Обоснование облика малоразмерного турбовального двигателя с регенерацией теплоты

Аннотация

В связи с возрастающими экономическими и экологическими требованиями все большее внимание разработчики авиационных двигателей уделяют силовым установкам нетрадиционных конструктивно-компоновочных схем. Перспективной схемой является двигатель с регенерацией теплоты, в котором ключевую роль играют легкие компактные теплообменники. Проведена оптимизация параметров авиационного двигателя с регенерацией теплоты для поисково-спасательного беспилотного летательного аппарата по критериям удельных расходов топлива на режиме патрулирования и массы силовой установки и топлива. Регенерация теплоты в рассчитанном двигателе с учетом ограничений по мощности на режиме патрулирования обеспечивает уменьшение на 26 % удельного расхода топлива по сравнению с расходом топлива исходного двигателя. Приведена методика выбора термогазодинамических параметров, по которой выбран облик двигателя, удовлетворяющий заданным требованиям. В целях проверки адекватности заданных параметров теплообменника проанализирован выбор оптимальных параметров двигателя с рекуператором с наименьшей массой силовой установки и минимальным удельным расходом топлива, а также размеров теплопередающей матрицы теплообменника для проектируемого двигателя, удовлетворяющих массогабаритным ограничениям и ограничениям по гидравлическим потерям

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания "Разработка критических технологий создания силовых установок для малой и региональной авиации, а также беспилотных авиационных систем" (№ FEUE-2023-0007)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Михайлов А.Е., Михайлова А.Б., Еременко В.В. и др. Обоснование облика малоразмерного турбовального двигателя с регенерацией теплоты. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2024, № 4 (151), c. 47--67. EDN: ZCPYGU

Литература

[1] Омар Х.Х., Кузьмичёв В.С., Ткаченко А.Ю. Повышение эффективности авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей за счет применения рекуператора. Вестник МАИ, 2020, т. 27, № 4, с. 133--146. DOI: https://doi.org/10.34759/vst-2020-4-133-146

[2] Осипов И.В., Ремчуков С.С. Малоразмерный газотурбинный двигатель со свободной турбиной и теплообменником системы регенерации тепла в классе мощности 200 л.с. Вестник МАИ, 2019, т. 26, № 2, с. 81--90. EDN: BUPKSF

[3] Tacconi J., Visser W., MacNeill R., et al. Development of a multi-objective optimization tool for intercooled/recuperated turboprop engines for minimum SFC and engine weight. Joint Propulsion Conf., 2018, art. 4656. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2018-4656

[4] Anfossi J., Al-Zaili J., Samad T.E., et al. Performance assessment of a recuperated turboshaft engine: a multifuel case. ASME Turbo Expo, 2022, vol. 86014, paper no. GT2022-80455, V004T06A007. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2022-80455

[5] Тихонов А.М. Регенерация тепла в авиационных ГТД. М., Машиностроение, 1977.

[6] Zhang C., Gummer V. High temperature heat exchangers for recuperated rotorcraft powerplants. Appl. Therm. Eng., 2019, vol. 154, pp. 548--561. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.119

[7] Zhang C., Gummer V. The potential of helicopter turboshaft engines incorporating highly effective recuperators under various flight conditions. Aerosp. Sc. Technol., 2019, vol. 88, no. 3, pp. 84--94. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ast.2019.03.008

[8] Min J.K., Jeong J.H., Ha M.Y., et al. High temperature heat exchanger studies for applications to gas turbines. Heat Mass Transfer, 2009, vol. 46, no. 2, pp. 175--186. DOI: https://doi.org/10.1007/s00231-009-0560-3

[9] Fakhre A., Pachidis V., Goulos I., et al. Helicopter mission analysis for a regenerated turboshaft. ASME Turbo Expo, 2013, paper no. GT2013-94971, V002T01A015. DOI: https://doi.org/10.1115/GT2013-94971

[10] Кузьмичёв В.С., Омар Х.Х., Ткаченко А.Ю. и др. Математическая модель расчета массы теплообменника в задачах оптимизации параметров рабочего процесса авиационных газотурбинных двигателей. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2019, т. 18, № 3, с. 67--80. DOI: https://doi.org/10.18287/2541-7533-2019-18-3-67-80

[11] Костюков А.В., Косач Л.А., Мерзликин В.Г. Влияние нестационарности течения теплоносителя в канале матрицы вращающегося теплообменного аппарата на его тепловые параметры при ламинарном течении. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2023, № 7, с. 77--83. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2023-7-77-83

[12] Sheykhpoor H., Darabkhani H.G., Awan A.W. Improving efficiency of micro gas turbine systems by integration of combustor and recuperator using additive manufacturing techniques. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 2023, vol. 127, no. 1-2, pp. 23--44. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-023-11396-z

[13] Чу В., Рассохин В.А., Барсков В.В. и др. Использование высокоэффективных биметаллических рекуператоров малогабаритных газотурбинных установок мощностью до 100 кВт. Известия МГТУ МАМИ, 2023, т. 17, № 1, pp. 5--16. DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-106091

[14] Jansen R., Bowman C., Jankovsky A., et al. Overview of NASA electrified aircraft propulsion (EAP) research for large subsonic transports. 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf., 2017, art. 4701. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2017-4701

[15] Beno V., Adamcik Jr.F. Unmanned combat air vehicle: MQ-9 Reaper. Scientific Research & Education in the Air Force-AFASES, 2014, vol. 1.

[16] Григорьев В.А., Пономарёв Б.А. Вертолетные газотурбинные двигатели. М., Машиностроение, 2007.

[17] Омар Х.Х. Метод и средства оптимизации параметров рабочего процесса авиационных ГТД с регенерацией тепла. Дис. ... канд. техн. наук. Самара, Самарский университет, 2021.

[18] Исаев С.А., Леонтьев А.И., Гортышов Ю.Ф. и др. Теплообменная поверхность. Патент РФ 2768667. Заявл. 31.05.2021, опубл. 24.03.2022.

[19] Eleftheriou A., Menheere D., Alecu D. Swirl reducing gas turbine engine recuperator. Патент US 20120216544. Заявл. 28.02.2011, опубл. 19.09.2017.

[20] Eleftheriou A., Menheere D., Alecu D. Gas turbine engine recuperator with floating connection. Патент US 10550767. Заявл. 21.06.2016, опубл. 04.02.2020.

[21] Michael J.V. Recuperated gas turbine engine. Патент US 10233838. Заявл. 09.09.2015, опубл. 19.03.2019.

[22] Ардатов К.В., Нестеренко В.Г., Равикович Ю.А. Классификация высокоэффективных рекуператоров газотурбинных двигателей. Труды МАИ, 2013, № 71. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=46706&ysclid=m1s0ntnw3g905386477

[23] Kays W.M., London A.L. Compact heat exchangers. New York, McGraw-Hill Comp., 1984.