Газотурбинные установки малой мощности отечественного и зарубежного производства. Миниатюрный газотурбинный двигатель От авиации до энергетики

О проблеме легких двигателей для малой авиации, не писали разве что только в «желтой» прессе. 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. Мелькают и пропадают. Где-то они летают, где-то их испытывают.

Только вот на полевых площадках и аэродромах АОН, по-прежнему Цессны, Робинсоны да Текнамы иноземные летают. А машины российской разработки, не считая конечно Яков, смотрятся скорее как диковинка. И, как и в предыдущие года, все говорят и пишут об отсутствии отечественного легкого двигателя. Почему бы, хотя бы не сделать, как делали в прежние, советские времена. 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.

История газотурбинных двигателей уходит корнями в начало ХХ века. В 1903 году норвежский изобретатель Агидус Эллинг первым создал работающий двигатель с газовой турбиной мощностью 11 л.с. (двигатель самолета братьев Райт, который поднялся в воздух в том же году, имел мощность 12 л.с.). Спустя несколько лет Чарльз Кёртис, изобретатель паровой турбины, подал патентную заявку, в которой описал конструкцию газовой турбины, и в 1914-м получил патент. В 1918 году фирма General Electric (GE), основанная Томасом Эдисоном в середине 1870-х, начала работы над турбонагнетателями для авиационных двигателей, а спустя два десятилетия реактивными авиадвигателями стало заниматься газотурбинное подразделение фирмы (которое сейчас считается одним из крупнейших в мире в своей области).

В 1930 году изобретатель и офицер Королевских ВВС Великобритании Фрэнк Уиттл разработал и запатентовал первый газотурбинный двигатель для использования в качестве реактивного движителя. Пока Уиттл занимался решением технических проблем, связанных с конструкцией двигателя, немец Ганс фон Охайн сумел первым создать и испытать в 1939 году самолет с реактивным двигателем.

От авиации до энергетики

Во второй половине XX века газотурбинные двигатели стали основой современной авиации. Конечно, двигатели совершенствовались и увеличивались в размерах. Сегодня рекорд принадлежит двигателям серии GE90, которые устанавливают на Boeing 777. Диаметр вентиляторов этого двигателя 3,4 м, в нем установлен компрессор с 22 лопатками, а его тяга составляет 52 000 кг (и более 57 600 кг при испытаниях), что в 10 000 раз больше, чем мощность двигателя братьев Райт, которым они пользовались 100 лет назад.

Современные газотурбинные двигатели (ГТД) служат не только в авиации, но и в энергетике, где их используют для производства электроэнергии. Горячие газы, полученные в результате сжигания природного газа в камере сгорания, проходят через турбину, вращают ее и приводят в движение вал генератора. ГТД широко используются на электростанциях во время пиковых нагрузок. По размерам и мощности такие ГТД значительно превосходят своих авиационных братьев. Например, передовой ГТД Siemens SGT5−8000H удерживает мировой рекорд — масса этого гиганта 440 т, он может выдавать 340 МВт в простом цикле и почти в два раза больше в комбинированном. КПД этого двигателя составляет почти 40%, а в комбинированном цикле — около 60%. Помимо самолетов и электростанций ГТД применяются и в танках, кораблях, тепловозах, локомотивах, а также используются в качестве вспомогательных генераторов.

Что такое MEMS. Эта аббревиатура означает Micro-Electro- Mechanical Systems — микроэлектромеханические системы. MEMS — это сочетание механических элементов, датчиков, приводов, собранных на кремниевой подложке, с электронными схемами. И механика и электроника изготавливаются с помощью стандартных технологий микроэлектронной промышленности. Такой подход дает возможность получать уникальные устройства, сочетающие вычислительные возможности электроники с чувствительностью механических сенсоров, в микроскопических размерах — это готовое изделие на одном чипе. Технологии микроэлектронной промышленности позволяют выпускать подобные устройства большими сериями, что весьма положительно сказывается на надежности и цене. MEMS широко применяются в быту — в частности, именно к этому классу относятся акселерометры (датчики ускорений), крупнейшим потребителем которых является современная автомобильная промышленность: именно эти датчики подают сигналы для раскрытия подушек безопасности при столкновениях. Матрицы DLP-проекторов, твердотельные гироскопы и пьезоголовки принтеров — типичные представители MEMS.

