ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ, ЭКОЛОГИИ
И ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ
Труды 23-й научно-технической конференции
Воронеж 2021
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет»
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ, ЭКОЛОГИИ
И ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ
Труды 23-й научно-технической конференции
(г. Воронеж, 15 июня 2021 г.)
Воронеж 2021
УДК 621.31.016:53:502(06) ББК 31.2:22.3:20.1я4
Ф503 |
|
|
|
Физико-технические |
проблемы |
энергетики, |
экологии |
и энергоресурсосбережения: труды 23-й научно-технической конференции. [Электронный ресурс] – Электрон. текстовые и граф. данные (3,8 Мб). – Ф503 Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2021. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением
1024x768; Adobe Acrobat; CD-ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.
ISBN 978-5-7731-0967-9
В сборнике представлены труды научно-технической конференции, посвящённые исследованиям гидродинамики и тепломассообмена в энергетических и теплотехнических установках различного назначения. Тематика исследований направлена на улучшение технико-экономических показателей этих установок и уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду.
Отдельные результаты имеют также практическую направленность, так как посвящены разработке и внедрению в производство технических, алгоритмических и программных компонентов.
Материалы сборника соответствуют научному направлению ВГТУ «Теоретическая и прикладная теплотехника» и перечню критических технологий Российской Федерации, утверждённому Президентом Российской Федерации.
УДК 621.31.016:53:502(06)
ББК 31.2:22.3:20.1я4
Редакционная коллегия:
Бараков А. В. – д-р техн. наук, проф. – ответственный редактор,
Воронежский государственный технический университет;
Портнов В. В. – канд. техн. наук, доц. – заместитель ответственного редактора,
Воронежский государственный технический университет;
Прутских Д. А. – канд. техн. наук, доц.,
Воронежский государственный технический университет;
Дубанин В. Ю. – канд. техн. наук, проф.,
Воронежский государственный технический университет;
Надеев А. А. – канд. техн. наук – ответственный секретарь,
Воронежский государственный технический университет
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
ISBN 978-5-7731-0967-9 |
ФГБОУ ВО «Воронежский |
|
государственный технический |
|
университет», 2021 |
2
УДК62-135:621.542
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АКТИВНО-РЕАКТИВНОЙ ГАЗОВОЙ МИКРОТУРБИНЫ
Д. А. Базыкин1, А. В. Бараков2
1Аспирант гр. аПТ-19,bazykin.denis@yandex.ru 2Д-р техн. наук, профессор,abarakov@cchgeu.ru
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
В статье рассмотрена конструкция и принцип действия экспериментальной установки, разработанной с целью определения вырабатываемой электрической мощности и коэффициента полезного действия активно-реактивной турбины. Приведены основные результаты проведённых экспериментальных исследований и расчётов основных технических характеристик активной и реактивной частей турбины.
Ключевые слова: активная турбина, реактивная турбина, воздух, газ, электроэнергия, экспериментальная установка.
Всвоём большинстве, автономные устройства, использующиеся с целью производства электрической энергии непосредственно на нефтяном илиагзовом месторождении, в своём составе содержат различные типы микротурбин [1 -3]. При децентрализованных системах электроснабжения небольшой мощнсти одним из наиболее приоритетных и обоснованных направлений развития энергетики становятся исследования по созданию эффективных низкооборотных (со скоростью вращения не более 6000 об/мин) турбин, которые моглиыбзаменить собой высокооборотные (со скоростью вращения около100000 об/мин) микротурбины [4, 5], в ряде случаев неудовлетворяющие требованиям эксплуатации и требующие тщательной подготовки рабочего тела.Таким образом, при проведении исследований была поставлена задача по разработке низкооборотной активно-реактивной микротурбины, менее требовательной к качеству рабочего тела и удовлетворяющей имеющимся условиям эксплуатации.
