На Российском рынке энергетического оборудования достаточно широко представлены газотурбинные установки малой мощности, выпускаемые на базе авиационных двигателей такими предприятиями, как «Пермский моторостроительный завод», НПО «Сатурн», «Завод им. В.Я. Климова» и др. Топливом в таких установках является керосин, дизельное топливо, природный газ и попутный газ нефтяных месторождений.
Необходимое оборудование размещается в транспортабельных контейнерах, оборудованных всеми необходимыми системами для их нормальной эксплуатации.
На рис.5.4 представлена типовая модульная газотурбинная установка (газотурбинная ТЭЦ), предназначенная для производства электрической и тепловой энергии.
Модульное исполнение газотурбинных ТЭЦ повышает надежность источника электро - и теплоснабжения и сокращает сроки монтажа от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от комплектации и местных условий.
В табл. 5.1 приводится перечень отечественных и зарубежных предприятий и основные технические характеристики, выпускаемых ими газотурбинных установок для выработки электрической и тепловой энергии.
Особое место в ряду выпускаемых ГТУ зарубежными фирмами занимает микротурбинные установки (МТУ) компании Calnetix Power Solutions. В настоящее время компания выпускает установку мощностью 100 кВт модели ТА-100.
Микротурбинная установка изготовлена по блочно-модульному принципу, позволяющему заменять в случае необходимости отдельный узел, а не изделие в целом, и поставляется в полной заводской готовности. Общий вид микротурбинной установки представлен на рис.5.5.
Рис.5.4. Типовая модульная газотурбинная ТЭЦ
| | |
||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| |
|||||||||||||||||||
| | |
||||||||||||||||||
| |
1 - дожимной газовый компрессор; 2 - котел утилизатор; 3 - рекуператор; 4 - воздухозаборник турбогенератора; 5 - воздухозаборник системы охлаждения подкапотного пространства; 6 - шкаф силовой электроники; 7 - масляная система; 8 - турбогенератор; 9 - выход силовых кабелей; 10 - топливная система; 11 - подвод газа; 12 - слив теплоносителя из поддона; 13 - выход горячей воды; 14 - вход холодной воды
В состав установки входят: турбогенератор, камера сгорания, рекуператор, система утилизации тепла с котлом-утилизатором (КУ), маслосистема, топливная система, дожимной газовый компрессор, силовая электроника, цифровая система автоматического управления, воздушная система охлаждения подкапотного пространства и силовой электроники, аккумуляторные батареи.
Принцип работы установки следующий. Очищенный атмосферный воздух попадает в воздухозаборник 4, откуда он поступает на вход в компрессор. В компрессоре воздух сжимается и за счёт этого нагревается до температуры 250 °С. После компрессора воздух поступает в специальный газовоздушный теплообменник (рекуператор) 3, где он дополнительно подогревается до температуры 500 °С. Дополнительный подогрев позволяет примерно в 2 раза повысить электрическую эффективность установки. Далее нагретый сжатый воздух перед камерой сгорания смешивается с газообразным топливом высокого давления, и гомогенная газовоздушная смесь поступает в камеру сгорания для горения. Для повышения давления газа используется штатный дожимной компрессор.
Покидая камеру сгорания, нагретые до температуры 926 °С выхлопные газы поступают в турбину 8, где, расширяясь, совершают работу, вращая её, а также расположенные на этом же валу колесо компрессора и высокоскоростной синхронный генератор.
После расширения в турбине выхлопные газы с температурой 648 °С по газоходу попадают в рекуператор 3, где отдают своё тепло сжатому воздуху после компрессора. Температура выхлопных газов после рекуператора снижается до 310 °С.
На выходе из рекуператора стоит байпасная заслонка, которая направляет выхлопные газы либо по байпасному газоходу, либо напрямую в котёл-утилизатор 2. В котле-утилизаторе (газоводяном теплообменнике) выхлопные газы отдают своё тепло сетевой воде, которая нагревается там до требуемой температуры.
В отличие от других производителей, частота вращения ротора практически не зависит от нагрузки и поддерживается на уровне 68000 об/мин. Это позволяет без дополнительных аккумуляторных батарей в один приём принимать до 100 % нагрузки.
Турбогенератор
Турбогенератор является основной и наиболее наукоёмкой и трудоёмкой частью установки. Общий вид турбогенератора в разрезе показан на рис.5.6.
Таблица 5.1
Технические характеристики газотурбинных двигателей
| Модель | Мощность номинальная, МВт | Расход газа на 100%-й нагрузке, кг/ч | КПД, % | Степень повышения давления | Расход рабочего тела через двигатель, кг/с | Частота вращения выходного вала генератора, об/мин | Температура газов на выходе из двигателя, С° | Давление топливного газа, МПа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Аэросила, НПП, ОАО | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1А16-100 | 0,333 | 94,6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Зоря-Машпроект, НПКГ, ГП | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| UGT2500(ДО49) | 2,85 | 28,5 | 16,5 | 14000/3000 | 2,5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ивченко-Прогресс, ГП | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ГТП АИ-2500 | 2,5 | 769,5 | 24,2 | 7,5 | 20,5 | 12350/1000 | 1,08 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Д-336-1-4 | 4,2 | 26,5 | 27,5 | 8200/3000 | 2,35 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Д-336-2-4 | 4,2 | 26,5 | 27,5 | 8200/3000 | 2,35 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Калужский двигатель (КАДВИ), ОАО | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 9И56 | 0,11 | 3,3 | 1,45 | 38000/8000 | 0,55 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 9И56М | 0,155 | 4,2 | 1,48 | 40000/8000 | 0,78 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ОКА-1 | 0,155 | 4,7 | 1,70 | 41200/6000 | 0,85 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ОКА-2 | 0,2 | 5,0 | 1,76 | 43400/6000 | 1,0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ОКА-3 | 0,265 | 5,7 | 1,93 | 46000/6000 | 1,1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Климов, ОАО | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ТВ3-117 | 1,1 | 25,4 | 7,88 | -/1500 | 1,2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Мотор Сич, ОАО | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ТВ3-137 | 1,07 | 5,5 | 7,63 | 15000/1000 | 1,0-1,3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| АИ-20 ДМН | 2,5 | 7,48 | 20,8 | 12350/1000 | 1,08 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| АИ-20-ДМЭ | 2,5 | 7,48 | 20,8 | 12350/1000 | 1,08 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ГТЭ-МС-2.5Д | 2,5 | 7,48 | 20,8 | 12350/1000 | 1,08 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Пермский моторный завод (ПМЗ), ОАО (УК ПМК) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ГТУ-2.5П | 2,7 | 21,9 | 5,9 | 25,6 | 5500/3000 | 1,0-1,2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ГТУ-4П | 4,3 | 24,7 | 7,3 | 29,8 | 5500/3000 | 1,2-1,6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Пролетарский завод, ОАО | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ГТГ-1500-2Г | 1,5 | 6,1 | 11,2 | 12500/1500 | 1,2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова (СНКТ), ОАО | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| НК-127 | 13,6 | 13000/3000 | 3,0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Сатурн, НПО, ОАО | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ДО49Р | 2,85 | 28,5 | 2,1-2,5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Окончание таблицы 5.1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capstone Turbine Corporation | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| C30 | 0,01 | 0,31 | 0,03-0,35 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| C65 | 0,065 | 16,4 | 0,49 | 0,52-0,56 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| C200 | 0,19 | 6,7 | 0,02-0,52 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| C200 | 0,2 | 6,7 | 0,52-0,56 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Daihatsu Diesel Mfg. Co. Ltd. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-4 | 0,44 | 2,97 | -/1500 | 1,2-1,6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-6 | 0,66 | 4,72 | -/1500 | 1,2-1,6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-4W | 0,88 | 41.5 | 5,94 | -/1500 | 1,2-1,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-10 | 1,1 | 8,23 | -/1500 | 1,2-1,6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-10A | 1,3 | 41,5 | 8,23 | -/1500 | 1,2-1,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-14 | 1,5 | 40,7 | 10,2 | -/1500 | 1,2-1,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-20 | 2,2 | 41,9 | 14,8 | -/1500 | 1,2-1,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-10W | 2,25 | 40,7 | 16,47 | -/1500 | 1,2-1,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-10AW | 2,6 | 41,5 | 16,47 | -/1500 | 1,2-1,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-14W | 40,7 | 20,43 | -/1500 | 1,2-1,6 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DT-20W | 4,4 | 41,9 | 29,79 | -/1500 | 1,2-1,6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Distributed Energy Systems Corp. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MT-100 | 0,1 | 4,5 | 0,79 | 0,6-0,95 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Mitsui Engineering & Shipbuilding Co. Ltd. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| SB5 | 1,1 | 25,5 | 25600/3000 | 1,8-2,3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| SB15 | 2,7 | 25,6 | 13070/3000 | 1,8-2,3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MSC4Q | 3,5 | 27,9 | 9,7 | 18,6 | -/1500 | 1,8-2,3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MSC5Q | 4,3 | 29,3 | 10,3 | 19,1 | -/1500 | 1,8-2,3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| OPRA Tecnologies ASA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| OP 16-2GL | 27.8 | 6.7 | 8.8 | 26000/1500 | 1,6-2,0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PBS Velka Bites, a. s. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| TE 100G | 0,1 | 71,3 | 3,9 | 56000/52400 | 1,2-1,5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Pratt & Whitney Canada | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ST5 | 0,457 | 139,6 | 23,5 | 7,3 | 2,4 | 30000/3000 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ST6L-721 | 0,508 | 156,2 | 23,4 | 7,3 | 33000/3000 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ST6L-795 | 0,678 | 197,7 | 24,7 | 7,3 | 3,3 | 33000/3000 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ST6L-813 | 0,848 | 7,3 | 30000/3000 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ST6L-90 | 1,18 | 7,3 | 5,3 | 30000/3000 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ST18A (DLE) | 1,96 | 30,2 | 13,7 | 8,4 | 20000/3000 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ST18A (WLE) | 2,02 | 28,3 | 13,7 | 9,2 | 20000/3000 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ST30 | 3,3 | 16,6 | 14,4 | 14875/3000 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ST40 | 16,6 | 15,1 | 14875/3000 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rolls –Royce Power Engeneering Plc (Power Generation) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 501-KC5 | 4,1 | 15,5 | 13600/3000 | 1,6-2,0 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 501-KB5 | 4,8 | 9,4 | 15,4 | 14600/3000 | 1,8-2,2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |
Рис.5.6. Турбогенератор в разрезе:
1 - корпус; 2 - корпус статорной части; 3 - маслопровод (подвод масла); 4 - воздухопровод для поддува лабиринта; 5 - диффузор; 6 - сопловый аппарат; 7 - жаровая труба; 8 - свеча зажигания; 9 - топливный коллектор; 10 - колесо турбины; 11 - колесо компрессора; 12 - лабиринтное уплотнение; 13 - гидродина-
мический подшипник; 14 - статорные обмотки; 15,17 - горловина слива масла; 16 - постоянные магниты; 18 - ротор; 19 - керамический подшипник качения
Это высокооборотный одновальный агрегат с частотой вращения ротора 68000 об/мин. Конструктивно он выполнен в едином корпусе, в котором устанавливается ротор. К корпусу со стороны турбины пристыковывается камера сгорания, представляющая собой отдельный самостоятельный узел.
Ротор, изображенный на рис.5.7, является наиболее ответственной частью турбогенератора.
На одном валу, который изготовлен из высокопрочной стали, последовательно размещены:
Втулка (ротор) высокоскоростного синхронного генератора с двумя запрессованными постоянными магнитами;
Колесо одноступенчатого центробежного компрессора;
Колесо одноступенчатой центростремительной турбины.
Ротор турбогенератора устанавливается на двух опорах: первая опора перед передним торцом втулки генератора, а вторая - между втулкой генератора и колесом компрессора.
Первой опорой является упорный подшипник качения с керамическими шариками, второй – гидродинамический подшипник. Оба подшипника охлаждаются и смазываются высококачественным синтетическим маслом.
Рис.5.7. Общий вид ротора
Отличительной особенностью конструкции ротора является консольная схема размещения колёс компрессора и турбины. Такое конструкторское решение позволило вынести все подшипники из горячей зоны, что значительно уменьшило безвозвратные потери масла, уменьшило производительность насоса маслосистемы, позволило увеличить сроки замены масла и масляного фильтра.
Использование высокоскоростного синхронного генератора и полупроводникового преобразователя напряжения позволило избавиться от «ахиллесовой пяты» большинства газовых турбин малой мощности – редуктора.
Камера сгорания
Камера сгорания, изображенная на рис.5.8, обеспечивает преобразование химической энергии газообразного топлива в тепловую энергию рабочего тела.
Конструкция камеры противоточная, кольцевая, с многоточечной подачей газообразного топлива через отдельные инжекторы. Камера выполнена из расчета длительной работы как при частичных, так и полных нагрузках установки.
Камера сгорания состоит из следующих основных элементов: корпуса; топливного коллектора, топливных инжекторов, жаровой трубы, свечи зажигания, проставки.
Газообразное топливо подаётся через 12 инжекторов на вход в камеру под давлением 0,5-0,6 МПа.
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
Рис.5.8. Конструкция камеры сгорания:
1 - жаровая труба; 2 - инжекторы; 3 - топливный коллектор; 4 - корпус камеры сгорания; 5 - элементы для крепления жаровой трубы к корпусу; 6 - свеча зажигания; 7 - проставка
Рекуператор
Газовоздушный рекуператор предназначен для повышения электрического КПД установки за счёт дополнительного подогрева воздуха после компрессора. Нагрев воздуха происходит за счёт теплоты выхлопных газов турбины (рис.5.5).
Рекуператор представляет собой газовоздушный пластинчатый теплообменный аппарат, внешний вид которого представлен на рис.5.9. Экономия топлива в установке происходит за счёт увеличения температуры воздуха, который поступает в камеру сгорания из воздушного компрессора.
