Исследование и разработка прямоточного циклона с регулируемой жалюзийной решеткой для ГТУ с конвертированными авиационными ГТД тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛЕВИН АРТЕМ ЮРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ЖАЛЮЗИЙНОЙ РЕШЕТКОЙ ДЛЯ ГТУ С КОНВЕРТИРОВАННЫМИ АВИАЦИОННЫМИ

гтд

Специальность: 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

п 3 / ПР .¡14

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2014

005546777

005546777

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» на кафедре «Технология машиностроительных производств».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Кесель Борис Александрович

Официальные оппоненты:

Ваньков Юрий Витальевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения»;

Теляков Эдуард Шархиевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», профессор кафедры «Машины и аппараты химических производств»;

Ведущее организация - ООО «Научно-производственное предприятие «35-й Механический завод», г. Калуга.

Защита состоится 14 мая 2014 г. в 10.00 ч. на заседании диссертационного Совета Д 212.079.02 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10, в зале заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева — КАИ. Диссертация и автореферат размещены на сайте http://www.kai.ru.

Автореферат разослан 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., доцент

А.Г.Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Надежная работа газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных электростанций (ГТЭС) с приводом от конвертированного авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) в значительной степени определяется качеством очистки и подготовки циклового воздуха, которое обеспечивают воздухоочистительные устройства (ВОУ). Обеспечение надежности работы газотранспортной системы являются одним из приоритетных направлений деятельности ОАО «Газпром».

Применяемые в настоящее время технические средства и технологии очистки и подготовки циклового воздуха для газотурбинных двигателей имеют большое разнообразие по составу применяемого оборудования. Международная научная дискуссия о средствах и составе систем подготовки циклового воздуха в зависимости от мест их эксплуатации при условии обеспечения необходимой топливной эффективности и надёжности в настоящее время не завершена, что дополнительно повышает актуальность научных исследований в этой области. В частности, применяемые в современных газотурбинных установках двухступенчатые системы очистки, состоящие из элементов инерционной очистки и воздушных фильтров, приводят к значительным потерям мощности приводных установок из-за большого уровня гидравлического сопротивления.

Применительно к двигателю НК-16-18СТ уменьшение потерь на входе др'

на 200 Па позволит снизить расход топлива AGr на 4,72 кг/час, что в свою очередь позволит снизить расходы на топливный газ для собственных нужд, из расчёта на один ГТД, до 697 764 руб. за 25000 часов работы ГТД (при средней стоимости газа 4021 руб. (размер оптовых цен для промышленности в московском регионе с 1.07.2013) за 1000 м3). Таким образом, использование более совершенных систем фильтрации позволяет снизить уровень гидравлических потерь на входе в двигатель и, как следствие, уменьшить расход топлива и увеличить энергетическую эффективность установки, что отвечает современным требованиям в области энергосбережения и эффективного использования природных ресурсов.

В тоже время, изменяющиеся климатические условия атмосферного воздуха требуют разработки и внедрения средств активного управления и адаптации технологических систем очистки и подготовки циклового воздуха к реальным условиям эксплуатации (в холодный период года (зима) среднесуточная концентрация частиц пыли в окружающем воздухе имеет минимальное значение и на порядок ниже среднесуточной концентрации пыли в теплый период (лето)). Таким образом, из вышесказанного следует, что в зависимости от времени года к системам очистки и подготовки циклового воздуха должны предъявляться различные требования: обеспечение требуемого качества очистки в теплый период (максимальный уровень запыленности циклового воздуха) и минимизация уровня гидравлических потерь в зимний период за счет снижения качества очистки (т.к. концентрация пыли в окружающем воздухе в зимний период времени минимальна).

Кроме того, в современных прямоточных циклонах для повышения качества очистки циклового воздуха используются различного рода внутренние жалюзий-ные решетки. Влияние указанных конструктивных элементов на показатели эффективности работы прямоточных циклонов не учтено в существующих методи-

ках расчёта данного оборудования. Отсутствие на практике надёжных методик газодинамического расчета внутренних лопаток распрямителей воздушного потока не позволяет использовать известные методы для расчета сепарации твердых частиц и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов с внутренними жалюзийными решетками.

Объектом исследования в настоящей работе является прямоточный циклон со второй ступенью инерционной очистки, выполненной в виде жалюзийной решетки с интегрированной системой активного управления положением жалюзийных решёток для его работы к сезонным изменениям условий окружающей среды.

В работе рассматривается процесс сепарации твердых частиц из газового потока под действием центробежных сил в прямоточном циклоне с жалюзийной решеткой, а также технология поддержания технических характеристик ГТД на этапе отработки межремонтной наработки путем обеспечения требуемого качества очистки циклового воздуха и соответственно надёжности и топливной эффективности последнего.

Исходя из вышесказанного можно сформулировать цель данной работы: повышение эффективности прямоточных циклонов, используемых в системах очистки и подготовки циклового воздуха ГТУ в составе комплексных воздухоочистительных устройств (КВОУ), путем внедрения в их конструкцию системы активного управления положением жалюзийных решетки для адаптации указанных систем к сезонным изменениям условий окружающей среды, а также разработка методик расчета гидравлического сопротивления и сепарации твердых частиц для моделей прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой.

В рамках указанной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Провести анализ технологических систем инерционной пылеочистки и подготовки циклового воздуха, используемых в КВОУ ГТУ; выявить основные проблемы, связанные с использованием различных типов систем очистки и подготовки воздуха в составе КВОУ;

2. Провести анализ существующих методик расчета сепарации твердых частиц в прямоточных циклонах; выявить основные проблемы использования существующих методик для расчета прямоточных циклонов со второй ступенью инерционной пылеочистки; разработать методики расчета сепарации твердых частиц для моделей прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой для диапазона диаметров частиц пыли от 3 до 25 мкм (т.к. циклон является ступенью грубой очистки);

3. Провести анализ существующих методик расчета гидравлических потерь в прямоточных циклонах; выявить основные проблемы использования существующих методик для расчета гидравлических потерь прямоточных циклонов со второй ступенью инерционной пылеочистки; разработать методики расчета гидравлического сопротивления прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой и сформировать практические рекомендации по оптимизации конструкции прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой;

4. Разработать конструкцию прямоточного циклона с использованием системы активного управления положением жалюзийных решёток для адаптации его работы к сезонным изменениям условий окружающей среды; обосновать вы-

бора элемента конструкции циклона, предназначенного для обеспечения работы аппарата в двух режимах («зима-лето»); изготовить опытные образцы прямоточного циклона с системой активного управления; провести экспериментальные исследования разработанного аппарата в стендовых условиях для верификации полученных данных с расчетными значениями и подтверждения работоспособности системы активного управления в условиях, приближенных к эксплуатационным для вышеуказанных режимов..

