Применение газотурбинных двигателей малой мощности

В процессе становления новой технологии можно выделить несколько этапов, на каждом из которых технология распространяется на новую область применения. Обычно этих этапов четыре- научный (предварительные лабораторные исследования), военный, промышленный и, наконец, бытовой. От экспериментальных образцов тридцатых-сороковых годов, через двигатели военных самолетов пятидесятых-шестидесятых к реактивным гражданским лайнерам и промышленным ГТУ. Постепенно начинается внедрение газотурбинных двигателей и в «бытовую» сферу, они становятся ближе к человеку. Такими, «доступными», двигателями на сегодняшний день являются микротурбинные электростанции и газотурбинные двигатели легких самолетов и БПЛА [3].

Микротурбина представляет собой установку, предназначенную для вырабатывания электричества и, при использовании дополнительного оборудования, тепла (рисунок 1) [2].

Рисунок 1 - Турбогенератор МТУ Capstone C65 в сборе¹

Электрическая мощность существующих установок, относимых к этому классу, лежит в диапазоне от 30 до 1000 кВт. Обычно размер установки не превышает 4 кубометров, что примерно соответствует габариту большого шкафа. Преимуществами микротурбин перед давно известными поршневыми автономными генераторами являются:

- малые габаритные размеры

- низкий уровень шума и вибраций

- возможность работы на различных видах топлива

- низкий уровень эмиссии вредных веществ в выхлопе

- возможность работать в широком диапазоне нагрузок

Все это позволяет использовать микротурбины в качестве автономных источников электроэнергии, для питания потребителя независимо от центральной энергосети

Конструктивно типичная микротурбина состоит из трех основных элементов - это турбоагрегат, генератор, силовая электроника с управляющими схемами и теплообменник-водонагреватель.

Среди других особенностей микротурбиннных установок можно отметить необходимость сложной силовой электроники, формирующей выходной ток. Установка электрогенератора непосредственно на валу турбоагрегата приводит к тому, что вместе с оборотами турбины изменяется и частота тока, вырабатываемого генератором. Для приведения тока к стандартным параметрам сети применяют схему с двойным преобразованием: из переменного тока получают постоянный ток в выпрямителе и затем формируют из него выходной ток частой 50 герц в инверторе. Применения сложной силовой электроники возможно избежать, применив свободную силовую турбину с механизмом поддержания оборотов. Однако это усложняет и удорожает как проектирование, так и производство турбоагрегата [1].

Несмотря на перечисленные недостатки, микротурбинные энергоустановки достаточно широко применяются в Европе и США, начинают находить применение и в России. Микротурбины позволяют получать необходимую энергию в непосредственной близости от места потребления, что значительно сокращает транспортные потери и позволяет, в перспективе, сделать систему тепло- и электроснабжения более динамичной- подстраиваемой под нужды конкретного потребителя.

Согласно существующим нормам проектирования энергосетей гипотетическая одиночная установка мощностью 100кВт и КПД 30% по электричеству может обеспечить электроэнергией более 80 квартир, оборудованных газовыми плитами, либо приблизительно 40 коттеджей. Более того, применение мало распространенной на сегодняшний день системы тригенерации, позволяющей на основе микротурбин вырабатывать холод за счет установки абсорбционных холодильников в систему выхлопа, позволяет создать в жилом доме централизованную систему вентиляции и кондиционирования, поддерживающую в каждой квартире комфортную температуру зимой и летом [2].

Перспективные проекты комбинированных энергоустановок (КЭУ) на базе микрогазотурбинных двигателей (ГТД) и топливных элементов (ТЭ). Разработанные к настоящему времени энергоустановки ЭУ на базе ТЭ различных типов отличаются единичной мощностью, ресурсом, КПД. В КЭУ мощностью до 20 МВт предпочтительнее использовать ЭУ, состоящую из несколько одинаковых ТЭ, включающихся в батареи ТЭ, соединенных с одной ГТУ малой и средней мощности [1].

Для специфики нашей страны, с характерными для нее огромными пространствами и неразвитой сетью дорог естественна необходимость в легких летательных аппаратах. Однако они не получили должного развития и являются скорее дорогой диковинкой, чем полноценным средством транспорта. Основной причиной этого является отсутствие доступных и надежных авиационных двигателей в диапазоне мощностей от 50 до 150 кВт. В настоящий момент в России практически отсутствует инфраструктура для производства авиационных поршневых двигателей, в значительной мере утерян опыт их проектирования. Это привело к доминированию на рынке авиационных двигателей иностранных производителей, прежде всего фирм «Rotax» и «Lycoming». Двигатели «Rotax» не сертифицированы на территории России и потому могут применяться только на легких частных самолетах, не предназначенных для профессиональной деятельности. Двигатели «Lycoming» относятся к классу «профессиональных» и достаточно широко применяются на сельскохозяйственных и других легких самолетах [3].

