Как источник рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия
На правах рукописи
КИРДСУК САКУЛТА
ГТД как источник рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия
Специальность 05.07.05
«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2008
Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) «МАИ».
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор Лепешинский Игорь Александрович |
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Козляков Вячеслав Васильевич кандидат технических наук Григорьянц Рубен Рубенович |
| Ведущая организация: | Научно-технический центр им. А.Люльки НПО «Сатурн» |
Защита диссертации состоится “__” 2008 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.08 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета) «МАИ».
Автореферат разослан “ __” 2008 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета 212.125.08
д.т.н., проф. Ю.В. Зуев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
В городах ежедневно происходит большое количество пожаров различной сложности; периодически случаются крупные пожары, для тушения которых требуется длительное время. Пожары являются причиной большого материального ущерба и человеческих жертв, причем часто ущерб от процесса тушения может превышать ущерб от пожара из-за длительного тушения и заливания водой объектов вне очага пожара. Кроме того, в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ – продуктов сгорания: СО2, СО, NOх, сажи и других веществ, оказывающих неблагоприятиое воздействие на людей, здания и техничесие сооружения. Продукты сгорания крупных пожаров приводят к ухудшению экологической обстановки не только в районе пожара, но и во всем регионе.
Наиболее опасны пожары на нефтеперерабатывающих заводах, бензозаправочных станциях, нефтехранилищах, на предприятиях, производящих экологически опасную продукцию, поскольку сегодня практически отсутствуют соответствующие системы пожаротушения, обеспечивающие большую дальность действия. Такие пожары обладают высокой интенсивностью излучения и опасностью, не позволяющей приблизится к ним на расстояние, обеспечиваемое существующими средствами.
В последние годы из-за неблагоприятной погодной обстановки резко увеличилась вероятность пожаров в городских лесопарковых зонах и лесах. Это чревато не только увеличением вредных веществ в атмосфере и уменьшением концентрации кислорода в воздухе, но и значительным материальным ущербом.
Основными проблемами тушения пожаров сегодня являются:
- ущерб от самого процесса тушения, связанный с использованием значительного количества воды, используемой при тушении и заливающей нижележащие этажи;
- тушение пожаров в верхних этажах высоких зданий, когда существующая техника не может обеспечить подачу тушашей жидкости на необходимую высоту;
- тушение пожаров с высокой интенсивностью теплового излучения, например горение нефти, топлив, т.п. потому что трудно приблизится к очагу пожара из-за ограниченной дальности действия пожарных систем;
- тушение лесных пожаров.
Решение выше отмеченных проблем может быть получено, если
- удастся сушественно снизить потребное количество жидкости для тушения
- увеличить скорость и эффективность тушения
- повысить дальность действия тушащих струй
- использовать современную технику базирования и доставки средств тушения.
Поэтому была разработана новая технология получения пожаротушащих струй и создан ряд систем ее реализующих под общим названием газодинамические управляемые дисперсные пожарные системы. Эта технология лишена отмеченных выше недостатков и основывается на формировании высокоскоростных газокапельных струй, содержащих мелкодисперсные капли жидкости, а в качестве рабочего газа – воздух.
Газодинамическая управляемая дисперсная пожарная система состоит из источников жидкости и сжатого воздуха с давлением порядка 10-15 атм, камеры смешения (КСМ), где происходит дробление жидкости на капли заданного размера и получение двухфазной газокапельной смеси, и сопла, где полученный двухфазный газокапельный поток разгоняется до высокой скорости. При этом на выходе из сопла образуется высокоскоростная газокапельная струя, обладающая необходимыми свойствами: она содержит мелкие капли, которые быстро испаряются, а струя обладает большой мощностью благодаря большой скорости и значительному расходу жидкости, и большой дальностью. Для получения рабочих тел высокого давления порядка 10-15 атм с большими расходами системе пожаротушения необходима мощная энергетика, которая эффективно может быть обеспечена только с помощью газотурбинного двигателя (ГТД). Поэтому система пожаротушения большой мощности и дальности действия (СПБМД) создается на базе ГТД. Система пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД имеет разные схемы реализации, но в данной диссертации выбрана схемы ГТД как источник рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия с отбором рабочего газа за первой ступенью турбины.
