Регистрация / Вход
Прислать материал

14.583.21.0013

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.583.21.0013
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)"
Название доклада
Многоцелевые малоразмерные газотурбинные двигатели (микротурбины) со сверхвысокой степенью регенерации
Докладчик
Костюков Андрей Вениаминович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:
-разработка научных и научно-технических основ, позволяющих создать многотопливную, экологически чистую, конкурирующую по топливной экономичности с современными поршневыми двигателями внутреннего сгорания микротурбину и разработка микротурбины мощностью 50 кВт;
-снижение загрязнения окружающей среды;
-увеличение конкурентоспособности отечественных производителей;
-обеспечение экспортного потенциала и замещение импорта;
-снижение стоимости эксплуатации и технического обслуживания транспортных средств;
-упрощение и снижение стоимости эксплуатации транспортных средств в районах с н температурой окружающей среды;
-снижение стоимости производимой электроэнергии для домов, коттеджей, поселков и др.;
-решение имеющейся в Российской Федерации проблемы энергодефицитности ряда районов, том числе районов Сибири и крайнего Севера;
-развитие научно-технического сотрудничества между Университетом машинострое Университетом Цинхуа.

Задачи исследования: разработка микротурбины мощностью 50 кВт с эффективным КПД не ниже 37-38%; теплообменника со степенью регенерации не ниже 95%; высокоэффективных лопаточных машин и камеры сгорания, имеющей на выходе температурную неравномерность не более 40 К и содержание окислов азота в выходных газах не более 10 ррm.
Актуальность и новизна исследования
По данным недавнего отчета, опубликованного Минпромэнерго, к 2020 году выработают с ресурс около 70% мощности ТЭС и ГЭС. Будущее развития энергетической отрасли в России все чаще связывают с распределенной малой энергетикой. В качестве перспективных энергоустановок для малой распределенной энергетик рассматриваются работающие на дешевом топливе – природном газе энергоустановки на поршневых газовых двигателей и микротурбин. Микротурбины имеют существенно меньшее техническое обслуживание и более дешевый капитальный ремонт и недостижимую для поршневых двигателей экологическую чистоту, а также надежно, без снижения эффективности работают практически на любых топливах, в том числе на бросовом топливе - малокалорийных газах (шахтные и др.). Эти качества вызвали в мире активный рост инвестиций в производство энергоустановок на базе микротурбин и активный рост рынка микротурбинных энергоустановок. К 2035 году U. S. Energ Information Administration прогнозирует прирост мощностей по микротурбинным установкам США в размере 2,4-2,8 ГВт. Основной причиной сдерживающей развитие рынка микротурбин является их меньший по сравнению с поршневыми двигателями КПД. Поэтому проблема разработки микротурбины конкурирующей по топливной экономичности с поршневыми ДВС является в настоящее время актуальной.
Новизна исследования заключается в разработке многоцелевой экологически чистой микротурбины, конкурирующей по топливной экономичности с поршневыми двигателями внутреннего сгорания за счет реализации в ней цикла со сверхвысокой степенью регенерации тепла выходных газов ( 95% и выше ).
Описание исследования

 

Настоящий проект посвящен разработке многоцелевой микротурбины конкурирующей по топливной экономичности с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Повышение эффективности регенеративных микротурбин до и выше уровня ДВС  без применения в микротурбинах сложных  конструктивных схем представляется возможным двумя путями. Первый хорошо известен и заключается в увеличении максимальной температуры цикла до 1300-1500 0C. Однако есть  проблемы с его реализацией. Проточная часть микротурбины с такими температурами может быть только керамической.   Существующие в мире керамические технологии  не позволяют получить сегодня сколько-нибудь значительный ресурс у керамических микротурбин при таких температурах. Второй путь вполне реализуем, он заключается в разработке микротурбин работающих по циклу  со сверхвысокой регенерацией тепла выхлопных газов (до 95% и выше) . У таких микротурбин помимо высокого термодинамического КПД будет более высокая эффективность компрессора и турбины. Повышение степени регенерации тепла приводит к снижению оптимальной по КПД микротурбины степени повышения давления в компрессоре, что обеспечивает возможность повышения эффективности лопаточных машин микротурбины . Термодинамический анализ  разрабатываемой в проекте микротурбины  50 кВт показал, что применение в микротурбине теплообменника со степенью регенерации  95%   поднимет ее эффективный КПД до  37-38% и обеспечит такой  микротурбине конкуренцию по топливной экономичности с ДВС аналогичной мощности. Очевидно, что центральной проблемой создания такой микротурбины является разработка теплообменника со степенью регенерации 95%.