Входе исследований были проведенырасчёты основных характеристик активной и реактивной частей турбины для установок, значение вырабатываемой электрической мощности которых находится в районе10-12 кВт, разработана их принципиальная конструкция, при этом требовалось провести ряд экспериментальных работ с целью определения принципиальной работоспособности турбоагрегата, а также получения численных значений рабочих параметров. При этом непосредственно для проведения экспериментальных исследований рассчитаны
3
первичные характеристики, разработаны основные конструкции активной и ерактивной частей турбины, а также экспериментальной установки в целом [6].
При создании экспериментальных образцов активной и реактивной частей турбины использовалась технология 3D-прототипирования, заключающаяся изначально в разработке компьютерной 3D модели образца, которая затем отправляется на печать в 3D принтер, где послойно формируется тело прототипа. Для печати был выбран PET-G пластик, в связи с тем, что он более устойчив к нагрузкам в сравнении с повсеместно используемым ABS пластиком.
Принципиальная схема разработанной экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1–активно-реактивная турбина; 2 –электрогенератор;
3–дроссельная шайба; 4, 5–манометр; 6 –электрическая нагрузка; 7–амперметр; 8 –вольтметр; 9 –лазерный тахометр;
10 –трубопровод
Чертёж реактивной части турбины представлен нарис. 2, аактивной части турбины–на рис. 3.
4
Рис. 2. Чертёжреактивной части турбины
Рис. 3. Чертёжактивной части турбины
5
Изображение собранной и готовой к исследованиям экспериментальной установки представлено на рис. 4.
Рис. 4. Экспериментальная установкадляопределения вырабатываемой электрической мощности и коэффициента полезного действия активно-реактивной турбины[фото авторов]
Экспериментальные работы с целью определения принципиальной арботоспособности, вырабатываемой электрической мощности и КПД установки с активно-реактивной турбиной имели следующий алгоритм действий:
1.Происходило постепенное открытие крана подачи воздуха, располженного на подводящем трубопроводе экспериментальной установки.
2.При помощи крана подачи воздуха увеличивался расход потока,опступающего на вход в реактивную часть турбины.
3.Устанавливался режим течения потока, близкий к режиму, позволя-
ющему определить КПД реактивной и активной частей турбины ( Pвх =2-3 бар;
1-й режим n = 500 об/мин; 2-й режим n = 1000 об/мин; 3-й режим n = 1500 об/мин). При этом, при помощи электронного прибора для измерения массы (на схеме не показан), активная часть турбины фиксировалась вопределённом поло-
6
жении, позволяющем считывать показания прибора, также записывались показ - ния манометров, лазерного тахометра, вольтметра и амперметра.
4.На основании показаний манометров, установленных до и после дроссельной шайбы, вычислялся расход и скорость потока воздуха, поступающего на вход в турбину.
5.Используя показания амперметраи вольтметра, рассчитывалась вырабатываемая электрогенератором электрическая мощность.
Основные параметры, полученные в результате экспериментальных исследований представлены в табл.1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Основные полученные параметры |
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Давле- |
|
|
Скорость |
|
Показания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Электри- |
||||||||||
|
|
|
|
|
Давление |
|
ние на |
|
|
вращения |
|
прибора |