Цель и задачи работы.
Теоретическое исследование системы пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД с отбором рабочего газа за первой ступенью турбины и дополнительными системами теплообмена и впрыска жидкости в различные элементы двигателя, анализ вариантов, влияния параметров и характеристик двигателя и системы теплообмена и впрыска на эффективность СПБМД при использовании уже существующих двигателей.
Главными задачами работы являлись:
- анализ современного состояния вопроса исследований ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия;
- разработка математической модели;
- определение вариантов и режимов работ системы;
- анализ результатов проведенных численных расчетов;
- разработка рекомендаций для проектирования системы пожаротушения с ГТД как источником рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия.
Научная новизна работы.
Данная работа посвящена решению специфической задачи: исследованию работы ГТД в системе пожаротушения большой мощности и дальности действия. Эта работа исследуется впервые, а также новизна работы в следующем:
- определение схемы ГТД как источника рабочего тела для СПБМД с отбором рабочего газа за турбиной первой ступени и впрыске теплоносителя (воды) за турбиной или в камеру сгорания.
- определение режимов и вариантов использования ГТД и системы теплообмена СПБМД.
- сравнение эффективности системы при впрыскивании пара за турбиной и в камеру сгорания.
Достоверность результатов работы.
Достоверность подтверждается соответствием полученных результатов теории ВРД и ТРД с регенерацией тепла.
Практическая ценность результатов работы.
Разработанная математическая модель, алгоритм, программа и результаты исследования могут быть использованы для расчета и проектирования систем пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД исследованной в работе схемы.
Результаты исследования могут также использоваться для сравнения эффективности с другими схемами СПБМД на базе ГТД и выбора ГТД для проектирования СПБМД на базе ГТД.
Основные положения, выносимые на защиту.
- Исследования ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия.
- Варианты и режимы работы системы пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД и системы теплообмена и впрыска
- Сравнительные результаты эффективности системы и рекомендации по вариантам и режимам работы, параметрам ГТД и системе теплообмена и впрыска.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались на 4-й межд. научно – технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта», Ульяновск, 2007г.; на ХХI международном семинаре «струйные, отрывные и нестационарные течения», Новосибирск, 2008г.; на ХIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели», Москва, 2008г.
Публикации.
По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 4 печатных работы, из них 1 научная статья и 3 тезиса докладов.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа изложена на 118 машинописных страницах и состоит из введения, 3 глав, заключения и списка использованных источников. Иллюстративный материал представлен в виде 89 рисунков и 4 таблиц. Список использованных источников включает 21 наименование на 2 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мошности и дальности действия, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна, представлена структура диссертации.
В первой главе, обзорного характера, рассмотрено решение проблем пожаротушения на основе новой технологии получения пожаротушащих струй под общим названием газодинамические управляемые дисперсные пожарные системы. Эта технология основывается на формировании высокоскоростных газокапельных струй, содержащих мелкодисперсные капли жидкости, а в качестве рабочего газа – воздух. Сегодня практически отсутствуют соответствующие системы пожаротушения, обеспечивающие большую мощность и необходимую дальность действия, которая может обеспечить дальность действия струи порядка 100-300м.
На рис. 1, показана структурная схема системы, основанной на новой технологии. Система включает источники жидкости (2) и сжатого воздуха(1) с давлением порядка 10 – 15 атм, камеру смешения (3), где происходит дробление жидкости на капли заданного размера и полученние двухфазной газокапельной смеси, и сопло (4), где полученное двухфазное рабочее тело разгоняется до высокой скорости. При этом на выходе из сопла образуется высокоскоростная газокапельная струя (5), обладающая необходимыми свойствами: она содержит мелкие каплями, которые быстро испаряются, а струя обладает большой мощностью благодаря большой скорости и значительному расходу жидкости, и большой дальностью.
Рис. 1 Структурная схема системы, реализующей новую технологию получения газокапельных струй
В СПБМД необходимо иметь высокое давление порядка 10-15атм и значительный расход рабочих тел порядка 10-200л/с, и поэтому мощную энергетику, которая эффективно может быть обеспечена только с помощью газотурбинного двигателя. На рис. 2 показана схема системы, реализующей новую технологию получения газокапельных струй, принципиально отличающая от выше упомянутых схем, реализующих системы пожаротушения большой мощности.
