Сверхмалый газотурбинный двигатель. Где взять достойные двигатели для малой авиации
Холодний Максим Віталійович
Національний аерокосмічний університет імені М. Є.Жуковського "Харківський авіаційний інститут"
Микро-ГТД
7.1. Авиация та космонавтика
Рисунки зменшені адміністрацією конкурсу, можуть бути надані в оригінальному розмірі на вимогу експерта.
Введение
Актуальность темы исследований. Миниатюризация бортовой аппаратуры, создание систем управления и целевой нагрузки с массой в сотни граммов, позволяет создавать беспилотные летательные аппараты (БЛА) со взлетным весом в единицы килограммов, оснащенного системами спутниковой навигации и радиосвязи, с возможностью действовать практически в любом районе земного шара в составе комплекса дистанционно-управляемой авиационной системы (ДУАС).
Одной из важнейших проблем при создании всепогодных БЛА является создание двигательной установки (ДУ), обеспечивающей, с одной стороны, высокую крейсерскую скорость полета БЛА, а с другой – достаточную продолжительность полета. Требования преодоления ветрового сноса, полета в условиях приземной турбулентности, оперативности получения информации выдвигают необходимость обеспечения крейсерской скорости полета на уровне М=0,5 и продолжительности полета не менее 30 мин.
Учитывая падение чисел Рейнольдса, а также рост площади, омываемой потоком, по отношению к объему и массе по мере уменьшения физических размеров ЛА, задача достижения высоких скоростей полета осложняется непропорциональным ростом потребной тяги при уменьшении размерности БЛА. Применение в качестве двигательной установки воздушно-реактивного двигателя (ВРД) открывает возможность обеспечения высоких скоростных характеристик, однако создание микро-ВРД традиционных схем с тягой до 50-200 H, пригодного для установки на сверхлегкий БЛА, наталкивается на значительные трудности, связанные прежде всего с масштабным вырождением рабочего процесса.
Таким образом, задача создания ВРД малых тяг (ВРД МТ) представляется актуальной.
Проблематикой создания воздушно-реактивных двигателей малых тяг на основе ТРД занимаются частные фирмы: Франции - Vibraye (JPX-t240…), Японии - Sophia-Precision (J-450…), Германии - JetCat (P-80…),Австрии - Schneidtr-Sanchez (FD-3). Перечисленные выше двигатели фирм предназначены для авиамоделей, но, по-видимому, за неимением лучшего, они применяются в гражданской и военной беспилотной авиации.
Несмотря на кажущуюся простоту конструкций микро-ГТД по сравнению с полноразмерными, их изготовление так же сопряжено с производсьвенными трудностями в связи с тем, что они содержат те же основные конструктивные элементы, что и полномасштабные аналоги: компрессор, сопловой аппарат, турбину (работающую при температуре свыше 700 градусов по шкале Цельсия и периферийных окружных скоростях 500 м/с).
При таких высоких значениях температур и окружных скоростей, в корневой части лопатки напряжения разрыва могут достигать 700 МПа и выше. Из чего можно сделать простой вывод: для изготовления турбин этих образцов ВРД использовались жаропрочные стали или сплавы - аналоги отечественных сталей: ХН62БМКТЮ с временным сопротивлением 520-550 МПа при рабочей температуре 700 градусов по Цельсию, ХН50ВМКТСР -540 МПа при 900 градусах, что и определяет высокую конечную стоимость ДУ.
В нашей стране ГТД малых тяг, пригодные для установки на БЛА с взлётной массой до 100кг, не производят.
Задачей исследования явилась разработка ДУ для БЛА на основе микро-ТРД.
При разработке в качестве аналога был выбран серийный двигатель фирмы АМТ-Olimpus с тягой 230Н и диаметром 130мм.
Таблица. Характеристики двигателя авторской разработки и серийного аналога
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.
https://pandia.ru/text/79/124/images/image007_8.jpg" width="624" height="162 src=">
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.
О проблеме легких двигателей для малой авиации, писали и год назад, и два года, и десять лет назад. Принимаются программы развития АОН, к разработке легких маломощных двигателей подключился Центральный институт авиационного моторостроения ЦИОМ им. А.В. Баранова. Принимаются правительством программы помощи производителям техники для АОН. Мелькают в печати и на телевидении самолеты отечественной разработки. Где-то они и летают, где-то их испытывают.
Но по-прежнему, как и в предыдущие года, говорят и пишут об отсутствии отечественного легкого двигателя. Огромная страна не стеснялась взять иностранный двигатель, приспособить его под возможности нашего производства, что-то улучшить, где-то потерять в качестве, но на выходе иметь наш, отечественный двигатель, который сможет послужить образцом и прототипом для целой линейки модернизированных движков. Отечественная история развития авиации, полна подобных примеров, и даже нет смысла их здесь приводить.
А где же воз?
Итак, в огромной стране, практически не осталось инфраструктуры для производства поршневых двигателей малой мощности. Таких, которые были бы способны поднять нашу малую авиацию и поставить ее что называется «на крыло».
Однако выход есть и из этой ситуации. Выход быть может не самый быстрый, и простой, но есть. Это разработка своих, отечественных микро и минидвигателей ГТД (газотурбинный двигатель).
Огромные холдинги, консорциумы и всевозможные ФГУП (кто не знает это Федеральное Государственное Унитарное Предприятие), изучают проблему, разрабатывают концептуальные проекты, создают предприятия с иностранным участием и осваивают государственные инвестиции. Вероятно, по прошествии энного количества времени мы на выходе всех этих корпоративных усилий и получим какой-то готовый продукт.
ЦИАМ ведет НИОКР
ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И.Баранова» широким фронтом ведет НИОКР создания перспективных газотурбинных и поршневых двигателей в интересах разработчиков беспилотных летательных аппаратов, самолетов и вертолетов малой авиации. «АвиаПорт» приводит систематизированное изложение выступлений начальника сектора ЦИАМ (малоразмерные ГТД) Владимира Ломазова и начальника сектора ЦИАМ (ПД) Александра Костюченкова на II международной конференции «Беспилотная авиация — 2015».
- «…Работы по перспективным поршневым двигателям
В России в настоящее время полностью отсутствует производство поршневых авиадвигателей для беспилотников и легких самолетов и вертолетов, что заставляет отечественных конструкторов применять авиадвигатели зарубежного производства. В связи с огромной потребностью в таких двигателях, ЦИАМ проводит НИОКР и прорабатывает проекты перспективных поршневых авиадвигателей в интересах их применения на беспилотных летательных аппаратах, легких самолетах и вертолетах».
- «…Основные требования к авиадвигателям
Основными критериями при создании перспективных двигателей являлись стоимость эксплуатации, назначенный межремонтный ресурс и топливная эффективность, которые в совокупности определяют расходы на летный час. Проведенные расчеты показали, что для двигателей такого класса стоимость летного часа должна быть не более 500 рублей за час полета (без учета стоимости ГСМ), технический ресурс должен составить не менее 8000 часов. При таких показателях стоимость жизненного цикла составит 3,2 млн. рублей в сегодняшних ценах».
- «…Новые технологии создания малоразмерных ГТД
ЦИАМ проводит работы по внедрению новейших технологий для снижения массы, повышения качества отдельных узлов и деталей. Подтверждено снижение себестоимости изготовления колеса компрессора почти в 20 раз против классического колеса с вставными лопатками. За счет применения современных технологий литья цена ротора уменьшена примерно в 15-18 раз по сравнению с ротором стандартной вспомогательной силовой установки такой же размерности, которая стоит на отечественных самолетах. В качестве опытного образца изготовлен и будет испытываться на стенде стартер-генератор с возможностью раскручивания до 90 тысяч оборотов, который ставится на вал без редуктора и существенно уменьшает массу двигателя. Он обеспечивает мощность до 4 кВт и имеет массу всего лишь 700 грамм, против сегодняшних 10 кг».
(по материалам портала aviaport httр://www.аviaport.ru/nеws/2015/05/08/338921.html
Лаборатория интеллектуальной механики «Аудит Аналитик» (АА+)
За этим интригующим названием, скрывается группа энтузиастов, которые разработали, создали, и в данный момент уже испытывают первый опытный образец микро ГТД.
Сергей Журавлев Генеральный директор, вдохновитель и генератор идей Лаборатории со своим детищем в руках.
Вот что говорит про свою команду Сергей Журавлев, Генеральный директор Лаборатория интеллектуальной механики «Аудит Аналитик» (АА+):
«Кто Мы?