|
Напряже- |
|
Сила |
|
ческая |
||||||||||||||||||
|
№ |
|
на входе, |
|
выходе, |
|
|
реактивной |
|
измерения |
|
|
ние, |
|
тока, |
|
|
мощ- |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Pвх , бар |
|
Pвых , |
|
|
турбины, |
|
массы, |
|
U , В |
|
I , А |
|
|
ность, |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
бар |
|
|
n , об/мин |
|
|
m , кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nэ , Вт |
|||||||
1 |
|
2 |
|
0,2 |
|
|
513 |
|
0,575 |
6,67 |
|
1,28 |
8,537 |
|
||||||||||||||||||||||
2 |
|
2,1 |
0,23 |
|
581 |
|
0,687 |
8,72 |
|
1,53 |
13,341 |
|||||||||||||||||||||||||
3 |
|
2,2 |
0,25 |
|
755 |
|
0,786 |
10,66 |
1,69 |
18,015 |
||||||||||||||||||||||||||
4 |
|
2,3 |
0,3 |
|
|
852,6 |
0,925 |
11,93 |
1,72 |
20,519 |
||||||||||||||||||||||||||
5 |
|
2,4 |
0,35 |
|
920,2 |
0,908 |
12,73 |
1,8 |
|
22,914 |
||||||||||||||||||||||||||
6 |
|
2,5 |
0,35 |
|
951,3 |
0,845 |
13,17 |
1,82 |
23,969 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
7 |
|
|
|
2,6 |
|
|
|
0,35 |
|
|
|
|
1018 |
|
|
|
1,088 |
|
|
|
15,75 |
|
|
|
1,99 |
|
|
|
31,342 |
|
||||
8 |
|
2,7 |
0,35 |
|
1141 |
1,035 |
15,87 |
2,06 |
32,692 |
|||||||||||||||||||||||||||
9 |
|
2,8 |
0,37 |
|
1172 |
1,06 |
|
16,25 |
2,06 |
33,475 |
||||||||||||||||||||||||||
10 |
2,8 |
0,37 |
|
1219 |
1,095 |
17,17 |
2,14 |
36,743 |
||||||||||||||||||||||||||||
11 |
2,9 |
0,39 |
|
1308 |
1,145 |
18,5 |
|
2,23 |
41,255 |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
12 |
|
|
|
2,9 |
|
|
|
0,39 |
|
|
|
|
1382 |
|
|
|
1,15 |
|
|
|
19,47 |
|
|
|
2,3 |
|
|
|
44,781 |
|
||||
13 |
3 |
|
0,4 |
|
|
1410 |
1,15 |
|
19,97 |
2,31 |
46,130 |
|||||||||||||||||||||||||
14 |
3 |
|
0,4 |
|
|
1452 |
1,175 |
20,76 |
2,32 |
48,163 |
||||||||||||||||||||||||||
15 |
3 |
|
0,4 |
|
|
1502 |
1,16 |
|
21,22 |
2,39 |
50,715 |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
16 |
|
|
|
3 |
|
|
|
0,4 |
|
|
|
|
1500 |
|
|
|
1,16 |
|
|
|
21,22 |
|
|
|
2,4 |
|
|
|
50,928 |
|
||||
17 |
3 |
|
0,4 |
|
|
1495 |
1,16 |
|
21,18 |
2,4 |
|
50,832 |
||||||||||||||||||||||||
Основные результаты расчётов, проведённых в ходе анализа полученных экспериментальных данных, представлены в табл.2.
7
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Основные результатырасчётов |
|
Таблица 2 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скорость |
|
|
|
|
|
Крутящий |
|
Механическая |
|
Крутящий |
|||||||||
|
|
|
|
|
Расход |
|
|
Реактив- |
|
момент реак- |
|
мощность |
|
момент ак- |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
потока воз- |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
№ |
|
воздуха, |
|
|
ная сила, |
|
тивной тур- |
|
реактивной |
|
тивной тур- |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
mв , кг/с |
|
|
духа, |
|
|
Fр , Н |
|
бины, |
|
турбины, |
|
бины, |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
V , м/с |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Mкр , Н·м |
|
Nмр , Вт |
|
Mка , Н·м |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
1 |
|
0,034 |
147,698 |
5,065 |
0,506 |
27,212 |
|
0,817 |
||||||||||||||||||||
2 |
|
0,035 |
152,572 |
5,405 |
0,54 |
|
32,887 |
|
0,977 |
|||||||||||||||||||
3 |
|
0,036 |
157,447 |
5,756 |
0,575 |
45,511 |
|
1,118 |
||||||||||||||||||||
4 |
|
0,037 |
162,321 |
6,118 |
0,611 |
54,626 |
|
1,315 |
||||||||||||||||||||
5 |
|
0,038 |
167,196 |
6,491 |
0,649 |
62,551 |
|
1,291 |
||||||||||||||||||||
