Microturbine with efficiency of over 43%

Abstract

The paper considers the results of mathematical modeling of strain state of a non-uniformly heated ceramic frame of rotary heat exchanger of multi-purpose gas turbine engine with the power of 300 kW . Received a conclusion that the implementation of frame heat exchanger made from ceramics will enable the design of the rotary heat exchanger with high degree of regeneration (95-97%), without increasing the amount of air leaks through the seals of the heat exchanger.

Full Text

В настоящее время большая часть субъектов РФ - 52 из 80 (или 65%) являются дефицитными по электроэнергии, из них значительная часть – 35 субъектов (44%) с дефицитом более трети региональной потребности в электроэнергии. В то же время рост спроса на энергоносители со стороны потребителей относительно небольшой мощности говорит о наличии огромного рынка потребителей микротурбинных энергетических установок, обеспечивающих меньшую стоимость производимой электроэнергии по сравнению с поршневыми аналогами (за счет практически полного отсутствия технического обслуживания, большого ресурса и применения дешевого топлива). По оценкам, сделанным ИНЭИ РАН, ИСЭМ СО РАН и др., ожидается, что в ближайшие годы на рынке микротурбин произойдут существенные изменения в сторону увеличения. Продажа микротурбин оценивается величиной около 42 млн. USD ежегодно. Значительные перспективы имеются и для применения микротурбин на транспорте. Связано это с перспективами развития рынка автомобилей с гибридными силовыми установками. Так, по результатам исследования японской аналитической компании Yano Research Institute, ожидается 16-кратный рост рынка гибридных автомобилей в течение десяти лет – с 0,32 млн. ед. в 2005 г. до 5,37 млн. в 2015 г. Несмотря на огромный спрос, в России энергоустановки на базе регенеративных микротурбин не производятся. Импортные энергоустановки на базе микротурбин имеют очень высокую стоимость (что в значительной степени связано с монополией нескольких ведущих фирм-производителей, таких как Capstone Turbine Corp. и др.) и меньший электрический КПД (до 34%) по сравнению с энергоустановками на базе дизельных и газовых двигателей (до 40%). Увеличение электрической эффективности энергоустановок с микротурбинами до 43-50% можно получить за счет роста максимальной температуры газа и применения теплообменника со сверхвысокой степенью регенерации (95-97%). Первое направление возможно за счет применения в малоразмерных газотурбинных двигателях (ГТД) высокотемпературной керамики, и поэтому может рассматриваться только в качестве перспективы, а второе вполне реально для настоящего времени, причем с опорой на отечественную разработку компактного роторного теплообменника. Теплообменник прошел многочасовые испытания на стенде и в составе малоразмерных транспортных микротурбин мощностью 150 и 300 кВт, разработанных на Горьковском автомобильном заводе (ГАЗ) при активном участии Университета машиностроения (МАМИ) [1]. Полученная эффективность теплообменника составила 86%. Увеличение степени регенерации роторного теплообменника до 95% приведет, как показали расчетные оценки, почти к двукратному увеличению его размеров и массы, что вследствие высокой компактности теплообменника не приведет к недопустимому ухудшению габаритно-массовых показателей газотурбинного двигателя. Вместе с тем увеличение размеров теплообменника приведет к увеличению длины уплотнений и потенциально к росту утечек воздуха высокого давления и, соответственно, к меньшему увеличению кпд газотурбинного двигателя от подъема степени регенерации. В роторном теплообменнике МАМИ-ГАЗ уплотнения работают по плоским поверхностям дисков его каркаса (рисунок 1) [2]. В процессе работы каркас в связи с наличием температурной неравномерности деформируется. Величина этих деформаций по сути и определяет эффективность работы уплотнений. Почти двукратное снижение деформаций каркаса обеспечивает его охлаждение, предложенное и исследованное в работах [3, 4, 5]. Весьма интересным представляется рассмотреть возможность снижения деформаций за счет выполнения каркаса не из стали, а из графитокарбидокремниевой керамики (силицированный графита) с низким коэффициентом теплового расширения (3.9…4.6) 10-6 К-1. Помимо снижения тепловых деформаций силицированный графит, имеющий по сравнению со сталью почти в два раза большую теплопроводность, обеспечит более эффективное охлаждение каркаса, производимое для работоспособности уплотнительных элементов из термостойкого графита. Для выполнения поставленной задачи было проведено математическое моделирование теплодеформированного состояния каркаса из силицированного графита и для сравнения из стали 20. В качестве объекта исследования взят каркас роторного теплообменника транспортной микротурбины мощностью 300 кВт (рисунок 1). теплопередающий каркас элемент каркас теплообменника роторный теплообменник в сборе Рисунок 1 – Роторный теплообменник МАМИ-ГАЗ и его каркас Рисунок 2 – Температурное поле охлаждаемого стального (сталь 20) каркаса теплообменника ГТД мощностью 300 кВт Коэффициенты теплоотдачи и температуры теплоносителей брались из результатов математического моделирования теплогидравлических процессов в теплообменнике [5]. Исходные данные: · температура газа на входе в теплообменник 915К; · температура воздуха на входе в теплообменник 497К; · материал каркаса силицированный графит и сталь 20. Результаты выполненного математического моделирования приведены на рисунках 2-5. Рисунок 3 – Тепловые деформации охлаждаемого стального (сталь 20) каркаса теплообменника ГТД мощностью 300 кВт по оси Х Рисунок 4 – Температурное поле охлаждаемого керамического каркаса теплообменника ГТД мощностью 300кВт Рисунок 5 – Тепловые деформации охлаждаемого керамического каркаса теплообменника ГТД мощностью 300 по оси Х Как видно из рисунков, выполнение каркаса из силицированного графита приводит к снижению деформаций поверхностей дисков каркаса (с которыми контактируют уплотнения) в направлении оси вращения (на рисунках ось х) теплообменника до значения 0.14 мм (деформация дисков каркаса выполненного из стали 20 – 0.64 мм). Причем связано это не только с меньшим коэффициентом теплового расширения, но и с существенно большей теплопроводностью карбидокремниевой керамики по сравнению с металлом (сталь 20). Действительно, максимальная температура керамического каркаса почти на 60 градусов меньше температуры стального каркаса (рисунки 2 и 4). Таким образом, применение графитокарбидокремниевой керамики позволит почти в четыре раза снизить деформации каркаса и, как следствие, значительно повысить эффективность работы уплотнений теплообменника, что обеспечит возможность повышения эффективности теплообменника до 95% без увеличения утечек воздуха высокого давления.