На правах рукописи

ЛОСКУТНИКОВ Александр Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ

ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ АВИАЦИОННОГО

ГТД И ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДЕ

Специальность:

05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели

и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2010

Работа выполнена на кафедре авиационной теплотехники и теплоэнергетики ГОУ ВПО “Уфимский государственный авиационный технический университет” (УГАТУ)

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Бакиров Федор Гайфуллович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Кривошеев Игорь Александрович кафедра авиационных двигателей Уфимского государственного авиационного технического университета – доктор технических наук, профессор, Нефёдкин Сергей Иванович научный центр водородной энергетики Московского энергетического института (технического университета)

Ведущая организация – ФГУП УАП «Гидравлика», г. Уфа

Защита состоится 24.12.2010 г. в 14.00 часов в конференц-зале II корпуса на заседании диссертационного совета Д 212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000 Уфа, ул. К. Маркса, 12. Телефон (347) 273-06-81, факс (347)-272-29-18, e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

Автореферат разослан “_” _ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, профессор _ Ф.Г. Бакиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

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.

В целях 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%. В ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова»

ведутся исследования по повышению эффективности ГТД и ЭУ на их базе введением ТЭ, применению ТЭ на борту летательных аппаратов.

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.

Известные программные комплексы математического моделирования позволяют выполнять термогазодинамические расчеты только ГТД (ГРАД, DVIGwT, GasTurb и др.) или ТЭС, ПТУ (Boiler Designer 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 ТЭ, 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.

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

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 твердооксидных ТЭ (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 DVIGwT, 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- (ГТЭ – 10/95) и ЭХГ из ТОТЭ.

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 структурно- параметрический синтез и анализ КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из созданной математической модели твердооксидного топливного элемента SOFC (официально зарегистрирован в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 2009613945 от 24.07.2009 г.), включенной в систему DVIGwT.

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

Методы исследований 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.

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 SOFC позволяют производить расчет основных параметров и характеристик ТЭ. Включение в программный комплекс DVIGwT 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 SOFC и результаты проведенных автором исследований с его использованием, внедрены в ОАО НПП «Мотор», ФГУП УАП «Гидравлика», ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ) в учебном процессе кафедр 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 структурно- параметрический 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. 10ноября 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- июня 2010 г.); научно- технической конференции ”Мавлютовские чтения”.

(Уфа. 27-28 октября 2009 г.); всероссийской конференции ”ТОТЭ и ЭУ на их основе” (Черноголовка. 16-18 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 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 DVIGwT, 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.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного материала, библиографического списка из наименований, изложенных на 148 страницах, и трех приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе на основе рассмотрения преимуществ авиационных ГТД, в результате которых они могут быть конвертированы в ЭУ различного назначения, проведен аналитический обзор основных способов конвертирования и повышения эффективности ГТД, а также модернизации конвертированных ГТД в КЭУ с ЭХГ на базе ТОТЭ.

Сделан вывод о том, что значительно повысить КПД ЭУ по мощности до 75% возможно с применением КЭУ на основе ГТД и ТЭ. Рассмотрены преимущества некоторых схем КЭУ с ГТД и ТЭ:

- схема КЭУ, в которой ТЭ замещает камеру сгорания ГТУ;

- схема КЭУ с ТЭ с внутренней конверсией природного газа;

- схема КЭУ с ТЭ, работающими на продуктах газификации углей.

Проанализирована актуальность разработки и внедрения ТЭ. За рубежом этой проблемой занимаются длительное время: W. Vielstich, К.

Kordesch, E. Cairns, K. Wiesener, N.F. Bessette, Pei Wen Li, Kenjiro Suzuki, а также корпорации “Plug Power”, “General Electric Corp.”, “Vaillant”, “MTU”, “Fuell Cell Energy”.

В России исследования в области ТЭ отмечены работами А. С.

Липилина, Н. В. Коровина, А. Н. Фрумкина, А. Н. Барабошкина, В. П.

Легасова, Н. Н. Баталова, А. К. Демина, Э. И. Григорова, В.Д. Бурова, Е.А.

