WEB-ресурс научно-практических конференций

Колмакова Д.А., к.т.н. Осипов А.И.

Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика

С.П. Королева (национальный исследовательский университет) , Российская Федерация

АНАЛИЗ И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ В 3 D ХАРАКТЕРИСТИК ЭКОЛОГИЧНЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНЫХ ТОПЛИВ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Углеводородные газообразные топлива на основе метана, пропана и водорода стали известны и доступны для использования в различных отраслях промышленности более 100 лет назад. Однако в 60-е годы 20 века в связи с бурным развитием нефтеперерабатывающей промышленности и организацией массового выпуска дешевых высокооктановых бензинов применение низкокипящих топлив было практически полностью прекращено.

В последнее время объективная необходимость экономии ресурсов нефти приводит к тому, что углеводородные газообразные топлива возвращаются на первоочередные позиции. Этому способствуют и тот неоспоримый факт, что авиационная и аэрокосмическая промышленность России возрождается.

В частности самарское предприятие ОАО «СНТК имени Кузнецова» выиг­рало тендер на разработку и создание газотурбовоза [1]. Газотурбовоз ГТ1-001 состоит из двух секций. В бустерной секции расположена криогенная емкость для сжиженного природного газа, в тяговой секции – силовой блок.

  Задача изучения взаимосвязей термодинамических показателей топлив является одной из важнейших в аэрокосмической промышленности.

В данной работе представлено решение данной задачи. В 2010 году с предприятием ОАО «СНТК им. Н.Д.Кузнецова» и Самарским государственным аэрокосмическим университетом был заключен договор. Задачей договора являлось составление Технического Задания (ТЗ) на разработку и создание современной Системы Расчета Термодинамических Зависимостей (СРТЗ) продуктов сгорания ряда топлив .

Целью работы, в связи с поставленной задачей и актуальностью создания газотурбовоза на сжиженном топливе, стало составление нелинейной функции, наиболее точно описывающей зависимость температуры в камере сгорания Т от двух параметров: давления в камере p , коэффициента избытка окислителя ?.

Проблема нахождения зависимостей между температурой, давлением и коэффициентом избытка окислителя имела свои разработки и ранее. Существует несколько способов разработки данной проблемы: теоретический, итерационный и интерполяционный.

Современным методом по нашему мнению может стать эконометрический. Поэтому именно он был выбран для анализа термодинамических характеристик углеводородных топлив в данной работе. Суть его заключается в нахождении   нелинейной функции, наиболее точно описывающей зависимость одного фактора от ряда других.

В данной работе объектами исследования являются два вида топлива: на основе метана (газ) – топливо, на котором будет функционировать разрабатываемый газотурбовоз и на основе пропана (газ), являющиеся безопасным, дешевым и легкогазифицируемым топливом, отличающимся оптимальными эксплуатационными характеристиками.

В качестве характеристик, указывающих на точность и значимость полученных уравнений, мы использовали общепринятые критерии Фишера, Стьюдента и коэффициент детерминации R ² .

Предварительно в программе Excel с помощью пакета «Анализ данных» для топлив (газ) и (газ) были составлены уравнения множественной линейной регрессии, соответственно [2]. Но эти уравнения оказались незначимыми по критериям Фишера, Стьюдента и по степени объясненности переменных. Это вызвало необходимость составлять уравнения уже нелинейного характера до тех пор, пока не будут удовлетворены все значения критериев в анализе данных.

В результате с помощью программы Excel , получив целый ряд нелинейных функций, в конечном итоге, руководствуясь уровнем критерия Фишера и коэффициента Стьюдента, а также величины R ² были отобраны функции, наиболее точно описывающие   термодинамические процессы:

                    (1)

- для топлива

             (2)

- для топлива

О правильности и значимости полученных зависимостей можно судить по таблицам регрессионной статистики [3].

Для проверки качества моделей были проведены расчёты погрешности , которые показали, что на некоторых участках она превышает 5%. Анализируя полученные данные, мы пришли к выводу, что уравнения могут достаточно точно описывать термодинамические процессы, происходящие в камере сгорания двигателя, далеко не во всем диапазоне исследования. Например, только в диапазонах ? =0.1...0,8 или ? =5…10, то есть на основных режимах работы ракетных и газотурбинных двигателей соответственно.

В выявленных диапазонах исследования были построены отдельные графические зависимости (1) для метанового топлива.

                                           а)                                                                                    б)

Рис. 1. Графическое изображение зависимости (1) в диапазоне работы ракетных (а) и авиационных (б) двигателей

Таким образом, в представленной работе были решены основные задачи:

·              Впервые эконометрическим методом найдены аналитические зависимости температуры в камере сгорания двигателя T от давления в камере p и коэффициента избытка окислителя ? для: (газ), (газ), являющиеся значимыми по критериям Стьюдента и Фишера;

·              Выделены диапазоны, в которых погрешность вычисления температуры по полученному уравнению не превышает 5 %;

·              Во всех интервалах построены полиномы.

Полученные зависимости значимы, являются удобными в применении, экономят время нахождения требуемых параметров.

Методики, использованные в работе – универсальны. Пользуясь ими можно найти зависимость одного параметра от двух и более факторов, оценить погрешности найденных уравнений и наглядно оценить их при помощи графических изображений.

Результата работы апробированы на предприятии заказчика, получили высокую оценку и рекомендованы к внедрению.

Список использованных источников:

1. Мельникова Я.В. Железнодорожная революция / Я.В. Мельникова // Время. – 2010. – № 15. – С. 15.

2. Колмакова Д.А. Постановка задачи нелинейного представления термодинамических характеристик углеводородных топлив / Д.А. Колмакова, О.Ю. Чередниченко // Сб. науч. тр., посвящ. 50-летию веч. фак. ИЭТ СГАУ Ин-та энергетики и транспорта Самар. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С. П. Коро­лева. – 2006 – №1. – С. 21–22.

3. Колмакова Д.А. Нелинейное представление термодинамических харак­те­ристик перспективных топлив для авиации и космоса / Д.А. Колмакова // Сборник материалов XIV Международной научной конференции «Решет­невские чтения» в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск. – 2010. – № 1. – С. 115–116.