6 |
|
0,039 |
172,07 |
|
6,875 |
0,687 |
68,49 |
|
1,201 |
|||||||||||||||||||
|
|
7 |
|
|
|
0,041 |
|
|
|
176,945 |
|
|
|
7,27 |
|
|
|
0,727 |
|
|
|
77,504 |
|
|
|
1,547 |
|
|
8 |
|
0,042 |
181,819 |
7,676 |
0,767 |
91,721 |
|
1,472 |
||||||||||||||||||||
9 |
|
0,043 |
186,694 |
8,093 |
0,809 |
99,332 |
|
1,507 |
||||||||||||||||||||
10 |
0,043 |
186,694 |
8,093 |
0,809 |
103,315 |
1,557 |
||||||||||||||||||||||
11 |
0,044 |
191,568 |
8,521 |
0,852 |
116,723 |
1,628 |
||||||||||||||||||||||
|
|
12 |
|
|
|
0,044 |
|
|
|
191,568 |
|
|
|
8,521 |
|
|
|
0,852 |
|
|
|
123,327 |
|
|
|
1,635 |
|
|
13 |
0,045 |
196,443 |
8,96 |
|
0,896 |
132,310 |
1,635 |
|||||||||||||||||||||
14 |
0,045 |
196,443 |
8,96 |
|
0,896 |
136,251 |
1,671 |
|||||||||||||||||||||
15 |
0,045 |
196,443 |
8,96 |
|
0,896 |
140,943 |
1,65 |
|
||||||||||||||||||||
|
|
16 |
|
|
|
0,045 |
|
|
|
196,443 |
|
|
|
8,96 |
|
|
|
0,896 |
|
|
|
140,756 |
|
|
|
1,65 |
|
|
17 |
0,045 |
196,443 |
8,96 |
|
0,896 |
140,286 |
1,65 |
|
||||||||||||||||||||
Также в ходе анализа данных, полученных в результате экспериментальных исследований, произведён расчёт основных характеристик активной части турбины по имеющейся методике проектногорасчёта одноступенчатой автономной турбины, выполненной на базе одноступенчатой активной турбины
[7].
Расчёты проводились потрём различным режимам течения потока (выделены в табл. 1, табл.2 – п. 7, 12, 16). В качестве исходных данных были использованы основные конструктивные характеристики активной части турбины, а также характеристики турбины и потока сжатого воздуха, полученные в результате экспериментов.
Основные результаты проведённых расчётов при определении механической мощности активной части турбины приведены в табл.3.
8
|
|
Результатырасчётовактивной части турбины |
Таблица 3 |
||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Удель- |
Удель- |
Механиче- |
|
|
|
Располагаемая |
|
ная ра- |
ная |
|
|
Угловая |
Давление |
Отноше- |
ская мощ- |
|||
|
изоэнтропиче- |
бота |
окруж- |
||||
№ |
ско- |
на входе, |
ская удельная |
ние скоро- |
турби- |
ная ра- |
ность актив- |
рость, |
p0 , бар |
работа, |
стей, |
ны, |
бота, |
ной части |
|
|
ω , c-1 |
(абс.) |
Ls , кДж/кг |
u c |
LT , |
Lu , |
турбины, |
|
|
|
|
N |
|||
|
|
|
|
|
кДж/кг |
кДж/кг |
aT , Вт |
|
|
|
|
|
|
||
7 |
35,53 |
1,33 |
21,63 |
0,021 |
1,279 |
1,349 |
52,455 |
12 |
56,853 |
1,35 |
22,77 |
0,032 |
2,069 |
2,185 |
92,854 |
16 |
60,606 |
1,36 |
23,33 |
0,034 |
2,216 |
2,341 |
99,952 |
Экспериментальным путём установлено, что коэффициент полезного действия реактивной части турбины находится в пределах от 30 до 40 %.
Проведённые экспериментальные исследования показали принципиальную работоспособность активной и реактивной частей турбины, при этом в ходе анализа полученных величин установлено, что активная часть турбины по созданию крутящего момента лишь частично уступает реактивной части. Механическая мощность, полученная на активной части турбины, согласно проведённым расчётам, составляет от 70 до 75 % механической мощности, полученной на валу реактивной части турбины. В связи с этим, в дальнейшем, при проектировании полноразмерной установки для получения электрической энергии, включающей в состав активно-реактивную турбину, будет необходимо учитывать, что вырабатываемая полезная механическая мощность на активной части турбины будет составлять от 70 до 75 % мощности реактивной части.
