ГАЗОТУРБИННЫЙ СТРУЙНЫЙДВИГАТЕЛЬ

А.В. Локотко

XXIII Семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям Томск 26 – 29 июня 2012 г.

Преимущества газотурбинного двигателя над поршневым:

Высокая удельная мощность; Благоприятные моментные характеристики; Хорошая уравновешенность - отсутствие возвратно

движущихся деталей; Нечувствительность к видам топлива; Хорошие пусковые свойства. Нетребовательность к качеству смазки, больший

ресурс.Недостатки:

Низкая топливная экономичность.

Рабочий цикл ГТДТермический КПД

)./( 00 lHL

QQ

u

eet

Повышение температуры газов перед турбиной на 50 увеличивает значение ŋt на 2% [Р.М. Яблоник]

1

11 t

σ = pc /pa

)11( 1

zpT TcL

)1(1

apk TcL

Удельная работа турбины

Удельная работа компрессора

СХЕМЫ ТРЕХВАЛЬНЫХ ГТД

Температура в камере сгорания и охлаждение сопел ЖРД (ПРИМЕР)

Окислитель Горючее Температура в камересгорания, °К

Пустотный удельныйимпульс, с

Кислород Водород 3250 428Керосин 3755 335Несимметричный диметилгидразин 3670 344Гидразин 3446 346Аммиак 3070 323

тетраоксид диазота

Керосин 3516 309Несимметричный диметилгидразин

3469 318

Гидразин 3287 322

Фтор Водород 4707 449Гидразин 4775 402Пентаборан 4807 361

А.В. Квасников (с.72) И.И. Кулагин, Эффективный КПД ракетного двигателя сравним с КПДГ.Г. Мебус поршневого двигателя

Прототип: В.Г. Некрасов

Комбинированный силовой агрегатАвтомобильная промышленность, 1996, № 11, 1997, № 1

)1(2. )1(

оптк

Оптимальная степень сжатия для достижения максимальной экономичности при заданном :

= Th / T1 = 288 / 2300 = 0,1252

– отношение температуры на входе Th к температуре в камере сгорания перед сопловым аппаратом турбины T1 ;

σк.опт 38

СХЕМА СТРУЙНОГО ГТД

Газодинамический расчет проточного тракта двигателяИсходя из заданных мощности и типичного КПД теплового двигателя т 40% находятся расходы топлива gт и воздуха (G).

Задаются температура горения и степень сжатия компрессора. (T1= 2300K, σ = 20) Определяются:

коэффициент полезной работы

скорость истечения из сопла (критическая)

кинетическая энергия струй

площадь критического сечения сопел

суммарная сила тяги сопел

мощность истекающих струй N1 = Рc1Cс1 = E1

окружная скорость сопел

число оборотов ротора

неиспользованная кинетическая энергия струй E(1) = G (Wкр1 - Cc1)2

понижение температуры в процессе истечения

давление в пространстве истечения струй

1

1

к

11 12 RTWкр

2

2

1GWEc

1

11 389,0 P

TGSc

Pс1 = p0c1 Fc1 f() – p2Fc1

1

11

cc P

NС

GcNTTp

112

1)(2

1

12

TTpp

1

11

60dСn c

т

k

ll

1

utт HNg

Термический кпд идеального циклакс

выхлксt T

TT

)1(1

)1()11(

m

k

m

kmт

t

Термический кпд реального цикла

t = 0,467

ŋт = 0,9, ŋк = 0,86.

Полезная мощность = сумма мощностей 2 – 4 ступеней: 35,64 + 29,99 + 25,2 = 90,83 кВт Расход воздуха: G = 0,11 кГ/с;Температура горения: Тz = 2300K;Удельный расход топлива: g = 0,258 кг/кВтчас = 0,19 кг/л. с. час;

Параметр 1 ступень 2 ступень 3 ступень 4 ступень(кам. сгор.)

Температура К 2300 1935 1628 1370Давление, ата 20 10,7 5,7 3,0Скорость истечения, м/с 870 805,0 738,4 677,4Мощность ступени, кВт 41,6 35,64 29,99 25,2Площадь крит. сеч. сумм., см2 0,678 1,162 2,00 3,432Диаметр одного сопла, мм 4,64 6,1 8,0 10,5Импульс струй, Н 167,3 153,2 149,8 129,2Сила тяги сопл, Н 95,55 88,2 82,03 74,68Отношение: тяга/импульс 0,575 0,576 0,582 0,578Диаметр окружности сопел, м 0,25 0,30 0,35 0,40Окружная скорость м/сек 435,7 336,6 261,4 211,3Число оборотов 1/мин 33063 25717 19969 16142