От большого к малому

Новые технологии позволяют создавать двигатели не только гигантских, но и маленьких (и даже очень маленьких) размеров. Японская фирма IHI Aerospace производит переносной газотурбинный генератор Dynajet 2.6 мощностью 2,6 кВт и массой 67 кг. Впрочем, это далеко не предел — двигатель, созданный Швейцарским федеральным технологическим институтом (ETH Zurich), имеет размер всего несколько сантиметров и может генерировать почти 100 Вт электроэнергии на протяжении нескольких дней. Но дальше всех в направлении миниатюризации зашли исследователи Массачусетского технологического института (MIT), которые разработали газотурбинный двигатель размером всего около 1 мм.

Несмотря на столь внушительную разницу в размерах между таким гигантом, как GE90, и миллиметровым двигателем MIT, при ближайшем рассмотрении оказывается, что у них есть очень много общего. По конструкции они похожи: компрессор, камера сгорания и турбина, которая приводится в движение струей продуктов сгорания. Топливо впрыскивается в поток на выходе из компрессора, смешивается с воздухом, сгорает и вращает турбину, которая приводит в движение компрессор и генератор. Однако, разумеется, создание столь малого газотурбинного двигателя ставит перед конструкторами множество задач, с которыми не приходится сталкиваться создателям традиционных ГТД.

Микротурбинщики

В середине 1990-х в Массачусетском технологическом институте группа исследователей начала работать над проектом по микро-ГТД. «Я задумался над вопросом: если большой ГТД может обеспечивать электричеством целый город, почему нельзя сделать очень маленький двигатель, который бы обеспечил электрические потребности одного человека? — вспоминает Алан Эпштейн, профессор MIT и руководитель исследовательской группы. — А цена устройств MEMS (микроэлектромеханических систем) сейчас не слишком высока, так что себестоимость энергии такой персональной электростанции может быть сравнима с аналогичным параметром большого ГТД ($0,3−0,5 за 1 Вт)».

Разработанный в Швейцарском федеральном технологическом институте (ETH) миниатюрный газотурбинный двигатель построен по классической схеме с центробежным компрессором и осевой турбиной (схема далее).

Микро-ГТД состоит из тех же принципиальных элементов, что и его «большие братья», но сами размеры требуют принципиально других подходов и технологий. По словам Эпштейна, многие вопросы имеют такой же принципиальный характер — компоновка, механические нагрузки, вопросы коррозии. Однако в некоторых отношениях разработка микро-ГТД проще — например, микроскопические валы очень жесткие на изгиб, что помогает избавиться от традиционной проблемы изгиба вала у больших двигателей. Тепловые перепады при таких размерах не представляют большой угрозы, отпадает также необходимость ухода и ремонта (микро-ГТД неремонтопригоден, его просто заменяют новым). А в некоторых — сложнее: «Две наши самые большие проблемы — это влияние точности изготовления на эксплуатационные качества пары ‘вал-подшипник", а также поиск компромисса между требованиями к конструкции (термодинамика, сгорание, нагрузки, гидродинамика и электромеханика) и особенностями технологии изготовления двигателя. Это и по сей день остается нашим важнейшим вопросом».

Двигатель имеет диаметр всего несколько сантиметров и способен генерировать до 100 Вт мощности на валу. Такой полностью автономный источник электроэнергии будет весьма полезен, а в некоторых случаях совершенно незаменим.

«Хотя детали все те же самые, технология изготовления микро-ГТД, естественно, совершенно иная, она основана на технологиях полупроводниковой промышленности. С помощью фотолитографии можно создавать детали и узлы размерами от 1 до 10 000 микрон с высокой точностью, причем серийно, — объясняет профессор Эпштейн. — Детали вытравливаются из кремниевых монокристаллических пластин толщиной 0,5−1 мм и диаметром 100−300 мм, потом их склеивают вместе и получают пакет с несколькими готовыми двигателями. При необходимости пакет разрезают на кусочки и получают отдельные двигатели. Сами двигатели могут быть различного размера — сверху нас ограничивает не литография, а скорее глубина и точность травления. Для малых размеров, меньше 1 мм, основным ограничением является вязкость воздуха, которая резко отрицательно влияет на характеристики двигателя». В один пакет могут войти десятки или даже сотни микродвигателей. В идеале создание всех устройств из пакета происходит параллельно, что приводит к самому главному преимуществу такой технологии — низкой себестоимости готового изделия. «Подобные двигатели в будущем можно будет изготавливать точно таким же образом, как электронные чипы и автомобильные датчики», — говорит Эпштейн.