У этих двигателей два основных недостатка. Во-первых, из-за монопольного положения фирм на рынке цены на двигатели сильно завышены, что препятствует их распространению. Во вторых, двигатели «Lycoming» и «Rotax» предназначены для работы на специальном авиационном бензине с октановым числом 100. Этот бензин не производится в нашей стране, поэтому он малораспространен и стоимость его доходит до 100 рублей за литр. Из-за этого коммерческое применение легких самолетов практически невозможно, полеты доступны малому числу состоятельных граждан.

Решением этой проблемы представляется создание газотурбинного двигателя малой мощности, который можно было бы устанавливать на легкие и частные самолеты. С учетом развитой инфраструкткры производства ГТД, такая установка, при условии достаточного объема производства будет доступной. За рубежом существует несколько предприятий, разрабатывающих и производящих газотурбинные двигатели этого класса. В основном они предназначены для установки на авиамодели и беспилотные самолеты, однако существует несколько моделей двигателей для легких самолетов. Среди них можно назвать американский TPR80,чешский турбореактивный TJ100A и турбовинтовые TP100, TP180.

Малые и средние ГТД, разработанные для вертолетов и легких самолетов, имеют ресурс 4 - 8 тыс. ч., выполнены по схеме со свободной силовой турбиной, и для применения в наземных установках требуется их конвертирование [2]. Разработка ГТУ на базе конвертированных ГТД, оптимальных для КЭУ с ТЭ, является актуальной задачей. Разработкой специализированных ГТУ занимаются многие известные фирмы[2].

Таблица 1

Уровень разработок ЭУ на базе различных видов ТЭ [1]

Основной проблемой создания малых ГТД является их размеры. Невозможно при уменьшении размеров ГТД обеспечить КПД и удельную мощность, как у обычных ГТД. Это обстоятельство подтверждается тем, что большинство ГТД малой мощности имеет сравнительно высокие удельные величины расхода топлива. С уменьшением размеров аэродинамические характеристики проточных частей компрессора и турбины ухудшаются, КПД этих элементов снижаются. Аналогично с уменьшением расхода воздуха, протекающего через камеру сгорания, снижается коэффициент полноты сгорания. Из этого следует, что при снижении значения КПД элементов снижается полный КПД всего двигателя.

При модернизации не следует пренебрегать возможностью увеличения КПД элементов даже на 1%. Например, при повышении КПД компрессора с 0,85 до 0,86 и КПД турбины с 0,80 до 0,81 выигрыш в КПД ГТД составит 0,017. Это означает, что при одном и том же расходе топлива удельная мощность двигателя увеличилась бы в той же степени.

Параметры существующих малых ГТД и фирмы разработчики приведены в в таблице 1.

К настоящему времени мощность разработанных мини - ГТУ колеблется от 75 до 900 кВт при относительно малом КПД (от 11 до 35%), следовательно, необходимо проводить мероприятия по увеличению эффективности данных мини - ГТУ при использовании их в составе КЭУ.

Вывод

На сегодняшний день малые газотурбинные двигатели обладают значительным коммерческим потенциалом в сферах малой энергетики и авиации. Однако в России, несмотря на значительный опыт проектирования газотурбинных двигателей и широкую инфраструктуру их производства, вопросам создания малых двигателей уделяется мало внимания. Создание современного малоразмерного двигателя, удовлетворяющего требованиям как энергетики, так и авиации позволит в значительной мере снизить проблемы энергетики и малой авиации, загрузить простаивающие производственные мощности многих авиационных заводов.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы»

Литература:

1. Кузнецов Н.Д., Гриценко Е.А., Данильченко В.П., Резник В.Е. Основы конвертирования авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения. – Самара: СГАУ, 1995. – 89 с.

2. Лыкова С.А. Высокоэффективные гибридные энергоустановки на основе топливных элементов // Теплоэнергетика, 2002. № 1. С. 50 – 55.

3. Наталевич А.С. Воздушные микротурбины. – М.: Машиностроение, 1979. – 192 с.

4. Ольховский Г.Г. Газовые турбины для энергетики // Теплоэнергетика, 2004. № 1. С. 38 – 43.