Научную новизну работы составляют:

1. Разработана методика расчета сепарации твердых частиц для моделей прямоточных циклонов со второй ступенью инерционной пылеочистки для диапазона диаметров частиц пыли от 3 до 25 мкм.

2. Разработана методика расчета гидравлического сопротивления прямоточного циклона со второй ступенью инерционной пылеочистки.

3. Представлены практические рекомендаций по оптимизации конструкции прямоточного циклона со второй ступенью инерционной пылеочистки.

4. Разработан прямоточный циклон с системой активного управления положением жалюзийной решетки для адаптации его работы к сезонным изменениям условий окружающей среды.

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждена данными экспериментальных исследований разработанного устройства с использованием аттестованной измерительной аппаратуры, входящей в каталог стандартных средств измерений, а также приемлемой степенью совпадения расчётных и экспериментальных данных по определению характеристик прямоточного циклона.

Практическая ценность работы. Разработанная система активного управления позволит повысить топливную эффективность ГТУ за счёт адаптации работы прямоточного циклона со второй ступенью инерционной пылеочистки к сезонным изменениям условий окружающей среды и снизить уровень гидравлических потерь аппарата в целом на 21 Па (на 6%) при его эксплуатации в зимний период. Разработанный прямоточный циклон может быть использован в составе ВОУ как в качестве единственной системы фильтрации для ГТУ в составе ГПА и ГТЭС с газотурбинными приводами 2-го и 3-го поколений, так и в качестве ступени грубой очистки в составе двухступенчатых ВОУ.

Предлагаемые методики расчета позволяют с достаточной точностью прогнозировать коэффициенты пропуска пыли для диапазона частиц диаметром от 3 до 25 мкм, а также уровень гидравлических потерь в прямоточных циклонах со Второй системой инерционной пылеочистки. Методики применимы для оценки качества очистки и уровня гидравлического сопротивления прямоточных циклонов со второй ступенью инерционной пылеочистки для оперативного принятия технических решений при капитальном ремонте и реконструкции ГТУ и ГТЭС.

Сформулированные практические рекомендации позволяют оптимизировать конструкцию прямоточного циклона со второй ступенью инерционной пылеочистки на стадии проектирования нового аппарата.

Использование результатов. Результаты работы могут использоваться в организациях, занимающихся проектированием ГТУ и ГТЭС как при проектировании

новых ГПА, так и при капитальном ремонте и реконструкции уже эксплуатируемых. В настоящее время результаты работы готовятся к использованию в серийном производстве в ООО «НПП «35-й Механический завод» г. Калуга.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на VI Международной молодежной научно-технической конференции авиамоторостроительной отрасли (г. Алушта, Республика Крым, Украина), VI Международной научно-практической конференции АКТО-2012 (г. Казань, РТ, РФ), XX Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, РТ, РФ), а также на семинарах кафедры ТМП.

Личный вклад автора. Автором разработана конструкция прямоточного циклона с системой активного управления; разработана система активного управления; разработаны методики расчета сепарации твердых частиц и гидравлического сопротивления для моделей прямоточных циклонов со второй ступенью инерционной пылеочистки, а также проведены экспериментальные исследования разработанного аппарата. Им выполнены расчеты сепарации твердых частиц для диапазона диаметров частиц пыли от 3 до 25 мкм, а также проведены расчеты гидравлических сопротивлений для прямоточных циклонов со второй ступенью инерционной пылеочистки. По результатам проведенных расчетов и анализа особенностей конструкции прямоточных циклонов со второй ступенью инерционной пылеочистки, автором сформулированы (а также использованы на практике) практические рекомендаций по оптимизации их конструкции.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 3 - в рекомендованных ВАК изданиях, 1- в зарубежном издании.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 91 наименования. Работа изложена на 131 листе машинописного текста, содержит И таблиц, 82 иллюстрации. Общий объем работы - 140 листов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена проблема правильного выбора того или иного типа ВОУ, а также факторы влияющие на этот выбор. Указаны преимущества и недостатки существующих систем очистки, рассмотрена проблема необходимости совершенствования существующих систем очистки и подготовки циклового воздуха, а также указана причина невозможности использования существующих методик расчета для расчета прямоточных циклонов со второй ступенью инерционной пылеочистки.

В первой главе рассмотрен показатель надежности применительно к ГТУ и ГТЭС, влияние систем фильтрации на технические показатели двигателя, а также существующие системы инерционной пылеочистки и подготовки циклового воздуха используемые в составе КВОУ ГТУ и ГТЭС. Выявлены основные проблемы, связанные с использованием различных типов систем очистки и подготовки циклового воздуха.

Обзор литературных источников показал, что на сегодняшний момент, на большинстве эксплуатируемых ГТУ и ГТЭС установлены морально и физически устаревшие КВОУ, фильтрующие элементы которых полностью выработали свой

ресурс. Несмотря на большое многообразие инерционных систем пылеочистки по ряду причин, таких как повышенное гидравлическое сопротивление, повышенные габаритные размеры и, как следствие, невозможность компоновки в группы и др., практическое применение в составе ВОУ для ГТУ и ГТЭС нашли лишь ограниченное количество прямоточных и возвратно-поточных циклонов конструкций ВНИИГАЗа, «Солар», КуАИ, ВНИИ-Трансмаш, «Невтурботест», ОАО КПП «Авиамотор», НПП «Авиатехника» и некоторые другие. На сегодняшний момент на ГТУ и ГТЭС, в том числе нового поколения, в качестве систем инерционной очистки и подготовки циклового воздуха используются циклоны повышенной эффективности: прямоточные циклоны с различными внутренними жалюзийными решетками и возвратно-поточные циклоны конструкции ВНИИГАЗа. При прочих равных характеристиках (обеспечение очистки воздуха до класса Р5...Р7 по EN 779, возможность компоновки в батареи), каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Учитывая технические характеристики рассмотренных аппаратов инерционной пылеочистки (а именно уровень их гидравлического сопротивления и качество очистки циклового воздуха в циклоне), в качестве дальнейшего объекта исследований был выбран прямоточный циклон с внутренней жалюзийной решеткой, обладающий пониженным уровнем гидравлических сопротивлений (370 Па), по сравнению с возвратно-поточными безотсосными мультициклонами ВНИИГАЗа (600 Па) при той же степени очистки.