Газотурбинный двигатель, разработанный в MIT, состоит из центробежного компрессора и радиальной турбины с роторами диаметром 8 и 6 мм соответственно. На диаграмме ниже показана схема одного из первых прототипов двигателя. Сжатый компрессором воздух проходит по каналам, проложенным на внешней поверхности камеры сгорания, охлаждая ее и забирая тепло, что увеличивает эффективность и уменьшает температуру внешних стенок ГТД. Роторы поддерживаются радиальными пневмоподшипниками и гидростатическими упорными подшипниками осевого вала. Последние, вместе с уравновешивающим поршнем, принимают на себе осевые нагрузки. Запуск двигателя производится с помощью сжатого воздуха от внешнего источника. Согласно расчетам, скорость вращения компрессора составляет около 1,2 млн об/мин. (это не опечатка — именно миллионов!), линейная скорость внешней кромки ротора может достигать 500 м/с. Лопатки компрессора и турбины имеют размер 400 мкм в высоту. ГТД прокачивает 0,35 г воздуха каждую секунду, генерируя тягу в 11 гс и 17 Вт мощности на валу. Генератор не показан, в дальнейшем он может бытиь интегрирован в конструкцию.

Микроэнергия для будущего

Для чего же нужны подобные двигатели? Сейчас проект микродвигателей в MIT финансируется американским военным ведомством, которое видит в этих новых технологиях большой потенциал. Маленькие двигатели, заряжаемые специальными картриджами с водородом, можно использовать как в небольших беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), так и в обычных электронных приборах. Именно питание мобильной военной электроники, скорее всего, станет испытанием сил для первых серийных микро-ГТД, которые появятся на рынке, как надеются разработчики, уже совсем скоро — через несколько лет.

Микро-ГТД можно использовать и для гражданских целей — вместо аккумуляторов в мобильных телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, а также в качестве дешевых микродвигателей для сельского хозяйства, различных датчиков и даже детских игрушек. «Для современных литий-ионных аккумуляторов удельная мощность запасенной энергии составляет порядка 120−150 Вт ч/кг. Это, конечно, не предел, новые серно-литиевые батареи имеют показатели в два раза выше — порядка 300−350 Вт ч/кг. Но микро-ГТД в скором будущем все равно будут вне конкуренции — мы ожидаем получить цифры порядка 500−700 Вт ч/кг. А в отдаленном будущем — 1200−1500 Вт ч/кг с учетом массы самого двигателя и запаса топлива», — оптимистично заявляет Алан Эпштейн.

На вопросы «Завтра» отвечает Сергей Журавлёв, руководитель проекта создания газотурбинного двигателя сверхмалого размера.

«ЗАВТРА» . Сергей, при взгляде на вашу микротурбину кажется, что это - небольшой реактивный двигатель. Который, наверное, ставят на какие-то сверхмалые самолёты, беспилотные летательные аппараты…

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Внешний вид обманчив, и, несмотря на то, что несколько человек из нашей команды имеют прямое отношение к авиации, мы вообще-то делали совсем иное. Микротурбина - сердце нашего проекта автономного дома. Мы считаем, что дом в России должен быть изначально энергоактивным, то есть производить энергии больше, чем потреблять. И за счёт этого он должен быть автономным, то есть не иметь жёсткого подключения к внешним монопольным сетям.