Команда разработчиков моделей и прототипов сложных систем (экосистем), и алгоритмов управления ими, как в технической, так и в гуманитарной сферах.
Наши компетенции опираются на собственную концепцию организации научно-конструкторского сообщества, распределённого (сетевого) производства и непрерывного процесса совершенствования линейки высокотехнологичных продуктов в испытательно-монтажном комплексе. Мы не считаем нужным покупать станки и строить завод. В России уже так много избыточных производственных мощностей, и покупок новейшего оборудования, что их надо загружать работой».
Сергей полон оптимизма и здорового реализма, и у него есть для этого все основания.
«Нам выдался редкий шанс войти в мировую элиту производителей малых турбин. Минимизация и локализация, роботизация и автономия – тренды XXI века, в которые пока ещё можно встроиться на равных с лидерами энергообеспечения малого авиастроения, беспилотной авиации, локальной энергетики. В России очень сильные физическая и математическая, материаловедческая и инженерная школы. Их потенциал позволяет в минимальном объёме турбины, достичь максимальных, значений эффективности, в первую очередь эксплуатационной, малыми силами и средствами».
Опытный образец ГТД малой тяги серии МкА
Следует отметить, что разработка газотурбинных установок малой тяги лишь одно из направлений, которым занимается Лаборатория АА+, и этот проект полностью частный, и быть может именно поэтому после всех расчетов, проработок и проб, они имеют на выходе уже готовый опытный образец.
Вот так буднично, на подоконнике, на тетрадке с расчетами и схемами уместился первый опытный ГТД малой тяги марки МкА. Родоначальник серии двигателей разной мощности, которые можно будет применять в различных отраслях.
Двигатель уже проходит испытания на стенде в лаборатории. Вот некоторые его параметры, которые уже четко определены:
Основные данные опытного образца ГТД малой тяги серии МкА (микро авиационный):
- Вес – 2060 гр.
- Длина – 324.00 мм
- Диаметр основной – 115.00 мм
- Ширина с пилонами – 128.00 мм
Рабочие характеристики:
- Тяга максимальная – 200 N
- Тяга рабочая – 160 N
- Расход топлива (на макс. тяге) – 460.00 ml \ min
- Используемое топливо – керосин\дизельное топливо
- Максимальные скорость вращения – 120 000 об\мин
«Разработанный двигатель отличается от изучавшихся нашим КБ аналогов, конструктивом, материалами, характеристиками. А также заранее продуманной интеграцией в ряд изделий».
Дмитрий Рыбаков
заместитель директора по инновациям Группы компаний “Беспилотные системы”
В Группе компаний «Беспилотные системы» настолько уверены в перспективности серии двигателей разработки Лаборатории, что начали проектирование перспективного БПЛА специально под них.
Я абсолютно уверен, что через некоторое время, мы увидим, легкие, мощные и экономичные двигатели Лаборатории АА+ не только на легких самолетах, автожирах и вертолетах, но и на большой авиационной технике.
В заключении хотелось бы привести еще одно высказывание Сергея Журавлева:
«Наша команда решилась на разработку маленького газотурбинного двигателя с большими амбициями. Представляя его Вам, мы гордимся тем, что не копировали имеющиеся в мире аналоги, а применяя современные методы анализа и моделирования, новейшие технологии и материалы, создали сложнейшее энергетическое устройство как платформу научно-технических решений с большим потенциалом развития и диапазоном применения.
Из полученного е-mail (копия оригинала):
«Уважаемый Виталий!Ни магли бы Вы нимного больше рассказать
о модельных ТРД, что это ваабще такое и с чем их едят?»
Начнём с гастрономии, турбины ни с чем не едят, ими восхищаются! Или, перефразируя Гоголя на современный лад: «Ну какой же авиамоделист не мечтает построить реактивный истребитель?!».
Мечтают многие, но не решаются. Много нового, еще больше непонятного, много вопросов. Часто читаешь в различных форумах, как представители солидных ЛИИ и НИИ с умным видом нагоняют страха и пытаются доказать, как это всё сложно! Сложно? Да, может быть, но не невозможно! И доказательство тому - сотни самодельных и тысячи промышленных образцов микротурбин для моделизма! Надо только подойти к этому вопросу философски: всё гениальное - просто. Поэтому и написана эта статья, в надежде поубавить страхов, приподнять вуаль неизвестности и придать вам больше оптимизма!
Что такое турбореактивный двигатель?
Турбореактивный двигатель (ТРД) или газотурбинный привод основан на работе расширения газа. В середине тридцатых годов одному умному английскому инженеру пришла в голову идея создания авиационного двигателя без пропеллера. По тем временам - просто признак сумасшествия, но по этому принципу работают все современные ТРД до сих пор.
На одном конце вращающегося вала расположен компрессор, который нагнетает и сжимает воздух. Высвобождаясь из статора компрессора, воздух расширяется, а затем, попадая в камеру сгорания, разогревается там сгорающим топливом и расширяется ещё сильней. Так как деваться этому воздуху больше некуда, он с огромной скоростью стремится покинуть замкнутое пространство, протискиваясь при этом сквозь крыльчатку турбины, находящейся на другом конце вала и приводя её во вращение. Так как энергии этой разогретой воздушной струи намного больше, чем требуется компрессору для его работы, то ее остаток высвобождается в сопле двигателя в виде мощного импульса, направленного назад. И чем больше воздуха разогревается в камере сгорания, тем он быстрее стремится её покинуть, ещё сильнее разгоняя турбину, а значит и находящийся на другом конце вала компрессор.
На этом же принципе основаны все турбонагнетатели воздуха для бензиновых и дизельных моторов, как двух, так и четырёхтактных. Выхлопными газами разгоняется крыльчатка турбины, вращая вал, на другом конце которого расположена крыльчатка компрессора, снабжающего двигатель свежим воздухом.
Принцип работы - проще не придумаешь. Но если бы всё было так просто!
|
|
ТРД можно четко разделить на три части.
- А. Ступень компрессора
- Б. Камера сгорания
- В. Ступень турбины
Мощность турбины во многом зависит от надёжности и работоспособности её компрессора. В принципе бывают три вида компрессоров:
- А. Аксиальный или линейный
- Б. Радиальный или центробежный
- В. Диагональный
А. Многоступенчатые линейные компрессоры получили большое распространение только в современных авиационных и промышленных турбинах. Дело в том, что достичь приемлемых результатов линейным компрессором можно, только если поставить последовательно несколько ступеней сжатия одну за другой, а это сильно усложняет конструкцию. К тому же, должен быть выполнен ряд требований по устройству диффузора и стенок воздушного канала, чтобы избежать срыва потока и помпажа. Были попытки создания модельных турбин на этом принципе, но из-за сложности изготовления, всё так и осталось на стадии опытов и проб.
Б. Радиальные, или центробежные компрессоры . В них воздух разгоняется крыльчаткой и под действием центробежных сил компримируется - сжимается в спрямительной системе-статоре. Именно с них начиналось развитие первых действующих ТРД.
Простота конструкции, меньшая подверженность к срывам воздушного потока и сравнительно большая отдача всего одной ступени были преимуществами, которые раньше толкали инженеров начинать свои разработки именно с этим типом компрессоров. В настоящее время это основной тип компрессора в микротурбинах, но об этом позже.
В. Диагональный , или смешанный тип компрессора, обычно одноступенчатый, по принципу работы похож на радиальный, но встречается довольно редко, обычно в устройствах турбонаддувов поршневых ДВС.
Развитие ТРД в авиамоделизме
Среди авиамоделистов идёт много споров, какая же турбина в авиамоделизме была первой. Для меня первая авиамодельная турбина, это американская TJD-76. В первый раз я увидел этот аппарат в 1973 году, когда два полупьяных мичмана пытались подключить газовый баллон к круглой штуковине, примерно 150 мм в диаметре и 400 мм длинной, привязанной обыкновенной вязальной проволокой к радиоуправляемому катеру, постановщику целей для морской пехоты. На вопрос: «Что это такое?» они ответили: «Это мини мама! Американская… мать её так, не запускается…».
Намного позже я узнал, что это Мини Мамба, весом 6,5 кг и с тягой примерно 240 N при 96000 об/мин. Разработана она была ещё в 50-х годах как вспомогательный двигатель для лёгких планеров и военных дронов. Особенность этой турбины в том, что в ней использовался диагональный компрессор. Но в авиамоделизме она широкого применения так и не нашла.
