Проточный тракт системы выхлопа создаёт газодинамическое сопротивление, напрямую влияющее на полезную мощность газотурбинной установки (ГТУ). Специалисты АО «ЦИФРА» с помощью компьютерного моделирования провели анализ конструкции системы выхлопа. Виртуальные испытания показали, что газодинамическое сопротивление проточного тракта превышает рекомендуемое значение. С помощью компьютерного моделирования были разработаны конструктивные решения, которые позволили обеспечить выполнение требований нормативной документации.
Описание системы выхлопа газотурбинной установки
ГТУ широко применяются в энергетике и газотранспортной отрасли, работают на компрессорных станциях, энергоцентрах и автономных объектах. Во многих случаях их эксплуатация осуществляется в непосредственной близости от промышленных предприятий, а также рядом с жилой застройкой.
В этих условиях ключевое значение приобретает соответствие ГТУ требованиям промышленной, экологической и санитарно-гигиенической безопасности. Система выхлопа ГТУ играет в этом процессе одну из определяющих ролей и выполняет следующие основные функции:
- снижение шума, создаваемого двигателем, до значений, соответствующих гигиеническим нормам;
- снижение концентрации вредных выбросов в атмосферу за счет рассеивания на расчетной высоте в районе установки ГТУ;
- обеспечение уровня газодинамического сопротивления в пределах, необходимых для нормальной работы двигателя.
Таким образом, проектирование и оптимизация системы выхлопа является мультифизичной задачей, затрагивающей акустические, экологические и газодинамические аспекты. Указанные требования регламентируются нормативной документацией, в частности СТО ГАЗПРОМ 2‑3.5‑138‑2007 [1]. Согласно данным требованиям, для газотурбинных установок простого цикла суммарные потери полного давления не должны превышать 1000 Па. Превышение данного значения приводит к снижению выходной мощности установки, росту температуры выхлопных газов и ускоренному износу основного оборудования, что напрямую отражается на эксплуатационных затратах и ресурсе ГТУ.
Результаты моделирования исходной конфигурации
Исходная конфигурация выхлопного тракта ГТУ включала следующие основные элементы:
- выходной диффузор газотурбинного двигателя;
- участок расширения, поворот газового канала на 90°;
- шумоглушители;
- вертикальную выхлопную трубу с выходом в атмосферу.
Для данной геометрической конфигурации специалисты АО «ЦИФРА» выполнили расчёт газодинамического сопротивления проточного тракта. Для расчётов использован программный комплекс Ansys Fluent, позволяющий получить детальные распределения физических величин и интегральных характеристик системы выхлопа.
Результаты CFD‑моделирования показали, что суммарные потери полного давления при прохождении газа через выхлопную систему составляют около 1300 Па, что превышает допустимое нормативное значение в 1000 Па.
Распределение полного давления в сечении выхлопного тракта (исходная конфигурация)
Таким образом, исходная конструкция выхлопного тракта не удовлетворяла требованиям нормативной документации и требовала доработки с целью снижения газодинамического сопротивления.
Анализ источников газодинамического сопротивления
Применение CFD‑моделирования дало возможность детально проанализировать распределения скоростей и давлений по проточному тракту и выявить зоны повышенных потерь Анализ распределения скоростей и давления в проточной части выхлопной системы показал, что основными источниками сопротивления являются:
- диффузорное расширение потока на выходе из газотурбинного двигателя;
- резкий поворот газового тракта на‑90° непосредственно после диффузора;
- шумоглушители, расположенные сразу за поворотом канала.
Сочетание диффузорного расширения и последующего поворота приводит к неблагоприятному перераспределению скоростей в сечении канала. Ядро потока смещается к внешней стенке поворота, в то время как у внутренней стенки формируется обширная зона отрыва. Наличие шумоглушителей в зоне неустоявшегося течения дополнительно увеличивает газодинамическое сопротивление.
Варианты изменения геометрии проточного тракта
Снижение потерь полного давления в диффузорах и каналах с поворотами может быть достигнуто за счёт рациональной организации течения. Согласно рекомендациям, приведённым в нормативных и справочных источниках [1], снижение потерь в диффузорах и каналах с поворотом может быть достигнуто следующими способами:
- уменьшением угла раскрытия диффузора;
- организацией направленного течения с помощью поворотных лопаток;
- применением скосов и закруглений внутренних кромок поворота;
- выравниванием профиля скоростей перед элементами с повышенным сопротивлением.
Выработка рекомендаций по модернизации конструкции проточного тракта проводилась в тесном сотрудничестве с инженерами-конструкторами и с учётом имеющихся ограничений. По результатам предварительных обсуждений было принято решение в первую очередь рассматривать вариант установки поворотных лопаток. Согласно рекомендациям [2], минимально рекомендуемое количество поворотных лопаток составляет две; из соображений экономической эффективности специалисты АО «ЦИФРА» дополнительно рассмотрели вариант с установкой одной поворотной лопатки.
Результаты оптимизации проточного тракта
В результате оптимизации конструкции проточного тракта выхлопной системы было достигнуто значительное снижение газодинамического сопротивления. Потери полного давления в модернизированных конфигураций снизились до значений, не превышающих 1000 Па, что полностью соответствует требованиям СТО ГАЗПРОМ 2‑3.5‑138‑2007. В случае двух поворотных лопаток значение перепада давления составило 807 Па, а в случае одной лопатки 927 Па, что также удовлетворяет требованиям СТО.
Таким образом, даже минимальное вмешательство в геометрию проточного тракта — в частности, добавление одной поворотной лопатки — приводит к существенному снижению газодинамического сопротивления. Это позволяет обеспечить соответствие нормативным требованиям, повысить энергетическую эффективность газотурбинной установки и улучшить её эксплуатационные характеристики без значительного усложнения конструкции. Компьютерное моделирование позволяет провести оценку сопротивления выхлопного тракта и при необходимости проработать подходы для его снижения ещё на этапе проектирования, что минимизирует риски задержек и финансовых потерь при переделке готовой конструкции.
Связанные материалы
Запись вебинара Повышение эффективности процессов промышленной газоочистки с использованием численного моделирования
Статья Моделирование распространения звука в задачах гидро- и аэроакустики
Список используемых источников
1.СТО ГАЗПРОМ 2-3.5-138-2007 «Газотурбинные установки. Общие технические требования».
2.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Москва: Машиностроение, 1992.
Изображение заголовка сгенерировано нейросетью