«ЗАВТРА» . Есть западная концепция: ставим на крышу солнечные батареи, а во двор - ветряк. Но у нас, извините, в стране нет ни толкового солнца, ни ветра, поскольку мы - в середине северного континента. В чём состоит ваш подход?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Автономный дом создать сегодня несложно, технологии это позволяют. Весь вопрос состоит в стоимости, потому что, конечно, можно поставить солнечные батареи и летом накапливать энергии более чем достаточно, а потом использовать её зимой. Но стоимость аккумулирования этой энергии будет близкой к космической - даже если ставить современные аккумуляторы, перекачивать воду по системе разновысотных прудов или же запасать тепловую энергию с помощью тепловых насосов или расплавленной теплоёмкой соли.

Чтобы таким образом запасти энергии на всю зиму, надо потратить целое состояние на систему аккумулирования. Поэтому мы исходим из концепции комбинирования разных источников энергии, которые позволяют закрывать все потребности. Электроэнергию сегодня бессмысленно накапливать в аккумуляторах, первичную энергию надо накапливать в химической форме, например - в виде горючих газов.

То есть приходим к тому, что надо ускорять процессы «метаболизма здания», производя горючие газы из тех отходов и мусора, что образуются в самом автономном доме. Есть несколько принципиальных способов получения и водорода или метана, но нам важен тот факт, что горючий газ, производимый самим домохозяйством, позволяет легко закрыть им генерацию электроэнергии и тепла на протяжении всей зимы. Отсюда и возникла идея микрогазотурбинной установки. У турбин есть много преимуществ по сравнению с обычными газопоршневыми агрегатами, то есть обычными и привычными для нас двигателями внутреннего сгорания.

У небольших газотурбинных двигателей уже достигнут очень высокий КПД, их, в отличие от газопоршневых двигателей, легко звукоизолировать, они почти не шумят и занимают малый объём. Неоспоримым их преимуществом является и то, что они легко работают на плохом, некачественном газе, который может генерировать домохозяйство из своих бытовых отходов.

«ЗАВТРА» . Здесь надо сказать, что мы все привыкли к чистому, почти 100% метану, который нам поставляет по газовой трубе «Газпром», тот самый монополист, от которого вы хотите уйти, - а вы предлагаете получать прямо в доме пусть и менее чистый, но уже «свой», автономный метан?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, сейчас в деталях проработана практика получения конечного газового продукта, смеси горючих газов из большого спектра бытовых отходов - начиная от бумаги или дерева и заканчивая, извините за подробности, помётом птиц или навозом домашних животных.

Именно поэтому микротурбины сейчас - очень актуальное направление разработок. В том числе - и на Западе, где несколько компаний активно над этим работают. Понятно, что там концепция очень похожа на нашу: микротурбина становится «энергетическим сердцем» семьи или предприятия, когда всё производство многих бытовых предметов потребления, в первую очередь - продуктов питания концентрируется в самом домохозяйстве. И это, конечно, тот самый образ совсем иного будущего, когда мы получаем целый пласт «новых производителей», эдаких «крестьян XXI века», которые уже очень мало зависят от внешнего мира, обеспечивая себя всем необходимым и даже создавая излишки продукции.

«ЗАВТРА» . Да, дай Бог, чтобы мы смогли возродить наши российские просторы благодаря такой уникальной технологии. А что у вас в ближайших планах?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, автономный дом - это будущее. Сегодня же возможность для применения микротурбин раскрывается в уже упомянутой нами авиации. В прошлом эволюция двигателей в авиации обошла микродвигатели стороной - по той простой причине, что они подходили только для авиамоделизма, имели очень малый ресурс. Микродвигатели в авиации были «бабочками-подёнками», были короткоживущими и рассматривались только как подобия, копии настоящих, «взрослых» авиадвигателей. Но сегодня, наконец, эволюция двигателестроения в размере микротурбины привела нас к тому, что возможности технологии и запросы авиации сошлись в одну точку - и мы можем сейчас сделать хорошую микротурбину для авиации.

«ЗАВТРА» . Посмотрим на этот небольшой агрегат. Выглядит как настоящий двигатель, а что эта малютка сегодня выдаёт, если перевести в сухие цифры мощности или тяги?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . На максимальных оборотах эта микротурбина выдаёт 200 ньютонов. Если же говорим о мощности - то это порядка 12 кВт. Достаточно мощный двигатель для своего скромного размера.

