Research of the Aerothermopressor Cooling System of Charge Air of a Marine Internal Combustion Engine Under Variable Climatic Conditions of Operation

Research of the Aerothermopressor Cooling System of Charge Air of a Marine Internal Combustion Engine Under Variable Climatic Conditions of Operation / D. Konovalov, E. Trushliakov, M. Radchenko, H. Kobalava, V. Maksymov // Grabchenko’s Intern. Conf. on Advanced Manufacturing Processes. – Odessa, 2020. – P. 520–529.Abstract. Principle of charge air cooling of the internal combustion engine with an aerothermopressor is proposed. It is implemented on the transport ship regular line. Arising thermogasdynamic compression allows increasing the air pressure. The aerothermopressor application in the charge air cooling systems makes it possible to reduce the power consumed by compressors, Nc by 3–10 %, thereby the engine power is increased by 1–3 % and the specific fuel consumption is decreased by 2–4 %. It is established that in case of increasing the ambient air temperature tamb at the turbocharger input the effect from the aerothermopressor used for cooling of the charge air is increased: the turbocharger power reduction DNC is increased with a corresponding increase in engine power and a decrease in specific fuel consumption. The relative (related to air flow) water mass flow is determined, which has to be injected at completely evaporated in a thermal overpressure: 0.02–0.05 (2–5 %)

Визначення конструктивних параметрів проточної частини аеротермопресора системи охолодження циклового повітря мікротурбін

