Моделирование комбинированных энергоустановок на основе авиационного ГТД и топливных элементов в компьютерной среде

Актуальность темы

В современных условиях газотурбинные двигатели (ГТД) находят в силу своих высоких технических характеристик широкое применение не только в традиционных областях экономики страны, таких как авиация, судостроение, транспорт и др., но и в качестве наземных энергоустановок (ЭУ), например, в энергетике, газопроводном транспорте.

Так, парогазовые энергоустановки (ПТУ) комбинированного цикла, в составе которых от одной до нескольких ГТД, широко распространены в ведущих зарубежных странах вследствие их высокого КПД, 55−57%, в последние десятилетия они начали внедряться и в нашей стране. Российская специфика заключается в том, что ГТД наземного1 применения в основном проектируются и создаются на авиационных предприятиях, главным образом, на базе конвертированных авиационных двигателей (АД).

В целях дальнейшего повышения КПД энергоустановок разрабатываются и создаются на базе ГТД все более сложные комбинированные энергоустановки (КЭУ), в числе которых в последние годы за рубежом и в нашей стране начали активно прорабатываться КЭУ на базе ГТД и топливных элементов (ТЭ), которые в перспективе могут обеспечить повышение КПД КЭУ до 70−75%. При этом, для достижения максимального коэффициента использования энергии топлив могут применяться весьма разнообразные схемы КЭУ на базе конвертированных АД и ТЭ, число которых уже сегодня составляет десятки вариантов, и будут разработаны еще более совершенные и сложные схемы.

В ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» под руководством Л. С. Яновского, A.B. Байкова ведутся исследования по повышению эффективности АД и ЭУ на базе ГТД введением твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), применению ТЭ на борту летательных аппаратов, а также по термохимической регенерации тепла в энергетических установках на их базе. Результаты исследований готовятся к печати.

Современные конкурентные экономические условия требуют наличия методов и инструментов для разработки новых образцов техники в кратчайшие сроки, а это невозможно без широкого применения современного математического аппарата и программных средств для ЭВМ, тем более при разработке таких новых и технически очень сложных объектов как КЭУ на базе ГТД и ТЭ. Необходимы программные комплексы, позволяющие выполнять моделирование, структурно-параметрический синтез и анализ этих ЭУ.

Известные системы и программные комплексы математического моделирования позволяют выполнять термогазодинамические расчеты только ГТД (ГРАД, DVIGwT, GasTurb и др.) или ТЭС, ПТУ (Boiler Designer, Epsilon Professional, United Cycles и др.). На сегодняшний день отсутствуют программные продукты, позволяющие рассчитывать параметры различных КЭУ на базе ГТД и ТЭ, в том числе из-за отсутствия модуля расчета ТОТЭ, базирующегося на учете внутренних электрохимических процессов.

Из вышеизложенного следует, что задача разработки программного комплекса для расчета характеристик на различных режимах многовариантных схем ЭУ на базе ГТД и ТЭ является актуальной. Актуальной задачей также является разработка способов модернизации существующих ГТУ, созданных на базе конвертированных авиационных ГТД, на основе применения ТЭ. Решение этих вопросов, что и является целью данной работы, позволит нашим авиационным КБ и предприятиям значительно повысить конкурентоспособность в вопросах разработки новой техники и технологий на базе конвертированных авиационных ГТД.

Существующие методы расчета параметров ТЭ опираются на параметры вольт — амперных характеристик (ВАХ) ТЭ, которые на этапе проектирования закладываются гипотетически и уточняются экспериментальным путем. Сложность таких методик заключается в использовании индивидуальных ВАХ для ТЭ. и.

При исследовании различных ТЭ необходимо опираться не на ВАХ конкретного ТЭ, а подробно рассматривать параметры внутренних электрохимических реакций ТЭ.

В связи с вышеизложенным, следующие научные проблемы являются актуальными:

— отсутствуют алгоритм, методика расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанных на известных математических (моделях) уравнениях, описывающих реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

— выявление оптимальных схем КЭУ на базе ГТУ и ТОТЭ как с позиции экономичности, так и с точки зрения характеристик, управляемости.

Цель работы: повышение эффективности проектирования и создания КЭУ на базе ГТД и ТЭ:

— разработкой методики, алгоритма и математической модели расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, в которых будут рассматриваться внутренние электрохимические процессы в ТЭ, с отказом от ВАХ;

— созданием программного комплекса в компьютерной среде для расчета КЭУ на базе авиационных ГТД и ТОТЭ с оценкой их адекватности и апробацией на конкретных примерах.

Для достижения поставленной цели сформулированы и выполнены исследования по следующим основным задачам:

1. Выбор типа ТЭ для применения в составе КЭУ на базе ГТД на основе сравнительного анализа характеристик различных типов ТЭ.

