Повышение эффективности авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей за счёт применения рекуператора

Авиационная и ракетно-космическая техника

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

2020. Т. 27. № 4. С. 133-146.

DOI: 10.34759/vst-2020-4-133-146

Авторы

Омар Х. Х. *, Кузьмичёв В. С. **, Ткаченко А. Ю. ***

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: dr.hewa.omar@gmail.com
**e-mail: kuzm@ssau.ru
***e-mail: tau@ssau.ru

Аннотация

Одним из направлений совершенствования цикла газотурбинных двигателей(ГТД), позволяющего повысить их эффективность, сниснизить удельный расход топлива и уменьшить выбросы окислов азота NOx, является регенерация тепла выхлопных газов путем установки рекуператора на выходе из турбины, в котором часть тепла передается воздуху за компрессором.

Комплексная оптимизация параметров термодинамического цикла ГТД, таких как температура газа перед турбиной T*г, степень повышения давления в компрессоре π*KΣ, а также параметров, определяющих рабочий процесс дополнительных узлов (степень регенерации в теплообменнике) комбинированной ГТДр, играет важную роль в повышении ее эффективности. Разработанные в САЕ-системе АСТРА компьютерные модели двухконтурных двухвальных турбореактивных двигателей с регенерацией тепла (ТРДДр) позволили реализовать решение задач нелинейной многокритериальной оптимизации параметров их рабочего процесса, определить наиболее рациональные схемы в зависимости от целевого назначения и условий эксплуатации ТРДДр.

На основе разработанного метода многокритериальной оптимизации путем численного моделирования проведены и представлены результаты оптимизации параметров рабочего процесса ТРДД с регенерацией тепла в системе пассажирского самолета типа Airbus А310 по таким критериям: суммарная масса силовой установки и топлива, потребного на полет; удельные затраты топлива самолета на тонна-километр; удельный расход топлива. Приведена разработанная математическая модель для расчета массы компактного теплообменника, предназначенная для решения задач оптимизации на этапе концептуального проектирования двигателя. Разработанные методы и модели реализованы в САЕ-системе АСТРА.

Ключевые слова:

двухконтурный газотурбинный двигатель, теплообменник, термодинамический цикл, математическая модель, оптимизация, критерий, параметры рабочего процесса, степень регенерации, область оптимальных параметров, результаты расчетов

Библиографический список

  1. McDonald C.F., Massardo A.F., Rodgers C., Stone A.Recuperated gas turbine aeroengines, part I: early development activities // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2008. Vol. 80. No. 2, pp. 139–157. DOI: 10.1108/00022660810859364

  2. McDonald C.F., Massardo A.F., Rodgers C., Stone A. Recuperated gas turbine aeroengines, part II: engine design studies following early development testing // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2008. Vol. 80. No. 3, pp. 280-294. DOI: 10.1108/00022660810873719

  3. McDonald C.F., Massardo A.F., Rodgers C., Stone A. Recuperated gas turbine aeroengines. Part III: engine concepts for reduced emissions, lower fuel consumption, and noise abatement // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2008. Vol. 80. No. 4, pp. 408-426. DOI: 10.1108/00022660810882773

  4. Zhang C., Gummer V. High temperature heat exchangers for recuperated rotorcraft powerplants // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 154, pp. 548–561. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.03.119

  5. Rolt A., Kyprianidis K. Assessment of new aero engine core concepts and technologies in the EU framework 6 NEWAC programme // 27th International Congress of the Aeronautical Sciences – ICAS’2010 (19–24 September 2010, Nice, France), 11 p. Paper No. 408.

  6. Bouty E., Paty G., Cheftel-Py B. SAGE 5 clean sky’s approach to quieter turboshaft engines // XX International Symposium on Air Breathing Engines. 2011. ISABE- 2011-1303, pp. 736-741.

  7. Агульник А.Б., Гусаров С.А., Омар Х.Х.О. Выбор основных параметров циклов газопаротурбинной установки для газоперекачивающего агрегата // Труды МАИ. 2017. № 92. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=77084

  8. Кузьмичёв В.С., Омар Х.Х.О., Ткаченко А.Ю. Способ повышения эффективности газотурбинных двигателей для наземного применения за счет регенерации тепла // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 4. С. 133-141.

