dvigatelya s ispol'zovaniem produktov gazifikatsii drevesnykh otkhodov // Mashiny i ustanovki: proektirovanie, razrabotka i ekspluatatsiya. 2016. № 4. S. 1-13. DOI: 10.7463/aplts.0416.0846815
16. Mikhal'tsev V.E., Molyakov V.D. Raschet parametrov tsikla pri proektirovanii gazoturbinnykh dvigatelei i kombinirovannykh ustanovok: ucheb. posobie / pod red. I.G. Surovtseva. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2014. 60 s.
17. Zrelov V.A. Otechestvennye gazoturbinnye dvigateli. Osnovnye parametry i konstruktivnye skhemy: ucheb. posobie. M.: Mashinostroenie, 2005. 336 s.
18. Molyakov V.D., Kunikeev B.A. Osobennosti proektirovaniya effektivnykh turbin s uchetom vliyaniya radial'nogo zazora // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie. 2014. № 9 (654). S. 9-18. DOI: 10.18698/0536-1044-2014-9-9-18
19. Tumashev R.Z., Mikheev S.S., Kunikeev B.A. Proizvodstvo elektroenergii na kompressornykh stantsiyakh utilizatsionnymi gazoturbinnymi ustanovkami // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2016. №. 1 (106). S. 44-53. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-1-44-53
20. Shafikov G.A. Intensifikatsiya teplootdachi pri pomoshchi lunok i nakatki na poverkhnosti teploobmena // Molodezhnyi nauchno-tekhnicheskii vestnik. 2015. № 4. S. 14.
21. Klimenko A.V., Agababov V.S., Il'ina I.P., Rozhnatovskii V.D., Burmakina A.V. Skhemy trigeneratsionnykh ustanovok dlya tsentralizovannogo energosnabzheniya // Teploenergetika. 2016. № 6. S. 36-43. DOI: 10.1134/S0040363616060047
22. Shafikov G. A. Vliyanie sostava rabochego tela na ob\"em teploobmennykh apparatov zamknutoi gazoturbinnoi ustanovki // Mashiny i ustanovki: proektirovanie, razrabotka, ekspluatatsiya. 2016. № 2. S. 25-37. DOI: 10.7463/aplts.0216.0837906
23. Manushin E.A., Surovtsev I.G. Konstruirovanie i raschet na prochnost' turbomashin gazoturbinnykh i kombinirovannykh ustanovok. M.: Mashinostroenie, 1990. 399 s.
24. Teploobmennye apparaty i sistemy okhlazhdeniya gazoturbinnykh i kombinirovannykh ustanovok / Ivanov V.L., Leont'ev A.I., Manushin E.A., Osipov M.I. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2003. 591 s.
25. Sulima A.M., Noskov A.A., Serebrennikov G.Z. Osnovy tekhnologii proizvodstva gazoturbinnykh dvigatelei. 2-e izd. M.: Mashinostroenie, 1996. 480 s.
26. Spravochnik po konstruktsionnym materialam / Arzamasov B.N., Solov'eva T.V., Gerasimov S.A. i dr. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2005. 636 s.
27. Klauch D.N., Ovseenko A.N., Ovumyan G.G., Kushcheva M.E., Shchegol'kov N.N., Kudinov A.A. Tekhnologicheskie metody povysheniya kachestva izgotovleniya i resursa raboty turbinnykh lopatok // Vestnik Magnitogorskogo gos. tekhn. un-ta im. G.I. Nosova. 2008. №. 4. S. 49-53.