«ЗАВТРА» . Для сравнения: насколько помню, обычная квартира даже на пике мощности потребляет сегодня 1,5-2 кВт электроэнергии, а в среднем - сотни ватт?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, такой малютки вполне хватит на десяток квартир в многоквартирном доме. Сейчас все параметры посчитаны на скорости микротурбины около 100 тысяч оборотов в минуту. Но при форсированном варианте турбины можно достичь и 150 тысяч оборотов в минуту, хотя это и не рационально.

«ЗАВТРА» . Это ведь отнюдь не обороты двигателя внутреннего сгорания! Получается, что в турбине используются высокотехнологичная подвеска, специализированные подшипники, точный вал?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, в турбине стоят качественные, долговечные подшипники. В авиамоделизме для похожих турбин используют подшипники попроще, но они живут недолго, а для бытовой микротурбины самая главная проблема - создать систему смазки и балансировки двигателя, вала, которая бы позволяла ему долго послужить.

Современные флагманы отрасли уже имеют ресурс микротурбин порядка 100 тысяч часов, то есть около десяти лет, и при регулярном обслуживании турбины один раз в год. Мы не ставим такой задачи, хотя уже просчитали компоновку системы охлаждения на пять тысяч часов. А эта машина сможет работать не менее пятисот часов - это первый, но важный рубеж. Мы сейчас только переходим в стадию тестовых испытаний с промышленными образцами. Поэтому какой нам выдаст результат машина, мы пока не загадываем, но говорим: «не менее», - и это уже примерно впятеро больше, чем самый хороший авиамодельный двигатель.

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Пока что, на первом этапе, мы начинаем работу именно с авиацией, немного упрощая себе первый шаг на пути к конечной цели. Авиация пока что всё-таки использует качественный керосин, а не бытовой газ, который по своим параметрам даже хуже магистрального. А задача когенерирующей микротурбинной установки, как я уже сказал, - это и наша мечта, и наша стратегическая цель.

«ЗАВТРА» . Когенерация - это комбинированное получение тепла и электроэнергии, то, к чему надо всегда стремиться в нашей холодной стране. А были ли какие-то аналоги такого подхода, создания таких миктротурбин в советской, в российской истории? Насколько эта вещь уникальна?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . В России не производятся двигатели такого типоразмера. Делают только двигатели для военных целей, это двигатели обычно более простые - для крылатых ракет, например. Но это подход одноразового использования, вида «выстрелил и забыл». Крылатая ракета при этом должна пролететь свой час до цели - и, соответственно, весь двигатель рассчитан на то, чтобы она этот час летела гарантированно.

Мы же говорим о совсем другом рынке, гражданского применения. Соответственно, всем способным произвести продукт на такой ёмкий рынок я желаю только успеха. Места и работы хватит всем. Поэтому мы, в общем, не опасаемся жёсткой конкуренции на рынке - в малой энергетике всё в России ещё только начинается.

«ЗАВТРА» . Скажите, а какие следующие этапы вы планируете для микротурбины? Как вы её будете испытывать и совершенствовать?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . К сожалению, у нас не так много средств, чтобы построить качественный испытательный стенд. Сейчас мы занимаемся этой работой, готовимся к тестовым испытаниям опытного образца. Наша текущая задача - произвести промышленный образец, создать производственную кооперацию, отработать технологические процессы и применяемые материалы. Дальше будет стадия доводочных испытаний. Но кое-что мы делаем и заранее, не дожидаясь, когда двигатель обретёт окончательный вид, - например, мы приступили к эскизной разработке гибридной силовой установки, как для целей будущей когенерации, так и для использования в беспилотных летательных аппаратах. Гибридный двигатель - это наиболее современная схема квадрокоптеров и конвертопланов, которые используют электропривод винта, но могут питаться и от микротурбины, а не от аккумуляторов, как сегодня.

«ЗАВТРА» . Да, я был в своё время поражён тем, насколько далеко ушёл прогресс за последние десять лет развития беспилотной авиации, но знаю, какая критическая масса проблем возникла с БПЛА именно из-за того, что современные аккумуляторы накладывают ограничения на дальность и скорость беспилотников.