Кобалава, Г. О. Визначення конструктивних параметрів проточної частини аеротермопресора системи охолодження циклового повітря мікротурбін = Design parameters determination of the aerothermopressor flow part of the air cooling system in microturbines / Г. О. Кобалава // Авиационно-космическая техника и технология : науч.-техн. журн. – Харьков : "ХАИ", 2019. – № 2 (154). – С. 44–50.Серед сучасних струминних технологій одним з перспективних напрямів дослідження є вивчення газодинамічних процесів в аеротермопресорі. Цей струминний апарат представляє собою пристрій для контактного охолодження (теплота від повітряного потоку витрачається на миттєве випаровування крапель води, що упорскуються), в якому присутній ефект термогазодинамічної компресії, тобто підвищення тиску повітря. Значний вплив на робочі процеси в аеротермопресорі здійснюють конструктивні чинники, які впливають на витрати енергії для подолання сил тертя та місцевих опорів на звужувально-розширювальних ділянках апарату. Актуальним в розвитку струминних технологій аеротермопресорного типу є визначення раціональних параметрів організації робочого процесу із відповідною розробкою конструкції проточної частини. При цьому необхідно мати можливість для аналітичного визначення втрат, що пов'язані насамперед із тертям, для конфузора і дифузора аеротермопресора. В роботі проведено дослідження типових моделей аеротермопресора для ряду кутів конусності конфузора (кут розкриття 30; 35; 40; 45; 50 °) і дифузора (кут розкриття 6; 8; 10; 12 °), а також для ряду значень швидкості повітря в робочій камері М = 0,4–0,8. Отримані розрахункові дані (результати комп'ютерного CFD-моделювання) порівняно з експериментальними даними, похибка значень для коефіцієнтів місцевих опорів в конфузорі та в дифузорі не перевищує 7-10 %. Встановлено, що значення коефіцієнту місцевого опору залежить тільки від геометричних параметрів (кута розкриття та ступеня розширення nd або звуження nc) відповідного каналу, тобто характер течії повітря в аероте-рмопресорі відповідає автомодельному режиму. Визначено рекомендовані кути звуження конфузора = 30 о і розкриття дифузора = 6 °, які відповідають мінімальним втратам тиску Ploss = 1,0-9,5 %, а відтак, і максимальному підвищенню тиску в результаті термогазодинамічної компресії при упорску-ванні та випаровуванні рідини в робочій камері. Отримано емпіричні рівняння для визначення коефіціє-нтів місцевого опору для конфузора і дифузора, які можна рекомендувати для використання в методиці проектування аеротермопресорів малої витрати для мікротурбін.Among modern jet technologies, one of the promising research areas is a study of gas-dynamic processes in the aerothermopressor. This jet apparatus is a device for contact cooling (the heat from the air flow is consumed for the instantaneous evaporation of water droplets), in which there is a thermogasdynamic compression effect, and that is, the air pressure increase is taken place. A significant influence on the working processes in the aerothermopressor is exercised by design factors. The influence of these factors on energy costs to overcome the friction losses and local resistances on the convergent-divergent sections of the apparatus was investigated. Relevant in the aerothermopressors development is to determinate of rational parameters of the workflow organization with the corresponding development of the flow part design. At the same time, it is necessary to have an opportunity for analytical determination of pressure losses in the confuser and diffuser of the aerothermopressor. A research of typical models of the aerothermopressor for a number of taper angles of a confuser (convergent angle = 30; 35; 40; 45; 50 °) and diffuser (divergent angle = 6; 8; 10; 12 °), for a number of air velocity values in the working chamber M = 0.4-0.8 has been carried out. The obtained calculated data (results of computer CFD-simulation) and experimental data have been compared. The error of the values for the coefficients of local resistances in the confuser and diffuser does not exceed 7-10%. It was established that the value of the local resistance coefficient depends only on the geometrical parameters (the angle of tapering and the diameters ratio of the input and output D1/D2), that is, the air flow character in the aerothermopressor corresponds to the self-similar mode. The recommended angles were determined: confuser convergent angle = 30 ° and diffuser divergent angle = 6 °, corresponding to the minimum pressure loss Ploss = 1.0–9.5 %. The empirical equations were defined for determining the local resistance coefficients of the confuser and diffuser, which can be recommended for use in the design of low-flow aerothermopressor for microturbines.Среди современных струйных технологий одним из перспективных направлений исследования является изучение газодинамических процессов в аэротермопрессоре. Этот струйный аппарат представляет собой устройство для контактного охлаждения (теплота воздушного потока расходуется на мгновенное испарение капель воды), в котором присутствует эффект термогазодинамической компрессии, то есть повышение давления воздуха. Значительное влияние на рабочие процессы в аэротермопрессоре оказывают конструктивные факторы, которые влияют на затраты энергии для преодоления сил трения и местных сопротивле-ний на сужающе-расширяющихся участках аппарата. Актуальным в развитии струйных технологий аэротермопрессорного типа является определение рациональных параметров организации рабочего процесса с соответствующей разработкой конструкции проточной части. При этом необходимо иметь возможность для аналитического определения потерь для конфузора и диффузора аэротермопрессора, связанных с трением. В работе проведено исследование ряда типовых моделей аэротермопрессора с применением компьютерного CFD-моделирования. Определение основных параметров потока воздуха (полное давление, динамическое давление, скорость, температура и др.) проводилось для ряда углов конусности конфузора и диффузора, а также для ряда значений относительной скорости воздуха в рабочей камере М = 0,4-0,8. Установлено, что значение коэффициента местного сопротивления зависит только от геометрических параметров (угла раскрытия и степени расширения nd или сужение nc) соответствующего канала, то есть характер течения воздуха в аэротермопрессоре соответствует автомодельному режиму. Проведено сравнение полу-ченных данных с экспериментальными данными. Отклонения расчетных значений коэффициентов местных сопротивлений в конфузоре и в диффузоре от полученных при компьютерном CFD-моделировании, не превышают 7…10 %. Были определены аналитические зависимости для определения коэффициентов местного сопротивления, которые можно рекомендовать для использования в методике проектирования малорасходных аэротермопрессоров для микротурбин

Efficiency Analysis of the Aerothermopressor Application for Intercooling between Compressor Stages by using CFD Model