Учитывая особенность работы ГТУ и ГТЭС, место их установки, продолжительность зимнего периода на территории РФ, а также характер внутри-циклонных течений, были сформулированы возможные пути усовершенствования конструкции прямоточных циклонов.

На основе анализа результатов рассмотренных литературных источников сформулирована цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке методики расчета сепарации твердых частиц для моделей прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой (рис. 1).

Отсос сепарируемых частиц Рис. 1 Схема прямоточного инерционного воздухоочистителя: 1 - цилиндрический корпус; 2 - профилированный завихритель; 3 - внутренняя жалюзийная решетка; 4, 5 - окно и тракт отсоса сепарируемых частиц соответственно

В результате анализа существующих методик расчета было выявлено следующее: несмотря на то, что теория и расчет противопоточных циклонов разработа-

5

ны и отражены в многочисленных изданиях отечественной и зарубежной научно-технической литературы, значительно меньше эти вопросы освещены применительно к прямоточным циклонам. Кроме того, в современных прямоточных циклонах для повышения качества очистки циклового воздуха используются различные жалюзийные решетки и лопатки распрямителя. Влияние указанных конструктивных элементов на показатели эффективности работы прямоточных циклонов не учтено в существующих методиках расчёта данного оборудования. Отсутствие методик расчета внутренних лопаток распрямителя не позволяют использовать известные методы (типовая методика НИИОГАЗ расчета эффективности сепарации циклонов; эмпирический метод расчета эффективности очистки прямоточных циклонов при масштабном переходе; метод расчета сепарации твердых частиц в прямоточном циклоне предложенный Степановым Г.Ю. и Зице-ром И.М. и др.) для расчета прямоточных циклонов с внутренними жалюзийными решетками. Помимо всего прочего, известные методы расчета эффективности циклонов, основанные на аппроксимации фракционной эффективности циклонных пылеуловителей и дисперсного состава пыли эмпирико-вероятностными функциями, не отвечают требуемой точности.

Для определения алгоритма решения поставленной цели была использована методика расчета предложенной Степановым Г.Ю. и Зицером И.М., видоизмен-ная для учета влияния внутренней жалюзийной решетки поз. 3 (рис. 1) на коэффициент пропуска пыли £п.

Движение запыленного потока в канале инерционного воздухоочистителя рассматривается как движение двухфазного потока, содержащего очищаемый газ и полидисперсную пыль. Для определения возможностей сепарации пылевых частиц определенного размера необходимо рассчитать траекторию их движения в канале. Основным уравнением, при изучении движения твердой частицы, является дифференциальное уравнение движения ее центра массы:

= (1)

где С- коэффициент присоединенной массы; т - масса твердой частицы; V -вектор абсолютной скорости частицы; ^ Р - сумма векторов сил, действующих

на частицу.

При этом движение центра масс твердой частицы в рабочей части циклона определяется в цилиндрической системы координат.

Для расчета сепарации твердых частиц в канале внутренней жалюзийной решетки был использован принцип подобия процессов в воздухоочистителях. В результате анализа конструкции внутренней жалюзийной решетки было сделано предположение, что движение и сепарация твердых частиц в ней аналогично процессам, происходящим в обычных жалюзийных решетках. Однако для адаптации существующей методики расчета движения и сепарации твердых частиц в обычных жалюзийных решетках, предложенной Степановым Г.Ю. и Зицером И.М., применительно к прямоточным циклонам со второй ступенью инерционной пы-леочистки, были сделаны ряд допущений.

Таким образом, предложенная методика расчета сепарации твердых частиц может быть представлена в виде укрупненной блок схемы (рис. 2).

Ввод осноВных ul ходных данных

Расчет ¿Вижения газа В прямоточном циклоне дез Внутренней жалсзиинои решетки

Расчет дополнительных исходных донных

Рис чет движения твердой ча тицы

Определение траектории движения частиц и промежуточных коэффициентов пропуска пыли с для частиц диаметром 6

Расчет движения газа В прямоточном ^циклоне с учетом Вну/греннеи жалюзиинои решети

Третья глава посвящена разработке методики расчета гидравлических потерь в прямоточном циклоне.

Как было отмечено ранее, в современных прямоточных циклонах для повышения качества очистки циклового воздуха используются различные внутренние жалюзийные решетки. Влияние указанных конструктивных элементов на гидравлическое сопротивление прямоточных циклонов не учтено в существующих методиках расчёта данного оборудования. Отсутствие методик расчета внутренних лопаток распрямителя не позволяет использовать известные методы (методика расчета потерь давления прямоточного циклона с промежуточным отбором; метод расчета гидравлического сопротивления прямоточного циклона предложенный Степановым Г.Ю. и Зицером И.М..) для расчета прямоточных циклонов с внутренними жалюзий-ными решетками. Помимо всего прочего, существующие методы расчета потерь давления в прямоточных циклонах не отвечают требуемой точности (относительная ошибка прогнозных значений колеблется от 31,4 до 51,8%).

Для описания методики расчета гидравлических потерь в прямоточном циклоне со второй ступенью инерционной пылеочистки был использован метод условного разделения гидравлического сопротивления аппарата в виде суммы сопротивлений отдельных частей тракта предложенный Приходько В.П. Гидравлическое сопротивление прямоточного циклона было представлено в виде суммы сопротивлений отдельных частей тракта (рис. 3): 1 -входной направляющий аппарата; 11 - участок корпуса циклона в виде кольцевого конфузора; III - участок жалюзийной решетки; IV - участок трубы, выполненной в виде диффузора круглого сечения.