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Беспилотные аппараты - очень сложные агрегаты, мы и не претендуем на их конструирование или производство. Наша задача - сделать качественную силовую установку, применимую в разных типах летательных аппаратов. Микротурбину можно встроить в любой авиадвигатель: турбореактивный, турбовентиляторный, турбовинтовой и уже упомянутый электрический двигатель для БПЛА. Микротурбина для них - компактный и мощный источник энергии. Выдавая реактивную струю и вращая вал, микротурбина создаёт электроэнергию, достаточную для полёта летательного аппарата.

«ЗАВТРА» . Скажите, Сергей, а в какой части микротурбина собрана из российских комплектующих? С чем вы столкнулись при разработке своего аппарата, и какие задачи вы решили, а какие остались пока нерешёнными?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Не буду рассказывать обо всех тонкостях и нюансах наших операционных изысканий. В целом же скажу, что Россия за последние годы накопила очень серьёзный парк передового оборудования в так называемых аддитивных технологиях. Этот двигатель произведён на 70% в рамках аддитивных технологий, то есть запрограммированным «выращиванием» металлических конструкций. Аддитивные технологии - это использование 3D-принтера, который сразу делает готовое изделие прямо из аморфного металла.

«ЗАВТРА» . То есть вся ваша микротурбина буквально «напечатана» из металла?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, всё напечатано - кроме болтиков и гаечек. Болтики печатать незачем, на них есть стандарт. На токарном станке тут выточены только вал и корпус вала двигателя. Ну, и немного деталей выполнено фрезеровками на пятикоординатных станках, но это тоже - самое современное оборудование.

Соответственно, утверждать, что мы сегодня «отсталая страна» - это несусветная глупость. Есть лишь ряд технологических потребностей, пока что не решённых в российской промышленности. Например, уже упомянутые «долгоиграющие» керамические подшипники нашей микротурбины. В то же время мы видим, что российская научно-производственная база готова к производству и таких изделий, здесь вопрос лишь в экономике. Чтобы построить производство керамической продукции такого уровня для нашего изделия, это производство должно выпускать несопоставимо больший объём, чтобы сделать приемлемую стоимость. Прежде всего это вопрос конкуренции, грубо говоря - китайскую, японскую или немецкую продукцию купить пока намного дешевле, чем произвести здесь; нельзя поставить суперстанок только ради того, чтобы сделать четыре подшипника на опытную турбину.

«ЗАВТРА» . Ну, это проблема всех компаний-инноваторов. На западе изобретателям тоже приходится выкручиваться в такой ситуации.

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, надо учитывать «эффект инновации». Например, если наша оборонная промышленность заинтересована в получении профессиональных двигателей в небольшом типоразмере, причём с применением самых современных материалов, этот процесс будет ускоряться вне зависимости от того, хотим мы этого или нет. Это видно просто по тому, как за последние 3-4 года армия вдруг обогатилась современной техникой.

«ЗАВТРА» . Скажите, а кто вам помогает и что вам мешает в вашей работе?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Вы знаете, мешают, скорее, производственные традиции, которые в России всё-таки достаточно косные. С одной стороны, это хорошо, потому что традиции позволяют делать меньше ошибок, но они же часто тормозят инновации.

Простой пример. Мы производим моделирование двигателей в компьютерной 3D-среде, то есть компонуем корпус двигателей со всеми деталями прямо в виртуальной 3D-модели. Эта же модель является исходным кодом для станка с ЧПУ или 3D-принтера, никаких чертежей, современное оборудование сразу «понимает» такой двоичный код. Но часть российских производств почему-то до сих пор требует перевести нашу 3D-модель в десяток ГОСТовских чертежей. А потом эти же чертежи их собственные конструкторы снова переводят уже в свою 3D-модель, чтобы «скормить» тем же станкам с ЧПУ!

Всё это тормозит и усложняет процесс и служит источником ошибок. Как говорят, «два переезда равны одному пожару», так вот - две переделки чертежей создают очень похожий эффект… И мы сегодня таких производителей переучиваем, приучаем к тому, чтобы они действовали, исходя из изменившихся реалий.