Kobalava, H. Efficiency analysis of the aerothermopressor application for intercooling between compressor stages by using CFD model / H. Kobalava, M. Radchenko, D. Konovalov // Journal of New Technologies in Environmental Science. – 2021. – No. 4, vol. 5. – P. 129–134.A study of the aerothermopressor operation for air intercooling between the stages of a multistage compressor as part of a modern gas turbine (LMS100 brand from General Electric) was carried out in the article. A calculation method has been developed using numerical modeling for the evaporation of fine water droplets in the air flow. The main characteristics of the two-phase flow at the aerothermopressor outlet have been determined. It has been found that jet apparatus provides efficient atomization of the liquid, and hence, more efficient isothermal compression process in a high-pressure compressor. The aerothermopressor applying allowed to reduce the temperature of the compressed air between the compressor stages to 50-70°C. Such a decrease in temperature under the thermo-gas-dynamic compression conditions allowed to increase the pressure at the aerothermopressor outlet up to 12-28 kPa (4-9%)

Застосування контактного охолодження повітря аеротермопресором в циклі газотурбінної установки

Коновалов, Д. В. Застосування контактного охолодження повітря аеротермопресором в циклі газотурбінної установки = Contact air cooling by using the aerothermopressor in the gas turbine plant cycle / Д. В. Коновалов, Г. О. Кобалава // Холодильна техніка та технологія. – Одеса : ОНАХТ, 2018. – № 54 (5). – С. 62−67.Проведено аналіз існуючих газотурбінних установок (ГТУ) із застосуванням проміжного охолодження циклового повітря різних фірм-виробників, визначені основні технічні характеристики та головні параметри роботи цих ГТУ. Розглянуто основні шляхи реалізації проміжного охолодження циклового повітря ГТУ, а саме охолодження в поверхневому теплообміннику та контактне охолодження при упорскуванні диспергованої води. Перспективним способом зволоження робочого середовища ГТУ може бути застосування аеротермопресорного апарату, в основу роботи якого покладено процес термогазодинамічної компресії (термопресії). Особливістю цього процесу є підвищення тиску в результаті миттєвого випаровування рідини, що упорскується в повітряний потік, який прискорений до швидкості близько звуковій. При цьому на випаровування води відводиться теплота від газу, в результаті чого знижується його температура. В роботі проведено порівняльний аналіз існуючих та аеротермопресорних технологій для проміжного охолодження повітря ГТУ. Виявлено, що аеротермопресор дозволяє підвищити тиск циклового повітря між ступенями компресора на 2...9%, що призводить до зменшення роботина стиснення в ступенях компресора, а упорскування води, відповідно, до збільшення кількості робочого тіла в циклі на 2...5%, і, як наслідок, збільшується питома потужність на 3...10% та ККД ГТУ на 2...4%.The analysis of the existing gas turbine plants (GTP) by using air intercooling from various manufacturers has been carried out, the main technical characteristics and basic parameters of operation of these GTP have been determined. Among the considered technologies for intercooling of cyclic air in gas turbine plants there are data from such well-known manufacturers as Rolls-Royce, General Electric and Nevsky Plant. The main ways of implementing intercooling of cyclic air GTP have been considered, namely, cooling in the surface heat exchanger and contact cooling with injected water. An aerothermopressor apparatus used can be a promising way of moistening the working environment of a gas turbine. The aerothermopressor work is based on the process of thermogasdynamic compression (thermopression). A feature of this process is an increase in pressure, as a result of the instantaneous evaporation of the liquid injected into the air flow, which is accelerated to speed near the sound. In this case, heat is removed from the air flow to evaporate water, as a result of which air temperature is decreased. A comparative analysis of the existing and aerothermopressor technologies for air intercooling of GTP has been carried out. The aerothermopressor provides more effective liquid spraying and, hence, more effective isothermal compression process in the high pressure compressor is done. The proposed cooling technology makes it possible using low-potential heat of secondary energy resources of gas turbine plants (heat of cyclic air). It has been revealed that the aerothermopressor allows to increase the pressure of the cyclic air between the compressors by 2–9%, which leads decreasing compression work in compressor steps, and water injection leads increasing the number of working fluid in the cycle by 2–5%, and, as a result, the power is increased by 3–10% and the GTP efficiency is increased by 2–4%. The additional amount of injected water can be up to 10-15% relative to the cyclic air consumption