Рис.2 Схема установки пожаротушения большой мощности
Жидкостное рабочее тело (вода) обеспечивается насосом, приводимым от турбины ГТД. Необходимое газовое рабочее тело может быть получено отбором воздуха от компрессора ГТД, или постановкой отдельного компрессора, приводимого от его турбины. Возможен также отбор газа за первой ступенью турбины. Каждый из этих способов имеет свои недостатки и преимущества. В частности, в последнем случае, когда отбирается горячий газ с высоким давлением и температурой порядка 900-1200К, а в КСМ нужно только высокое давление, но не высокая температура, целесообразно использование систем и устройств, обеспечивающих регенерацию тепла и возможную компенсацию отбора рабочего тела. С другой стороны, такая схема позволяет избежать существенной переделки ГТД, поскольку для создания реальных систем пожаротушения будут использоваться только уже существующие двигатели. В настоящей работе было предложено исследовать одну из возможных схем реализации СПБМД, основанной на использовании ГТД с отбором рабочего газа за первой ступенью турбины (рис3).
Рис. 3 Схема ГТД как источник рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности
Система состоит из диффузора 1, компрессора (Кp), камеры сгорания 2-3, турбины газогенератора 1-ой ступени (ТА), турбины газогенератора 2-ой ступени (ТБ), свободной турбины (ТВ), выхлопного сопла двигателя 8- 9, камеры смешения (КСМ) с соплом 14, насоса подачи воды в камеру смешения (НА), насоса подачи воды в систему теплообмена (НБ), теплообменника (ТОБ), установленного в тракте подачи рабочего тела в камеру смешения и теплообменника (ТОА), установленного за свободной турбиной (ТВ).
Исследование ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия имеет разные варианты работы системы. Основой системы является ГТД и камера смешения с соплом, а система теплообмена работает как дополнительная система. Система теплообмена реализуется в разных вариантах, предлагаются для исследования следующие варианты работы системы:
- система пожаротушения без системы теплообмена
- система пожаротушения с системой теплообмена при включении 1 прямоточного теплообменника (ТОБ) и впрыске горячей воды или пара в камеру сгорания при заданной температуре воды на выходе теплообменника ТОБ, (
). - система пожаротушения с системой теплообмена при включении 1 прямоточного теплообменника (ТОБ) и впрыске горячей воды или пара за турбиной первой ступени (ТА) при заданной температуре воды на выходе теплообменника ТОБ, (
). - система пожаротушения с системой теплообмена при включении 1 прямоточного теплообменника (ТОБ) и впрыске горячей воды или пара за турбину второй ступени (ТБ) при заданной температуре воды на выходе теплообменника ТОБ, (
). - система пожаротушения с системой теплообмена при включении 2 прямоточных теплообменников (ТОБ и ТОА), и впрыске пара в камеру сгорания при заданных температуре воды на выходе теплообменника ТОБ (
) и перепаде температуры газа (
) и пара на выходе теплообменника ТОА, (
). - система пожаротушения с системой теплообмена при включении 2 прямоточных теплообменников (ТОБ и ТОА), и впрыске пара за турбину первой ступени при заданной температуре воды на выходе теплообменника ТОБ (
) и перепаде температуры газа (
) и пара на выходе теплообменника ТОА (
). - система пожаротушения с системой теплообмена при включении 2 прямоточных теплообменников (ТОА и ТОБ), и впрыске пара в камеру сгорания при заданной температуре воды на выходе теплообменника ТОБ (
) и на выходе теплообменника ТОА (
). - система пожаротушения с системой теплообмена при включении 2 прямоточных теплообменников (ТОА и ТОБ), и впрыске пара за турбину первой ступень (ТА) при заданной температуре воды на выходе теплообменника ТОБ (
) и на выходе теплообменника ТОА (
). - система пожаротушения с системой теплообмена при включении 1 противоточного теплообменника (ТОБ..прот) и впрыске пара в камеру сгорания при заданном перепаде температуры отбираемого газа и воды на выходе теплообменника ТОБ..прот
- система пожаротушения с системой теплообмена при включении 1 противоточного теплообменника (ТОБ..прот) и впрыске пара за турбину первой ступени при заданном перепаде температуры газа и воды на выходе теплообменника ТОБ..прот.