Первый «народный» летающий двигатель разработал праотец всех микротурбин Курт Шреклинг в Германии. Начав больше двадцати лет назад работать над созданием простого, технологичного и дешевого в производстве ТРД, он создал несколько образцов, которые постоянно совершенствовались. Повторяя, дополняя и улучшая его наработки, мелкосерийные производители сформировали современный вид и конструкцию модельного ТРД.
Но вернёмся к турбине Курта Шреклинга. Выдающаяся конструкция с деревянной крыльчаткой компрессора, усиленной углеволокном. Кольцевая камера сгорания с испарительной системой впрыска, где по змеевику длинной примерно в 1 м подавалось топливо. Самодельное колесо турбины из 2,5 миллиметровой жести! При длине всего в 260 мм и диаметре 110 мм, двигатель весил 700 грамм и выдавал тягу в 30 Ньютон! Это до сих пор самый тихий ТРД в мире. Потому как скорость покидания газа в сопле двигателя составляла всего 200 м/с.
На основе этого двигателя было создано несколько вариантов наборов для самостоятельной сборки. Самым известным стал FD-3 австрийской фирмы Шнайдер-Санчес.
|
|
|
Ещё 10 лет назад авиамоделист стоял перед серьёзным выбором - импеллер или турбина?
Тяговые и разгонные характеристики первых авиамодельных турбин оставляли желать лучшего, но имели несравненное превосходство перед импеллером - они не теряли тягу с нарастанием скорости модели. Да и звук такого привода был уже настоящим «турбинным», что сразу очень оценили копиисты, а больше всего публика, непременно присутствующая на всех полётах. Первые Шреклингские турбины спокойно поднимали в воздух 5-6 кг веса модели. Старт был самым критическим моментом, но в воздухе все остальные модели отходили на второй план!
Авиамодель с микротурбиной тогда можно было сравнить с автомобилем, постоянно двигающимся на четвёртой передаче: ее было тяжело разогнать, но зато потом такой модели не было уже равных ни среди импеллеров, ни среди пропеллеров.
Надо сказать, что теория и разработки Курта Шреклинга способствовали к тому, что развитие промышленных образцов, после издания его книг, пошло по пути упрощения конструкции и технологии двигателей. Что, в общем то, и привело к тому, что этот тип двигателя стал доступным для большого круга авиамоделистов со средним размером кошелька и семейного бюджета!
Первые образцы серийных авиамодельных турбин были JPX-Т240 французской фирмы Vibraye и японская J-450 Sophia Precision. Они были очень похожи как по конструкции, так и по внешнему виду, имели центробежную ступень компрессора, кольцевую камеру сгорания и радиальную ступень турбины. Французская JPX-Т240 работала на газе и имела встроенный регулятор подачи газа. Она развивала тягу до 50 N, при 120.000 оборотах в минуту, а вес аппарата составлял 1700 гр. Последующие образцы, Т250 и Т260 имели тягу до 60 N. Японская София работала в отличие от француженки на жидком топливе. В торце ее камеры сгорания стояло кольцо с распылительными форсунками, это была первая промышленная турбина, которая нашла место в моих моделях.
Турбины эти были очень надёжными и несложными в эксплуатации. Единственным недостатком были их разгонные характеристики. Дело в том, что радиальный компрессор и радиальная турбина относительно тяжелы, то есть имеют в сравнении с аксиальными крыльчатками большую массу и, следовательно, больший момент инерции. Поэтому разгонялись они с малого газа на полный медленно, примерно 3-4 секунды. Модель реагировала на газ соответственно ещё дольше, и это надо было учитывать при полётах.
Удовольствие было не дешевым, одна София стоила в 1995 году 6.600 немецких марок или 5.800 «вечно зелёных президентов». И надо было обладать очень хорошими аргументами, что бы доказать супруге, что турбина для модели намного важнее, чем новая кухня, и что старое семейное авто может протянуть ещё пару лет, а вот с турбиной ждать ну никак нельзя.
Дальнейшим развитием этих турбин является турбина Р-15, продаваемая фирмой Thunder Tiger.
Отличие её в том, что крыльчатка турбины у неё теперь вместо радиальной - аксиальная. Но тяга так и осталась в пределах 60 N, так как вся конструкция, ступень компрессора и камера сгорания, остались на уровне позавчерашнего дня. Хотя по своей цене она является настоящей альтернативой многим другим образцам.
В 1991 году два голландца, Бенни ван де Гур и Хан Еннискенс, основали фирму AMT и в 1994 г выпустили первую турбину 70N класса - Pegasus. Турбина имела радиальную ступень компрессора с крыльчаткой от турбонагнетателя фирмы Garret, 76 мм в диаметре, а также очень хорошо продуманную кольцевую камеру сгорания и аксиальную ступень турбины.
После двух лет тщательного изучения работ Курта Шреклинга и многочисленных экспериментов они добились оптимальной работы двигателя, установили пробным путём размеры и форму камеры сгорания, и оптимальную конструкцию колеса турбины. В конце 1994 года на одной из дружеских встреч, после полётов, вечером в палатке за бокалом пива, Бенни в разговоре хитро подмигнул и доверительно сообщил, что следующий серийный образец Pegasus Mk-3 «дует» уже 10 кг, имеет максимальные обороты 105.000 и степень сжатия 3,5 при расходе воздуха 0,28 кг/с и скорости выхода газа в 360 м/с. Масса двигателя со всеми агрегатами составляла 2300 г, турбина была 120 мм в диаметре и 270 мм длиной. Тогда эти показатели казались фантастическими.
По существу, все сегодняшние образцы копируют и повторяют в той или иной степени, заложенные в этой турбине агрегаты.
В 1995 году, вышла в свет книга Томаса Кампса «Modellstrahltriebwerk» (Модельный реактивный двигатель), с расчётами (больше заимствованными в сокращённой форме из книг К. Шреклинга) и подробными чертежами турбины для самостоятельного изготовления. С этого момента монополия фирм-производителей на технологию изготовления модельных ТРД закончилась окончательно. Хотя многие мелкие производители просто бездумно копируют агрегаты турбины Кампса.
Томас Кампс путём экспериментов и проб, начав с турбины Шреклинга, создал микротурбину, в которой объединил все достижения в этой области на тот период времени и вольно или невольно ввёл для этих двигателей стандарт. Его турбина, больше известная как KJ-66 (KampsJetеngine-66mm). 66 мм – диаметр крыльчатки компрессора. Сегодня можно увидеть различные названия турбин, в которых почти всегда указан либо размер крыльчатки компрессора 66, 76, 88, 90 и т.д., либо тяга - 70, 80, 90, 100, 120, 160 N.
Где-то я прочитал очень хорошее толкование величины одного Ньютона: 1 Ньютон – это плитка шоколада 100 грамм плюс упаковка к ней. На практике часто показатель в Ньютонах округляют до 100 грамм и условно определяют тягу двигателя в килограммах.
Конструкция модельного ТРД
- Крыльчатка Компрессора (радиальная)
- Спрямительная система Компрессора (статор)
- Камера сгорания
- Спрямительная система турбины
- Колесо турбины (аксиальная)
- Подшипники
- Туннель вала
- Сопло
- Конус сопла
- Передняя крышка Компрессора (диффузор)
|
|
|
С чего начать?
Естественно у моделиста сразу возникают вопросы: С чего начать? Где взять? Сколько стоит?
- Начать можно с наборов (Kit-ов). Практически все производители на сегодняшний день предлагают полный ассортимент запасных частей и наборов для постройки турбин. Самыми распространёнными являются наборы повторяющие KJ-66. Цены наборов, в зависимости от комплектации и качества изготовления колеблются в пределах от 450 до 1800 Евро.
- Можно купить готовую турбину, если по карману, и вы умудритесь убедить в важности такой покупки супругу, не доводя дело до развода. Цены на готовые двигатели начинаются от 1500 Евро для турбин без автостарта.
- Можно сделать самому. Не скажу что это самый идеальный способ, он же не всегда самый быстрый и самый дешёвый, как на первый взгляд может показаться. Но для самодельщиков самый интересный, при условии, что есть мастерская, хорошая токарно-фрезерная база и прибор для контактной сварки также имеется в наличии. Самым трудным в кустарных условиях изготовления является центровка вала с колесом компрессора и турбиной.