Чисельне моделювання проточної частини маловитратного аеротермопресора для проміжного охолодження циклового повітря газотурбінного двигуна

Коновалов, Д. В. Чисельне моделювання проточної частини маловитратного аеротермопресора для проміжного охолодження циклового повітря газотурбінного двигуна = Numerical modeling of the low-flow aerothermopressor flow part for the gas turbine cyclic air intercooling / Д. В. Коновалов, Г. О. Кобалава // Авиационно-космическая техника и технология : науч.-техн. журн. – Харьков, 2019.– № 4 (156). – С. 31–38.Використання проміжного охолодження циклового повітря, в процесі стиснення в компресорі, сприятливо позначається на ресурсі газотурбінної установки (ГТУ) та на підвищенні її потужності, без зниження ресурсу роботи. В роботі проведено аналіз перспективного способу охолодження циклового повітря ГТУ, а саме контактного охолодження із застосуванням аеротермопресора, який представляє собою двофазовий струминний апарат, в якому за рахунок відведення теплоти від повітряного потоку відбувається підвищення тиску повітря та його охолодження. Основною проблемою при розробці аеротермопресора є визначення геометричних характеристик проточної частини апарата та системи упорскування рідини, які б дозволили забезпечити ефективне його застосування, з точки зору підвищення тиску і розпилення рідини. Для визначення основних характеристик аеротермопресора системи охолодження циклового повітря ГТУ було проведено аналіз роботи моделей апарату за допомогою комп'ютерного CFD-моделювання в програмному комплексі ANSYS Fluent. Була визначена методика розрахунку, обрана модель турбулентності, проведено розрахунок з урахуванням збіжності результатів та здійснена обробка та візуалізація вихідних даних в постпроцесорі, у вигляді графіків та полів. На основі цього було розроблено конструкцію аеротермопресора для ГТУ марки WR-21 фірми Rolls Royce. На першому етапі дослідження було проведено моделювання «сухого» аеротермопресора (без упорскування води в камеру випаровування). Було встановлено, що зниження тиску повітряного потоку внаслідок втрат на тертя складає близько 5 %. На другому етапі дослідження було проведено моделювання аеротермопресора з упорскуванням води в проточну частину (на вході в камеру випаровування). В результаті термогазодинамічної компресії підвищення повного тиску циклового повітря на виході з аеротермопресора склало 3,1 %, а температура охолоджуваного повітря знизилась на 280 К. Для забезпечення ефективного стиснення повітря в компресорі ГТУ було розглянуто неповне випаровування води в аеротермопресорі, що дало можливість отримати більш дрібнодисперсний потік на виході з дифузора, при цьому середній діаметр краплі води зменшився до 2,5 мкм.A cyclic air intercooling application in the compression process in the compressor has a positive effect on the resource of the gas turbine plant (GTP) and on increasing its capacity without reducing the service life. The most promising method of cooling the cyclic air of the GTP, namely contact cooling by using an aerothermopressor, was analyzed in the paper. This heat exchanger is a two-phase jet apparatus in which, due to the removal of heat from the airflow, the air pressure is increased and its cooling occurs. The main problem in the development of the aerother-mopressor is to determine the geometric characteristics of the apparatus flow part and the fluidinjection system, which allow its effective application for increasing pressure and fluid spraying fine. An analysis was made of the apparatus models operation by using CFD simulation in the ANSYS Fluent software package to determine the aero-thermopressormain characteristics of the cyclic air cooling system of the GTP. The calculation method was deter-mined, the turbulence model was selected, the calculation was carried out taking into account the convergence of the results, and the output data were processed and visualized in the CFD-Post in the form of graphs and fields. Based on this, the aerothermopressor design was developed for a WR-21 gas turbine produced by Rolls Royce. At the first stage of the study, a “dry” aerothermopressor was modeled (without water injection into the evaporation chamber). It was found that the decrease in airflow pressure due to friction losses was about 5%. At the second stage of the study, a simulation of the aerothermopressor with water injection into the flow part (at the inlet to the evaporation chamber) was carried out. As a result of thermogasdynamic compression, the increase in the total air pressure at the outlet of the aerothermopressor was 3.1%, and the temperature of the cooled air was decreased by 280 degrees. To ensure effective air compression in the gas turbine compressor, incomplete evaporation of water in the aerothermo-pressor was considered. It made it possible to obtain finer water spraying at the diffuser outlet, while the average diameter of the water droplet decreased to 2.5 μm