2. Создание алгоритма, методики, математической модели расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанных на математических уравнениях (моделях), описывающих реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

3. Программная реализация на ЭВМ пакета, состоящего из математической модели функционального ТОТЭ, включенного в систему.

ОУЮчуТ, позволяющего определять параметры различных схем КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ. Проверка адекватности математической модели ТЭ.

4. Исследование повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13−300 (ГТЭ -10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

Область исследования — рабочие процессы ТОТЭ' и ЭХГ, схемы и характеристики КЭУ на основе ГТУ и ТОТЭ.

Объект исследования — комбинированные энергетические установки на базе ГТП-10/95 «Шакша» и ТОТЭ, их схемы, рабочие процессы и характеристики.

Методы исследования основаны на использовании:

• теории авиационных ГТД;

• основ термодинамики, теплопередачи, механики жидкости и газа;

• теории электрохимических процессов, проходящих внутри ТЭ;

• системного анализа и объектно-ориентированного подхода при моделировании сложных процессов и изделий;

• методов современных информационных технологий;

• численных методов решения систем нелинейных уравнений.

Научная новизна работы:

Впервые созданы алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе АД и ТОТЭ, опирающиеся на математические уравнения, описывающие реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

Создан реализованный на ЭВМ программный пакет, позволяющий осуществлять структурнопараметрический синтез и анализ КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из созданной математической модели твердооксидного топливного элемента ЗОБС (официально зарегистрирован в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 2 009 613 945 от 24.07.2009 г.), включенной в систему ОУЮуТ.

Впервые получены результаты расчетных исследований, обосновывающих возможность повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13−300 (ГТЭ — 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается использованием базовых фундаментальных положений теории электрохимических процессов, теории рабочих процессов ГТД, термодинамики равновесных химических реакций и подтверждается сопоставлением теоретических результатов исследований с экспериментальными характеристиками созданных ТОТЭ и энергетических установок на их основе.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель и ее программная реализация в виде модуля ЗОБС позволяют производить расчет основных параметров и характеристик ТЭ. Включение в программный комплекс БУЮуТ модуля позволяет рассчитывать характеристики различных схем КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ:

— на этапе проектирования — повысить эффективность процессов проектирования КЭУ на базе ГТД надстройкой их ЭХГ из ТОТЭ;

— на этапе исследований — возможность анализа работы проектируемых или созданных КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ на установившихся режимах, а также замены ряда экспериментов, связанных с натурными испытаниями на дорогостоящем оборудовании, на численное моделирование;

— в учебном процессе — выполнять термодинамическое моделирование КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ при проведении лабораторных работ, в курсовом и дипломном проектировании.

Реализация результатов работы. Разработанный программный модуль ЗОБС и результаты проведенных автором исследований с его использованием, внедрены в ОАО НПП «Мотор», ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ) в учебном процессе кафедр «Авиационные двигатели» и «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика», а также в научно-исследовательской деятельности университета.

Использование модуля SOFC подтверждено прилагаемыми актами.

На защиту выносятся:

1. Алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, опирающиеся на математические уравнения, описывающие реакции пароводяной конверсии топлива в ТОТЭ, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

2. Реализованный на ЭВМ программный пакет, позволяющий осуществлять структурнопараметрический синтез и анализ КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из созданной математической модели твердооксидного топливного элемента SOFC, включенной в систему DVIGwT.

3. Результаты расчетных исследований, обосновывающих возможность повышения эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13−300 (ГТЭ — 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались на 6 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Международной молодежной научной конференции «XII Туполевские чтения» (Казань. 10−11 ноября 2004 г.) — II научно — технической конференции молодых специалистов, посвященной годовщине образования ОАО «УМПО». (Уфа. 5−7 июля 2006 г.) — Международной научно — технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара. 24−26 июня 2010 г.) — научно-технической конференции «Мавлютовские чтения». (Уфа. 27−28 октября 2009 г.) — всероссийской конференции «ТОТЭ и ЭУ на их основе» (Черноголовка. 1618 июня 2010 г.), на III международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» в ЦИАМ (Москва. 30 ноября — 3 декабря 2010 г.).

Программный модуль SOFC зарегистрирован в Федеральном институте промышленной собственности РОСПАТЕНТа в соавторстве с Горюновым И. М. и Бакировым Ф. Г.

Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на научно-технических советах ОАО «НПП «Мотор» (НТС в 2010 г.), ФГУП УАП «Гидравлика» (НТС в 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 3 статьи в изданиях из списка ВАК и 1 свидетельство Роспатента об официальной регистрации модуля программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя в разработку проблемы. Все основные положения, связанные с разработкой алгоритма математического моделирования ТОТЭ, учитывающего внутренние электрохимические процессы ТОТЭ, программная реализация алгоритма в системе БУЮуТ, проверка адекватности предложенного алгоритма в сравнении с экспериментальными данными «РФЯЦ-ВНИИТФ», а также расчетные исследования по повышению эффективности КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ выполнены и разработаны автором лично.

