Экспериментальные образцы газотурбинных двигателей (ГТД) впервые появились в преддверии Второй мировой войны. Разработки воплотились в жизнь в начале пятидесятых годов: газотурбинные двигатели активно использовались в военном и гражданском самолетостроении. На третьем этапе внедрения в промышленность малые газотурбинные двигатели, представленные микротурбинными электростанциями, начали широко применяться во всех сферах промышленности.
Общие сведения о ГТД
Принцип функционирования общий для всех ГТД и заключается в трансформации энергии сжатого нагретого воздуха в механическую работу вала газовой турбины. Воздух, попадая в направляющий аппарат и компрессор, сжимается и в таком виде попадает в камеру сгорания, где производится впрыскивание топлива и поджег рабочей смеси. Газы, образовавшиеся в результате сгорания, под высоким давлением проходят сквозь турбину и вращают ее лопатки. Часть энергии вращения расходуется на вращение вала компрессора, но большая часть энергии сжатого газа преобразуется в полезную механическую работу вращения вала турбины. Среди всех двигателей внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные установки обладают наибольшей мощностью: до 6 кВт/кг.
Работают ГТД на большинстве видов диспергированного топлива, чем выгодно отличаются от прочих ДВС.
Проблемы разработки малых ТГД
При уменьшении размера ГТД происходит уменьшение КПД и удельной мощности по сравнению с обычными турбореактивными двигателями. При этом удельная величина расхода топлива так же возрастает; ухудшаются аэродинамические характеристики проточных участков турбины и компрессора, снижается КПД этих элементов. В камере сгорания, в результате уменьшения расхода воздуха, снижается коэффициент полноты сгорания ТВС.
Снижение КПД узлов ГТД при уменьшении его габаритов приводит к уменьшению КПД всего агрегата. Поэтому, при модернизации модели, конструкторы уделяют особое внимание увеличению КПД отдельно взятых элементов, вплоть до 1%.
Для сравнения: при увеличении КПД компрессора с 85% до 86%, КПД турбины возрастает с 80% до 81%, а общий КПД двигателя увеличивается сразу на 1,7%. Это говорит о том, что при фиксированном расходе топлива, удельная мощность увеличится на ту же величину.
Авиационный ГТД «Климов ГТД-350» для вертолета Ми-2
Впервые разработка ГТД-350 началась еще в 1959 году в ОКБ-117 под начальством конструктора С.П. Изотова. Изначально задача состояла в разработке малого двигателя для вертолета МИ-2.
МИ-2
На этапе проектирования были применены экспериментальные установки, использован метод поузловой доводки. В процессе исследования созданы методики расчета малогабаритных лопаточных аппаратов, проводились конструктивные мероприятия по демпфированию высокооборотных роторов. Первые образцы рабочей модели двигателя появились в 1961 году. Воздушные испытания вертолета Ми-2 с ГТД-350 впервые были проведены 22 сентября 1961 года. По результатам испытаний, два вертолетных двигателя разнесли в стороны, переоснастив трансмиссию.
Государственную сертификацию двигатель прошел в 1963 году. Серийное производство открылось в польском городе Жешув в 1964 году под руководством советских специалистов и продолжалось до 1990 года.
Малый газотурбинный двигатель отечественного производства ГТД-350 имеет следующие ТТХ:
— вес: 139 кг;
— габариты: 1385 х 626 х 760 мм;
— номинальная мощность на валу свободной турбины: 400 л.с.(295 кВт);
— частота вращения свободной турбины: 24000;
— диапазон рабочих температур -60…+60 ºC;
— удельный расход топлива 0,5 кг/кВт час;
— топливо — керосин;
— мощность крейсерская: 265 л.с;
— мощность взлётная: 400 л.с.
В целях безопасности полетов на вертолет Ми-2 устанавливают 2 двигателя. Спаренная установка позволяет воздушному судну благополучно завершить полет в случае отказа одной из силовых установок.
ГТД — 350 на данный момент морально устарел, в современной малой авиации нужны более можные, надежные и дешевые газотурбинные двигатели. На современный момент новый и перспективным отечественным двигателем является МД-120, корпорации «Салют». Масса двигателя — 35кг, тяга двигателя 120кгс.
Общая схема
Конструктивная схема ГТД-350 несколько необычна за счет расположения камеры сгорания не сразу за компрессором, как в стандартных образцах, а за турбиной. При этом турбина приложена к компрессору. Такая необычная компоновка узлов сокращает длину силовых валов двигателя, следовательно, снижает вес агрегата и позволяет достичь высоких оборотов ротора и экономичности.