 Проблемой создания такого теплообменника является прежде всего задача минимизация его размеров. Оценки показали  что    получить сверхвысокую степень регенерации при допустимых размерах и массе можно только у роторного теплообменника, причем наиболее компактным получается теплообменник с щелевой матрицей.  Выполнены проектный расчет роторного теплообменника со степенью регенерации 95% с щелевой матрицей и  математическое моделирование теплогидравлических процессов в ней для подтверждения проектного расчета. 

Хорошо известно, что одной из основных проблем роторных теплообменников являются проблема утечки воздуха  через их уплотнения, которая при увеличении размеров теплообменника  усилится. Поэтому помимо решения задачи снижения объема теплопередающей матрицы теплообменника  в проекте решалась задача снижения утечек .

Выбранный тип роторного теплообменника -  дисковый,   каркасного типа. В нем уплотнения работают не по пористой матрице, а по плоским поверхностям  каркаса. Для снижения температурных деформаций каркаса и соответственно для снижения утечек  была разработана система охлаждения каркаса, обеспечивающая как показало проведенное математическое моделирование снижение максимальной температуры  каркаса до значений меньших 4700С. Такая температура дает также возможность использовать для уплотнений теплостойкий графит.

Конструктивная схема микротурбины выбрана одновальная, с консольно установленными на валу центробежным компрессором и радиально-осевой турбиной. Такая схема является наиболее простой и  обеспечивает работу подшипников в холодной зоне.

Сверхвысокая степень регенерации обеспечила возможность снизить степень повышения давления в компрессоре до 3 без снижения термодинамического КПД  и соответственно разработать компрессор и турбину с высокими КПД несмотря на малую мощность  микротурбины. Разработка лопаточных машин выполнялась зарубежным партнером в программном комплексе Concept Nrec и с использованием программы Numeca.  В  программе ANSYS проведена прочностная оптимизация колес компрессора и турбины и динамический анализ ротора турбокомпрессора разрабатываемой микротурбины.

В подходах к разработке малотоксичной камеры сгорания  при выполнении настоящего проекта опирались на  желание получить максимальную простоту и  надежность работы (без срывов пламени) камеры сгорания на динамических режимах с большими коэффициентами избытка воздуха, которые характерны для транспортного применения микротурбины, а также  на лучшую компонуемость камеры сгорания в микротурбине. В итоге была выбрана  и разработана диффузионная трубчатая камера сгорания  с обогащенно-обедненным горением обеспечивающем малую токсичность без предварительной подготовки смеси и пилотной форсунки. Доводка камеры сгорания до получения требуемых показателей по токсичности и температурной неравномерности выполнялась посредством математического моделирования процессов горения и течения в программном комплексе ANSYS CFX.   

 

 

Результаты исследования

Разработана многоцелевая, одновальная, регенеративная  микротурбина мощностью 50 кВт с эффективным КПД 38%, что превышает  КПД известных микротурбин как минимум на 5-6%. Столь высокий КПД у микротурбины получен на основе разработки  теплообменника со сверхвысокой степенью регенерации (95%) каркасного типа со степенью регенерации 95% при потерях давления на газовой и воздушной сторонах теплообменника менее 7% и 2% соответственно. Разработан роторный дисковый теплообменник каркасного типа с щелевой матрицей теплопередающей (ширина щели 0,4 мм). Проведенное математическое моделирование теплогидравлических процессов в щелевой матрице теплообменника подтвердило эти цифры. Разработан каркас и его система охлаждения. Как показало проведенное математическое моделирование теплогидравлических процессов в разработанной системе охлаждения максимальная температура каркаса не превышает 4700 Цельсия, что обеспечивает возможность использования в качестве материала уплотнений теплостойкий графит, а также малые температурные деформации каркаса (не более 0.8 мм в направлении оси вращения теплообменника) и соответственно высокую эффективность работы уплотнений теплообменника. Разработанный теплообменник не имеет аналогов. Известна разработка роторного теплообменника со степенью регенерации 95% (США). Однако этот теплообменник керамический. Его уплотнения работают по керамической пористой матрице, имеющей свойства  наждачного материала. Это приводит к  проблемам по ресурсу и эффективности работы уплотнений.