Захаренкова, а также разработками предприятий: РКК “Энергия”; ГНПП “Квант”; Институт электрофизики УрО РАН г. Екатеринбург); РФЯЦ — ВНИИТФ; ЦИАМ; РФЯЦ “ВНИИЭФ” (г. Саров); ГНЦ “Физикоэнергетический институт” (г. Обнинск); ГНЦ “Курчатовский институт” (г.

Москва); МЭИ (ТУ) и др.

Сделан вывод о необходимости создания программного модуля, позволяющего учитывать электрохимические внутренние процессы ТЭ для рассмотрения КЭУ на базе ГТД и ТЭ в целом.

Анализ существующих программных комплексов моделирования ГТД и ЭУ, а также ТЭ (ЦИАМ, ГРАД, DVIGwТ, GasTurb, GSP, Ebsilon Professional, United cycle, АСТРА и др.) выявил отсутствие эффективного, надежного и простого в эксплуатации модуля расчета параметров ТЭ, что делает невозможным выполнение системных исследований КЭУ на их основе.

Буров В.Д. и Захаренков Е.А. (МЭИ (ТУ)) при создании программного продукта для расчета ТЭ не рассматривают процесс пароводяной конверсии (ПВК) углеводородного топлива в ТЭ, а также не учитывают электрохимические особенности протекания реакций в ТЭ.

Из выполненного анализа работ следует, что актуальной задачей являются разработка алгоритма расчета ТЭ, учитывающего внутренние электрохимические процессы, необходимого для выполнения исследований рабочих процессов как ТЭ отдельно, так и КЭУ сложных схем и циклов с различными рабочими телами. Проведение исследований по повышению эффективности существующих ГТД путем их конвертации в КЭУ с ТЭ.

Сформулирована цель и определено основное направление исследований – создание алгоритма структурно-параметрического синтеза и анализа ТЭ в конфигурации программной среды САМСТО, позволяющего встроить его в программный комплекс DVIGwT.

Во второй главе рассмотрены физико-химические процессы, проходящие внутри ТЭ, а также произведен выбор оптимального типа ТЭ для совместной работы с ГТД в составе КЭУ. Рассмотрены составные части ЭХГ, основной частью которого является ТОТЭ.

Автором выбраны ТОТЭ, как наиболее перспективные ТЭ для применения в КЭУ на базе конвертированных авиационных ГТД. Это связано с возможностью соединения ТОТЭ и ГТД по газовым, топливным и воздушным потокам.

Наиболее приемлемым для ТЭ окислителем является кислород воздуха, а оптимальным топливом – водород, получаемый ПВК при применении углеводородного топлива. ТЭ помимо электроэнергии вырабатывает теплоту (теплоту Пельтье).

Опираясь на выводы и результаты работ Н. В. Коровина, В. Н.

Борисова, М. А. Ахлюстина сделан вывод о том, что основным параметром ТЭ является электродвижущая сила (ЭДС), зависящая от парциальных давлений исходных веществ и продуктов реакции ТЭ.

ЭДС ТЭ определяется по следующей формуле:

где и - стехиометрические коэффициенты j-х исходных веществ и продуктов реакции в уравнении реакции;

иp - парциальные давления j-х исходных веществ и продуктов реакции;

n – число моль-эквивалентов на 1 моль превращенного вещества;

F – постоянная Фарадея;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура реакции;

Eэ0 - стандартная ЭДС элемента.

Для обеспечения согласованного снабжения ГТД и ТЭ в составе КЭУ топливом, применяется двустадийная ПВК. Для предупреждения сажеобразования отношение пар/газ должно быть не менее 3.

Рассмотрен электрохимический генератор (ЭХГ) – установка, состоящая из батареи ТЭ, систем подвода и распределения топлива и окислителя по ТЭ, систем отвода продуктов реакции и теплоты, систем автоматики для регулирования режимов работы ТЭ. Эффективный КПД e разработанных ЭХГ составляет 0,45 - 0,65, для ЭХГ с конверсией топлива имеет более низкие значения 0,3 - 0,45. Выбраны основные критерии оценки эффективности работы ТЭ на основании работ Коровина Н. В.:

напряжение, мощность, КПД (термический, эффективный, по напряжению u, фарадеевский f,), генерируемая в ТЭ теплота, плотность тока, плотность мощности.

