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.

Геометрическая модель системы выхлопа ГТУ

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.

Распределение полного давления для оптимизированной конструкции

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 Определение однородности расхода газа в соответствии с ГОСТ Р ЕН 15259-2015 методами CFD-моделирования

Статья Моделирование распространения звука в задачах гидро- и аэроакустики

Список используемых источников

x

x

Изображение заголовка сгенерировано нейросетью