Rafael Mauricio Cerpa Bernal

Unconventional Methods of Gas Turbine Engine Efficiency Improvement

Abstract:

Celem pracy było badanie działania silnika turbinowego zmodyfikowanego przez zastosowanie dwóch nietypowych części składowych, falowego wymiennika ciśnienia lub pulsacyjnej komory spalania, i potwierdzenie założenie, że taki rodzaj dodatkowych składników zwiększa wydajność silnika.

Rozważana konfiguracja silnika turbinowego zawiera sprężarkę promieniową i promieniową turbinę niskiego ciśnienia, dodatkowo falowy wymiennik ciśnienia lub pulsacyjną komorę spalania oraz szczególnego rodzaju turbinę wysoko ciśnieniową, wykorzystującą efekt rozprężania gazu z pulsacyjnej komory spalania.

W pracy przedstawiono termodynamiczną analizę rozważanych rozwiązań, analizę nieustalonych procesów przepływu w falowym wymienniku ciśnienia, nieustalonego rozprężania w pulsacyjnej komorze spalania, analizę przepływu w dyszach zasilających i łopatkach turbiny wysokiego ciśnienia, jak również analizę procesów opróżniania i powtórnego napełniania komór urządzenia.

Rozważania termodynamiki silników turbinowych z pulsacyjną komorą spalania wykazały ogromny potencjał tego typu konstrukcji. Obok zalet, istnieją również pewne wady. Głównym problemem jest nieustalony charakter procesu rozprężania. Istniejące rozwiązania oparte są na wykorzystaniu tylko przepływów nieustalonych. Tutaj zaproponowano inne rozwiązanie. Założono, że proces rozprężania po spalania powinny mieć charakter quasi - ustalony. Zastosowanie pulsacyjnej komory spalania wymaga zastosowania dodatkowej turbiny wysokiego ciśnienia, która funkcjonuje w warunkach zmiennych parametrów zasilania.

Wirniki falowe z wewnętrznym spalaniem o konfiguracji osiowej, które działają łącznie z turbiną, generują wysokie prędkości przepływu tylko w niewielkiej części tarczy wirnika turbiny. Z tego względu, turbina działa jako turbina o częściowym zasilaniu obwodowym. W takich warunkach, przepływy nieustalone mogą odgrywać ważną rolę. Dodatkowo, pulsacyjne komory spalania generują wysokie przyrosty ciśnienia, które są zbyt wysokie, aby w pełni wykorzystać rozprężanie w pojedynczym stopniu turbiny. Dlatego, zasugerowano rozwiązanie z dwoma lub większą liczbą przejść gazu przez  pojedynczą tarczę wirnika turbiny.

Ze względu oczekiwane zmiany w czasie ciśnienia spiętrzenia i temperatury gazu dostarczanego do turbiny wysokiego ciśnienia, dokonano analizy układu dysz i łopatek turbiny. W pracy przedstawiono wyniki uzyskane w poszukiwaniu najlepszej konfiguracji dysze - łopatki turbiny. Ze względu na wysoki stosunek ciśnień pomiędzy ciśnieniem szczytowym w komorze spalania i wlotem do turbiny niskiego ciśnienia przebadano rozprężanie dwustopniowe.

 Założenie quasi – ustalonego procesu rozprężania wymaga odmiennych rozwiązań dla opróżniania i napełniania komór urządzenia. Dokonano analiz tych procesów. Uzyskane wyniki symulacji wskazują, że wydajność silnika turbinowego może być podniesiona przez wykorzystanie falowego wymiennika ciśnienia lub pulsacyjnej komory spalania.