Я начинал с самостоятельной постройки, но в начале 90-х просто не было такого выбора турбин и наборов для их постройки как сегодня, да и понять работу и тонкости такого агрегата удобней при его самостоятельном изготовлении.
Вот фотографии самостоятельно изготовленных частей для авиамодельной турбины:
|
|
|
|
|
|
Кто желает поближе ознакомится с устройством и теорией Микро-ТРД, тому я могу только посоветовать следующие книги, с чертежами и расчётами:
- Kurt Schreckling. Strahlturbine fur Flugmodelle im Selbstbau. ISDN 3-88180-120-0
- Kurt Schreckling. Modellturbinen im Eigenbau. ISDN 3-88180-131-6
- Kurt Schreckling. Turboprop-Triebwerk. ISDN 3-88180-127-8
- Thomas Kamps Modellstrahltriebwerk ISDN 3-88180-071-9
|
|
|
|
|
|
|
На сегодняшний день мне известны следующие фирмы, выпускающие авиамодельные турбины, но их становится всё больше и больше: AMT, Artes Jet, Behotec, Digitech Turbines, Funsonic, FrankTurbinen, Jakadofsky, JetCat, Jet-Central, A.Kittelberger, K.Koch, PST- Jets, RAM, Raketeturbine, Trefz , SimJet, Simon Packham, F.Walluschnig, Wren-Turbines. Все их адреса можно найти в Интернете.
Практика использования в авиамоделизме
Начнём с того, что турбина у вас уже есть, самая простая, как ей теперь управлять?
Есть несколько способов заставить работать ваш газотурбинный двигатель в модели, но лучше всего сначала построить небольшой испытательный стенд наподобие этого:
Ручной старт (Manual start ) - cамый простой способ управления турбиной.
- Турбина сжатым воздухом, феном, электрическим стартером разгоняется до минимальных рабочих 3000 об/мин.
- В камеру сгорания подаётся газ, а на свечу накаливания - напряжение, происходит воспламенение газа и турбина выходит на режим в пределах 5000-6000 об/мин. Раньше мы просто поджигали воздушно-газовую смесь у сопла и пламя «простреливало» в камеру сгорания.
- На рабочих оборотах включается регулятор хода, управляющий оборотами топливного насоса, который в свою очередь подаёт в камеру сгорания горючее - керосин, дизельное топливо или отопительное масло.
- При наступлении стабильной работы подача газа прекращается, и турбина работает только на жидком топливе!
Смазка подшипников ведётся обычно с помощью топлива, в которое добавлено турбинное масло, примерно 5%. Если смазочная система подшипников раздельная (с масляным насосом), то питание насоса лучше включать перед подачей газа. Отключать его лучше в последнюю очередь, но НЕ ЗАБЫВАТЬ выключить! Если вы считаете, что женщины это слабый пол, то посмотрите, во что они превращаются при виде струи масла, вытекающей на обивку заднего сиденья семейного автомобиля из сопла модели.
Недостаток этого самого простого способа управления - практически полное отсутствие информации о работе двигателя. Для измерения температуры и оборотов нужны отдельные приборы, как минимум электронный термометр и тахометр. Чисто визуально можно только приблизительно определить температуру, по цвету каления крыльчатки турбины. Центровку, как у всех крутящихся механизмов, проверяют по поверхности кожуха монетой или ногтем. Прикладывая ноготь к поверхности турбины, можно почувствовать даже мельчайшие вибрации.
В паспортных данных двигателей всегда даются их предельные обороты, например 120.000 об/мин. Это предельно допустимая величина при эксплуатации, пренебрегать которой не следует! После того как в 1996 году у меня разлетелся самодельный агрегат прямо на стенде и колесо турбины, разорвав обшивку двигателя, пробило насквозь 15-ти миллиметровую фанерную стенку контейнера, стоящего в трёх метрах от стенда, я сделал для себя вывод, что без приборов контроля разгонять самопальные турбины опасно для жизни! Расчёты по прочности показали потом, что частота вращения вала должна была лежать в пределах 150.000. Так что лучше было ограничить рабочие обороты на полном газу до 110.000 – 115.000 об/мин.
Ещё один важный момент. В схему управления топливом ОБЯЗАТЕЛЬНО должен быть включен аварийный закрывающий вентиль, управляемый через отдельный канал! Делается это для того, что бы в случае вынужденной посадки, морковно-внепланового приземления и прочих неприятностей прекратить подачу топлива в двигатель во избежание пожара.
Start c ontrol (Полуавтоматический старт).
Что бы неприятностей, описанных выше, не произошло на поле, где (ни дай бог!) ещё и зрители вокруг, применяют довольно хорошо зарекомендовавший себя Start control . Здесь управление стартом - открытие газа и подачу керосина, слежение за температурой двигателя и оборотами ведёт электронный блок ECU (E lectronic- U nit- C ontrol) . Ёмкость для газа, для удобства, уже можно расположить внутри модели.
К ECU для этого подключены температурный датчик и датчик оборотов, обычно оптический или магнитный. Кроме этого ECU может давать показания о расходе топлива, сохранять параметры последнего старта, показания напряжения питания топливного насоса, напряжение аккумуляторов и т.д. Всё это можно потом просмотреть на компьютере. Для программирования ECU и снятия накопленных данных служит Manual Тerminal (терминал управления).
На сегодняшний день самое большое распространение получили два конкурирующих продукта в этой области Jet-tronics и ProJet. Какому из них отдать предпочтение - решает каждый сам, так как тяжело спорить на тему что лучше: Мерседес или БМВ?
Работает все это следующим образом:
- При раскручивании вала турбины (сжатый воздух/фен/электростартер) до рабочих оборотов ECU автоматически управляет подачей газа в камеру сгорания, зажиганием и подачей керосина.
- При движении ручки газа на вашем пульте сначала происходит автоматический вывод турбины на рабочий режим с последующим слежением за самыми важными параметрами работы всей системы, начиная от напряжения аккумуляторов до температуры двигателя и величины оборотов.
Автоматический старт (Automatic start)
Для особо ленивых процедура запуска упрощена до предела. Запуск турбины происходит с пульта управления тоже через ECU одним переключателем. Здесь уже не нужен ни сжатый воздух, ни стартер, ни фен!
- Вы щёлкаете тумблером на вашем пульте радиоуправления.
- Электростартер раскручивает вал турбины до рабочих оборотов.
- ECU контролирует старт, зажигание и вывод турбины на рабочий режим с последующим контролем всех показателей.
- После выключения турбины ECU ещё несколько раз автоматически прокручивает вал турбины электростартером для снижения температуры двигателя!
Самым последним достижением в области автоматического запуска стал Керостарт. Старт на керосине, без предварительного прогрева на газе. Поставив свечу накаливания другого типа (более крупную и мощную) и минимально изменив подачу топлива в системе, удалось полностью отказаться от газа! Работает такая система по принципу автомобильного обогревателя, как на «Запорожцах». В Европе пока только одна фирма переделывает турбины с газового на керосиновый старт, не зависимо от фирмы производителя.
Как вы уже заметили, на моих рисунках в схему включены ещё два агрегата, это клапан управления тормозами и клапан управления уборкой шасси. Это не обязательные опции, но очень полезные. Дело в том, что у «обычных» моделей при посадке, пропеллер на маленьких оборотах является своего рода тормозом, а у реактивных моделей такого тормоза нет. К тому же, у турбины всегда есть остаточная тяга даже на «холостых» оборотах и скорость посадки у реактивных моделей может быть намного выше, чем у «пропеллерных». Поэтому сократить пробежку модели, особенно на коротких площадках, очень помогают тормоза основных колёс.
Топливная система
Второй странный атрибут на рисунках, это топливный бак. Напоминает бутылку кока-колы, не правда ли? Так оно и есть!
Это самый дешевый и надёжный бак, при условии, что используются многоразовые, толстые бутылки, а не мнущиеся одноразовые. Второй важный пункт, это фильтр на конце всасывающего патрубка. Обязательный элемент! Фильтр служит не для того, чтобы фильтровать топливо, а для того, чтобы избежать попадания воздуха в топливную систему! Не одна модель была уже потеряна из-за самопроизвольного выключения турбины в воздухе! Лучше всего зарекомендовали себя здесь фильтры от мотопил марки Stihl или им подобные из пористой бронзы. Но подойдут и обычные войлочные.
|
|
|
Раз уж заговорили о топливе, можно сразу добавить, что жажда у турбин большая, и потребление топлива находится в среднем на уровне 150-250 грамм в минуту. Самый большой расход конечно же приходится на старт, зато потом рычаг газа редко уходит за 1/3 своего положения вперёд. Из опыта можно сказать, что при умеренном стиле полёта трёх литров топлива вполне хватает на 15 мин. полётного времени, при этом в баках остаётся ещё запас для пары заходов на посадку.