В процессе работы двигателя, воздух поступает через ВНА, проходит ступени осевого компрессора, центробежную ступень и достигает воздухосборной улитки. Оттуда, по двум трубам воздух подается в заднюю часть двигателя к камере сгорания, где меняет направление потока на противоположное и поступает на турбинные колеса. Основные узлы ГТД-350: компрессор, камера сгорания, турбина, газосборник и редуктор. Системы двигателя представлены: смазочной, регулировочной и противообледенительной.
Агрегат расчленен на самостоятельные узлы, что позволяет производить отдельные запчасти и обеспечивать их быстрый ремонт. Двигатель постоянно дорабатывается и на сегодняшний день его модификацией и производством занимается ОАО «Климов». Первоначальный ресурс ГТД-350 составлял всего 200 часов, но в процессе модификации был постепенно доведен до 1000 часов. На картинке представлена общая смеха механической связи всех узлов и агрегатов.
Малые ГТД: области применения
Микротурбины применяют в промышленности и быту в качестве автономных источников электроэнергии.
— Мощность микротурбин составляет 30-1000 кВт;
— объем не превышает 4 кубических метра.
Среди преимуществ малых ГТД можно выделить:
— широкий диапазон нагрузок;
— низкая вибрация и уровень шума;
— работа на различных видах топлива;
— небольшие габариты;
— низкий уровень эмиссии выхлопов.
Отрицательные моменты:
— сложность электронной схемы (в стандартном варианте силовая схема выполняется с двойным энергопреобразованием);
— силовая турбина с механизмом поддержания оборотов значительно повышает стоимость и усложняет производство всего агрегата.
На сегодняшний день турбогенераторы не получили такого широкого распространения в России и на постсоветском пространстве, как в странах США и Европы в виду высокой стоимости производства. Однако, по проведенным расчетам, одиночная газотурбинная автономная установка мощностью 100 кВт и КПД 30% может быть использована для энергоснабжения стандартных 80 квартир с газовыми плитами.
Коротенькое видео, использования турбовального двигателя для электрогенератора.
За счет установки абсорбционных холодильников, микротурбина может использоваться в качестве системы кондиционирования и для одновременного охлаждения значительного количества помещений.
Автомобильная промышленность
Малые ГТД продемонстрировали удовлетворительные результаты при проведении дорожных испытаний, однако стоимость автомобиля, за счет сложности элементов конструкции многократно возрастает. ГТД с мощностью 100-1200 л.с. имеют характеристики, подобные бензиновым двигателям, однако в ближайшее время не ожидается массовое производство таких авто. Для решения этих задач необходимо усовершенствовать и удешевить все составляющие части двигателя.
По иному дела обстоят в оборонной промышленности. Военные не обращают внимание на стоимость, для них важнее эксплуатационные характеристики. Военным нужна была мощная, компактная, безотказная силовая установка для танков. И в середине 60-ых годов 20 века к этой проблеме привлекли Сергея Изотова, создателя силовой установки для МИ-2 — ГТД-350. КБ Изотова начало разработку и в итоге создало ГТД-1000 для танка Т-80. Пожалуй это единственный положительный опыт использования ГТД для наземного транспорта. Недостатки использования двигателя на танке — это его прожорливость и привередливость к чистоте проходящего по рабочему тракту воздуху. Внизу представлено короткое видео работы танкового ГТД-1000.
Малая авиация
На сегодняшний день высокая стоимость и низкая надежность поршневых двигателей с мощностью 50-150 кВт не позволяют малой авиации России уверенно расправить крылья. Такие двигатели, как «Rotax» не сертифицированы на территории России, а двигатели «Lycoming», применяемые в сельскохозяйственной авиации имеют заведомо завышенную стоимость. Кроме того, они работают на бензине, который не производится в нашей стране, что дополнительно увеличивает стоимость эксплуатации.
Именно малая авиация, как ни одна другая отрасль нуждается в проектах малых ГТД. Развивая инфраструктуру производства малых турбин, можно с уверенностью говорить о возрождении сельскохозяйственной авиации. За рубежом производством малых ГТД занимается достаточное количество фирм. Сфера применения: частные самолеты и беспилотники. Среди моделей для легких самолетов можно выделить чешские двигателиTJ100A, TP100 и TP180, и американский TPR80.
В России со времен СССР малые и средние ГТД разрабатывались в основном для вертолетов и легких самолетов. Их ресурс составлял от 4 до 8 тыс. часов,
На сегодняшний день для нужд вертолета МИ-2 продолжают выпускаться малые ГТД завода «Климов» такие как: ГТД-350, РД-33,ТВЗ-117ВМА, ТВ-2-117А, ВК-2500ПС-03 и ТВ-7-117В.