Система утилизации тепла с котлом-утилизатором
Система утилизации тепла предназначена для подогрева сетевой воды до заданного значения за счет использования теплоты выхлопных газов.
Регулирование параметров воды на выходе из котла-утилизатора осуществляется за счёт перепуска выхлопных газов через байпасную магистраль.
Рис.5.9. Общий вид рекуператора
В состав системы входят: котел-утилизатор с байпасной заслонкой, байпасная магистраль, расходомер для измерения потока теплоносителя, приборы для измерения температуры теплоносителя на входе и на выходе из котла-утилизатора, приборы для измерения температуры выхлопных газов на входе и на выходе из котла-утилизатора, реле максимального давления на выходе из котла-утилизатора.
Система воздушного охлаждения
Система воздушного охлаждения предназначена для надёжного отвода тепла от тепловыделяющих элементов (турбогенератора, рекуператора, силовой электроники, котла-утилизатора, маслорадиа-
тора дожимного компрессора, маслорадиатора маслосистемы), находящихся внутри микротурбинной установки.
Внутри установки находятся вентиляторы, которые обеспечивают принудительное движение воздуха. Места забора и выброса воздуха показаны на рис.5.10.
Воздух, направляемый для охлаждения узлов и агрегатов, находящихся в подкапотном пространстве, разделяется на две части. Первая часть идёт на охлаждение маслорадиатора, турбогенератора, рекуператора и котла-утилизатора. Движение воздуха обеспечивает вентилятор маслорадиатора. Вторая часть идёт на охлаждение силовой электроники и радиатора дожимного компрессора. Движение воздуха обеспечивает вентилятор, расположенный в нижней части микротурбинной установки.
Выход воздуха из установки происходит в задней части установки через два прямоугольных отверстия.
| | | |
| |
| |
| |
Рис.5.10. Места забора и отвода воздуха из подкапотного пространства:
1 - воздух для охлаждения подкапотного пространства; 2 - воздух в газотурбинный генератор; 3 - выход выхлопных газов; 4 - воздух для охлаждения силовой электроники; 5 - выход охлаждающего воздуха (верхнее отверстие); 6 - выход охлаждающего воздуха (нижнее отверстие)
Технические характеристики микротурбинной установки TA-100 RCHP (по данным завода изготовителя) приведены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Технические характеристики установки TA-100 RCHP
| Показатели | Размерность | Величина | |||||||||||||||||||||||||||||
| Электрическая мощность | кВт | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Тепловая мощность (ГВС/отопление) (49/60) (70/95) | кВт | 172 / 160 | |||||||||||||||||||||||||||||
| КПД электрический | % | ||||||||||||||||||||||||||||||
| КПД полный | % | > 75 (%) | |||||||||||||||||||||||||||||
| Величина тока при нагрузке 100 % | А | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Максимальное значение тока (перегрузка) в течение 5 секунд | А | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Расход газа в режиме номинальной мощности | нм 3 /ч | 39/34 | |||||||||||||||||||||||||||||
| Длина (в помещении /нар. исп) | мм | 3111,5 / 3316,5 | |||||||||||||||||||||||||||||
| Ширина (в помещении /нар. исп) | мм | 917 / 917 | |||||||||||||||||||||||||||||
| Окончание табл. 5.2 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Высота (в помещении /нар. исп) | мм | 2123 / 2250 | |||||||||||||||||||||||||||||
| Масса (в помещении /нар. исп) | кг | 1814 / 2040 | |||||||||||||||||||||||||||||
| Тип электрического генератора | высокооборотный, с двумя постоянными магнитами | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Частота вращения ротора | об/мин | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Расход воздухагазотурбинного агрегата | кг/с | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Максимальное аэродинамическое сопротивле- ние выхлопного тракта | Па | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Расход воздуха на охлаждение силовой электроники | нм 3 /с | 0,38 | |||||||||||||||||||||||||||||
| Расход воздуха на охлаждение масляной системы, котла-утилизатора и дожимного компрессора | нм 3 /с | 0,755 | |||||||||||||||||||||||||||||
| Максимальное аэродинамическое сопротив- ление присоединяемого газохода выхлопных газов | Па | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Максимальное аэродинамическое сопротив- ление присоединяемого воздуховода для отвода охлаждающего воздуха от масляно-воздушного радиатора и котла-утилизатора | Па | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Максимальное аэродинамическое сопротив- ление присоединяемого воздуховода для отвода охлаждающего воздуха от силовой электроники и дожимного компрессора | Па | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Избыточное давление газа на входе в дожимной компрессор | кПа | от 0,5 до 35 | |||||||||||||||||||||||||||||
| Объём масляного бака | л | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Температура выхлопных газов на входе в котел-утилизатор | °С | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Температура выхлопных газов на выходе из котла-утилизатора | °С | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Температура воды на входе в котел-утилизатор | °С | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Температура воды на выходе из котла-утилизатора | °С |
Характеристики | AMT Olympus | ТРД с ЦБК |
||||||||||||||||||||||||
|
По причине дороговизны и дефицитности выше перечисленных сталей было принято решение использовать доступные материалы и снизить максимальные окружные скорости с 475м/с (аналога) до 300м/с, что неминуемо при том же миделевом сечении ДУ, влекло за собой снижение расхода воздуха и, как следствие, при той же скорости истечения из сопла - снижение лобовой тяги.
В стремлении разработать двигатель с той же лобовой тягой, но с меньшими окружными скоростями на периферии лопаток турбины и на основании опыта создания полномасштабных ГТД с центробежным компрессором выбор был остановлен на двухстороннем центробежном компрессоре (ЦБК), что является новшеством в классе микро-ГТД. Это конструктивное решение позволяет удвоить расход воздуха без увеличения диаметра диффузора.
Новизна - состоит в новом конструктивно-технологическом решении, позволяющем максимально отехнологичить самый сложный узел ТРД с ЦБК - диффузор, и полностью отказаться от болтовых и сварных соединений (рис.3, 6).
Методами исследования являлись численное моделирование рабочих процессов в авиационных воздушно-реактивных двигателях на основе комплексных моделей рабочего процесса и проведение натурных испытаний работоспособного образца ГТД.
Сборка ротора: кок, двухсторонний центробежный турбо-компрессор, вал, турбина.
Турбина –активно-реактивная осевая одноступенчатая со степенью реактивности 0,5.
Представлен один из вариантов диска, расчёт на прочность выполнялся с помощью пакета CosmosWorks – рис. 9.
3D модель турбины в сборе представлена на рис 10. Видны отдельные сегменты лопаточного венца. Один из трёх сегментов выделен тёмным тоном. Данная конструкция лопаточного венца позволяет, в отличие от цельнолитого, применить в различных зонах нагружения необходимые стали, что позволяет экономить материал. В зонах стыка сегментированного венца имеются деформационные швы, снижающие предварительные напряжения в диске. При отливке сегмента наблюдается практически полное отсутствие усадочных раковин, по сравнению с цельнолитым диском, в связи с меньшими относительными толщинами. Подобная конструкция турбины в микро-ГТД малых тяг разработана впервые.