Determination of hydraulic resistance of the aerothermopressor for gas turbine cyclic air cooling

One of the promising trends to increase the fuel and energy efficiency of gas turbines is contact cooling of cyclic air by using a twophase jet apparatus – an aerothermopressor. The rational parameters of work processes of the aerothermopressor were studied. The experimental setup was designed to simulate the aerothermopressor operation in the cooling air cycle of the gas turbine and to determine pressure losses in the aerothermopressor flow part. Based on the obtained experimental data, an empirical equation was proposed to determine the hydraulic resistance coefficient of the aerothermopressor flow part, depending on the initial pressure and the amount of water injected. The deviation of the calculated hydraulic resistance coefficient from the experimental ones is ± 25 %. The obtained results can be used in the practice of designing the aerothermopressor for gas turbine cyclic air cooling

Optimal Sizing of the Evaporation Chamber in the Low-Flow Aerothermopressor for a Combustion Engine

Konovalov, D. Optimal Sizing of the Evaporation Chamber in the Low-Flow Aerothermopressor for a Combustion Engine. In: , et al. Advanced Manufacturing Processes II . InterPartner 2020. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. – P. 654–663. –https://doi.org/10.1007/978-3-030-68014-5_63The efficiency of gas turbine plants will be improved by cooling the cyclic air with an aerothermopressor. Constructive and technological factors affecting the aerothermopressor work were considered in this paper. CFD simulation and calculation of the water evaporation process in the evaporation chamber (working chamber) of the aerothermopressor was carried out. The Eulerian–Lagrangian approach was used to simulate the interaction of water droplets injected and airflow. The developed software was used in order to determine the characteristics of the aerothermopressor workflow. It is based on the methods of calculating thermogasdynamic compression and pressure losses due to the aerodynamic resistance of the two-phase flow in the aerothermopressor flow part. An empirical equation has been determined for calculating the optimal relative length of the aerothermopressor evaporation chamber depending on the initial droplet diameter at the inlet and the mass water concentration in the airflow. Analytical determination of the optimal relative length of the aerothermopressor evaporation chamber allows determining the length section of the evaporation chamber in order to obtain the maximum value of pressure increase, as a result of thermogasdynamic compression

Analysing the efficiency of thermopressor application in the charge air cooling system of combustion engine

As the analysis of the research results has shown, the use of a thermopressor makes it possible to increase the fuel and energy efficiency of a ship power plant in a wide range of the operation parameters. It can be achieved by cooling the charge air before the engine inlet receiver and by reducing the compression work of the turbocharger. A scheme with the thermopressor application in the cooling system of a low-speed main engine and in the system for utilizing the exhaust gases heat in a heat recovery boiler of one and two pressures was proposed. The use of thermopressors led to a decrease in the compressor power consumption, and therefore in the turbine required power. Therefore, it was appropriate to pass (bypass) the excess amount of gas past the turbine. Accordingly, the thermal potential of exhaust gases was increased. As a result, the temperature of gases at the inlet to the heat recovery boiler was increased by 10-15 °C, and gases heat was increased by 10-15% respectively. The obtained additional steam is advisable to use for driving the utilization turbine generator, thereby reducing the load on the ship's power plant, with a corresponding decrease in fuel consumption of diesel generators by 2-4%