Расчет дополнительных исходных данных для рт четной области участки жа/шзиОной решетки д,тиной 1

Расчет движения 6 расчетной области участка твердой частицы жолюзиинои решетки длинои L

Q/pede/imje местных козффициенпиВ пропуска пыли диаметром 6 для каждого участка с

Оиреде/ение зффектийнлти очистки Всего аппарат В целом с,. для частиц пыли duaMavpoM 6

ВыВад результатов

Рис. 2 Укрупненная блок схема алгоритма расчета сепарации твердых частиц в прямоточном циклоне с внутренней жалюзийной решеткой

Гидравлические сопротивления входного направляющего аппарата (I), участка корпуса циклона в виде кольцевого конфузора (II) и участка трубы, выполненного в виде диффузора круглого сечения (IV), определялись по известным формулам, приведенным в справочнике по гидравлическим сопротивлениям Идель-чика И.Е., а также в работах Асламовой B.C. и Приходько В.П.

Для расчета участка жалюзийной решетки (III) был использован принцип подобия процессов в воздухоочистителях, основанный на использовании их безразмерных характеристик, остающихся неизменными для подобных объектов в подобных условиях. Поток запыленного газа через жалюзийную решетку можно схематизировать плоским потоком несжимаемой жидкости, который подходит к решетке под углом а, со скоростью их (рис. 4) и при повороте около кромок пластин теряет частицы пыли. Очищенный газ отрывается от кромок пластин, образуя в каналах между ними отрывные зоны с приблизительно постоянным давлением.

1 1

Рис. 4 Схема течения газа через внутреннюю жалюзийную решетку

На некотором удалении от лопаток жалюзийной решетки в сечении 3-3 в результате смешения струй поток выравнивается и его скорость уменьшается до и3,

и в общем случае давление увеличивается до Р,, а угол уменьшается до а, (за исключением случая a¡ =а,= 90° )• Предполагая, что в сечении 2-2 параметры уже определены, параметры выравнившегося потока можно определить из уравнений неразрывности и количества движения в проекциях на направление фронта решетки и перпендикулярное ему. Однако в этом нет необходимости в двух случаях; когда можно сразу задать направление потока: и. = р (решетка большой густоты) и --а =90° (предельно редкая решетка с соответствующей густотой). Для этих случаев используются уравнение количества движения в проекции на направление пластин между сечениями 1-1 и 3-3:

-utprQK cos(a, + p)+PlFK sinP = u,prQK cos(a, -0)+P,FK sin/9 , (2)

где qk - объемный расход газа через канал; г, - площадь фронтальной поверхности канала внутренней жалюзийной решетки; р - угол установки лопаток жалюзийной решетки.

Таким образом, используя принцип подобия процессов в воздухоочистителях и учтя характерные особенности рассматриваемого течения at = О > а также проведя ря " иняло вид:

Четвертая глава посвящена разработке конструкции прямоточного циклона с использованием системы активного управления положением жалюзийных решёток для адаптации его работы к сезонным изменениям условий окружающей среды, а также изложен ход проведения испытаний разработанного аппарата.

Учитывая особенность работы ГТУ и ГТЭС, место их установки, продолжительность зимнего периода на территории РФ, было принято решение о внедрении в конструкцию прямоточного циклона системы активного управления положением жалюзийных решёток для адаптации его работы к сезонным изменениям условий окружающей среды, позволяющая снизить уровень гидравлического сопротивления ВОУ и, следовательно, уменьшить расход топлива, повысить мощность ГТД и к.п.д. всей установки в целом.

Для реализации поставленных целей был разработан прямоточный циклон (рис. 5), состоящий из двух половин круглого цилиндрического корпуса 1 и 2, за-вихрителя 3, тракта отсоса отсепарированных частиц 4, второй ступени инерционной очистки, представляющей собой набор плоских лопаток 5 расположенных по окружности (аналог жалюзийной решетки) и имеющих возможность осевого перемещения, регулятора 6 и исполнительного механизма 7расположенного внутри конуса 8.

Ключевой особенностью данного аппарата является то, что в рассматриваемом прямоточном циклоне была впервые предложена и реализована автономная система активного управления, основанная на использовании эффекта памяти формы.

(3)

7. А Д

Рис. 5 Прямоточный циклон с системой активного регулирования

Испытания разработанного циклона с системой активного регулирования проводилось для двух режимов его работы: режим «лето» (обеспечение требуемого качества очистки циклового воздуха при повышенных значениях гидравлического сопротивления) и режим «зима» (обеспечение минимального уровня гидравлических потерь в зимний период за счет снижения качества очистки). Переход между указанными режимами осуществлялся при помощи регулировочного механизма, интегрированного в конструкцию прямоточного циклона (рис. 5). В ходе эксперимента производилось измерения перепада давления перед и за циклоном при различных расходах воздуха через основной тракт стенда, а также качества очистки циклового воздуха на указанных режимах.

В пятой главе проведена верификация предлагаемых методик расчета для двух режимов работы прямоточного циклона (режим «зима»; режим «лето»), а также проведена оценка работоспособности и эффективности системы активного управления положением жалюзийных решёток для адаптации его работы к сезонным изменениям условий окружающей среды. Изложены ряд практических рекомендаций по оптимизации конструкции прямоточного циклона с внутренней жалю-зийной решеткой.

По итогам проведенного анализа конструкций отдельных частей тракта прямоточного циклона, а также их влияния на связь параметров «степень очистки - гидравлическое сопротивление», были сформулированы практических рекомендаций по оптимизации конструкции прямоточного циклона со второй ступенью инерционной пылеочистки, выполненной в форме внутренней жалюзийной решетки.

В результате обработки полученных данных были определены гидравлическое сопротивление испытываемого циклона, и значения коэффициентов пропус-

ка пыли для частиц пыли диаметром от 1 до 25 мкм на режимах «зима-лето», после чего было проведено сравнение с результатами проведенных расчетов. Перепад давления определялся при различных расходах воздуха через основной тракт стенда. С целью минимизации величины статистической погрешности производилось 6 повторных измерений (общее количество измерений - 7). В результате обработки данных измерений были получены зависимости перепада давления на циклоне от величины расхода воздуха при разных углах установки лопаток 5 (рис. 5), после чего был построен сводный график (рис. 6):

ЛЛ7„„ =/(01,„р) (4)

Полученная зависимость позволяет определить гидравлическое сопротивление циклона АР* на номинальном режиме (при расходе воздуха через циклон 0,5 кг/с).

Полученные значения пе- ¿р- ра

репада давления и расходов воздуха приводились к стандартным атмосферным условиям (АРа = 760 мм рт. ст., /„ = 15 °С).