Весь комплекс физико-математических процессов и соответствующих элементов системы по режимам работы и характеристикам рассмотрен с ориентацией на перспективу использования при создании КЭУ на базе ГТД и ТЭ.

В третьей главе разработаны алгоритм, методика, математическая модель расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанных на математических уравнениях (моделях), описывающих реакции ПВК топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ (без привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ). Химические реакции рассматриваются как равновесные.

На ЭВМ реализован программный пакет для расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, состоящий из математической модели ТОТЭ, включенной в систему DVIGwT (SOFC). Основу математической модели составляют уравнений характеристик ТОТЭ, приведенных в работах Коровина Н. В., Храмушина Н. И., Борисова В. Н. Параметры равновесных реакций определяются решением системы уравнений, описывающих химические превращения, реализованным в процедуре ”Termo”, разработанной Трусовым Б. Г. Остальные уравнения и зависимости – общеизвестные уравнения термодинамики, теплопередачи, электрохимии и механики жидкости и газа.

Математическая модель служит главным образом для определения ЭДС ТЭ. В качестве движущей силы перемещения заряда служит сила в виде постоянного потенциала, возникающего при протекании реакции между окислителем и топливом.

Созданная математическая модель ТОТЭ, базирующаяся на законах сохранения массы, энергии и уравнениях электрохимических реакций, рассматривает процессы в ТОТЭ. Ее особенностью является независимость от параметров ВАХ исследуемого ТОТЭ. Для нахождения электрохимических параметров реакции в ТОТЭ определяется сопротивление ТЭ в зависимости от расхода водорода на ТЭ и температуры основной реакции (опираясь на зависимость, полученную по экспериментальным данным, опубликованную Коровиным Н. В). При создании алгоритма возникли сложности с нахождением температуры основной реакции и энтальпии продуктов реакции, которые были решены методом последовательных приближений.

Математическая модель ТОТЭ адаптирована для создания модуля SOFC в программной среде САМСТО для программного продукта DVIGwT. В ТОТЭ имеются четыре потока: горючее, окислитель, водяной пар и продукты реакции (см. рисунок 1).

Выбрана система математического моделирования тепловых, энергетических и комбинированных установок DVIGwT, разработанная д.т.н. Горюновым И. М. (УГАТУ), в которую был встроен созданный модуль расчета SOFC.

Информационно-математическая модель ТОТЭ (см. рисунок 2) имеет несколько уровней: визуальный, топологический, текстовый и алгоритмический.

Входные параметры Газовый (окислитель) Рисунок 2 – Информационная модель элемента SOFC Описаны входные параметры, алгоритм расчета ТОТЭ и полученные в выходные данные.

Особенности алгоритма. Для наглядности алгоритм приведен в виде блок-схемы на рисунке 3.

Имеется три информационных потока: топливо, окислитель, водяной пар (шаг 1 алгоритма). 2 шаг алгоритма - расчет смеси топлива и водяного пара для дальнейшего расчета ПВК. 3 шаг – расчет равновесных параметров реакции ПВК смеси при температурах порядка 900-1000 К. шаг – расчет смеси необходимой части водорода (после ПВК) и кислорода воздуха (без прохождения основной реакции окисления). 5 шаг алгоритма – расчет равновесного состава смеси основной реакции.

Для оценки работоспособности и адекватности предложенного алгоритма, а также созданного модуля расчета SOFC выполнено моделирование отдельных ТОТЭ и ЭХГ. Оценка произведена в сравнении с экспериментальными данными РФЯЦ – ВНИИТФ (г. Снежинск).

При сравнении экспериментальных параметров ячейки ТОТЭ планарной конструкции, мощностью 0,55 Вт, с данными, полученными расчетом в модуле SOFC, отклонение не превышает 3%. Максимальное отклонение величины плотности мощности ячейки составило 2,74 %.

Произведено моделирование ЭХГ модуля ТОТЭ для макета ЭУ мощностью 1 кВт, который состоит из 16 последовательно соединенных батарей ТОТЭ Р111-Л305.030, каждая из которых состоит из 8 трубчатых ТОТЭ, соединенных параллельно. При сравнении полученных расчетных параметров с экспериментальными параметрами выявлено, что погрешность величины максимального напряжения не превышает 3,35 %.