В итоге, из-за такой «притирки» смежников кооперация по производству этого двигателя заняла почти полгода. Кооперация в том смысле, что мы передавали готовое модельное решение со всеми необходимыми параметрами. И наши партнёры, надо отдать им должное и сказать огромное спасибо, брались за эти микропартии, экспериментальные, по сути, изделия, так как всё-таки в России есть удивительно нежное отношение к новому, уникальному, что мы и почувствовали, работая со своими смежниками по созданию нашей турбины. Ведь аддитивные технологии сегодня всё-таки только осваиваются российской промышленностью, и сделать просто «влёт» ту или иную деталь - это довольно сложно. Но наши партнёры активно включались и делали всё, что могли - в самых непростых условиях.

«ЗАВТРА» . Есть ли интерес к вашим разработкам со стороны отечественной «оборонки», если не заходить в зону государственных секретов? Наше военное ведомство - насколько оно проявляет интерес к такого рода концепциям, как они воспринимают идею микротурбины для авиации, в том числе и для беспилотной?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Давайте я отвечу почти философски. Я туда ещё не ходил, а ко мне ещё официально не приходили. «Товарищ майор» нами ещё не интересовался, но я предполагаю, причём с высокой долей уверенности, что поиск решений в этом направлении осуществляется нашим военным ведомством уже давно и очень активно. Я ведь вижу, как довольно крупные институты работают именно над этой задачей, и рано или поздно мы с этой стороной применения нашего изделия, конечно, столкнёмся.

«ЗАВТРА» . То есть либо гора придёт к Магомету, либо всё-таки Магомет придёт к горе?

Сергей ЖУРАВЛЁВ. Вот именно. У нас нет антагонизма по отношению к нашей оборонной промышленности, но и опыта взаимодействия с ней тоже нет. Мы вообще - частная команда. Мы даже юридическое лицо специально под этот проект пока не создавали. В общем, у нас была задача - построить двигатель. И мы её выполнили

«ЗАВТРА». А сколько человеко-часов потребовалось, чтобы сделать эту малютку?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Скажем так, от «идеи, нарисованной на салфетке» и до воплощения двигателя в опытном образце прошло два года, что вылилось в напряжённый труд двух десятков людей, хотя, конечно, и не на полном рабочем дне.

«ЗАВТРА» . То есть это достаточно сжатый срок от идеи до образца.

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Я считаю, что сегодня производственные компетенции можно обретать очень быстро. Для этого достаточно доступа к источникам технологических знаний и мотивированной, слаженной команды. Сама же высокотехнологическая продукция не является сегодня каким-то табуированным знанием, к которому могут прикасаться только суперпрофессионалы, «избранные или специально обученные люди», как иногда в шутку говорят. Всё в инновациях создаётся поиском, мозговыми штурмами, оценками, перебором вариантов. Это очень непростой процесс, и тут на первый план выходит мотивация.

«ЗАВТРА» . Есть мнение, что сейчас инновационное производство построить гораздо легче, чем даже 20 лет тому назад. Например, я слышал, что тот завод, который Советский Союз по АФАР-радарам для своих военных самолётов строил целое десятилетие, сегодня можно за полтора года собрать прямо в чистом поле - и это не будет каким-то стахановским подвигом. Насколько это правда?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Россия и Советский Союз всегда славились прежде всего способностью к мобилизации, к производству невероятного за очень короткие сроки. Поэтому, конечно, даже советские стройки уже были примером высочайших темпов освоения новых технологий и нового знания - и атомный, и космический проект, и менее «громкие» вещи, которые тоже всегда были на мировом уровне. С другой стороны, нынешние технологии в самом деле при желании позволяют производственнику буквально «прыгать через ступеньки», создавая в ещё более сжатые сроки совершенно новые изделия, часто основанные на новых, уникальных подходах. Нынешнее время - настоящая эпоха возможностей для думающих, активных людей. Настоящее «время мечты».