В ходе диссертационного исследования были определены значения коэффициентов пропуска для частиц кварцевой пыли, плотностью 2300 кг/м3, диаметром от 1 до 25 мкм на режимах «зима»-

«лето». Был определен оптимальный угол раскрытия лопаток 5 (рис. 5), обеспечивающий минимальный уровень гидравлических потерь на режиме «зима»: исследования показали снижение уровня перепада давления при изменении угла установки лопаток 5 с 30° до 60°; дальнейшее увеличение угла установки лопаток (до 90° включительно) привело к росту перепада давления на циклоне (рис. 7).

Таким образом, в качестве оптимального угла раскрытия лопаток 5 (рис. 5) на режиме «зима» был выбран рж ; = 60".

Рис. 6 Сводный график зависимости величины перепада давления на циклоне от величины расхода

АР\ Па

¿00

200

=—

N \

О, =0.55 кг/с О. =0.5 кг/с С.=ОА5 кг/с

й,=0А кг/с

20 10 60 80

К*

Рис. 7 График зависимости величины перепада давления на циклоне в зависимости от угла раскрытия лопаток

Проведя сопоставление результатов расчета гидравлического сопротивления и качества очистки циклового воздуха в циклоне с экспериментальными данными (рис. 8, 9), полученными в стендовых условиях (а также с данными полученными при испытании прямоточного циклона опытного образца ВОУ-ПОКРЦ, установленном на газоперекачивающем агрегате ГПА-Ц-16 в 2010 году (рис. 10)), показало приемлемую точность предлагаемых методик расчета.

I

1 I

Угол 30

о

80

60

-

А -

//

Рис.

I

I

I

8 10 12 % 25

Размер частиц, мкм

-- экспериментальные данные

----- расчетные данные для циклона с жалюзийной решетки

----расчетные данные для циклона дез жалюзиинои решетки

8 График зависимости эффективности очистки от частиц пыли различного размера при угле установки лопаток 30° (режим «лето»)

>0

Угол 60

100

80

60

/ --

А /

/

г—

2

в

10 12

К 25 Размер частиц, мкм

--экспериментальные данные

-----расчетные данные для циклона с жалюзииной решетки

----расчетные данные для циклона дез жалюзииной решетки

Рис. 9 График зависимости эффективности очистки от частиц пыли различного размера при угле установки лопаток 60° (режим «зима») Относительная погрешность расчета гидравлических потерь не превышает 4,77% (при угле установки лопаток 30"). Относительная погрешность расчета сепарации твердых частиц не превышает 7%. Кроме того, в ходе проведения экспериментальных исследований на стенде была подтверждена работоспособность системы активного управления в условиях приближенных к эксплуатационным для режимов работы «Зима» (угол раскрытия лопаток 60°) - «Лето» (угол раскрытия лопаток 30°).

| юо

I

I 90

1 во

I

^ 2 4 6 8 10 25

Размер частиц, мкм

--экспериментальные данные

----- расчетные данные

Рис. 10 График зависимости эффективности очистки от частиц пыли различного размера для прямоточного циклона опытного образца ВОУ-110КРЦ установленного на газоперекачивающем агрегате ГПА-Ц-16 Использование системы активного управления позволило снизить уровень гидравлического сопротивления всего аппарата в целом на 21 Па (на 6%), и на 42 Па (на 11,5%), по сравнению с прямоточным циклоном прототипом, что также удовлетворяет поставленным целям.

Сравнение эффективности очистки разработанного прямоточного циклона с различными аппаратами инерционно пылеочистки показаны на рис. 11.

юо

!да'

й

¡Ь 60?

й

■6 1,0-I

4 ?<>•

О Ю 20 Ю ¿0 50 60 70 80 ЮО 200

Размер час тип мкн

Рис. 11 Сравнение эффективности очистки разработанного прямоточного циклона с различными аппаратами инерционно пылеочистки: 1 - разработанный аппарат; 2 - циклон прототип; 3 - мультициклон конструкции ВНИИГАЗа; 4 - возвратно-поточный циклон с завихрителем «винт» (а=25°); 5 - возвратно-поточный циклон с завихрителем «розетка» (а=25°); 6 -прямоточный циклон (Самара) (запыленность 100 мг/м3); 7 - прямоточный циклон (Самара) (запыленность 25 мг/м3); 8 - прямоточный циклон с промежуточным отбором пыли (МИХМ); 9 - инерционно-щелевой сепаратор (штатное КВОУ ГПА-Ц16).

Таким образом, эффективность очистки разработанного аппарата соответствует современным требованиям, предъявляемым к ВОУ (обеспечение 100% сепарации частиц пыли диаметром 10 мкм и более). Кроме того, использование прямоточного циклона с системой активного управления положением жалюзийных решеток для адаптации его работы к сезонным изменениям условий окружающей среды, применительно к двигателю НК-16-18СТ, позволит:

- снизить расход топлива ДОт на 0,99 кг/час, что, в свою очередь, приведет к снижению расходов на потребление газа (по сравнению с прямоточным циклоном прототипом) на 146 353 руб. за 25000 часов (за время межремонтного ресурса) работы ГТД, при средней стоимости газа 4021 руб. (размер оптовых цен для промышленности в московском регионе с 1.07.2013) за 1000 м3;

- снизить расход топлива ДСт на 4,06 кг/час, что, в свою очередь, приведет к снижению расходов на потребление газа (по сравнению с прямоточными циклонами ПКЦ-250 и ПКЦ-250-ТТ) на 600 195 руб. за 25000 часов;

- снизить расход топлива Двт на 6,42 кг/час, что, в свою очередь, приведет к снижению расходов на потребление газа (по сравнению с безотсосными мультициклонами противопоточного типа конструкции ВНИИГАЗа) на 949 077 руб. за 25000 часов.

ВЫВОДЫ

1) Разработана и исследована новая конструкция прямоточного циклона с использованием системы активного управления положением жалюзийных решёток для адаптации его работы к сезонным изменениям условий окружающей среды;

2) Разработана методика расчета сепарации твердых частиц из циклового воздуха ГТД для моделей прямоточных циклонов со второй ступенью инерционной пылеочистки для диапазона диаметров частиц пыли от 3 до 25 мкм (т.к. циклон является ступенью грубой очистки);

3) Разработана методика расчета гидравлического сопротивления прямоточного циклона со второй ступенью инерционной пылеочистки;

4) По результатам проведенных расчетов предложены и применены на практике ряд рекомендаций по оптимизации конструкции прямоточного циклона со второй ступенью инерционной очистки выполненной в виде жалюзийной решетки;

5) Экспериментально подтверждена работоспособность системы активного управления положением жалюзийной решетки для режимов работы «Зима» (угол раскрытия лопаток 60°) - «Лето» (угол раскрытия лопаток 30°);

6) Определен оптимальный угол установки лопаток жалюзийной решетки;

7) Подтверждена достоверность предлагаемых методик расчета.