Учитывая тот факт, что припроведённых экспериментальных исследованиях использовался экспериментальный образец активно-реактивной турбины относительно малых размеров, выполненный из пластика, без проведения должной балансировки, и то, что на экспериментальную установку подавался небольшой расход сжатого воздуха при низком давлении, результат оказался весьма положительным.
На основании проведённых исследований можно сделать вывод о том, что безлопаточные реактивные турбины, в сравнении со стандартными лопаточными турбинами, существенно менеетребовательны к качеству используемого рабочего тела, обладают повышенной эрозионной стойкостью, отличаются отсутствием зазоров малой величины и сложных уплотнений в проточной части [8].
9
Сочетание активной и реактивной частей позволяет получать большее значение вырабатываемой полезной мощности, что повышает коэффициент полезного действия турбинного агрегата. Разрабатываемая активно-реактивная турбина также отличается простотой изготовления, что в конечном итогеопределяет низкие затраты на еёпроизводство.
Литература
1.Rosa do Nascimento,Marco Antônio. Micro Gas Turbine Engine: A Review / Marco Antônio Rosa do Nascimento, Lucilene de Oliveira Rodrigues, Eraldo Cruz dos Santos, Eli Eber Batista Gomes, Fagner Luis Goulart Dias, Elkin Iván Gutiérrez Velásques and Rubén Alexis Miranda Carrillo // Progress in Gas Turbine Perfomance, IntechOpen.–2013. –P. 107-141.
2.Ванеев, С. М. Исследование струйно-реактивной турбины для турбодетандерного агрегата / С.М. Ванеев, В.В. Гетало, С.К. Королев // Вестник НТУ
«ХПИ».–2012. –№ 8. –С. 82-90.
3.Пат. 2713785 Российская Федерация, МПК F 02 C 1/04. Газотурбинная установка для переработки попутного нефтяного и различных низконапорных газов в электроэнергию / Лачугин И. Г., Шевцов А. П., Хохлов В. Ю., Сухов А. И., Базыкин Д. А.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью Финансовопромышленная компания «Космос-Нефть-Газ». – № 2019113542; заявле-
но 29.04.2019; опубл. 07.02.2020; Бюл. № 4.– 4 с.
4.Шульга А. Р. Сопоставительный анализ газотурбинных и поршневых электроагрегатов для покрытия пиков нагрузки и создания резерва электропитания / А. Р. Шульга, Р. Н. Шульга, К. А. Змиева, С. И. Хренов, Г. З. Мирзабекян // Вестник МЭИ. –2014. – № 3. – С. 11-15.
5.Бажуков А.С. Исследование прочностного состояния микротурбины
вусловиях высокой температуры и частоты вращения / АС.. Бажуков,
А. А.Габэ//Успехисовременнойнауки.– 2016.– №8.– С.89-92.
6.Базыкин Д.А. Разработка и монтаж экспериментальной установки для исследования утилизационной газовой турбины / Д.А. Базыкин,А. В. Бараков // Научная опора Воронежской области. Сборник трудов победителей конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов ВГТУ по приоритетным направлениям развития науки и технологий. –2020. –С. 245-247.
7.Матвеев В.Н. Проектный расчет одноступенчатых и двухступенчатых автономных осевых турбин турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных
двигателей [Электронный ресурс]: электрон. учебноепособие / В.Н. Матвеев, А. В. Сулинов; Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Ко-
10
ролева (нац. исслед. ун-т). –Электрон. текстовые и граф. дан. (3,0 Мбайт)–. Сама-
ра, 2011. –1 эл. опт. диск CD(-ROM).
8. Смирнов М.В. Безлопаточные центробежные ступени для турбодетандеров малой мощности: дис.канд. техн. наук (05.04.12– турбомашины и комбинированные турбоустановки) / М.В. Смирнов; рук. работы Г. А. Фокин. –
СПбПУ, 2018.–161 с.
11