Полный текст

Малоразмерные ГТД (микроГТД) получают все большее применение. Такие двигатели могут применяться для всепогодных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), дозвуковых мишеней ПВО и маневренных малоразмерных средств поражения, также свое применение они находят в наземных генераторных установках. Энергетическая установка на базе микроГТД обладает рядом преимуществ, как-то: компактность, мобильность и крайне высокая удельная мощность. Требования, предъявляемые к подобным установкам, довольно высоки: они должны быть надежны, экономичны, обладать большим ресурсом, а также быть технологичными. Проектирование подобных установок наталкивается на значительные трудности, прежде всего на этапе проектирования микроГТД. Это связано в первую очередь с масштабным вырождением рабочего процесса: за уменьшением размерности установки следует непропорциональное уменьшение мощности. На факультете двигателей летательных аппаратов Московского авиационного института (НИУ) ведутся разработки микроГТД и энергетических установок на базе таких двигателей [1]. Несмотря на высокую потребность в надежных и мобильных энергетических установках такого типа, в мире не так много производителей подобных установок: Elliott, Bowmen, Capstone и т.д. Такие установки ориентированы в первую очередь на МЧС, мобильные бригады пожарных служб, военных, а также предназначены для работы в условиях Крайнего Севера, Арктики и Антарктики, для резервных источников питания на судах, во временных поселениях, на магистральных газопроводах и т.д. На российском рынке мало представлены подобные установки отечественного производства. Основными задачами научного коллектива являются: повышение КПД и ресурса установки. Повышение КПД достигается за счет использования новых композиционных материалов и новых методик проектирования, направленных на увеличение температуры газа перед турбиной и степени повышения давления компрессора [2]. Небольшие размеры установки позволяют использовать композитные материалы в горячей части двигателя: сопловом аппарате, турбине [3]. Другим важным параметром двигательной установки является степень повышения давления в компрессоре. На данный момент большинство центробежных компрессоров малоразмерных двигателей работают в диапазоне степени повышения давления 3-8, что достаточно далеко от экстремума термодинамического КПД [4]. Коллективом была проведена верификация методик проектирования компрессоров, в результате которой была получена методика для профилирования широкохордного центробежного компрессора высокой напорности (рис. 1) [5, 8]. 1 2 Æ 76,0 Рис. 1. Сравнение рабочих колес теоретического 1 и прототипа 2 Помимо этого предлагается установить осевую ступень компрессора перед центробежной ступенью. Использование гибридного широкохордного компрессора позволяет поднять степень повышения давления до 10-14, что соответствует экстремуму термодинамического КПД для имеющихся диапазонов температур неохлаждаемых материалов турбины [6, 7]. В работе рассматривается ГТУ, рассчитанная на расход воздуха 0,7 кг/с, другие параметры получены на испытательном стенде (первая колонка) (таблица). Высоконапорный компрессор был рассчитан с помощью программного комплекса Ansys. Сравнение термогазодинамических параметров ГТУ с различными степенями модификации Параметр Установка на базе двигателя без модификаций Установка на базе двигателя с композитной горячей частью Установка на базе двигателя с широкохордным гибридным компрессором Установка на базе двигателя с широкохордным гибридным компрессором и композитной горячей частью π 3,8 3,8 11 11 Т, К 1050 1600 1050 1600 N, кВт 225 325 235 380 C, г/кВт 165,6 151,56 105,48 92,52 Тт, К 785 1200 620 935 η, % 21 25 32 40 Примечание. Использованные обозначения: π - степень повышения полного давления компрессора, Т - температура газа перед турбиной, N - мощность, идущая на генерацию электроэнергии, C - удельный расход, Тт - температура газа, поступающего в теплообменник, η - электрический КПД. Одним из проблемных узлов подобных установок являются подшипники. Предлагается использовать бесконтактные газодинамические подшипники, это позволяет избежать необходимости смазки и охлаждения, а также износа подшипников во время работы двигателя, что значительно увеличивает ресурс. Параллельно с расчетными и проектировочными ведутся работы по изготовлению деталей микроГТД для собственных опытных образцов на следующих имеющихся производственных мощностях: станки для механообработки с ЧПУ, прототипирующая стереолитографическая машина, машина для вакуумного литья в силиконовые формы, лазерная прецизионная сварка, а также мобильная сканирующая система для контроля изготавливаемых деталей [9]. Отработаны технологии изготовления рабочих колес компрессора и турбины, вала, камеры сгорания, корпуса, сопла (рис. 2, 3) [10]. Рис. 2. Изготовление колеса компрессора Рис. 3. Выжигаемая модель колеса турбины Прорабатываются конструкторские и программные решения для стенда микроГТД. Было проведено несколько пусков двигателя-прототипа, которые дали данные для верификации методик проектирования компрессора и турбины (рис. 4, 5). При помощи программного комплекса MathCAD был проведен термогазодинамический расчет прототипа. Была проведена верификация методики проектирования центробежных компрессоров, которая позволила повысить КПД устройства. Рис. 4. Испытательный стенд Рис. 5. Вид программы управления Перспективным направлением развития установки является дальнейшее увеличение температуры газа до 1800 К и степени повышения давления до 20, для повышения КПД. Использование новых методик проектирования и композитных материалов в горячей части позволит значительно повысить мощность установки и изменить соотношение теплоэнергия/электроэнергия.

Об авторах

С. Д Селиверстов

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

Д. А Боровиков

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

А. В Ионов

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 29

PDF (Russian) - 14

Ссылки

• Ссылки не определены.