Проводится численное исследование всех вариантов, и сравнивается влияние различных параметров системы на эффективность системы при разных вариантах, и рекомендуются варианты при максимальной эффективности установки.
Вторая глава посвящена описанию математической модели. Расматривается теория и расчет газотурбинных двигателей, определение характеристики системы с ГТД и учетом работы различных вариантов и режимов работы системы теплообмена и впрыска жидкости. Формулируются параметры определяющие эффективность системы, варианты и режимы возможного использования системы, и алгоритм расчета.
Газотурбинный двигатель имеет входное устройство, осевый компрессор, камеру сгорания, осевые турбины и сопло, и определенные характеристики, например,
расход топлива, 
Коэффициент отбора газа m1 получается как отношение расхода отбираемого газа к расходу воздуха на входе компрессора, причем предлагается проводить расчеты для 1 кг/c отбираемого газа.
Если вода впрыскивается в камеру сгорания, продукты сгорания смешиваются с дополнительными парами воды, то отбираемый газ в этом случае называется парогазом..
Коэффициент отбора парогаза:
Формула связывающая эти 2 коэффициента имеет следующий вид:
где: 
Можно считать коэффициент отбора парогаза (m) через баланс мощностей.
,
получается
Далее определяется температура на выходе теплообменников при включении 1 или 2 теплообменников и разных типов теплообменников (противоточного или прямоточного).
- Расчет теплообменника ТОБ
Отбираемый газ имеет высокую температуру, но в камере смешения не нужна высокая температура, поэтому подключается теплообменник для возврата тепла в двигатель.
- Прямоточный теплообменник
В прямоточном теплообменике, горячий газ и жидкость идут в одном направлении поэтому зададим температуру жидкости на выходе из теплообменника (
или 
) при условии 
(11, 12 – коэффициенты влияния равные 1 или0).
- Противоточный теплообменник
В противоточном теплообменике, горячий газ и жидкость идут в обратном направлении, поэтому зададим перепад температур на входе (жидкость) и выходе (горячий газ) из теплообменника при условии 
и 
.
- Расчет теплообменника ТОА
Горячий газ за третьей ступенью турбины имеет высокую температуру поэтому подключается теплообменник для возврата тепла в двигатель.
- Прямоточный теплообменник
В прямоточном теплообменике, горячий газ и жидкость идут в одном направлении, поэтому зададим температуру жидкости на выходе из теплообменника (
или
) при условии 
(4, 5, 7 – коэффициенты влияния равные 1 или 0).
- Противоточный теплообменник
Включение противоточного теплообменника ТОА для системы теплообмена в этом варианте не рассматривается.
Затем рассмотриваются параметры эффективности системы, которые формируют математическую модель для оценки эффективности системы. Например, определяются
- отношение тепловой энергии потребляемой на формирование струи к расходу отбираемого газа
- отношение тепловой энергии потребляемой на формирование струи к работе компрессора
- отношение тепловой энергии потребляемой на формирование струи к работе создаваемой турбинами
- Коэффициент возврата тепла
- Степень регенерации тепла
После этого рассматриваются параметры пара и парогазовой смеси, потому что при впрыске пара или жидкости в двигатель, (камеру сгорания или за турбиной), продукты сгорания разбавляются парами воды. Кроме этого, параметры пара зависят от температуры и давления в теплообменниках и в месте впрыскивания в двигателе. Для уточнения физических характеристик смеси продуктов сгорания и пара, рассчитываются новые параметры пара и парогазовой смеси.
Формулируются параметры определяющие эффективность системы, варианты и режимы возможного использования системы, и алгоритм расчета.