Полученное расхождение экспериментальных и рассчитанных величин объясняется тем, что в программном продукте не учитывается влияние на внутренние процессы в ТЭ катализатора и применяемого электролита. В то же время экспериментальные данные также получены с определенной погрешностью измеренных параметров.

Согласованность результатов расчетных исследований с экспериментальными данными подтверждает адекватность предложенного алгоритма и применимость разработанной математической модели расчета ТОТЭ для исследований и новых разработок КЭУ.

Рисунок 3 – Блок - схема алгоритма расчета ТОТЭ В четвертой главе проведены исследования возможности повышения эффективности ГТЭ-10/95 при совместной работе с ТОТЭ в составе КЭУ.

С использованием системы DVIGwT и разработанного модуля расчета ТОТЭ SOFC созданы модели КЭУ.

За объект исследования принят газотурбинный привод ГТП-10/95, математическая модель которого приведена на рисунке 4. По данным ОАО “НПП”Мотор” произведен расчет при номинальной электрической мощности 8 МВт.

1 – ВУ; 2 – КНД; 3 – КВД; 4 – камера сгорания; 5 – ТВД; 6 – ТНД; 7 – смеситель воздуха; 8 – переходный канал; 9 – СТ; 10 – электрогенератор; 11 – охлаждение ТВД;

12 –охлаждение ТНД; 13 – охлаждение СТ; 14 – подача топлива; 15 – насос котловой воды; 16 – КУ; 17 – преобразователь информационного потока вода-пар; 18 – потребитель тепла; 19 – вход сетевой воды; 20 – выход газов из КУ; 21 – выход сетевой воды Для сравнительного расчета создана модель автономной ЭУ на базе ЭХГ, состоящего из ТОТЭ (см. рисунок 5) 1 – подвод на подогрев воздуха для ТОТЭ; 2 – газовоздушный теплообменник; 3 – подача воды для ТОТЭ; 4 – газовый подогреватель воды; 5,14 – преобразователи потока вода- пар; 6 – ТОТЭ; 7 – продукты реакции ТОТЭ; 8 – вход сетевой воды; 9 – насос котловой воды; 10 – котел-утилизатор (КУ); 11 – выход газов из КУ; 12 – выход сетевой воды; 13 – потребитель тепла; 15, 16– смесители; 17 – газовый подогреватель топлива; 18 – подача топлива; 19, 20 – отборы газа; 21 – подача продуктов реакции ТОТЭ на подогрев воздуха на входе в ЭХГ Рисунок 5 – Структурная схема автономной модели ЭУ на базе ЭХГ Произведено сравнение данных, полученных при моделировании ГТЭ-10/95 в программном комплексе DVIGwT с экспериментальными данными ОАО “НПП”Мотор”, расхождение не превышает 1 %, что подтверждает адекватность созданной модели.

Автономная ЭУ с ЭХГ при электрической мощности в 11906 кВт имеет Э=24,88 %, при этом передается 7988 кВт теплоты потребителю.

Расчетные исследования различных КЭУ на номинальном режиме обосновывают возможности повышения эффективности газотурбинной установки ГТЭ-10/95 в составе КЭУ при совместной работе с ЭХГ, состоящим из ТОТЭ. Рассмотрен способ повышения эффективности ГТЭвведением ЭХГ, состоящего из ТОТЭ, в который подается воздух, отобранный за КНД (структурная схема приведена на рисунке 6).

Рисунок 6 – Структурная схема модели ГТЭ-10/95 с ЭХГ на базе ТОТЭ, работающем на отборе воздуха за КНД (схема № 1) Допустимый расход отбираемого воздуха за КНД для ЭХГ, обеспечивающий стабильную работу ГТЭ, выбран по расчетам, предоставленным Каримовым Т. Р. (ОАО “НПП “Мотор”), который составляет не более 4 % от расхода воздуха на входе в КНД. В состав ЭХГ входит: газовоздушный подогреватель воздуха, парогенератор, газовый подогреватель топлива и батареи ТОТЭ. Выбран режим ПВК, при котором температура основной реакции ТЭ (1197 - 1293 К) отличается от температуры ПВК (не менее 925 К), что объясняется недостаточными параметрами исходных веществ.