Технологическая оснастка, использовавшаяся при изготовлении двигателя представлена на рис. 10-11. Отдельные стадии технологических процессов приведены на рис. 13.
Компрессор – одноступенчатый центробежный двухсторонний с колесом полуоткрытого типа.
Некоторые элементы технологического процесса изготовления турбокомпрессора рис. 15-18.
Камера сгорания – кольцевого типа, прямоточная. На рис.19,20.
Шестерённый насос с плавающими втулками сам по себе стоит отдельного описания, не уступает промышленным образцам, используемым в автомобильной промышленности, обеспечивает перепад давлений до 1 МПа при расходе всего 20 мл/с, частота вращения 12000 об/мин.
Огневые испытания.
Реализация проектных решений. Общий вид спроектированного микро-ГТД и отдельных его узлов представленных на рисунках. Все элементы конструкции выполнены лично автором статьи.
Выводы. На сегодняшний день применение микро-ГТД на аппаратах с взлетным весом порядка 100 кг и выше представляется наиболее разумной перспективой. С уровнем тяг 200-300 Н микро-ГТД могут обеспечить высокие дозвуковые скорости полета БЛА легкого класса. С точки зрения массового совершенства двигательная установка с малоразмерным ГТД привлекательна. Низкий удельный вес микро-ГТД особенно ярко проявляется при небольшой продолжительности полета (до 30 мин.). При ограничении продолжительности полета до 15-20 мин. на основе микро-ГТД может быть создан высокоманевренный БЛА с тяговооруженностью более 0.5.
Список использованных источников
1. . Теория авиационных двигателей. – Оборонгиз. –1958г.
2. . Численное моделирование теплофизических процессов в двигателестроению. –Харьков, ХАИ. –2005г.
3. , . Радиально-осевые турбины малой мощности. –Москва, Машгиз. –1963г.
4. . Воздушные микротурбины. – Москва, Машиностроение. –1970г.
5. , Боровский и расчёт агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1986г.
6. , . Испытания авиационных воздушно – реактивных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1967г.
7. Артёменко Н. П., и др. Гидростатические опоры роторов быстроходных машин. –Харьков, Основа. –1992г.
8. . Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. –Москва, Машиностроение. –2003г.
9. , . Расчёт турбин авиационных двигателей. –Москва, Машиностроение. –1974г.
10. Силовые установки вертолётов// под ред. . –Оборонгиз, Москва. –1959г.
11. Заготовительно – обрабатывающие технологии в производстве аэрокосмических летательных аппаратов// Учебное пособие, и др. –Харьков, ХАИ. –1999г.
12. Конструкция авиационных газотурбинных двигателей// под ред. . –Москва, Воениздат. –1961г.
Сергей Журавлёв, руководитель проекта создания газотурбинного двигателя сверхмалого размера / Фото: informpskov.ru
На вопросы «Завтра» отвечает Сергей Журавлёв, руководитель проекта создания газотурбинного двигателя сверхмалого размера.
- Сергей, при взгляде на вашу микротурбину кажется, что это — небольшой реактивный двигатель. Который, наверное, ставят на какие-то сверхмалые самолёты, беспилотные летательные аппараты…
- Внешний вид обманчив, и, несмотря на то, что несколько человек из нашей команды имеют прямое отношение к авиации, мы вообще-то делали совсем иное. Микротурбина - сердце нашего проекта автономного дома. Мы считаем, что дом в России должен быть изначально энергоактивным, то есть производить энергии больше, чем потреблять. И за счёт этого он должен быть автономным, то есть не иметь жёсткого подключения к внешним монопольным сетям.
- Есть западная концепция: ставим на крышу солнечные батареи, а во двор - ветряк. Но у нас, извините, в стране нет ни толкового солнца, ни ветра, поскольку мы - в середине северного континента. В чём состоит ваш подход?
- Автономный дом создать сегодня несложно, технологии это позволяют. Весь вопрос состоит в стоимости, потому что, конечно, можно поставить солнечные батареи и летом накапливать энергии более чем достаточно, а потом использовать её зимой. Но стоимость аккумулирования этой энергии будет близкой к космической - даже если ставить современные аккумуляторы, перекачивать воду по системе разновысотных прудов или же запасать тепловую энергию с помощью тепловых насосов или расплавленной теплоёмкой соли.
Газотурбинный двигатель сверхмалого размера / Фото: sdelanounas.ru
Чтобы таким образом запасти энергии на всю зиму, надо потратить целое состояние на систему аккумулирования. Поэтому мы исходим из концепции комбинирования разных источников энергии, которые позволяют закрывать все потребности. Электроэнергию сегодня бессмысленно накапливать в аккумуляторах, первичную энергию надо накапливать в химической форме, например - в виде горючих газов.
То есть приходим к тому, что надо ускорять процессы «метаболизма здания», производя горючие газы из тех отходов и мусора, что образуются в самом автономном доме. Есть несколько принципиальных способов получения и водорода или метана, но нам важен тот факт, что горючий газ, производимый самим домохозяйством, позволяет легко закрыть им генерацию электроэнергии и тепла на протяжении всей зимы. Отсюда и возникла идея микрогазотурбинной установки. У турбин есть много преимуществ по сравнению с обычными газопоршневыми агрегатами, то есть обычными и привычными для нас двигателями внутреннего сгорания.
У небольших газотурбинных двигателей уже достигнут очень высокий КПД, их, в отличие от газопоршневых двигателей, легко звукоизолировать, они почти не шумят и занимают малый объём. Неоспоримым их преимуществом является и то, что они легко работают на плохом, некачественном газе, который может генерировать домохозяйство из своих бытовых отходов.
- Здесь надо сказать, что мы все привыкли к чистому, почти 100% метану, который нам поставляет по газовой трубе «Газпром», тот самый монополист, от которого вы хотите уйти, - а вы предлагаете получать прямо в доме пусть и менее чистый, но уже «свой», автономный метан?
- Да, сейчас в деталях проработана практика получения конечного газового продукта, смеси горючих газов из большого спектра бытовых отходов - начиная от бумаги или дерева и заканчивая, извините за подробности, помётом птиц или навозом домашних животных.
Именно поэтому микротурбины сейчас - очень актуальное направление разработок. В том числе - и на Западе, где несколько компаний активно над этим работают. Понятно, что там концепция очень похожа на нашу: микротурбина становится «энергетическим сердцем» семьи или предприятия, когда всё производство многих бытовых предметов потребления, в первую очередь - продуктов питания концентрируется в самом домохозяйстве. И это, конечно, тот самый образ совсем иного будущего, когда мы получаем целый пласт «новых производителей», эдаких «крестьян XXI века», которые уже очень мало зависят от внешнего мира, обеспечивая себя всем необходимым и даже создавая излишки продукции.