Для проведения экспериментальных исследований разработанного  теплообменника разработаны и изготовлены макет роторного теплообменника,  стенд  и программа и методики для  испытаний макета теплообменника.

Разработаны лопаточные машины микротурбины - центробежный компрессор и радиально-осевая турбина с КПД по полным параметрам 80% и 89% ( проектное значение 86%) соответственно. Проведено прочностное исследование и доводка по ресурсу лопаточных машин и ротора турбокомпрессора.  Полученный ресурс при работе на номинальном режиме турбины выполненной из Rene N5 (российский аналог этого материала - ЖС6У) составляет 40000 часов, а компрессора из AA2618 (российский аналог этого материала -АК4) 30000 часов. Выполнен проектный расчет малотоксичной трубчатой диффузионной камеры сгорания. Малая токсичность камеры сгорания обеспечивается за счёт обогащённо-обеднённого горения, организуемого за счёт подвода необходимого количества воздуха в различные зоны проточной части жаровой трубы и интенсивного смешения в её центральной части. Проведенное математическое моделирование процессов течения и горения в камере сгорания показало, что в разработанной камере сгорания потери давления составляют 1.2% (при проектных 2%), выбросы окислов азота не превышают 10%, а температурная неравномерность на выходе меньше 40К. Полученная токсичность  близка  к выбросам окислов азота  лучших  известных микротурбин и находится в диапазоне 5-15%.  Разработаны макет камеры сгорания и стенд для ее испытаний, а также программа и методики испытаний камеры сгорания.

 

 

Практическая значимость исследования
Результаты проекта могут быть использованы при проведении ОКР по созданию высокоэффективных экологически чистых микротурбинных энергетических и силовых установок для малой распределенной энергетики (дома, поселки, супермаркеты, больницы и др., погранзаставы) и транспортных средств (автобусы, грузовики, рельсовые автобусы, спецтехника, прибрежные суда) с гибридными силовыми установками.
Социально-экономический эффект.
Применение разработанной высокоэффективной микротурбины в энергетике и на транспорте обеспечит:
-снижение загрязнения окружающей среды;
-упрощение и удешевление эксплуатации энергоустановок за счет редкого и малого техобслуживания микротурбин и их легкого запуска при низких температурах окружающей среды;
-возможность использования дешевого топлива;
-создание новых рабочих мест;
-экономию средств за счет отказа от теплотрасс и электросетей.
Народно-хозяйственный эффект определяется прежде всего масштабностью применения разрабатываемой продукции, которая в настоящий момент в России весьма велика. А именно: к 2020 году выработают свой ресурс около 70% мощности ТЭС и ГЭС, имеются значительные энергодефицитные территории, создаются автомобили с гибридной силовой установкой на автомобильных заводах (ГАЗ, КаМАЗ). Имеется также потребность в микротурбинах на железнодорожном (электростанции для пассажирских поездов с двухэтажными вагонами, путевые машины, мобильные контейнеры электростанции для обеспечения энергоснабжения инфраструктуры и путевого хозяйства) и водном транспорте (главные энергосиловые и вспомогательные энегоустановки), на мобильных, стационарных и транспортных объектах ведомственной принадлежности (МЧС и др.). В целом проведенные оценки показывают, что российский рынок в период 2019-20123 гг составляет 23000 микротурбинных установок, что при стоимости 50 кВт микротурбинной установки 1.400.000 руб. (удельная стоимость 430 $/кВт) объем российского рынка в рублях составляет 32.2 млр. руб.