Проведены расчетные исследования возможности повышения эффективности ГТЭ-10/95 заменой камеры сгорания (КС) на ЭХГ (состоящий из ТОТЭ) с камерой дожигания, обеспечивающей подогрев продуктов реакции ЭХГ для подачи их в ТВД. На рисунке 7 приведена структурная схема разработанной математической модели.

Рисунок 7 – Структурная схема КЭУ на базе ГТЭ-10/95 с замененной КС на ЭХГ состоит из газовоздушного подогревателя воздуха, парогенератора, газового подогревателя топлива и батареи ТОТЭ. Расход топлива в камере дожигания намного меньше, чем в КС ГТЭ. Топливо, направляемое в ЭХГ, предварительно подогревается водой, нагретой в КУ.

В ЭХГ смешиваются сжатый воздух с топливом, прошедшим предварительную ПВК. Пар для ПВК генерируется из части питательной воды в КУ, состоящей из пароперегревателя, испарителя и экономайзера.

Расходы воздуха, топлива и пара, направляемые в ЭХГ, количество параллельно и последовательно соединенных ячеек ТОТЭ определены по соотношению к расходу воздуха в ГТЭ, соответствующим данным Siemens Westinghouse Corp.

Температуры ПВК и основной реакции в ЭХГ равны и подобраны с учетом рекомендаций работ Коровина Н. В., Борисова В. Н., Демина А. К.

Произведено исследование повышение эффективности ГТЭ-10/95 в составе КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ, питающегося воздухом от КНД (0,3 МПа) (рисунок 8).

Рисунок 8 – Структурная схема КЭУ на базе каскада НД ГТЭ-10/95 и ЭХГ на базе ТОТЭ, питающегося воздухом от КНД (0,3 МПа) (схема № 3) Анализ результатов расчетных исследований показывает, что схема № 1 характеризуется минимальной модернизацией исходной ГТЭ, вырабатываемая электроэнергия и э достаточно низкие (22,75 % при кВт), в то время как схема № 2 требует значительных переделок, однако это компенсируется повышением электрической мощности КЭУ до кВт (вместо 8000 кВт базовой ГТЭ) и повышением э до 30,82 % (вместо 22,63% базовой ГТЭ). Схема № 3 требует также значительных переделок, при этом электрическая мощность достигает 14004 кВт при э 27,75%.

Произведен анализ дроссельных характеристик рассмотренных выше схем КЭУ. Зависимости основных параметров КЭУ от nпр КНД приведены на рисунках 9 а, б, в, г, д. Для базовой ГТЭ-10/95, схем №№ 1, 2 параметры получены в диапазоне приведенных частот вращения ротора КНД (nпр КНД), соответствующих мощности от 8 до 2 МВт, для третьей схемы - от 1,2 МВт до 0,050 МВт. В схеме № 1 за счет отбора воздуха за КНД увеличилась пропускная способность свободной турбины на 4%, так как 4% расхода воздуха было отобрано из КНД.

C уменьшением nпр КНД суммарные расходы топлива на ГТУ и исследуемые КЭУ уменьшаются. Суммарная электрическая мощность (NКЭУ) базовой ГТУ и рассматриваемых схем КЭУ с падением nпр КНД уменьшается (рисунок 9а). При nпр КНД = 9627 об/мин (8 МВт ГТЭ) мощность базовой ГТЭ равна 8000 кВт, в схеме № 1 – увеличена на 6,78%, в схеме № 2 - возросла в 2,58 раза, а в схеме, основанной на контуре НД ГТУ (схема № 3) больше в 1,75 раза мощности базовой ГТЭ. Такое резкое увеличение NКЭУ в схеме № 2 объясняется более высокими термодинамическими параметрами входных потоков веществ в ЭХГ, что повлекло за собой резкое увеличение как мощности ЭХГ, так и расхода топлива. Следовательно, мощность в КЭУ в целом увеличилась.