- Да, дай Бог, чтобы мы смогли возродить наши российские просторы благодаря такой уникальной технологии. А что у вас в ближайших планах?
- Да, автономный дом - это будущее. Сегодня же возможность для применения микротурбин раскрывается в уже упомянутой нами авиации. В прошлом эволюция двигателей в авиации обошла микродвигатели стороной - по той простой причине, что они подходили только для авиамоделизма, имели очень малый ресурс. Микродвигатели в авиации были «бабочками-подёнками», были короткоживущими и рассматривались только как подобия, копии настоящих, «взрослых» авиадвигателей. Но сегодня, наконец, эволюция двигателестроения в размере микротурбины привела нас к тому, что возможности технологии и запросы авиации сошлись в одну точку - и мы можем сейчас сделать хорошую микротурбину для авиации.
- Посмотрим на этот небольшой агрегат. Выглядит как настоящий двигатель, а что эта малютка сегодня выдаёт, если перевести в сухие цифры мощности или тяги?
- На максимальных оборотах эта микротурбина выдаёт 200 ньютонов. Если же говорим о мощности - то это порядка 12 кВт. Достаточно мощный двигатель для своего скромного размера.
- Для сравнения: насколько помню, обычная квартира даже на пике мощности потребляет сегодня 1,5-2 кВт электроэнергии, а в среднем - сотни ватт?
- Да, такой малютки вполне хватит на десяток квартир в многоквартирном доме. Сейчас все параметры посчитаны на скорости микротурбины около 100 тысяч оборотов в минуту. Но при форсированном варианте турбины можно достичь и 150 тысяч оборотов в минуту, хотя это и не рационально.
- Это ведь отнюдь не обороты двигателя внутреннего сгорания! Получается, что в турбине используются высокотехнологичная подвеска, специализированные подшипники, точный вал?
- Да, в турбине стоят качественные, долговечные подшипники. В авиамоделизме для похожих турбин используют подшипники попроще, но они живут недолго, а для бытовой микротурбины самая главная проблема - создать систему смазки и балансировки двигателя, вала, которая бы позволяла ему долго послужить.
Современные флагманы отрасли уже имеют ресурс микротурбин порядка 100 тысяч часов, то есть около десяти лет, и при регулярном обслуживании турбины один раз в год. Мы не ставим такой задачи, хотя уже просчитали компоновку системы охлаждения на пять тысяч часов. А эта машина сможет работать не менее пятисот часов - это первый, но важный рубеж. Мы сейчас только переходим в стадию тестовых испытаний с промышленными образцами. Поэтому какой нам выдаст результат машина, мы пока не загадываем, но говорим: «не менее», - и это уже примерно впятеро больше, чем самый хороший авиамодельный двигатель.
- Скажите, а как дальше интегрировать эту микротурбину? Ведь ей нужна будет система подготовки топлива, если её использовать в энергоснабжении домохозяйств - то и система получения электроэнергии. Кто этим займётся?
- Пока что, на первом этапе, мы начинаем работу именно с авиацией, немного упрощая себе первый шаг на пути к конечной цели. Авиация пока что всё-таки использует качественный керосин, а не бытовой газ, который по своим параметрам даже хуже магистрального. А задача когенерирующей микротурбинной установки, как я уже сказал, - это и наша мечта, и наша стратегическая цель.
- Когенерация - это комбинированное получение тепла и электроэнергии, то, к чему надо всегда стремиться в нашей холодной стране. А были ли какие-то аналоги такого подхода, создания таких миктротурбин в советской, в российской истории? Насколько эта вещь уникальна?
- В России не производятся двигатели такого типоразмера. Делают только двигатели для военных целей, это двигатели обычно более простые - для крылатых ракет, например. Но это подход одноразового использования, вида «выстрелил и забыл». Крылатая ракета при этом должна пролететь свой час до цели - и, соответственно, весь двигатель рассчитан на то, чтобы она этот час летела гарантированно.
Мы же говорим о совсем другом рынке, гражданского применения. Соответственно, всем способным произвести продукт на такой ёмкий рынок я желаю только успеха. Места и работы хватит всем. Поэтому мы, в общем, не опасаемся жёсткой конкуренции на рынке - в малой энергетике всё в России ещё только начинается.
- Скажите, а какие следующие этапы вы планируете для микротурбины? Как вы её будете испытывать и совершенствовать?
- К сожалению, у нас не так много средств, чтобы построить качественный испытательный стенд. Сейчас мы занимаемся этой работой, готовимся к тестовым испытаниям опытного образца. Наша текущая задача - произвести промышленный образец, создать производственную кооперацию, отработать технологические процессы и применяемые материалы. Дальше будет стадия доводочных испытаний. Но кое-что мы делаем и заранее, не дожидаясь, когда двигатель обретёт окончательный вид, - например, мы приступили к эскизной разработке гибридной силовой установки, как для целей будущей когенерации, так и для использования в беспилотных летательных аппаратах. Гибридный двигатель - это наиболее современная схема квадрокоптеров и конвертопланов, которые используют электропривод винта, но могут питаться и от микротурбины, а не от аккумуляторов, как сегодня.
- Да, я был в своё время поражён тем, насколько далеко ушёл прогресс за последние десять лет развития беспилотной авиации, но знаю, какая критическая масса проблем возникла с БПЛА именно из-за того, что современные аккумуляторы накладывают ограничения на дальность и скорость беспилотников.
- Беспилотные аппараты - очень сложные агрегаты, мы и не претендуем на их конструирование или производство. Наша задача - сделать качественную силовую установку, применимую в разных типах летательных аппаратов. Микротурбину можно встроить в любой авиадвигатель: турбореактивный, турбовентиляторный, турбовинтовой и уже упомянутый электрический двигатель для БПЛА. Микротурбина для них - компактный и мощный источник энергии. Выдавая реактивную струю и вращая вал, микротурбина создаёт электроэнергию, достаточную для полёта летательного аппарата.
- Скажите, Сергей, а в какой части микротурбина собрана из российских комплектующих? С чем вы столкнулись при разработке своего аппарата, и какие задачи вы решили, а какие остались пока нерешёнными?
- Не буду рассказывать обо всех тонкостях и нюансах наших операционных изысканий. В целом же скажу, что Россия за последние годы накопила очень серьёзный парк передового оборудования в так называемых аддитивных технологиях. Этот двигатель произведён на 70% в рамках аддитивных технологий, то есть запрограммированным «выращиванием» металлических конструкций. Аддитивные технологии - это использование 3D-принтера, который сразу делает готовое изделие прямо из аморфного металла.
- То есть вся ваша микротурбина буквально «напечатана» из металла?
- Да, всё напечатано - кроме болтиков и гаечек. Болтики печатать незачем, на них есть стандарт. На токарном станке тут выточены только вал и корпус вала двигателя. Ну, и немного деталей выполнено фрезеровками на пятикоординатных станках, но это тоже - самое современное оборудование.