  9. 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 // The 2nd International Conference on Mechanical, System and Control Engineering (ICMSC 2018). 2018. Vol. 220. DOI: 10.1051/matecconf/201822003010

  10. Кулагин В.В., Кузьмичев В.С. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник: В 2 кн. – 4-е изд. Кн. 1. Основы теории ГТД. Рабочий процесс и термогазодинамический анализ. – М.: Инновационное машиностроение, 2017. – 336 с.

  11. Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник. – Кн. 3. Основные проблемы: Начальный уровень проектирования, газодинамическая доводка, специальные характеристики и конверсия авиационных ГТД. – М.: Машиностроение, 2005. – 464 с.

  12. Маслов В.Г., Кузьмичев В.С., Коварцев А.Н., Григорьев В.А. Теория и методы начальных этапов проектирования авиационных ГТД: Учебное пособие. – Самара: СГАУ, 1996. – 147 с.

  13. Zhang C., Gummer V. The potential of helicopter turboshaft engines incorporating highly effective recuperators under various flight conditions // Aerospace Science and Technology. 2019. Vol. 88, pp. 84–94. DOI: 10.1016/j.ast.2019.03.008

  14. Min J.K., Jeong J.H., Ha M.Y., Kim K.S. High temperature heat exchanger studies for applications to gas turbines // Heat and Mass Transfer. 2009. Vol. 46. No. 2, pp. 175–186. DOI: 10.1007/s00231-009-0560-3

  15. Fakhre A., Pachidis V., Goulos I., Tashfeen M., Pilidis P. Helicopter mission analysis for a regenerated turboshaft engine // ASME Turbo Expo 2013: Turbine Technical Conference and Exposition (3–7 June 2013, San Antonio, Texas, USA). Vol. 2. Paper No. GT2013- 94971.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. Vol. 124. No. 3, pp.550–560. DOI: 10.1115/1.1456093

  16. 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. Vol. 124. No. 3, pp.550–560. DOI: 10.1115/1.1456093

  17. Xie G.N., Sundén B., Wang Q.W. Optimization of compact heat exchangers by a genetic algorithm // Applied Thermal Engineering. 2008. Vol. 28. No. 8-9, pp. 895–906. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2007.07.008

  18. Kim M., Ha M.Y., Min J.K. et al. Numerical study on the cross-corrugated primary surface heat exchanger having asymmetric cross-sectional profiles for advanced intercooled-cycle aero engines // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013. Vol. 66, pp. 139–153. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.07.017

  19. MacDonald C.F. Recuperator considerations for future higher efficiency microturbines // Applied Thermal Engineering. 2003. Vol. 23. No. 12, pp. 1463-1487. DOI: 10.1016/S1359-4311(03)00083-8

  20. McDonald C.F. Low-cost compact primary surface recuperator concept for microturbines // Applied Thermal Engineering. 2000. Vol. 20. No. 5, pp. 471–497. DOI: 10.1016/S1359-4311(99)00033-2

  21. McDonald C.F. Low cost recuperator concept for microturbine applications // ASME Turbo Expo 2000: Power for Land, Sea, and Air (8-11 May 2000, Munich, Germany). 2000. DOI: 10.1115/2000-GT-0167

  22. Traverso A., Massardo A.F. Optimal design of compact recuperators for microturbine application // Applied Thermal Engineering. 2005. Vol. 25. No. 14-15, pp. 2054–2071. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2005. 01.015

  23. 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

  24. Кузьмичев В.С., Кулагин В.В., Крупенич И.Н. и др. Формирование виртуальной модели рабочего процесса газотурбинного двигателя в CAE системе «АСТРА» // Труды МАИ. 2013. № 67. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=41518

  25. Григорьев В.А., Ждановский А.В., Кузьмичев В.С., Осипов И.В., Пономарев Б.А. Выбор параметров и термогазодинамические расчеты авиационных газотурбинных двигателей: Учебное пособие. – 2-е изд., испр. и доп. – Самара: Изд-во СГАУ, 2009. – 202 с.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2020