Само топливо - обычно авиационный керосин, на западе известный под названием Jet A-1.
Можно, конечно, использовать дизельное топливо или ламповое масло, но некоторые турбины, такие как из семейства JetCat, переносят его плохо. Также ТРД не любят плохо очищенное топливо. Недостатком заменителей керосина является большое образование копоти. Двигатели приходится чаще разбирать для чистки и контроля. Есть случаи эксплуатации турбин на метаноле, но таких энтузиастов я знаю только двоих, они выпускают метанол сами, поэтому могут позволить себе такую роскошь. От применения бензина, в любой форме, следует категорически отказаться, какими бы привлекательными ни казались цена и доступность этого топлива! Это в прямом смысле игра с огнём!
Обслуживание и моторесурс
Вот и следующий вопрос назрел сам собой - обслуживание и ресурс.
Обслуживание в большей степени заключается в содержании двигателя в чистоте, визуальном контроле и проверке на вибрацию при старте. Большинство авиамоделистов оснащают турбины своего рода воздушным фильтром. Обыкновенное металическое сито перед всасывающим диффузором. На мой взгляд - неотъемлемая часть турбины.
Двигатели, содержащиеся в чистоте, с исправной системой смазки подшипников служат безотказно по 100 и более рабочих часов. Хотя многие производители советуют после 50 рабочих часов присылать турбины на контрольное техническое обслуживание, но это больше для очистки совести.
Первая реактивная модель
Ещё коротко о первой модели. Лучше всего, чтобы это был «тренер»! Сегодня на рынке множество турбинных тренеров, большинство из них это модели с дельтовидным крылом.
Почему именно дельта? Потому, что это очень устойчивые модели сами по себе, а если в крыле использован так называемый S-образный профиль, то и посадочная скорость и скорость сваливания минимальные. Тренер должен, так сказать, летать сам. А вы должны концентрировать внимание на новом для вас типе двигателя и особенностях управления.
Тренер должен иметь приличные габариты. Так как скорости на реактивных моделях в 180-200 км/ч - само собой разумеющиеся, то ваша модель будет очень быстро удаляться на приличные расстояния. Поэтому за моделью должен быть обеспечен хороший визуальный контроль. Лучше, если турбина на тренере крепится открыто и сидит не очень высоко по отношению к крылу.
Хорошим примером, какой тренер НЕ ДОЛЖЕН быть, является самый распространённый тренер – «Kangaroo». Когда Фирма FiberClassics (сегодня Composite-ARF) заказывала эту модель, то в основе концепта была заложена в первую очередь продажа турбин "София", и как важный аргумент для моделистов, что сняв крылья с модели, её можно использовать в качестве испытательного стенда. Так, в общем, оно и есть, но производителю хотелось показать турбину, как на витрине, поэтому и крепится турбина на своеобразном «подиуме». Но так как вектор тяги оказался приложен намного выше ЦТ модели, то и сопло турбины пришлось задирать кверху. Несущие качества фюзеляжа были этим почти полностью съедены, плюс малый размах крыльев, что дало большую нагрузку на крыло. От других предложенных тогда решений компоновки заказчик отказался. Только использование Профиля ЦАГИ-8, ужатого до 5% дало более-менее приемлемые результаты. Кто уже летал на Кенгуру, тот знает, что эта модель для очень опытных пилотов.
Учитывая недостатки Кенгуру, был создан спортивный тренер для более динамичных полётов «HotSpot». Эту модель отличает более продуманная аэродинамика, и летает «Огонёк» намного лучше.
Дальнейшим развитием этих моделей стал «BlackShark». Он рассчитывался на спокойные полёты, с большим радиусом разворотов. С возможностью широкого спектра пилотажа, и в то же время, с хорошими парительными качествами. При выходе из строя турбины, эту модель можно посадить как планер, без нервов.
|
|
|
Как видите, развитие тренеров пошло по пути увеличения размеров (в разумных пределах) и уменьшении нагрузки на крыло!
Так же отличным тренером может служить австрийский набор из бальзы и пенопласта, Super Reaper. Стоит он 398 Евро. В воздухе модель выглядит очень хорошо. Вот мой самый любимый видеоролик из серии Супер Рипер: http://www.paf-flugmodelle.de/spunki.wmv
Но чемпионом по низкой цене на сегодняшний день является «Spunkaroo». 249 Евро! Очень простая конструкция из бальзы, покрытой стеклотканью. Для управления моделью в воздухе достаточно всего двух сервомашинок!
|
|
|
Раз уж зашла речь о сервомашинках, надо сразу сказать, что стандартным трехкилограммовым сервам в таких моделях делать нечего! Нагрузки на рули у них огромные, поэтому ставить надо машинки с усилием не меньше 8 кг!
Подведём итог
Естественно у каждого свои приоритеты, для кого-то это цена, для кого-то готовый продукт и экономия времени.
Самым быстрым способом завладеть турбиной, это просто её купить! Цены на сегодняшний день для готовых турбин класса 8 кг тяги с электроникой начинаются от 1525 Евро. Если учесть, что такой двигатель можно сразу без проблем брать в эксплуатацию, то это совсем не плохой результат.
Наборы, Kit-ы. В зависимости от комплектации, обычно набор из спрямляющей системы компрессора, крыльчатки компрессора, не просверленного колеса турбины и спрямляющей ступени турбины, в среднем стоит 400-450 Евро. К этому надо добавить, что всё остальное надо либо покупать, либо изготовить самому. Плюс электроника. Конечная цена может быть даже выше, чем готовая турбина!
На что надо обратить внимание при покупке турбины или kit-ов – лучше, если это будет разновидность KJ-66. Такие турбины зарекомендовали себя как очень надёжные, да и возможности поднятия мощности у них ещё не исчерпаны. Так, часто заменив камеру сгорания на более современную, или поменяв подшипники и установив спрямляющие системы другого типа, можно добиться прироста мощности от нескольких сот грамм до 2 кг, да и разгонные характеристики часто намного улучшаются. К тому же, этот тип турбин очень прост в эксплуатации и ремонте.
Подведём итог, какого размера нужен карман для постройки современной реактивной модели по самым низким европейским ценам:
- Турбина в сборе с электроникой и мелочами - 1525 Евро
- Тренер с хорошими полётными качествами - 222 Евро
- 2 сервомашинки 8/12 кг - 80 Евро
- Приёмник 6 каналов - 80 Евро
Итого, Ваша мечта : около 1900 Евро или примерно 2500 зелёных президентов!
В данном пособии рассматривается лишь один тип газотурбинные двигатели ГТД т. ГТД широко применяются в авиационной наземной и морской технике.1 показаны основные объекты применения современных ГТД. Классификация ГТД по назначению и объектам применения В настоящее время в общем объеме мирового производства ГТД в стоимостном выражении авиационные двигатели составляют около 70 наземные и морские около 30 .
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
Лекция 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
1.1. Введение
В современной технике разработано и используется множество различных типов двигателей.
В данном пособии рассматривается лишь один тип - газотурбинные двигатели (ГТД), т.е. двигатели, имеющие в своем составе компрессор, камеру сгорания и газовую турбину.
ГТД широко применяются в авиационной, наземной и морской технике. На рис. 1.1 показаны основные объекты применения современных ГТД.
Рис. 1.1. Классификация ГТД по назначению и объектам применения
В настоящее время в общем объеме мирового производства ГТД в стоимостном выражении авиационные двигатели составляют около 70 %, наземные и морские - около 30 %. Объем производства наземных и морских ГТД распределяется следующим образом:
Энергетические ГТД ~ 91 %;
ГТД для привода промышленного оборудования и наземных транспортных средств ~ 5 %;
ГТД для привода судовых движителей ~ 4 %.
В современной гражданской и военной авиации ГТД практически полностью вытеснили поршневые двигатели и заняли доминирующее положение.
Их широкое применение в энергетике, промышленности и транспорте стало возможным благодаря более высокой энергоотдаче, компактности и малому весу по сравнению с другими типами силовых установок.