Автор выражает признательность д.т.н., профессору И. М. Горюнову за научные консультации, возможность использования системы моделирования БУЮуТ, за поддержку и полезное обсуждение работы, а также помощь в проверке выдвинутых гипотез, А. С. Липилину (Институт электрофизики УрО РАН) за поддержку и полезное обсуждение работы.

Автор данной работы выражает благодарность проф. МГТУ им. Э. Баумана Б. Г. Трусову за предоставленный модуль для расчета равновесного состава смеси, включенный в программный модуль ЗОБС.

Специалистов ОАО «НГПГМотор» О. И. Болдырева, Т. А. Каримоваавтор благодарит за ценную помощь и предоставленные данные, В. В. Кулаева — (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина») за предоставленные экспериментальные данные по твердооксидным топливным элементам.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

Г. На основании! сравнительного анализа характеристик различных типов ТЭ по рабочей температуре, единичной мощности, плотности тока и плотности г мощности, ресурсу, виду применяемых, горючего^ иокислителясложности" конструкции.1 и-" изготовления, выявленочто. наиболее подходящим^ видом ТЭ, для' применения в КЭУ на. базеГТУ являются, ТОТЭ. Для оценки эффективности ТОТЭ определены следующие критерии: ЭДС, напряжение ТЭ, плотность тока, плотность мощности, КПД' (эффективный, термический, по напряжениюфарадеевский).

2. Созданы математическая модель, алгоритм, методика расчета КЭУ на базе ГТД' и ТОТЭ, основанные наматематических, уравнениях (моделях), описывающих реакции* пароводяной" конверсии топлива-, внутренние электрохимические реакцииТОТЭ, без привязки, к В АХ конкретных ТОТЭ.

3. На базе разработанного * алгоритма создан программный продукт на ЭВМ, представляющий * собой математическую модель ТОТЭвключенную в систему ВУЮуТ. Программа-позволяет определять параметры различных схем, КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ: Разработанная и реализованная на ЭВМ математическая модель функционального твердооксидного топливного элемента БОБС (официально зарегистрирована в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство-]^ 2 009 613 945 от 24.07.2009 г.), включенная-в систему ОУЮшТ. Согласованность результатов расчетных исследований ТОТЭ с известными данными подтверждает адекватность описания рабочих процессов и применимость разработанной математической модели ЗОГС.

4. Расчетные исследования обосновывают повышение эффективности ГТУ на примере КЭУ, созданной на базе конвертированного авиационного двигателя Р13−300 (ГТЭ — 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ:

КЭУ на базе ГТЭ-10/95 и ЭХГ (схема №. 1), работающегона отборе воздуха за КНД, характеризуется минимальной модернизациейисходной-ГТЭ: Вырабатываемая. электроэнергия и электрическийКПД по выработке: достаточно низкие (22,75% при электрической мощности 8543 кВт).

КЭУ с замененнойкамерой сгорания наЭХГ (схема № 2), в ГТЭ-10/95 требует значительных, переделок, однако экономический эффект от такого вложениякомпенсируется, повышением электрическойсуммарноймощности КЭУ до 20 630 кВт и повышением КПД до 30,82%.

Схема КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ на базе ТОТЭ (схема № 3), питающегося 0,3 МПа. воздухом требует. также значительных переделок, при этом суммарная электрическая мощность достигает 14 004 кВт при КПД по выработке электроэнергии в 27,75%.. ' - '.

Дроссельные характеристики показывают, что со снижением приведеннойчастотывращенияКНД в схеме № 2 КПДпо выработке электроэнергии возрастает и при приведенной частоте КНДравной 7100 об/мин (2 МВт ГТЭ) достигает 35%, в то время как в базовой ГТЭ. снижается до 12%, — мощность в схеме № 2 падает при снижении приведеннойчастоты вращения КНД с 9627 до 7100 об/мин (с 8 до 2 МВт ГТЭ), при этом? мощность КЭУ уменьшается с 20 630 до 12 436 кВт.

Анализ характеристик КЭУ показывает, что наиболее эффективной для модернизации и повышения эффективности ГТЭ-10/95 является, схема КЭУ с заменой камеры сгорания на ЭХГ на базе ТОТЭ.

Функциональные возможности, реализованные в модуле моделирования твердооксидных топливных элементов 80БС, позволяют за счет создания новых схем КЭУ с ТОТЭ, уточнения описания рабочих процессов внутри ТЭ, в том числе с применением рабочих тел с различными теплофизическими свойствами, сократить сроки проектирования и исследования^ повысить качество создаваемых комбинированных энергетических установок на базе ТОТЭ в производстве и эксплуатации.