Третья глава посвящена проведению численных параметрических расчетов системы с ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия. В главе проведен выбор исходных параметров и условия работы вариантов системы, параметрические расчеты, сравнение и анализ полученных результатов. Исследовано влияние степени повышения давления в компрессоре, температуры газа перед турбиной, расхода жидкости и давления в КСМ на эффективность системы на всех режимом работы. По результатам исследования сформулированы рекомендации по выбору оптимальных параметров ГТД, вариантов работы системы, режимов и параметров системы теплообмена и впрыска жидкости для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия:
- Влияние агрегатного состояния воды (жидкость или пар) на эффективность системы
Результаты показывают, что при увеличении расхода жидкости, давления в камере смешения, степени повышения давления в компрессоре и температуры газа за камерой сгорания, впрыск пара более эффективен, чем впрыск жидкости, поэтому в других вариантах используется впрыск только пара.
- Влияние температуры пара на эффективность системы
Впрыск пара в целом более эффективен, однако необходимо оценить влияние температуры пара на эффективность системы. При включении прямоточного теплообменника, температура пара может изменятся в пределах 500К - 600К на выходе из теплообменника и входе в двигатель.
При расходе жидкости равном 0,1 кг/с, разница величин параметров эффективности системы между впрыском пара 600К и впрыском пара 500К незначительна, а при расходе жидкости равном 0,2 кг/с, разница немного больше, и впрыск пара при 600К немного более эффективен, чем при 500К. Но для получения большей энергии при большем расходе жидкости используется пар при 500К.
- Выбор места впыскивания пара
В исследовании имеется несколько вариантов при одинаковых условиях, кроме впрыскивания пара в разные места, в камеру сгорания, за турбиной первой или второй ступени турбины.
После рассмотрения различных вариантов работы системы можно сделать следующие выводы:
- при использовании 1 прямоточного теплообменника, впрыск пара за турбиной первой ступени более эффективен, чем впрыск в камеру сгорания.
- при использовании 2 прямоточных теплообменников, впрыск пара за турбиной первой ступени более эффективен по экономичности и по конструкции при степени повышения давления в компрессоре порядка 9, если степень повышения давления в компрессоре выше, впрыск в камеру сгорания более эффективен.
- в варианте 4, включение 1 прямоточного теплообменника и впрыскивание пара за турбиной второй ступени показывает, что впрыск пара за турбиной второй ступени (ТБ) мало влияет на систему, поэтому не рассмотривается впрыск пара за турбиной второй ступени (ТБ) на других режимах.
- Влияние количества теплообменников
Поскольку согласно предыдущему анализу, впрыск пара за турбиной первой ступении более эффективен, далее рассматривается только варианты впрыска пара за турбиной первой ступении.
В исследовании предполагалось включать прямоточные теплообменники, 1 или 2 теплообменника, причем несколькими способами. Рассматриваются следующие варианты. Вода подается с помощью насоса НБ, нагревается в прямоточном теплообменнике ТОА, далее испаряется и перегревается в прямоточном теплообменнике ТОБ (ТОА в ТОБ), или испаряется и перегревается в прямоточном теплообменнике ТОБ и далее перегревается в прямоточном теплообменнике ТОА (ТОБ в ТОА), или испаряется и перегревается только в прямоточном теплообменнике ТОБ (ТОБ), далее пар направляется за турбину первой ступени (ТА).
Рассмотриваются зависимости параметров эффективности системы, например на рис.4 – 6, получается, что при увеличении степени повышения давления в компрессоре, тенденция в этих случаях одинаковая, но включение 1 теплообменника экономит топливо, возвращает больше энергии, теряет меньше тепловой энергии на формирование струи. Данная часть исследования показала, что использование 1 теплообменника более эффективно, чем 2 теплообменников при впрыске за турбиной первой ступени.
Графики эффективности системы при сравнении использования разных вариантов включения теплообменников.
Рис. 4. Зависимость расхода топлива (GT ) от степени повышения давления в компрессоре () при Gж1=0,2 кг/с, =1300К, Рксм = 7 атм и впрыске за ТА
Рис. 5. Зависимость коэффициента отбора газа (m1) от степени повышения давления в компрессоре () при Gж1=0,2 кг/с, =1300К, Рксм = 7 атм и впрыске за ТА
Рис. 6. Зависимость степени регенерации тепла (рег) от степени повышения давления в компрессоре (
) при Gж1=0,2 кг/с, 
=1300К, Рксм = 7 атм и впрыске за ТА
- Влияние противоточного теплообменника
Ранее рассматривались варианты включения прямоточных теплообменников, далее рассматриваются варианты включения противоточного теплообменника.