«ЗАВТРА» . Касательно вашей мечты хотел задать вопрос. Мы начали наш разговор с «дома будущего». Я тоже истовый фанат будущего, поскольку прекрасно понимаю, что без движения вперёд любое общество медленно сползает назад. Ваше мнение: что общество получит от сегодняшних инноваций, таких, как ваша микротурбина или концепция автономного дома?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Если говорить о мечте или о нашей философии, то я считаю, что любой проект должен исходить из чётких философских оснований, из ясного видения будущего мира, в котором твой проект является важным, критическим элементом. Иначе будешь всю жизнь думать об «инновационной расчёске для волос». Я условно говорю, подчёркивая, что сегодня часто люди пытаются сделать бесполезные вещи, не обижая ни в коем случае разработчиков новых вариантов расчёсок. Просто мне это не интересно, новые расчёски наш мир не изменят. Например, если уж мы строим автономный энергоизбыточный дом, надо себе сказать, что он ничем не привязан к земле, кроме фундамента.

«ЗАВТРА» . То есть захотели в Карелию - полетели в Карелию. Захотели на южный берег Крыма - полетели на южный берег Крыма?

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Да, ровно об этом речь: дом должен в некоем идеальном образе будущего стать и вашим транспортным средством. Ничего нереального в этом нет. Но это, конечно, уже совсем другая история, которую не стоит сразу привязывать к нашей скромной микротурбине. Она может стать не более чем маленьким шажком к такому образу будущего.

«ЗАВТРА» . Сергей, большое спасибо за беседу. Я надеюсь, может быть, через два года, может, уже через год увидеть энергетическую установку с вашим «сердцем» - крошечным турбореактивным двигателем, микротурбиной. Пусть даже под грифом «секретно», в виде сообщения, что где-то в России начаты испытания нового БПЛА для нужд Минобороны, с «инновационным турбореактивным двигателем». И, конечно, желаю, чтобы вы не потеряли энтузиазма на длинном пути к вашей мечте.

Сергей ЖУРАВЛЁВ . Энтузиазма точно не потеряем. Надеюсь, его хватит надолго. Как всегда говорят, были бы деньги - было бы и счастье. Но, тем не менее - и находим, и делаем, и сделаем.

Материал подготовил Алексей АНПИЛОГОВ

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

Рис.5.5. Общий вид микротурбинной установки ТА-100 RCHP:

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

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

Показатели	Размерность	Величина
Электрическая мощность	кВт
Тепловая мощность (ГВС/отопление) (49/60) (70/95)	кВт	172 / 160
КПД электрический	%
КПД полный	%	> 75 (%)
Величина тока при нагрузке 100 %	А
Максимальное значение тока (перегрузка) в течение 5 секунд	А
Расход газа в режиме номинальной мощности	нм 3 /ч	39/34
Длина (в помещении /нар. исп)	мм	3111,5 / 3316,5
Ширина (в помещении /нар. исп)	мм	917 / 917
Окончание табл. 5.2
Высота (в помещении /нар. исп)	мм	2123 / 2250
Масса (в помещении /нар. исп)	кг	1814 / 2040
Тип электрического генератора	высокооборотный, с двумя постоянными магнитами
Частота вращения ротора	об/мин
Расход воздухагазотурбинного агрегата	кг/с
Максимальное аэродинамическое сопротивле- ние выхлопного тракта	Па
Расход воздуха на охлаждение силовой электроники	нм 3 /с	0,38
Расход воздуха на охлаждение масляной системы, котла-утилизатора и дожимного компрессора	нм 3 /с	0,755
Максимальное аэродинамическое сопротив- ление присоединяемого газохода выхлопных газов	Па
Максимальное аэродинамическое сопротив- ление присоединяемого воздуховода для отвода охлаждающего воздуха от масляно-воздушного радиатора и котла-утилизатора	Па
Максимальное аэродинамическое сопротив- ление присоединяемого воздуховода для отвода охлаждающего воздуха от силовой электроники и дожимного компрессора	Па
Избыточное давление газа на входе в дожимной компрессор	кПа	от 0,5 до 35
Объём масляного бака	л
Температура выхлопных газов на входе в котел-утилизатор	°С
Температура выхлопных газов на выходе из котла-утилизатора	°С
Температура воды на входе в котел-утилизатор	°С
Температура воды на выходе из котла-утилизатора	°С

Характеристики	AMT Olympus	ТРД с ЦБК
Диаметр ДУ (мм) Длина ДУ (мм) Диаметр компрессора (мм) Диаметр турбины (мм) Частота вращения (об/мин) Степень сжатия Расход топлива (мл/мин) Массовый расход воздуха (кг/с)

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.