Высокие удельные параметры ГТД обеспечиваются особенностями конструкции и термодинамического цикла. Цикл ГТД, хотя и состоит из тех же основных процессов, что и цикл поршневых двигателей внутреннего сгорания, имеет существенное отличие. В поршневых двигателях процессы происходят последовательно, один за другим, в одном и том же элементе двигателя - цилиндре. В ГТД эти же процессы происходят одновременно и непрерывно в различных элементах двигателя. Благодаря этому в ГТД нет такой неравномерности условий работы элементов двигателя, как в поршневом, а средняя скорость и массовый расход рабочего тела в 50...100 раз выше, чем в поршневых двигателях. Это позволяет сосредоточить в малогабаритных ГТД большие мощности.
Авиационные ГТД по способу создания тягового усилия относятся к классу реактивных двигателей, классификация которых показана на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Классификация реактивных двигателей.
Ко второй группе относятся воздушно-реактивные двигатели (ВРД), для которых атмосферный воздух является основным компонентом рабочего тела, а кислород воздуха используется как окислитель. Задействование воздушной среды позволяет значительно сократить запас рабочего тела и повысить экономичность двигателя.
Газотурбинные ВРД, получившие свое название из-за наличия турбокомпрессорного агрегата, имеющего в своем составе газовую турбину как основной источник механической энергии.
Реактивные двигатели, в которых вся полезная работа цикла затрачивается на ускорение рабочего тела, называются двигателями прямой реакции. К ним относятся ракетные двигатели всех типов, комбинированные двигатели, прямоточные и пульсирующие ВРД, а из группы ГТД - турбореактивные двигатели (ТРД) и двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Если же основная часть полезной работы цикла в виде механической работы на валу двигателя передается специальному движителю, например воздушному винту, то такой двигатель называется двигателем непрямой реакции. Примерами двигателей непрямой реакции являются турбовинтовой двигатель (ТВД) и вертолетный ГТД.
Классическим примером двигателя непрямой реакции может служить также поршневая винтомоторная установка. Качественного отличия по способу создания тягового усилия между ней и турбовинтовым двигателем нет.
1.2. ГТД наземного и морского применения
Параллельно с развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и на транспорте. B1939r. швейцарская фирма A.G. Brown Bonery ввела в эксплуатацию первую электростанцию с газотурбинным приводом мощностью 4 МВт и КПД 17,4 %. Эта электростанция и в настоящее время находится в работоспособном состоянии. В 1941 г. вступил в строй первый железнодорожный газотурбовоз, оборудованный ГТД мощностью 1620 кВт разработки этой же фирмы. С конца 1940-хгг. ГТД начинают применяться для привода морских судовых движителей, а с конца 1950-х гг. - в составе газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводах для привода нагнетателей природного газа.
Таким образом, постоянно расширяя область и масштабы своего применения, ГТД развиваются в направлении повышения единичной мощности, экономичности, надежности, автоматизации эксплуатации, улучшения экологических характеристик.
Быстрому внедрению ГТД в различные отрасли промышленности и транспорта способствовали неоспоримые преимущества этого класса тепловых двигателей перед другими энергетическими установками - паротурбинными, дизельными и др. К таким преимуществам относятся:
Большая мощность в одном агрегате;
Компактность, малая масса рис. 1.3;
Уравновешенность движущихся элементов;
Широкий диапазон применяемых топлив;
Легкий и быстрый запуск, в том числе при низких температурах;
Хорошие тяговые характеристики;
Высокая приемистость и хорошая управляемость.
Рис. 1.3. Сравнение габаритных размеров ГТД и дизельного двигателя мощностью 3 МВт
Основным недостатком первых моделей на земных и морских ГТД была относительно низкая экономичность. Однако эта проблема достаточно быстро преодолевалась в процессе постоянного совершенствования двигателей, чему способствовало опережающее развитие технологически близких авиационных ГТД и перенос передовых технологий в наземные двигатели.
1.3. Области применения наземных ГТД
1.3.1. Механический привод промышленного оборудования
Наиболее массовое применение ГТД механического привода находят в газовой промышленности. Они используются для привода нагнетателей природного газа в составе ГПА на компрессорных станциях магистральных газопроводов, а также для привода агрегатов закачки природного газа в подземные хранилища (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Применение ГТД для прямого привода нагнетателя природного газа:
1 ГТД; 2 трансмиссия; 3 нагнетатель
ГТД используются также для привода насосов, технологических компрессоров, воздуходувок на предприятиях нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и металлургической промышленности. Мощностной диапазон ГТД от 0,5 до 50 МВт .
Основная особенность перечисленного при водимого оборудования - зависимость потребляемой мощности N от частоты вращения n (обычно близкая к кубической: N ~ n 3 ), температуры и давления нагнетаемых сред. Поэтому ГТД механического привода должны быть приспособлены к работе с переменными частотой вращения и мощностью. Этому требованию в наибольшей степени отвечает схема ГТД со свободной силовой турбиной. Различные схемы наземных ГТД будут рассмотрены ниже.
1.3.2. Привод электрогенераторов
ГТД для привода электрогенераторов рис. 1.5 используются в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС) простого цикла и конденсационных электростанций комбинированного парогазового цикла (ПГУ), вырабатывающих «чистую» электроэнергию, а также в составе когенерационных установок производящих совместно электрическую и тепловую энергию.
Рис. 1.5. Применение ГТД для привода генератора (через редуктор):
1 - ГТД; 2 - трансмиссия; 3 - редуктор; 4 генератор.
Современные ГТЭС простого цикла, имеющие относительно умеренный электрический КПД η эл =25...40 %, в основном используются в пиковом режиме эксплуатации - для покрытия суточных и сезонных колебаний спроса на электроэнергию. Эксплуатация ГТД в составе пиковых ГТЭС характеризуется высокой цикличностью (большим количеством циклов «пуск - нагружение работа под нагрузкой - останов»). Возможность ускоренного пуска является важным преимуществом ГТД при работе в пиковом режиме.
Электростанции с ПГУ используются в базовом режиме (постоянная работа с нагрузкой, близкой к номинальной, с минимальным количеством циклов «пуск - останов» для проведения регламентных и ремонтных работ). Современные ПГУ, базирующиеся на ГТД большой мощности (N >150 МВт ), достигают КПД выработки электроэнергии η эл =58...60 %.
В когенерационных установках тепло выхлопных газов ГТД используется в котле-утилизаторе для производства горячей воды и (или) пара для технологических нужд или в системах централизованного отопления. Совместное производство электрической и тепловой энергии значительно снижает её себестоимость. Коэффициент использования тепла топлива в когенерационных установках достигает 90 %.
Электростанции с ПГУ и когенерационные установки являются наиболее эффективными и динамично развивающимися современными энергетическими системами. В настоящее время мировое производство энергетических ГТД составляет около 12000 штук в год суммарной мощностью около 76000 МВт.
Основная особенность ГТД для привода электрогенераторов - постоянство частоты вращения выходного вала на всех режимах (от холостого хода до максимального), а также и высокие требования к точности поддержания частоты вращения, от которой зависит качество вырабатываемого тока. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют одновальные ГТД, поэтому они широко используются в энергетике. ГТД большой мощности (N >60 МВт ), работающие, как правило, в базовом режиме в составе мощных электростанции, выполняются исключительно по одновальной схеме.
В энергетике используется весь мощностной ряд ГТД от нескольких десятков кВт до 350 МВт .
1.3.3. Основные типы наземных ГТД
Наземные ГТД различного назначения и класса мощности можно разделить на три основных технологических типа:
Стационарные ГТД;
ГТД, конвертированные из авиадвигателей (авиапроизводные);
Микротурбины.
1.3. 3 .1. Стационарные ГТД
Двигатели этого типа разрабатываются и производятся на предприятиях энергомашиностроительного комплекса согласно требованиям, предъявляемым к энергетическому оборудованию:
Высокий ресурс (не менее 100 000 час) и срок службы (не менее 25 лет);
Высокая надежность;
Ремонтопригодность в условиях эксплуатации;
Умеренная стоимость применяемых конструкционных материалов и ГСМ для снижения стоимости производства и эксплуатации;
Отсутствие жестких габаритно-массовых ограничений, существенных для авиационных ГТД.