Рассматриваются параметры эффективности системы на рис.7-12. В результате работы противоточного теплообменника, как и прямоточного теплообменника, впрыск пара за турбиной первой ступени более эффективен, чем впрыск в камеру сгорания. Сравнение 2 типов теплообменников показывает, что использование противоточного теплообменника экономит больше топлива, причем с меньшими габаритами компрессора (двигателя), обеспечивает меньшую тепловую энергию на формирование струи и возвращает больше тепла, поэтому противоточный теплообменник более эффективен, чем прямоточный теплообменник.
Графики эффективности системы при использовании противоточного теплообменника и впрыскивании за турбиной первой ступени или в камеру сгорания.
Рис. 7. Зависимость расхода топлива (GT ) от расхода жидкости (Gж1) при =12, =1300К, РКСМ =7,10 атм, включении ТОБ.прот и впрыске за ТА или в КСГ
Рис. 8. Зависимость коэффиента отбора газа (m1) от расхода жидкости (Gж1) при =12, =1300К, РКСМ =7,10 атм, включении ТОБ.прот и впрыске за ТА или в КСГ
Рис. 9. Зависимость степени регенерации тепла (рег) от расхода жидкости (Gж1) при =12, =1300К, РКСМ =7,10 атм, включении ТОБ.прот и впрыске за ТА или в КСГ
Рис. 10. Зависимость расхода топлива (GT) от степени повышения давления в компрессоре (
) при Gж1=0,2кг/с, РКСМ =7 атм, =1200, 1300 и 1500К, включении ТОБ.прот и впрыске за ТА или в КСГ
Рис. 11. Зависимость коэффиента отбора газа (m1) от степени повышения давления в компрессоре (
) при Gж1=0,2кг/с, РКСМ =7 и 10атм, =1200, 1300 и 1500К, включении ТОБ.прот и впрыске за ТА или в КСГ
Рис. 12. Зависимость степени регенерации тепла (рег) от степени повышения давления компрессоре (
) при Gж1=0,2кг/с, РКСМ =7 и 10атм, 
=1200, 1300 и 1500К, включении ТОБ.прот и впрыске за ТА или в КСГ
- Количество используемой воды в теплообменниках
Впрыск пара за турбиной первой ступени и использование противоточного теплообменника более эффективен, кроме того, оптимальное значение расхода впрыскиваемой жидкости за первой ступенью турбины составляет порядка 20% от расхода газа используемого для создания пожаротущащей струи в стволе.
- Влияние степени повышения давления в компрессоре ()
Характеристики системы по экономичности улучшаются при увеличении степени повышения давления в компрессоре (
), но выбор величины степени повышения давления компрессоре (
) зависит от давления в КСМ. Если давление в КСМ не более 10 атм, рекомендуется значение степени повышения давления компрессоре (
) равное 12.
- Влияние температуры газа за камерой сгорания ()
Температура газа за камерой сгорания является характеристикой газотурбинного двигателя, поэтому ее значение важно для выбора газотурбинного двигателя системы пожаротужения.
Увеличение температуры газа за камерой сгорания () улучшает характеристики системы, в частности уменьшает ее габариты, но экономичность при этом ухудшается. С учетом обоих факторов рекомендуемое значение температуры газа (
) составляет величину порядка 1300К.
- Влияние давления в КСМ
Для полученния двухфазной газокапельной смеси, которая затем разгоняется в сопле и создает высокоскоростную газокапельную струю, в камере смешения необходимо иметь высокое давление, порядка 7 – 12 атм, соответственно давлению рабочего газа за турбиной первой ступени двигателя.
Увеличение давления в камере смешения ухудшает эффективность системы, больше затраты топлива, меньше возврат энергии, больше потребная тепловая энергия, кроме того больше габариты двигателя, но давление в КСМ является заданным параметром. Большее значение давление требует больших энергетических затрат.