Соответственно, утверждать, что мы сегодня «отсталая страна» - это несусветная глупость. Есть лишь ряд технологических потребностей, пока что не решённых в российской промышленности. Например, уже упомянутые «долгоиграющие» керамические подшипники нашей микротурбины. В то же время мы видим, что российская научно-производственная база готова к производству и таких изделий, здесь вопрос лишь в экономике. Чтобы построить производство керамической продукции такого уровня для нашего изделия, это производство должно выпускать несопоставимо больший объём, чтобы сделать приемлемую стоимость. Прежде всего это вопрос конкуренции, грубо говоря - китайскую, японскую или немецкую продукцию купить пока намного дешевле, чем произвести здесь; нельзя поставить суперстанок только ради того, чтобы сделать четыре подшипника на опытную турбину.
- Ну, это проблема всех компаний-инноваторов. На западе изобретателям тоже приходится выкручиваться в такой ситуации.
- Да, надо учитывать «эффект инновации». Например, если наша оборонная промышленность заинтересована в получении профессиональных двигателей в небольшом типоразмере, причём с применением самых современных материалов, этот процесс будет ускоряться вне зависимости от того, хотим мы этого или нет. Это видно просто по тому, как за последние 3-4 года армия вдруг обогатилась современной техникой.
- Скажите, а кто вам помогает и что вам мешает в вашей работе?
- Вы знаете, мешают, скорее, производственные традиции, которые в России всё-таки достаточно косные. С одной стороны, это хорошо, потому что традиции позволяют делать меньше ошибок, но они же часто тормозят инновации.
Простой пример. Мы производим моделирование двигателей в компьютерной 3D-среде, то есть компонуем корпус двигателей со всеми деталями прямо в виртуальной 3D-модели. Эта же модель является исходным кодом для станка с ЧПУ или 3D-принтера, никаких чертежей, современное оборудование сразу «понимает» такой двоичный код. Но часть российских производств почему-то до сих пор требует перевести нашу 3D-модель в десяток ГОСТовских чертежей. А потом эти же чертежи их собственные конструкторы снова переводят уже в свою 3D-модель, чтобы «скормить» тем же станкам с ЧПУ!
Всё это тормозит и усложняет процесс и служит источником ошибок. Как говорят, «два переезда равны одному пожару», так вот - две переделки чертежей создают очень похожий эффект… И мы сегодня таких производителей переучиваем, приучаем к тому, чтобы они действовали, исходя из изменившихся реалий.
В итоге, из-за такой «притирки» смежников кооперация по производству этого двигателя заняла почти полгода. Кооперация в том смысле, что мы передавали готовое модельное решение со всеми необходимыми параметрами. И наши партнёры, надо отдать им должное и сказать огромное спасибо, брались за эти микропартии, экспериментальные, по сути, изделия, так как всё-таки в России есть удивительно нежное отношение к новому, уникальному, что мы и почувствовали, работая со своими смежниками по созданию нашей турбины. Ведь аддитивные технологии сегодня всё-таки только осваиваются российской промышленностью, и сделать просто «влёт» ту или иную деталь - это довольно сложно. Но наши партнёры активно включались и делали всё, что могли - в самых непростых условиях.
- Есть ли интерес к вашим разработкам со стороны отечественной «оборонки», если не заходить в зону государственных секретов? Наше военное ведомство - насколько оно проявляет интерес к такого рода концепциям, как они воспринимают идею микротурбины для авиации, в том числе и для беспилотной?
- Давайте я отвечу почти философски. Я туда ещё не ходил, а ко мне ещё официально не приходили. «Товарищ майор» нами ещё не интересовался, но я предполагаю, причём с высокой долей уверенности, что поиск решений в этом направлении осуществляется нашим военным ведомством уже давно и очень активно. Я ведь вижу, как довольно крупные институты работают именно над этой задачей, и рано или поздно мы с этой стороной применения нашего изделия, конечно, столкнёмся.
- То есть либо гора придёт к Магомету, либо всё-таки Магомет придёт к горе?
- Вот именно. У нас нет антагонизма по отношению к нашей оборонной промышленности, но и опыта взаимодействия с ней тоже нет. Мы вообще - частная команда. Мы даже юридическое лицо специально под этот проект пока не создавали. В общем, у нас была задача - построить двигатель. И мы её выполнили
- А сколько человеко-часов потребовалось, чтобы сделать эту малютку?
- Скажем так, от «идеи, нарисованной на салфетке» и до воплощения двигателя в опытном образце прошло два года, что вылилось в напряжённый труд двух десятков людей, хотя, конечно, и не на полном рабочем дне.
- То есть это достаточно сжатый срок от идеи до образца.
- Я считаю, что сегодня производственные компетенции можно обретать очень быстро. Для этого достаточно доступа к источникам технологических знаний и мотивированной, слаженной команды. Сама же высокотехнологическая продукция не является сегодня каким-то табуированным знанием, к которому могут прикасаться только суперпрофессионалы, «избранные или специально обученные люди», как иногда в шутку говорят. Всё в инновациях создаётся поиском, мозговыми штурмами, оценками, перебором вариантов. Это очень непростой процесс, и тут на первый план выходит мотивация.
- Есть мнение, что сейчас инновационное производство построить гораздо легче, чем даже 20 лет тому назад. Например, я слышал, что тот завод, который Советский Союз по АФАР-радарам для своих военных самолётов строил целое десятилетие, сегодня можно за полтора года собрать прямо в чистом поле - и это не будет каким-то стахановским подвигом. Насколько это правда?
- Россия и Советский Союз всегда славились прежде всего способностью к мобилизации, к производству невероятного за очень короткие сроки. Поэтому, конечно, даже советские стройки уже были примером высочайших темпов освоения новых технологий и нового знания - и атомный, и космический проект, и менее «громкие» вещи, которые тоже всегда были на мировом уровне. С другой стороны, нынешние технологии в самом деле при желании позволяют производственнику буквально «прыгать через ступеньки», создавая в ещё более сжатые сроки совершенно новые изделия, часто основанные на новых, уникальных подходах. Нынешнее время - настоящая эпоха возможностей для думающих, активных людей. Настоящее «время мечты».
- Касательно вашей мечты хотел задать вопрос. Мы начали наш разговор с «дома будущего». Я тоже истовый фанат будущего, поскольку прекрасно понимаю, что без движения вперёд любое общество медленно сползает назад. Ваше мнение: что общество получит от сегодняшних инноваций, таких, как ваша микротурбина или концепция автономного дома?
- Если говорить о мечте или о нашей философии, то я считаю, что любой проект должен исходить из чётких философских оснований, из ясного видения будущего мира, в котором твой проект является важным, критическим элементом. Иначе будешь всю жизнь думать об «инновационной расчёске для волос». Я условно говорю, подчёркивая, что сегодня часто люди пытаются сделать бесполезные вещи, не обижая ни в коем случае разработчиков новых вариантов расчёсок. Просто мне это не интересно, новые расчёски наш мир не изменят. Например, если уж мы строим автономный энергоизбыточный дом, надо себе сказать, что он ничем не привязан к земле, кроме фундамента.
