Сравнительный анализ расчета термодинамических циклов приводных газотурбинных двигателей

Abstract

Приводится краткий обзор отечественных и зарубежных программ для расчета термодинамического цикла работы газотурбинного двигателя. Основное внимание уделяется сравнению методик немецкой компании GasTurb и ПАО «Тюменские моторостроители». Приводятся конфигурационные файлы для программы NASA Chemical Equilibrium with Applications для вычисления термодинамических свойств метана, воздуха и продуктов сгорания. Излагаются основные положения методики расчета тепловых схем энергетических и приводных газотурбинных установок. На примере трехвального газотурбинного двигателя судового типа UGT 15000 показаны потенциалы повышения КПД на 4-7% (абс.) и снижения выбросов CO2 на 20% за счет установки промежуточного воздухо-охладителя при сжатии рабочего тела. По результатам сравнения программ GasTurb и предложенной в ПАО «Тюменские моторостроители» установлено соответствие основных параметров в пределах допустимой погрешности измерений. На основе опубликованных данных по UGT 15000 (ДГ90) идентифицированы параметры термодинамического цикла, включая политропическую эффективность каждого узла и расходы на охлаждение (в условиях ISO 2314). Показано, что за счет изотермо-адиабатного цикла В. В. Уварова уже в первом приближении, без экстремальных параметров термодинамического цикла, могут быть реализованы характеристики газотурбинного двигателя V поколения на основе доступных и экономных технологий II-IV поколения (с использованием относительно простых поликристаллических никелевых суперсплавов, циклонно-вихревого или конвективно-пленочного охлаждения наиболее нагруженных деталей горячей части турбины). Программа-методика ПАО «Тюменские моторостроители» с открытым исходным кодом положительно зарекомендовала себя при разработке технических решений для модернизации двигателей типа ДГ90/ДН80/ДУ80 (III-IV поколение) и нового двигателя ТМ16М2.

A brief overview of domestic and foreign programs for calculating the thermodynamic cycle of the gas turbine engine operation is provided. The focus is on comparing GasTurb and Tyumen Motor Builders methods. Confguration fles are provided for NASA Chemical Equilibrium with Applications program to calculate the thermodynamic properties of methane, air, and combustion products. The main provisions of the procedure for calculating thermal schemes of turboshaft engines are presented. Using the example of a three-shaft ship-type gas turbine engine UGT 15000, the potentials for increasing efciency by 4-7% (abs.) and reducing CO2 emissions by 20% are shown due to the installation of an intercooler during compression of the working fuid. According to the results of comparison of GasTurb and Tyumen Motor Builders programs, the correspondence of the main parameters within the permissible measurement error is established. Based on published data on UGT 15000 (DG90), the parameters of the thermodynamic cycle were identifed, including the polytropical efciency of each node and cooling rates (ISO 2314). It has been shown that due to the isotermo-adiabatic cycle of V. V. Uvarov, already in the frst approximation, without extreme parameters of the thermodynamic cycle, the characteristics of the V generation of the gas turbine engine can be implemented based on afordable and economical technologies of the II-IV generation (using equiaxed nickel superalloys, cyclone or convective-flm cooling of high-pressure turbine vanes and blades). The Tyumen Motor Builders methodology program is open-source and has proven itself positively in the service-pack development for engines DG90/DN80/DU80 (III-IV generation) and the new ТМ16М2 engine construction.