В настоящее время результаты работы готовятся к использованию в серийном производстве в ООО «НПП «35-й Механический завод» г. Калуга.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Левин А.Ю. Методика расчета сепарации твердых частиц технологической системы очистки и подготовки циклового воздуха/ Левин А.Ю., Кесель Б.А. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева - №1 - 2013. - С 19-26.

2. Левин А.Ю. Принципы оптимизации конструкции прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой/ Левин А.Ю., Кесель Б.А.// Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева - №4 - 2013. - С 50-56.

3. Левин А.Ю. Расчет гидравлического сопротивления прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой/ Левин А.Ю., Кесель Б.А.// Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева - №2(70), вып. 2 - 2013. - С 31-36.

В зарубежных изданиях:

4. Левин А.Ю. Обоснование оптимального выбора воздухоочистительных систем/ Левин А.Ю., Кесель Б.А.// Молодежь в авиации: новые решения и передовые технологии: Тезисы докладов VI Международная молодежная научно-техническая конференция авиамоторостроительной отрасли - АО «Мотор Сич». -Запорожье, 2012. - 304с.

В других изданиях:

5. Левин А.Ю. Современные технологические системы очистки и подготовки циклового воздуха/ Левин А.Ю.// XX Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 22-24 мая 2012 года: материалы конференции. -Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2013. - Т.Н. - 396 с.

6. Левин А.Ю. Экспериментальные исследования технических устройств по удалению инея с фильтров систем подготовки циклового воздуха ГТД/ Левин А.Ю., Кесель Б.А., Воскобойников Д.В., Давлетшин И.С.// Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление квалифицированного кадрового потенциала - ключевые звенья в возрождении отечественного авиа- и ракетостроения: Сборник докладов международной научно-практической конференции. Т. И. Казань, 14-16 августа 2012 года. - Казань: Изд-во «Вертолет», 2012. -438 с.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд.л. 0,97.

_Тираж 100. Заказ Г20._

Копи-центр КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К. Маркса, 10

04201457563

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ» ИНСТИТУТ АВИАЦИИ, НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА И ЭНЕРГЕТИКИ КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ЖАЛЮЗИЙНОЙ РЕШЕТКОЙ ДЛЯ ГТУ С КОНВЕРТИРОВАННЫМИ АВИАЦИОННЫМИ ГТД

Специальность: 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ЛЕВИН Артем Юрьевич

Научный руководитель -канд. техн. наук, доцент Кесель Б.А.

Казань 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ИНЕРЦИОННОЙ 13 ОЧИСТКИ И ПОДГОТОВКИ ЦИКЛОВОГО ВОЗДУХА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Влияние систем фильтрации циклового воздуха на технические 15 показатели конвертированного газотурбинного двигателя

1.2. Жалюзийные системы инерционной очистки 18

1.3. Центробежные пылеуловители - циклоны 23

1.3.1. Возвратно-поточные циклоны 24

1.3.2. Прямоточные циклоны 29

1.3.3. Батарейные циклоны 36

1.3.4. Прямоточные и возвратно-поточные циклоны повышенной 43 эффективности

1.3.5. Направления усовершенствования конструкции 51 прямоточных циклонов

1.4. Цель и задачи исследования 58

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СЕПАРАЦИИ ТВЕРДЫХ 60 ЧАСТИЦ ДЛЯ МОДЕЛЕЙ ПРЯМОТОЧНЫХ ЦИКЛОНОВ С ВНУТРЕННЕЙ ЖАЛЮЗИЙНОЙ РЕШЕТКОЙ

2.1.Анализ существующих методик расчета сепарации твердых 60 частиц в прямоточных циклонах

2.1.1. Особенности типовой методики НИИОГАЗа расчета 61 эффективности сепарации циклонов

2.1.2. Эмпирический метод расчета эффективности очистки 61 прямоточных циклонов при масштабном переходе

2.1.3. Метод расчета сепарации твердых частиц предложенный 63 Степановым Г.Ю. и Зицером И.М.

2.2. Описание методики расчета сепарации твердых частиц в б7 прямоточном циклоне со второй ступенью инерционной пылеочистки выполненной в виде жалюзийной решетки

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ 80 ПОТЕРЬ В ПРЯМОТОЧНОМ ЦИКЛОНЕ И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ЕГО КОНСТРУКЦИИ

3.1. Анализ существующих методик расчета гидравлических 80 потерь в прямоточных циклонах

3.2. Описание методики расчета гидравлических потерь в 81 прямоточном циклоне со второй ступенью инерционной пылеочистки выполненной в виде жалюзийной решетки

4. КОНСТРУКЦИЯ ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА С СИСТЕМОЙ 95 АКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И АДАПТАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ЦИКЛОВОГО ВОЗДУХА К УСЛОВИЯМ БЛИЗКИМ К ЭКСПЛУАТАЦИИ. ХОД ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ РАЗРАБОТАННОГО АППАРАТА

4.1. Техническое описание стенда 95

4.2. Разработка конструкции прямоточного циклона с 105 использованием системы активного управления и адаптации технологической системы очистки циклового воздуха к реальным условиям эксплуатации

4.3. Ход проведения испытаний 1 ю

5. ВЕРИФИКАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДЛЯ И6

ДВУХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРЯМОТОЧНОГО ЦИКЛОНА (РЕЖИМ «ЗИМА»; РЕЖИМ «ЛЕТО»). ПРОВЕДЕНИЕ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ АКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ И АДАПТАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ циклововго ВОЗДУХА К РЕАЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ 5.1. Практические рекомендации по оптимизации конструкции ¡28 прямоточного циклона со второй ступень

6. ВЫВОДЫ 131

7. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1 ч?