Анализ изменения электрического КПД рассматриваемых схем (рисунок 9б) показывает, что при снижении nпр КНД в схемах № 1,3 и базовой ГТЭ - э уменьшается, а в схеме № 2 - э возрастает и при nпр КНД 7100 об/мин (2 МВт ГТЭ) достигает 35 %, в то время как у базовой ГТЭ – э = 12%, а в схеме № 1 – э = 14 %. В схеме № 3 при минимальном значении nпр КНД = 8900 об/мин (0,5 МВт ГТЭ) э = 17%. Объясняется это тем, что в схемах № 2, 3 электрическая мощность снижается не так интенсивно, как уменьшается суммарный расход топлива на КЭУ при дроссельных режимах. Повышение э с уменьшением nпр КНД есть следствие распределения электрической мощности между ГТЭ и ЭХГ так как ЭХГ работает практически на стационарном режиме.

При рассмотрении характеристик ЭХГ на дроссельных режимах в составе КЭУ необходимо отметить тенденцию уменьшения плотности тока и плотности мощности (см. рисунки 9в, 9г) с уменьшением nпр КНД. Для схемы № 2 значения этих параметров во всем исследуемом диапазоне располагаются выше значений остальных исследуемых схем. Это объясняется тем, что в схеме № 2 электрическая мощность больше, чем в остальных схемах, при равных параметрах единичных ТЭ. При nпр КНД = 9627 об/мин (8 МВт ГТЭ) в схеме № 1 плотность тока равна 1712 А/м (плотность мощности 697 кВт/м2), в схеме № 2 - 1749 А/м2, (729 кВт/м2).

В схеме № 2 исследуемая температура несколько ниже базовой, так как камера дожигания установлена для обеспечения поддержания пропускной способности ТВД. В схеме № 1 температура после камеры сгорания выше базовой, что объясняется необходимостью компенсировать отобранный за КНД воздух повышенной температурой газов камеры сгорания для обеспечения пропускной способности ТВД.

Таким образом, рассмотренные схемы КЭУ подтверждают эффективность использования разработанных методики расчета и программного продукта для прогнозирования характеристик вновь разрабатываемых КЭУ на базе конвертированных авиационных ГТД и ТЭ, а также на основе ГТУ другого назначения.

Рисунок 9 – Зависимость параметров исследуемых ЭУ от nпр КНД: а – общей электрической мощности ЭУ; б – электрический КПД ЭУ; в – плотности тока ЭХГ; г –

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании сравнительного анализа характеристик различных типов ТЭ по рабочей температуре, единичной мощности, плотности тока и плотности мощности, ресурсу, выявлено, что наиболее подходящим видом ТЭ, для применения в КЭУ на базе ГТУ являются ТОТЭ. Для оценки эффективности ТОТЭ определены следующие критерии: ЭДС, напряжение ТЭ, плотность тока, плотность мощности, КПД (эффективный, термический, по напряжению, фарадеевский).

2. Созданы математическая модель, алгоритм, методика расчета КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ, основанные на математических уравнениях (моделях), описывающих реакции пароводяной конверсии топлива, внутренние электрохимические реакции ТОТЭ, отличие которых заключается в отсутствие привязки к ВАХ конкретных ТОТЭ.

3. На базе разработанного алгоритма создан программный продукт на ЭВМ, представляющий собой математическую модель ТОТЭ, включенную в систему DVIGwT. Программа позволяет определять параметры различных схем КЭУ на базе ГТД и ТОТЭ. Разработанная и реализованная на ЭВМ математическая модель функционального твердооксидного топливного элемента SOFC (официально зарегистрирована в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ), свидетельство № 2009613945 от 24.07.2009 г.), включенная в систему DVIGwT. Согласованность результатов расчетных исследований ТОТЭ с известными данными подтверждает адекватность описания рабочих процессов и применимость разработанной математической модели SOFC.

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 с ЭХГ из ТОТЭ, работающем на отборе воздуха за КНД характеризуется минимальной модернизацией исходной ГТЭ. Вырабатываемая электроэнергия и электрический КПД по выработке достаточно низкие (22,75 % при электрической мощности 8543 кВт). КЭУ на базе ГТЭ-10/95 с замененной КС на ЭХГ требует значительных переделок ГТУ, однако экономический эффект от такого вложения компенсируется повышением электрической суммарной мощности КЭУ до 20630 кВт и повышением КПД до 30,82 %. КЭУ на базе каскада НД ГТЭи ЭХГ из ТОТЭ, питающегося воздухом 0,3 МПа требует также значительных переделок, при этом суммарная электрическая мощность достигает 14004 кВт при КПД по выработке электроэнергии в 27,75%.