Перечисленные требования сформировали облик стационарных ГТД, для которых характерны следующие особенности:
Максимально простая конструкция;
Использование недорогих материалов с относительно низкими характеристиками;
Массивные корпуса, как правило, с горизонтальным разъемом для возможности выемки и ремонта ротора ГТД в условиях эксплуатации;
Конструкция камеры сгорания, обеспечивающая возможность ремонта и замены жаровых труб в условиях эксплуатации;
Использование подшипников скольжения.
Типичный стационарный ГТД показан на рис. 1.6.
Рис. 1. 6 . Стационарный ГТД (модель M 501 F фирмы Mitsubishi )
мощностью 150 МВт.
В настоящее время ГТД стационарного типа используются во всех областях применения наземных ГТД в широком диапазоне мощности от 1 МВт до 350 МВт .
На начальных этапах развития в стационарных ГТД применялись умеренные параметры цикла. Это объяснялось некоторым технологическим отставанием от авиационных двигателей из-за отсутствия мощной государственной финансовой поддержки, которой пользовалась авиадвигателестроительная отрасль во всех странах-производителях авиадвигателей. С конца 1980-х г.г. началось широкое внедрение авиационных технологий при проектировании новых моделей ГТД и модернизации действующих.
К настоящему времени мощные стационарные ГТД по уровню термодинамического и технологического совершенства вплотную приблизились к авиационным двигателям при сохранении высокого ресурса и срока службы.
1.3.3.2. Наземные ГТД, конвертированные из авиадвигателей
ГТД данного типа разрабатываются на базе авиационных прототипов на предприятиях авиа-двигателестроительного комплекса с использованием авиационных технологий. Промышленные ГТД, конвертированные из авиадвигателей, начали разрабатываться вначале 1960- x г.г., когда ресурс гражданских авиационных ГТД достиг приемлемой величины (2500...4000ч.).
Первые промышленные установки с авиаприводом появились в энергетике в качестве пиковых или резервных агрегатов. Дальнейшему быстрому внедрению авиапроизводных ГТД в промышленность и транспорт способствовали:
Более быстрый прогресс вавиадвигателестроении по параметрам цикла и повышению надежности, чем в стационарном газотурбостроении;
Высокое качество изготовления авиационных ГТД и возможность организации их централизованного ремонта;
Возможность использования авиадвигателей, отработавших летный ресурс, с необходимым ремонтом для эксплуатации на земле;
Преимущества авиационных ГТД - малая масса и габариты, более быстрый пуск и приемистость, меньшая потребная мощность пусковых устройств, меньшие потребные капитальные затраты при строительстве объектов применения.
При конвертации базового авиационного двигателя в наземный ГТД в случае необходимости заменяются материалы некоторых деталей холодной и горячей частей, наиболее подверженных коррозии. Так, например, магниевые сплавы заменяются на алюминиевые или стальные, в горячей части применяются более жаростойкие сплавы с повышенным содержанием хрома. Камера сгорания и система топливопитания модифицируются для работы на газообразном топливе или под многотопливный вариант. Дорабатываются узлы, системы двигателя (запуска, автоматического управления (САУ), противопожарная, маслосистема и др.) и обвязка для обеспечения работы в наземных условиях. При необходимости усиливаются некоторые статорные и роторные детали.
Объем конструктивных доработок базового авиадвигателя в наземную модификацию в значительной степени определяется типом авиационного ГТД.
Сравнение конвертированного ГТД и ГТД стационарного типа одного класса мощности показано на рис. 1.7.
Авиационные ТВД и вертолетные ГТД функционально и конструктивно более других авиадвигателей приспособлены для работы в качестве наземных ГТД. Они фактически не требуют модификации турбокомпрессорной части (кроме камеры сгорания).
В 1970-е годы был разработан наземный ГТД HK-12CT на базе одновального авиационного ТВД HK-12, который эксплуатировался на самолетах ТУ-95, ТУ-114 и АН-22. Конвертированный двигатель HK-12CT мощностью 6,3 МВт был выполнен со свободной CT и работает в составе многих ГПА и по сей день.
В настоящее время конвертированные авиационные ГТД различных производителей широко используются в энергетике, промышленности, в морских условиях и на транспорте.
Рис. 1.7. Сравнение типичных конструкций ГТД, конвертированного из авиадвигателя и ГТД стационарного типа одного класса мощности 25 МВт :
1 тонкие корпуса; 2 подшипники качения; 3 выносные КС;
4 массивные корпуса; 5 подшипники скольжения; 6 горизонтальный разъем
Мощностной ряд - от нескольких сотен киловатт до 50 МВт .
Данный тип ГТД характеризуется наиболее высоким эффективным КПД при работе в простом цикле, что обусловлено высокими параметрами и эффективностью узлов базовых авиадвигателей.
1.3.3.3. Микротурбины
В 1990-е годы за рубежом начали интенсивно разрабатываться энергетические ГТД сверхмалой мощности (от 30 до 200 кВт), названные микротурбинами.
Примечание: необходимо иметь ввиду, что в зарубежной практике терминами «турбина», «газовая турбина» обозначается как отделъный узел турбины, так и ГТД в целом).
Особенности микротурбин обусловлены их исключительно малой размерностью и областью применения. Микротурбины используются в малой энергетике в составе компактных когенерационных установок (ГТУ-ТЭЦ) как автономные источники электрической и тепловой энергии. Микротурбины имеют максимально простую конструкцию - одновальная схема и минимальное количество деталей рис.1.8.
Рис. 1.7. Микротурбина (модель ТА-60 фирмы Elliot Energy Systems мощностью 60 кВт )
Используются одноступенчатый центробежный компрессор и одноступенчатая центростремительная турбина, выполненные в виде моноколес. Частота вращения ротора из-за малой размерности достигает 40000...120 000 об / мин , поэтому применяются керамические и газостатические подшипники. Камера сгорания выполняется многотопливной и может работать на газообразном и жидком топливе.
Конструктивно ГТД максимально интегрируется в энергетическую установку: ротор ГТД объединяется на одном валу с ротором высокочастотного электрического генератора.
КПД микротурбин в простом цикле составляет 14...18 %. Для повышения эффективности часто используются регенераторы тепла выхлопных газов. КПД микротурбины в регенеративном цикле достигает 28...32 %.
Относительно низкая экономичность микротурбин объясняется малой размерностью и невысокими параметрами цикла, которые применяются в данном типе ГТД для упрощения и удешевления установок. Поскольку микротурбины работают в составе когенерационных установок (ГТУ-ТЭЦ), низкая экономичность ГТД компенсируется повышенной тепловой мощностью, вырабатываемой мини «ГТУ-ТЭЦ» за счет тепла выхлопных газов.
Коэффициент использования тепла топлива в этих установках достигает 80 %.
1.4. Основные мировые производители ГТД
General Electric, США . Компания General Electric (GE ) - крупнейший мировой производитель авиационных, наземных и морских ГТД. Отделение компании General Electric Aircraft Engines (GE AE) в настоящее время занимается разработкой и производством авиационных ГТД различных типов - ТРДД, ТРДДФ, ТВД и вертолетных ГТД.
Pratt & Whitney, США . ФирмаРгай & Whitney (PW) входит в состав компании United Technologies Corporations (UTC). В настоящее время PW занимается разработкой и производством авиационных ТРДД средней и большой тяги.
Pratt & Whitney Canada , (Канада). Фирма Pratt & Whitney Canada (PWC) также входит в состав компании UTC в группу PW. PWC занимается разработкой и производством малоразмерных ТРДД, ТВД и вертолетных ГТД.
Rolls-Royce (Великобритания) . Компания Rolls-Royce в настоящее время разрабатывает и производит широкий спектр ГТД авиационного, наземного и морского применения.
Honeywell (США) . Компания Honeywell занимается разработкой и производством авиационных ГТД - ТРДД и ТРДДФ в малом классе тяги, ТВД и вертолетных ГТД.
Snecma (Франция). Компания занимается разработкой и производством авиационных ГТД - военных ТРДДФ и гражданских ТРДД совместно с компанией GE. Совместно с фирмой Rolls-Royce разрабатывала и производила ТРДФ «Олимп».
Turbomeca (Франция). Фирма Turbomeca в основном разрабатывает и выпускает ТВД и вертолетные ГТД малой и средней мощности.
Siemens (Германия). Профилем этой крупной фирмы являются стационарные наземные ГТД для энергетического и механического привода и морского применения в широком диапазоне мощности.
Alstom (Франция, Великобритания). Компания Alstom разрабатывает и производит стационарные одновальные энергетические ГТД малой мощности.