ВВЕДЕНИЕ

Одним из главных направлений развития газотранспортной системы ОАО «Газпром» является обеспечение надежности и эффективности транспортировки газа. Согласно комплексной программе реконструкции и технического перевооружения газотранспортной системы потребности ОАО «Газпром» в газоперекачивающих агрегатах (ГПА) до 2020 года оцениваются в 100-125 единиц в год суммарной мощностью 1500-2000 МВт, около 50% из которых приходится на модернизацию [33, 81].

Надежная работа газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных электростанций (ГТЭС) с приводом от конвертированного авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) в значительной степени определяется качеством очистки и подготовки циклового воздуха, которое обеспечивают воздухоочистительные устройства (ВОУ). Правильный выбор ВОУ является одним из ключевых факторов, обеспечивающих высокую надежность и экономичность их работы, оптимизацию затрат на плановые остановки, а также снижение до минимума количества незапланированных и аварийных остановок [36]. Следует отметить, что на сегодняшний момент, на большинстве эксплуатируемых ГПА установлены морально и физически устаревшие комплексные воздухоочистительные устройства (КВОУ), фильтрующие элементы которых, по утверждению авторов [44], полностью выработали свой ресурс.

В настоящее время в компрессорном парке ОАО «Газпром» эксплуатируются большое количество ГПА с газотурбинными приводами 2-го и 3-го поколений, требующих уровня очистки циклового воздуха, достигаемого инерционными системами, соответствующих степени очистки Г5...Р7 по ЕМ 779 (задержание пыли А8ЖАЕ 80-90 %) (прямоточные и противопоточные циклоны) [18, 40, 47, 60].

Как известно, примеси, содержащиеся в цикловом воздухе, приводят к изменению характеристик проточной части ГТД. Следствием наличия в цикловом воздухе ГТД твердых примесей является эрозионный износ и

загрязнение лопаточного аппарата осевого компрессора, особенно первых его ступеней, что приводит к снижению мощности всей установки в целом. Это может быть проиллюстрировано на примере трех одинаковых ГТУ, установленных в различных метрологических условиях, на которых наблюдалось снижение мощности во времени, вызванное отложениями пыли на лопатках (см. рис. 1) [49]:

НЮт 1816-%■

1

2

3

/

i 1 / f

/

.......... /

/

/

- _ _ - ■ — —

г, ч

о то зооо вот ?от Рис. 1 Снижение мощности ГТУ во времени, вызванное отложениями пыли на лопатках у трех одинаковых ГТУ, установленных в различных метрологических условиях [49]: на установке 1 после 4000 ч работы падение мощности составило почти 0,2 МВт, на установке 2 после 8000 ч - 2 МВт, а на

установке 3 после 11000 ч - 1,4 МВт При загрязнении газовоздушного тракта (ГВТ) на первых ступенях компрессора образуется налет, в результате чего изменяются аэродинамические очертания лопаток и треугольники скоростей потока воздуха, степень повышения давления в ступени, а также производительность компрессора и как следствие, снижается выходная мощность турбины [47,65].

Значительная часть ГПА ОАО «Газпром» эксплуатируются в сложных природно-климатических условиях с разной степенью запыленности атмосферного воздуха. По данным «НИА-Природа» более 85 % земельного фонда России приходится в зону запыленности «в», около 12 % на зону «б» и менее 1 % на зону «а». При этом состав и концентрация пыли (см. табл. 1) в атмосферном воздухе в различных зонах существенно различаются [13, 43,

70]. По этим причинам требуется индивидуальный подход к конструированию и подбору составляющих компонентов КВОУ [36].

Таблица 1

Зоны запыленности атмосферного воздуха [13, 43, 70]

Зона Концентрация пыли, мг/м3

Запыленности Природно-климатическая Среднегодовая Максимальная (повторяемость менее 1 %) Расчетная

а Пустыня 1,57...2,84 13,1...30,6 2,2

Полупустыня 0,68 13,1 0,7

б Лесостепь и степь 0,26 6,0 0,3

в Тайга и смешанные леса 0,06 0,7 0,1

Лесотундра 0,12 6,2

Тундра 0,02 0,05

Однако следует отметить, что при установке ГПА в зоне запыленности «в» с более низкими, по сравнению с другими зонами, показателями концентрации пыли, требования по очистке циклового воздуха ГТУ не должны снижаться. Серьезную проблему для работы ГТУ, также могут представлять и насекомые. Так, концентрация москитов в зонах тундры, лесотундры и тайги может быть настолько велика, что фильтрующие элементы КВОУ забиваются ими в кротчайшие сроки [24], в результате чего происходит резкий рост перепада давления за фильтрами, что, в свою очередь, может привести к срабатыванию байпасных клапанов и вынужденному останову ГТУ.

Кроме того, при выборе того или иного типа КВОУ необходимо учитывать и конкретное место расположения ГТУ, что может быть

продемонстрировано на следующем примере: в результате измерений уровня запыленности атмосферного воздуха на РТЭС «Люблино» и ГТЭС-12 «Курьяново», расположенных на территории Юга-Восточного округа Москвы на расстоянии около 5 км, было выявлено, что на втором объекте она приблизительно в 4 раза выше, чем на первом. Причинами повышенного загрязнения воздушной среды в зоне ГТЭС-12 «Курьяново» являются: расположенная, в непосредственной близости от ГТЭС, железнодорожная магистраль; развитая промышленная инфраструктура, а также сильные местные ветра, поднимающие и развивающие пыль [35]. Другими словами, при выборе того или иного типа сепарирующей системы необходим тщательный анализ условий окружающей среды [28].

Одним из основных показателей ВОУ, помимо требований к качеству очистки циклового воздуха, является уровень ее гидравлических потерь. Повышенный уровень потерь полного давления в ВОУ приводит к снижению мощности и эффективного к.п.д. ГТД, что влечет за собой дополнительный расход топливного газа и, соответственно, дополнительные эксплуатационные затраты [40, 54].

Также следует отметить, что в эксплуатации современных газотурбинных установках начали широко внедряться конвертируемые авиационные газотурбинные двигатели с высокими значениями коэффициентов полезного действия на уровне 35-40% [19, 29].

В настоящее время на компрессорных станциях созданы и эксплуатируется ряд отечественных конвертированных авиационных газотурбинных приводов мощностью 16 МВт [29]:

- ГТУ-16П (ПС-90ГП-2) - ОАО «ПМЗ» (т;^ =36,3 %);

- АЛ-31СТ - ОАО «УМПО» (г?еу= 35,8 %);

- И др.