- То есть захотели в Карелию - полетели в Карелию. Захотели на южный берег Крыма - полетели на южный берег Крыма?
- Да, ровно об этом речь: дом должен в некоем идеальном образе будущего стать и вашим транспортным средством. Ничего нереального в этом нет. Но это, конечно, уже совсем другая история, которую не стоит сразу привязывать к нашей скромной микротурбине. Она может стать не более чем маленьким шажком к такому образу будущего.
- Сергей, большое спасибо за беседу. Я надеюсь, может быть, через два года, может, уже через год увидеть энергетическую установку с вашим «сердцем» - крошечным турбореактивным двигателем, микротурбиной. Пусть даже под грифом «секретно», в виде сообщения, что где-то в России начаты испытания нового БПЛА для нужд Минобороны, с «инновационным турбореактивным двигателем». И, конечно, желаю, чтобы вы не потеряли энтузиазма на длинном пути к вашей мечте.
- Энтузиазма точно не потеряем. Надеюсь, его хватит надолго. Как всегда говорят, были бы деньги - было бы и счастье. Но, тем не менее - и находим, и делаем, и сделаем.
Материал подготовил Алексей Анпилогов.
МОСКВА, материалы сайта издания "Сделано у нас"
12
МИНИАТЮРНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Александр Владимирович Ефимов
Равиль Зямилевич Нигматулин
Игорь Никифорович Гайдамака
Михаил Яковлевич Иванов
Олег Иванович Иванов
Николай Иванович Огарко
Еще недавно под "малоразмерным" газотурбинным двигателем подразумевалось устройство, способное уместиться под капотом легкового автомобиля. Но процесс миниатюризации ГТД на этом не остановился. Несмотря на огромные трудности, с которыми пришлось столкнуться разработчикам, размеры и масса самых маленьких "газотурбинников" продолжали сокращаться.
Так, еще в 1973 г. был создан предназначенный для авиамоделей миниатюрный ГТД TDJ-76 "Мини Мамба". При собственной массе 6,5 кг это чудо техники обладало тягой 25 кгс, его диаметр не превышал 150 мм, а длина - 400 мм. Зато частота вращения вала для обеспечения требуемой величины тяги была доведена до 96000 об/мин.
Турбина TDJ-76 выполнялась фрезерованием и последующей гибкой из стального диска толщиной 2,5 мм, при этом лопатки были плоскими, непрофилированными. Камера сгорания, занимавшая большую часть объема двигателя, изготовлялась из жаропрочной стали. В ней применялась довольно сложная система подачи топлива с предварительным его испарением; топливо использовалось также для отвода тепла от подшипников.
Впоследствии
был создан целый ряд аналогичных двигателей, отличавшихся тягой и размерами.
Так, были разработаны и изготовлены ГТД со следующими параметрами (первое
число - тяга в ньютонах, второе - диаметр крыльчатки компрессора в миллиметрах):
70/66, 80/76, 90/88, 100/90. Модели с такими двигателями получили относительно
широкое распространение.
И все же наследники "Мини Мамбы" оказались великоваты. Энтузиасты
малоразмерных ГТД замахнулись на разработку двигателей, способных обеспечить
полет действительно миниатюрных летательных аппаратов, не превосходящих
по размерам человеческую ладонь! В 2000 г. в печати появились сообщения
о том, что в Массачусетском технологическом университете создают малоразмерный
ГТД с максимальным диаметром корпуса 12 мм и диаметром рабочих колес,
не превышающим 8 мм. Аналогичный проект попытались реализовать Токийский
университет совместно с ЦИАМ им. П.И. Баранова. При разработке использовался
опыт проектирования микро-ГТД FD-3 длиной 260 мм и диаметром 110 мм,
предназначавшегося для беспилотных летательных аппаратов.
В
качестве двигателя-прототипа был избран FD-3. Но ограничения технологического
характера вполне способны перечеркнуть вывод о реальности создания столь
миниатюрного газотурбинника. С самого начала предполагалось, что основные
узлы микро-ГТД будут изготовляться из керамики. Но все, что способна
дать технология MEMS, - это плоские лопатки постоянной толщины, выполненные
заодно с диском (своеобразные "блиски") и цилиндрические отверстия
в керамических стенках.
В связи с этим был сделан вывод о необходимости промежуточного шага,
каковым стало изготовление двигателя, впятеро большего по основным размерам,
нежели описанный. Диаметр ротора такого двигателя, как нетрудно определить,
был принят равным 40 мм.
Оптимизировав параметры компрессора и турбины, для микро-ГТД с диаметром ротора 40 мм удалось добиться приемлемых значений к.п.д. компрессора и турбины (около 0,7). В дальнейшем в Токийском университете были проведены испытания компрессора с диаметром ротора 40 мм. В заключение отметим что создание микро-ГТД с диаметром ротора 40 мм технически осуществимо, и необходимо доработать технологию MEMS. Применение микро-ГТД для создания тяги вряд ли рационально, и наиболее вероятным можно считать использование описанного двигателя в качестве привода миниатюрного генератора электрической энергии.
Существует ли предел миниатюризации?
На этот вопрос, скорее всего, нужно ответить - да, существует.
Экспериментальные образцы газотурбинных двигателей (ГТД) впервые появились в преддверии Второй мировой войны. Разработки воплотились в жизнь в начале пятидесятых годов: газотурбинные двигатели активно использовались в военном и гражданском самолетостроении. На третьем этапе внедрения в промышленность малые газотурбинные двигатели, представленные микротурбинными электростанциями, начали широко применяться во всех сферах промышленности.
Принцип функционирования общий для всех ГТД и заключается в трансформации энергии сжатого нагретого воздуха в механическую работу вала газовой турбины. Воздух, попадая в направляющий аппарат и компрессор, сжимается и в таком виде попадает в камеру сгорания, где производится впрыскивание топлива и поджег рабочей смеси. Газы, образовавшиеся в результате сгорания, под высоким давлением проходят сквозь турбину и вращают ее лопатки. Часть энергии вращения расходуется на вращение вала компрессора, но большая часть энергии сжатого газа преобразуется в полезную механическую работу вращения вала турбины. Среди всех двигателей внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные установки обладают наибольшей мощностью: до 6 кВт/кг.
Работают ГТД на большинстве видов диспергированного топлива, чем выгодно отличаются от прочих ДВС.
При уменьшении размера ГТД происходит уменьшение КПД и удельной мощности по сравнению с обычными турбореактивными двигателями. При этом удельная величина расхода топлива так же возрастает; ухудшаются аэродинамические характеристики проточных участков турбины и компрессора, снижается КПД этих элементов. В камере сгорания, в результате уменьшения расхода воздуха, снижается коэффициент полноты сгорания ТВС.
Снижение КПД узлов ГТД при уменьшении его габаритов приводит к уменьшению КПД всего агрегата. Поэтому, при модернизации модели, конструкторы уделяют особое внимание увеличению КПД отдельно взятых элементов, вплоть до 1%.