Solar (США). Фирма Solar входит в состав компании Caterpillar и занимается разработкой и производством стационарных ГТД малой мощности для энергетического и механического привода и морского применения.
ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь) . Разрабатывает, изготавливает и сертифицирует авиационные ГТД - гражданские ТРДД для магистральных самолетов, военные ТРДДФ, вертолетные ГТД, а также авиапроизводные наземные промышленные ГТД для механического и энергетического привода.
ГУНПП «Завод имени В.Я. Климова» (г. Санкт-Петербург) . Государственное унитарное научно-производственное предприятие «Завод им. В.Я. Климова» в последние годы специализируется на разработке и производстве авиационных ГТД. Номенклатура разработок широка - военные ТРДДФ, самолетные ТВД и вертолетные ГТД; танковые ГТД, а также конвертированные промышленные ГТД.
ОАО «ЛМЗ» (г. Санкт-Петербург). ОАО «Ленинградский Металлический завод» разрабатывает и производит стационарные энергетические ГТД.
ФГУП «Мотор» (г. Уфа). Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие "Мотор"» занимается разработкой военных ТРД и ТРДФ для истребителей и штурмовиков.
«Омское МКБ» (г. Омск). АО «Омское моторостроительное конструкторское бюро» занимается разработкой малоразмерных ГТД и вспомогательных СУ.
ОАО «НПО "Сатурн"» (г.Рыбинск) . ОАО «Научно-производственное объединение "Сатурн"» в последние годы разрабатывает и производит военные ТРДДФ, ТВД, вертолетные ГТД, конвертированные наземные ГТД. Совместно с НПО «Машпроект» (Украина) участвует в программе энергетического одновального ГТД мощностью 110 МВт.
ОАО «СНТК им. Н.Д.Кузнецова». ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова» разрабатывает и выпускает авиационные ГТД (ТВД, ТРДД, ТРДДФ) и наземные ГТД, конвертированные из авиадвигателей.
AMHTK «Союз» (г. Москва). ОАО «Авиамоторный научно-технический комплекс "Союз"» разрабатывает и изготавливает авиационные ГТД - ТРД, ТРДФ, подъемно-маршевые ТРДДФ.
Тушинское МКБ «Союз» (г. Москва) . Государственное предприятие «Тушинское машиностроительное конструкторское бюро "Союз"» занимается доводкой и модернизацией военных ТРДФ.
НПП «Машпроект» (Украина, г. Николаев) . Научно-производственное предприятие «Зоря-Машпроект» (Украина, г. Николаев) разрабатывает и производит ГТД для морских СУ, а также наземные ГТД для энергетического и механического привода. Наземные двигатели являются модификациями моделей морского применения. Класс мощности ГТД: 2...30 МВт . C 1990 г.г. НПП «Зоря-Машпроект» разрабатывает также стационарный одновальный энергетический двигатель UGT-110 мощностью 110 МВт.
ГП «ЗМКБ "Прогресс" им. А.Г. Ивченко» (Украина, г. Запорожье). Государственное предприятие «Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» имени академика А.Г. Ивченко» специализируется на разработке, изготовлении опытных образцов и сертификации авиационных ГТД - ТРДД в диапазоне тяги 17...230 кН , самолетных ТВД и вертолетных ГТД мощностью 1000...10000 кВт , а также промышленных наземных ГТД мощностью от 2,5 до 10000 кВт .
Двигатели разработки «ЗМКБ "Прогресс" серийно выпускаются в ОАО «Мотор Сич» (Украина, г. Запорожье) . Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:
ТВД и вертолетные ГТД - АИ-20, АИ-24, Д-27;
ТРДД - АИ-25, ДВ-2, Д-36, Д-18Т, Д-436Т1/Т2/ЛП.
Наземные ГТД:
Д-336-1/2, Д-336-2-8, Д-336-1/2-10.
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 8415. | Общие сведения о ссылках | 20.99 KB | |
| Язык C предлагает альтернативу для более безопасного доступа к переменным через указатели.Объявив ссылочную переменную, можно создать объект, который, как указатель, ссылается на другое значение, но, в отличие от указателя, постоянно привязан к этому значению. Таким образом, ссылка на значение всегда ссылается на это значение. | |||
| 12466. | Общие сведения о гидропередачах | 48.9 KB | |
| Поэтому в дальнейшем для краткости изложения слово âстатическиеâ как правило будет опускаться. При этом усилие F1 необходимое для перемещения поршней бесконечно мало. Для удовлетворения понятию âстатическая гидропередачаâ должно быть выполнено условие геометрического отделения полости нагнетания от полости всасывания. | |||
| 17665. | Общие сведения из метрологии | 31.74 KB | |
| Современное состояние измерений в телекоммуникациях Процесс совершенствования измерительных технологий подчиняется общей тенденции усложнения высоких технологий в процессе их развития. Основными тенденциями в развитии современной измерительной техники являются: расширение пределов измеряемых величин и повышение точности измерений; разработка новых методов измерений и приборов с использованием новейших принципов действия; внедрение автоматизированных информационно-измерительных систем характеризуемых высокой точностью быстродействием... | |||
| 14527. | Общие сведения о методах прогнозирования | 21.48 KB | |
| Общие сведения о методах прогнозирования ОФП в помещении Общие понятия и сведения об опасных факторах пожара. Методы прогнозирования ОПФ Общие понятия и сведения об опасных факторах пожара Разработка экономически оптимальных и эффективных противопожарных мероприятий основана на научнообоснованном прогнозе динамики ОФП. Современные методы прогнозирования пожара позволяют воспроизвести восстановить картину развития реального пожара. Это необходимо при криминалистической или пожарнотехнической экспертизе пожара. | |||
| 7103. | ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ О КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ | 36.21 KB | |
| В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры. Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов системы газовоздуховодов дымососов и дымовой трубы с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла а также удаление их в атмосферу. представлена схема котельной установки с паровыми котлами. Установка состоит из парового котла который имеет два барабана верхний и нижний. | |||
| 6149. | Общие сведения о промышленных предприятиях РФ и региона | 29.44 KB | |
| В частности угольные производства горнорудные производства химические производства нефтедобывающие производства газодобывающие производства геологоразведочные предприятия объекты эксплуатирующие магистральные газопроводы предприятия газоснабжения металлургические производства производства хлебопродуктов объекты котлонадзора объекты эксплуатирующие стационарные грузоподъемные механизмы и сооружения предприятия занятые перевозкой опасных грузов и другие. Классификация объектов экономики промышленных предприятий В... | |||
| 1591. | ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ | 8.42 KB | |
| Географическая информационная система или геоинформационная система (ГИС) - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, анализ и отображение пространственных данных и связанных с ними непространственных, а также получение на их основе информации и знаний о географическом пространстве. | |||
| 167. | Общие сведения по эксплуатация средств вычислительной техники | 18.21 KB | |
| Основные понятия Средства вычислительной техники СВТ это компьютеры к которым относятся персональные компьютеры ПЭВМ сетевые рабочие станции серверы и другие виды компьютеров а также периферийные устройства компьютерная оргтехника и средства межкомпьютерной связи. Эксплуатация СВТ заключается в использовании оборудования по назначению когда ВТ должна выполнять весь комплекс возложенных на нее задач. Для эффективного использования и поддержания СВТ в работоспособном состоянии в процессе эксплуатации проводится... | |||
| 10175. | Исходные понятия и общие сведения о методах прогнозирования ОФП в помещениях | 15.8 KB | |
| Исходные понятия и общие сведения о методах прогнозирования ОФП в помещениях План лекции: Введение Опасные факторы пожара. Цели лекции: Учебные В результате прослушивания материала слушатели должны знать: опасные факторы пожара воздействующие на людей на конструкции и оборудование предельно допустимые значения ОФП методы прогнозирования ОФП Уметь: прогнозировать обстановку на пожаре.Кошмаров Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. | |||
| 9440. | Общие сведения о приемо-передающих устройствах систем управления средствами поражения | 2.8 MB | |
| Электрическая копия первичного сообщения ток или напряжение подлежащего передаче называется управляющим сигналом и обозначается при аналитической записи символами или. Название обусловлено тем что этот сигнал в дальнейшем управляет одним или несколькими из параметров высокочастотных колебаний в процессе модуляции. Спектры управляющих сигналов в этой связи лежат в области низких частот и эффективно излучены быть не могут. | |||
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 |