Кроме того, использование энергоустановок на базе конвертированных авиационных ГТД большой мощности с высокими параметрами термодинамического цикла является также предпочтительным и при

техническом перевооружении ТЭЦ. Использование ГТУ с конвертируемым авиационным ГТД НК-37 на Безымянной ТЭЦ (Самара, ТЭЦ-1 Казань) позволило получить высокие показатели электрического к.п.д. на уровне 36,4 % при умеренном значении начальной температуры газа (1454 К) [20].

Реализация рабочих циклов таких двигателей потребовала повышения температуры газа перед турбиной до уровня 1300-1400 К и, соответственно широкого внедрения охлаждаемых лопаток турбины. Лопаточный аппарат компрессоров таких двигателей стал оснащаться лопатками, имеющими значительно меньшие геометрические размеры, в том числе на входных и выходных кромках. Данные обстоятельства привели к тому, что двигатели с высокими значениями к.п.д. имеют повышенную чувствительность к абразивному эрозионному износу лопаточного аппарата компрессоров и к засорению охлаждающих каналов в лопатках турбин.

Если для эксплуатации ГТД 2-го и 3-го поколений достаточно инерционной системы фильтрации циклового воздуха [58], то наземные ГТД нового поколения предъявляют повышенные требования к качеству циклового воздуха. В свою очередь, ошибочные решения по компоновке ВОУ снижают надежность и эффективность работы современных эффективных фильтрующих элементов [23, 26, 37]. Так, применение ВОУ на кассетных фильтрах накопительного типа позволяет достичь высокого качества очистки циклового воздуха, однако ограниченная пылеёмкость фильтров не позволяет использовать их в областях с повышенным содержанием пыли [48].

Применение в областях с повышенным содержанием пыли ВОУ на основе инерционных элементов очистки позволяет повысить рентабельность установки за счет отсутствия издержек связанных с внеплановыми остановами оборудования. Однако более низкая эффективность очистки, по сравнению с фильтрами накопительного типа, не позволяет использовать аппараты инерционной пылеочистки в качестве единственной ступени

фильтрации в составе современных ГПА, оборудованных ГТД 4-го и последующих поколений [38].

При установке двухступенчатой ВОУ, состоящей из ступени грубой очистки (инерционные пылеуловители) и ступени тонкой очистки (кассетные фильтра накопительного типа) [31, 49, 61], время работы между сменой фильтров увеличивается с 700 до 22000 час, а между промывками проточной части ГТД с 300 до 3000 час и более [60]. В свою очередь, использование ступени инерционной пылеочистки значительно увеличивает гидравлическое сопротивление системы, что приводит к снижению мощности и эффективного к.п.д. двигателя. Снижение к.п.д. влечет за собой дополнительный расход топливного газа и, соответственно, дополнительные денежные затраты.

Таким образом, при выборе того или иного типа воздухоочистительной системы необходимо руководствоваться такими параметрами как место расположения ГТУ, среднегодовая концентрация пыли в воздухе, совершенство газотурбинного привода и др.

Учитывая особенность работы газотурбинных установок, применяемые в настоящее время технологии очистки и подготовки циклового воздуха для газотурбинных двигателей далеки от совершенства по составу применяемого оборудования. Большое многообразие систем очистки циклового воздуха, наряду с низкой технологичностью и малой пылеемкостью большинства из них, свидетельствуют о большом потенциале для исследования в указанной области и требуют дальнейшего изучения.

В тоже время, изменяющиеся климатические условия атмосферного воздуха требуют разработки и внедрения средств активного управления и адаптации технологических систем очистки и подготовки циклового воздуха к реальным условиям эксплуатации.

Кроме того, в современных прямоточных циклонах для повышения качества очистки циклового воздуха используются различные внутренние жалюзийные решетки [60, 69, 88]. Влияние указанных конструктивных

элементов на показатели эффективности работы прямоточных циклонов не учтено в существующих методиках расчёта данного оборудования. Отсутствие методик расчета внутренних лопаток распрямителя не позволяют использовать известные методы [8, 10, 53, 62, 63] для расчета сепарации твердых частиц и гидравлического сопротивления прямоточных циклонов с внутренними жалюзийными решетками.

Объектом исследования в настоящей работе является прямоточный циклон со второй ступенью инерционной очистки, выполненной в виде жалюзийной решетки с интегрированной системой активного управления положением жалюзийных решёток для адаптации системы подготовки и очистки циклового воздуха к сезонным изменениям условий окружающей среды.

В работе рассматривается технология поддержания технических характеристик ГТД на этапе отработки межремонтной наработки путем обеспечения требуемого качества очистки циклового воздуха.

Работа состоит из 5 глав, выводов и списка литературных источников.

В первой главе выполнен обзор существующих систем инерционной очистки и подготовки циклового воздуха, используемых в составе КВОУ ГТУ. Выявлены основные проблемы, связанные с использованием различных типов систем очистки и подготовки циклового воздуха. На основе критического анализа литературных данных, представленных в указанном обзоре, установлены направления исследования и сформулирована цель и задачи исследования.

Во второй главе выполнен анализ существующих методик расчета сепарации твердых частиц для моделей прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой по литературным данным. На основе анализа указанных методик выявлены особенности, указывающие на ограничения использования существующих методик для расчета моделей прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой. В этой же главе разработана методика расчета сепарации твердых частиц для моделей прямоточных

циклонов с внутренней жалюзийной решеткой, устраняющая указанные ограничения и проведена её верификация.

В третьей главе выполнен анализ существующих методики расчета гидравлического сопротивления прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой по литературным данным. На основе анализа указанных методик выявлены особенности, указывающие на ограничения использования существующих методик для расчета моделей прямоточных циклонов с внутренней жалюзийной решеткой. Разработана методика расчета гидравлического сопротивления прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой, устраняющая указанные ограничения и проведена её верификация. В этой же главе сформулированы практические рекомендации по оптимизации конструкции прямоточного циклона с внутренней жалюзийной решеткой.

В четвертой главе представлены особенности разработанной конструкции прямоточного циклона с системой активного управления положением жалюзийных решёток для адаптации системы подготовки и очистки циклового воздуха к сезонным изменениям условий окружающей среды. Приведено описание экспериментального стенда, а также изложен ход проведения экспериментальных