Для сравнения: при увеличении КПД компрессора с 85% до 86%, КПД турбины возрастает с 80% до 81%, а общий КПД двигателя увеличивается сразу на 1,7%. Это говорит о том, что при фиксированном расходе топлива, удельная мощность увеличится на ту же величину.
Впервые разработка ГТД-350 началась еще в 1959 году в ОКБ-117 под начальством конструктора С.П. Изотова. Изначально задача состояла в разработке малого двигателя для вертолета МИ-2.
На этапе проектирования были применены экспериментальные установки, использован метод поузловой доводки. В процессе исследования созданы методики расчета малогабаритных лопаточных аппаратов, проводились конструктивные мероприятия по демпфированию высокооборотных роторов. Первые образцы рабочей модели двигателя появились в 1961 году. Воздушные испытания вертолета Ми-2 с ГТД-350 впервые были проведены 22 сентября 1961 года. По результатам испытаний, два вертолетных двигателя разнесли в стороны, переоснастив трансмиссию.
Государственную сертификацию двигатель прошел в 1963 году. Серийное производство открылось в польском городе Жешув в 1964 году под руководством советских специалистов и продолжалось до 1990 года.
— вес: 139 кг;
— габариты: 1385 х 626 х 760 мм;
— номинальная мощность на валу свободной турбины: 400 л.с.(295 кВт);
— частота вращения свободной турбины: 24000;
— диапазон рабочих температур -60…+60 ºC;
— удельный расход топлива 0,5 кг/кВт час;
— топливо — керосин;
— мощность крейсерская: 265 л.с;
— мощность взлётная: 400 л.с.
В целях безопасности полетов на вертолет Ми-2 устанавливают 2 двигателя. Спаренная установка позволяет воздушному судну благополучно завершить полет в случае отказа одной из силовых установок.
ГТД — 350 на данный момент морально устарел, в современной малой авиации нужны более можные, надежные и дешевые газотурбинные двигатели. На современный момент новый и перспективным отечественным двигателем является МД-120, корпорации «Салют». Масса двигателя — 35кг, тяга двигателя 120кгс.
Конструктивная схема ГТД-350 несколько необычна за счет расположения камеры сгорания не сразу за компрессором, как в стандартных образцах, а за турбиной. При этом турбина приложена к компрессору. Такая необычная компоновка узлов сокращает длину силовых валов двигателя, следовательно, снижает вес агрегата и позволяет достичь высоких оборотов ротора и экономичности.
В процессе работы двигателя, воздух поступает через ВНА, проходит ступени осевого компрессора, центробежную ступень и достигает воздухосборной улитки. Оттуда, по двум трубам воздух подается в заднюю часть двигателя к камере сгорания, где меняет направление потока на противоположное и поступает на турбинные колеса. Основные узлы ГТД-350: компрессор, камера сгорания, турбина, газосборник и редуктор. Системы двигателя представлены: смазочной, регулировочной и противообледенительной.
Агрегат расчленен на самостоятельные узлы, что позволяет производить отдельные запчасти и обеспечивать их быстрый ремонт. Двигатель постоянно дорабатывается и на сегодняшний день его модификацией и производством занимается ОАО «Климов». Первоначальный ресурс ГТД-350 составлял всего 200 часов, но в процессе модификации был постепенно доведен до 1000 часов. На картинке представлена общая смеха механической связи всех узлов и агрегатов.
Микротурбины применяют в промышленности и быту в качестве автономных источников электроэнергии.
— Мощность микротурбин составляет 30-1000 кВт;
— объем не превышает 4 кубических метра.
Среди преимуществ малых ГТД можно выделить:
— широкий диапазон нагрузок;
— низкая вибрация и уровень шума;
— работа на различных видах топлива;
— небольшие габариты;
— низкий уровень эмиссии выхлопов.
Отрицательные моменты:
— сложность электронной схемы (в стандартном варианте силовая схема выполняется с двойным энергопреобразованием);
— силовая турбина с механизмом поддержания оборотов значительно повышает стоимость и усложняет производство всего агрегата.
На сегодняшний день турбогенераторы не получили такого широкого распространения в России и на постсоветском пространстве, как в странах США и Европы в виду высокой стоимости производства. Однако, по проведенным расчетам, одиночная газотурбинная автономная установка мощностью 100 кВт и КПД 30% может быть использована для энергоснабжения стандартных 80 квартир с газовыми плитами.
Коротенькое видео, использования турбовального двигателя для электрогенератора.
За счет установки абсорбционных холодильников, микротурбина может использоваться в качестве системы кондиционирования и для одновременного охлаждения значительного количества помещений.
Малые ГТД продемонстрировали удовлетворительные результаты при проведении дорожных испытаний, однако стоимость автомобиля, за счет сложности элементов конструкции многократно возрастает. ГТД с мощностью 100-1200 л.с. имеют характеристики, подобные бензиновым двигателям, однако в ближайшее время не ожидается массовое производство таких авто. Для решения этих задач необходимо усовершенствовать и удешевить все составляющие части двигателя.
По иному дела обстоят в оборонной промышленности. Военные не обращают внимание на стоимость, для них важнее эксплуатационные характеристики. Военным нужна была мощная, компактная, безотказная силовая установка для танков. И в середине 60-ых годов 20 века к этой проблеме привлекли Сергея Изотова, создателя силовой установки для МИ-2 — ГТД-350. КБ Изотова начало разработку и в итоге создало ГТД-1000 для танка Т-80. Пожалуй это единственный положительный опыт использования ГТД для наземного транспорта. Недостатки использования двигателя на танке — это его прожорливость и привередливость к чистоте проходящего по рабочему тракту воздуху. Внизу представлено короткое видео работы танкового ГТД-1000.
На сегодняшний день высокая стоимость и низкая надежность поршневых двигателей с мощностью 50-150 кВт не позволяют малой авиации России уверенно расправить крылья. Такие двигатели, как «Rotax» не сертифицированы на территории России, а двигатели «Lycoming», применяемые в сельскохозяйственной авиации имеют заведомо завышенную стоимость. Кроме того, они работают на бензине, который не производится в нашей стране, что дополнительно увеличивает стоимость эксплуатации.
Именно малая авиация, как ни одна другая отрасль нуждается в проектах малых ГТД. Развивая инфраструктуру производства малых турбин, можно с уверенностью говорить о возрождении сельскохозяйственной авиации. За рубежом производством малых ГТД занимается достаточное количество фирм. Сфера применения: частные самолеты и беспилотники. Среди моделей для легких самолетов можно выделить чешские двигателиTJ100A, TP100 и TP180, и американский TPR80.
В России со времен СССР малые и средние ГТД разрабатывались в основном для вертолетов и легких самолетов. Их ресурс составлял от 4 до 8 тыс. часов,
На сегодняшний день для нужд вертолета МИ-2 продолжают выпускаться малые ГТД завода «Климов» такие как: ГТД-350, РД-33,ТВЗ-117ВМА, ТВ-2-117А, ВК-2500ПС-03 и ТВ-7-117В.