- Выгодное включение теплообменника
Рассмотрен вариант работы без системы теплообмена. Сравним эти результаты с результатами работы варианта с включением противоточного теплообменника (ТОБ.прот) и впрыском за турбиной первой ступени.
Использование системы теплообмена при включении противоточного теплообменника и впрыске за турбиной первой ступени существенно улучшает как характеристики эффективности системы пожартушения, ее экономичность, так и габариты ГТД системы.
Также результаты показывают, что использование ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большой мощности и дальности действия рассмотренной схемы имеет хорошие перспективы и возможности реализации.
Основные результаты и выводы:
В данной работе проведено исследование ГТД как источника рабочего тела и мощности для системы пожаротушения большей мощности и дальности действия. Для исследования была выбрана схема системы пожаротушения на базе ГТД с отбором рабочего тела за первой ступенью турбины и системой регенерации тепла и впрыска жидкости. Были сформулированы критерии и параметры системы, определяющие ее эффективность, разработана математическая модель системы, алгоритм и программа расчета, позволяющие анализировать различные схемы работы системы и влияние основных режимных параметров ГТД и системы пожаротушения на эффективность, экономичность и конструктивные особенности ГТД системы. В процессе работы на основе параметрических расчетов было проведено теоретическое исследование разных схем использования системы теплообмена и впрыска дополнительного пароводяного рабочего тела в системе пожаротушения с ГТД, сделан анализ полученных теоретических результатов, на основе которого сформулированы рекомендации для выбора параметров газотурбинного двигателя, схемы использования системы теплообмена и впрыска дополнительного рабочего тела.
По работе можно сделать следующие выводы:
- Разработанная математическая модель, алгоритм и программа могут быть использованным для расчета и проектирования систем пожаротушения большой мощности и дальности действия на базе ГТД исследованной в работе схемы системы пожаротушения.
- Проведенное численное исследование позволило выработать рекомендации по выбору основных параметров газотурбинного двигателя, схемы и режимов работы системы теплообмена и впрыска дополнительно рабочего тела для системы пожаротушения большей мощности и дальности действия.
- В диапазоне заданных параметров устройства формирования пожаротушащей двухфазной газокапельной струи, определяемых давлением в камере смешения в диапазоне Рксм = 7 – 12 атм и концентрацией конденсированной фазы капель П1 = Gж/Gгаза = 40 определены оптимальная схема работы системы теплообмена и впрыска жидкости и основные параметры ГТД.
- Оптимальные значения степени сжатия компрессора ГТД
=12–15 и температуры газа перед турбиной 
=1300К. - Оптимальная схема работы системы теплообмена и впрыска заключается в использовании одного теплообменника в тракте отбора горячего газа за турбиной первой ступени и впрыске перегретого пара за первой ступенью турбины.
- Оптимальное количество жидкости используемое в системе теплообмена и впрыска составляет 20% от расхода газа для формирования пожаротушащей струи, отбираемого за первой ступенью турбины.
Основные результаты диссертации отражены в работах:
- Лепешинский И.А, Зуев Ю.В., Кирдсук С., Истомин Е.А. Газотурбинный двигатель как источник рабочего тела в системе пожаротушения большой мощности и дальности действия // Вестник МАИ. 2008. Т15. №4. –С. 44-49.
- Зуев Ю.В., Лепешинский И.А., Баранов П.А., Кирдсук С. Системы пожаротушения большой мощности и дальности действия на основе ГТД // Тезисы докладов 4-й межд. научно – технической конференции «Современные научно-технические проблемы транспорта», Ульяновск. 2007. –С.150
- Зуев Ю.В., Лепешинский И.А., Баранов П.А., Кирдсук С. Двухфазные газодинамические струи большой дальности для систем пожаротушения // Тезисы докладов ХХI международного семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям, Новосибирск. 2008. – С.126-128
- Лепешинский И.А., Зуев Ю.В., Баранов П.А., Кирдсук С., Истомин Е.А. Авиационные ГТД в системах пожаротушения большой мощности и дальности действия // Сборник тезисов докладов ХIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели», Москва. – М.:Печатный салон «СПРИНТ», 2008. –С. 36-37.