Дроссельные характеристики показывают, что со снижением nпр КНД КЭУ на базе ГТЭ-10/95 с замененной КС на ЭХГ КПД по выработке электроэнергии возрастает и при nпр КНД = 7100 об/мин (2 МВт ГТЭ) достигает 35%, (в то время как в базовой ГТЭ снижается до 12%), а мощность КЭУ падает при снижении nпр КНД с 9627 до 7100 об/мин (с 2 до МВт ГТЭ), при этом мощность КЭУ уменьшается с 20630 до 12436 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 ТОТЭ “SOFC”, 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 КЭУ на базе ТОТЭ в производстве и эксплуатации.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в резецируемых журналах из списка ВАК:

1. Алгоритм расчета комбинированных энергоустановок на базе ГТД и твердооксидных топливных элементов. / Ф. Г. Бакиров, И. М. Горюнов, А. А. Лоскутников // Вестник СГАУ №3 (19), часть 1. – Самара: изд.

СГАУ, 2009, - С. 235-243.

2. Разработка модуля термодинамического расчета твердооксидных топливных элементов SOFC. / И. М. Горюнов, Ф. Г. Бакиров, А.С.

Липилин, В.В. Кулаев, А.А. Лоскутников // Вестник Воронежского государственного технического университета, Т. 6. №10. – Воронеж: изд.

ВГТУ, 2010, – С. 186-190.

3. Лоскутников, А. А. Исследование возможности повышения эффективности ГТЭ-10/95 при совместной работе с ТОТЭ в составе КЭУ. / И. М. Горюнов, Ф.Г. Бакиров // Вестник Воронежского государственного технического университета, Т. 6. №10. – Воронеж: изд. ВГТУ, 2010, – С.

155-163.

Статьи в других изданиях:

4. Лоскутников, А. А. Авиадвигателестроение как база для развития энергосберегающих технологий для энергетики. / XII Туполевские чтения:

Материалы международной молодежной научной конференции // Казань, 10-11 ноября 2004 г. – Казань: изд. КГТУ, 2004. – С. 215-216.

5. Лоскутников, А. А. Перспективы развития комбинированных установок на базе ГТУ и топливных элементов //: Сборник тезисов II научно- технической конференции молодых специалистов, посвященной годовщине образования ОАО ”УМПО”, Уфа, 5-7 июля 2006 г. – Уфа: изд.

ОАО ”УМПО”, 2006. – C. 36-38.

6. Лоскутников, А. А. Гибридные энергоустановки на базе ГТД и твердооксидных топливных элементов. / Ф. Г. Бакиров // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция. Сборник в томах. Том 1. – Уфа: изд. УГАТУ, 2009. – C. 71-72.

7. Лоскутников, А. А. Расчет твердооксидных топливных элементов // Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2. Химия, новые материалы, химические технологии, машиностроение, электроника, приборостроение, теоретические и практические проблемы экономического развития, естественные наук: Сборник трудов пятой всероссийской зимней школысеминара аспирантов и молодых ученых, 17 - 20 февраля 2010 г. - Уфа: изд.

УГАТУ, 2010. - С. 274 - 278.

8. Лоскутников, А. А. Исследования возможностей повышения эффективности ГТЭ-10/95 при совместной работе с ТОТЭ. / И. М.

Горюнов, Ф. Г. Бакиров, А. С. Липилин // Твердооксидные топливные элементы и энергоустановки на их основе: Всероссийская конференция, Черноголовка, 16-18 июня 2010 г. – Черноголовка: изд. ИНФТ РАН, 2010.

– С. 103-104.

9. Свидетельство в Российском Агентстве по Патентам и Товарным Знакам (РОСПАТЕНТ) № 2009613945 от 24.07.2009 г.

ЛОСКУТНИКОВ Александр Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА

ОСНОВЕ КОНВЕРТИРОВАННОГО АВИАЦИОННОГО ГТД И

ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В КОМПЬЮТЕРНОЙ СРЕДЕ

05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов диссертации на соискание ученой степени Подписано к печати 19.12.2010. Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Таймс.

Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт.1,0. Уч.-изд. л. 1,0.

ГОУВПО Уфимский государственный авиационный технический университет