Investigation of Thermopressor with Incomplete Evaporation for Gas Turbine Intercooling Systems

One of the promising ways to increase fuel and modern gas turbine energy efficiency is using cyclic air intercooling between the stages of high- and low-pressure compressors. For intercooling, it is possible to use cooling in the surface heat exchanger and the contact method when water is injected into the compressor air path. In the presented research on the cooling contact method, it is proposed to use a thermopressor that implements the thermo-gas-dynamic compression process, i.e., increasing the airflow pressure by evaporation of the injected liquid in the flow, which moves at near-sonic speed. The thermopressor is a multifunctional contact heat exchanger when using this air-cooling method. This provides efficient high-dispersion liquid spraying after isotherming in the high-pressure compressor, increasing the pressure and decreasing the air temperature in front of the high-pressure compressor, reducing the work on compression. Drops of water injected into the air stream in the thermopressor can significantly affect its characteristics. An increase in the amount of water increases the aerodynamic resistance of the droplets in the stream. Hence, the pressure in the flow parts of the thermopressor can significantly decrease. Therefore, the study aims to experimentally determine the optimal amount of water for water injection in the thermopressor while ensuring a positive increase in the total pressure in the thermopressor under conditions of incomplete evaporation. The experimental results of the low-consumption thermopressor (air consumption up to 0.52 kg/s) characteristics with incomplete liquid evaporation in the flowing part are presented. The research found that the relative water amount to ensure incomplete evaporation in the thermopressor flow part is from 4 to 10% (0.0175–0.0487 kg/s), without significant pressure loss due to the resistance of the dispersed flow. The relative increase in airflow pressure is from 1.01 to 1.03 (5–10 kPa). Based on experimental data, empirical equations were obtained for calculating the relative pressure increase in the thermopressor with evaporation chamber diameters of up to 50 mm (relative flow path length is from 3 to 10 and Mach number is from 0.3 to 0.8)

Система охолодження наддувного повітря суднового двигуна внутрішнього згоряння термопресором з упорскуванням перегрітої води

Коновалов, Д. В. Система охолодження наддувного повітря суднового двигуна внутрішнього згоряння термопресором з упорскуванням перегрітої води = The charge air cooling system of the ship's internal combustion engine by the thermopressor with overheating water injection / Д. В. Коновалов, Г. О. Кобалава, С. І. Стародубець // Авиационно-космическая техника и технология : науч.-техн. журн. – Харьков : ХАИ, 2017.– № 3 (138). – С. 104–111.Проаналізовано схемне рішення із застосуванням термопресора в складі багатоконтурної системи охолодження середньообертового двигуна суднової енергетичної установки. Розглянуто спосіб підвищення ефективності процесу розпилення перегрітої відносно температури насиченняводи в термопресорі. Як показали дослідження, застосування перегрітої води для упорскування в термопресор системи охолодження наддувного повітря суднових двигунів дає можливість збільшити відносне підвищення тиску повітря на виході з термопресора на 5...8 %, з відповідним зменшенням потужності турбокомпресора двигуна.The scheme solution by using thermopressor as the part of three-circuit cooling system of the medium-speed marine engine is analyzed. The way to improve of the efficiency of the water spray process in the thermopressor is considered. Using of overheated water injection in the thermopressor of the charge air cooling system makes it possible to increase the relative increase air pressure at the outlet thermopressor to 5...8 %, with a corresponding reduc-tion in the power of the engine turbocharger