Результаты газодинамического расчета

Остаточные параметры газа за четвертой ступенью: температура Tвыхл = 1152К, давление 1,62 ата.

t = 0,473

Расчет компрессора

1 ступень 2 ступень 3 ступень 4 ступень

1 Т1 2 Т2 3 Т3 4 Т4

3,14 399,42 2,36 510,84 1,99 622,26 1,78 733,68

Удельная работа:

Мощность:

)1(1

hpк Tcl

Nк = lк Gв

Степень сжатия ступени:

Температура после ступени:

1

11 )1(

ТсG

N

зв

ст

1

112 )(

ТТ

Расчет проводится при равенстве адиабатических работ сжатия в каждой ступени

Суммарная степень сжатия: = 1234 = 3,142,361,991,78 = 26,25.

Мощность на привод компрессора = 44,9 кВт

Расчетные параметры

1 2 3 4

677.4

738.4

805.0

877.6

Ступени

Скорость струи м/с

1 2 3 41200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

Ступени

Температура 0К

1 2 3 4--

25,2

29,99

35,64

42,36

Ступени

Мощность квт

1 2 3 4

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Ступени

Давление кг/см2

1 2 3 4

13,18

14,37

15,63

17,07

Ступени

Импульс сопл кгс

Порядок теплового расчета КС

lNu 4.08.0 PrRe023,0

LNu

WD

Re

pCPr

Расчет выполняется в критериальной форме:

Коэффициент теплоотдачи от горячих газов к стенке камеры сгорания:

градмВтградсекм

ккалDNu 2

21

1 /1,4000958,0

Теплоотдача при течении расплавленных металлов в трубах,

определяемая числом Нуссельта, зависит от числа Пекле (Pe)

Жаропрочные сплавы для роторов: на основе ниобия ВН2А, молибдена ЦМ3, вольфрама ВВ2 - сохраняют прочность до 1200С; для камеры сгорания – бронзовые сплавы.Жаростойкие керамики: нитрид бора и карбид вольфрама допускают температуру до 3000С.

Nu = a + bPe auLPe

Pe 1000 Nu = 14 U =0,25 м/сек

Коэффициент теплоотдачи к металлу: 2 = 3000 Вт/м2 град Давление в жидкости p, возникающее при вращении КС за счет центробежной силы 22 rp

При разности температур в “горячей” и “холодной” полостях рубашки охлаждения 100С, перепад давления составит Δр = 4,7 МПа

Температура жидкометаллического теплоносителя: Тср2 = 608С

при условии, что площадь сброса тепла = 10 (площадь поверхности камеры сгорания)

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ1. Р. М. Яблоник. Газотурбинные установки. М.: Машгиз. 1959. 408 с.2. Ред. Г. Ю. Степанов. Танковые силовые установки. М.: Воениздат. 1991. 380 с.3. Е. С. Щетинков. Физика горения газов. М.: Наука. 1965. 739 с.4. А. Сударев, В. Тихоплав, Г. Шишов, В. Катенев. Высокотемпературные двигатели с применением высокотемпературной керамики. Журнал «Газотурбинные технологии» № 3, 2000. 5. Г .Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Наука. 1969. 824 с.6. И. И. Кулагин. Теория авиационных газотурбинных двигателей. М.: Гос. издательство оборонной промышленности. 1955. 408 с.7. А. В. Квасников. Теория жидкостных ракетных двигателей. Л.: Судпромгиз. 1959. 541 с.8. Интернет: nttp://www/splav.kharkov.com9. Интернет: nttp://www.chemport.ru/chemical encyclopedia article 488.html10. В. С. Жуковский. Основы теории теплопередачи. Л.: Энергия. 1969. 224 с.11. С. С. Кутателадзе и В. М. Боришанский. Справочник по теплопередаче. М.:, Л.: Гос. энергетич. из- во. 1959. 414 с.12. Б. В. Раушенбах, С. А. Белый, И. В. Беспалов, В. Я. Бородачев, М. С. Волынский, А. Г. Прудников. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение. 1964. 526 с.13. М. П. Вукалович, И. И. Новиков Техническая термодинамика. М.:, Л.: Гос. энергетическое изд-во. 1962. 304 с.14. Н. Б. Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Гос. изд-во физико-математической литературы. 1963. 708 с.15. Боришанский В. М., Кутателадзе С. С., Новиков И. И., Федынский О. С. Жидкометаллические теплоносители. Изд. 3-е. М.: Атомиздат, 1976. 328 с.16. Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов, О. В. Байбаков, Ю. Л. Кирилловский Гидравлика гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.17. В. Г. Некрасов. Комбинированный силовой агрегат: АГТД + маховик.// Автомобильная промышленность, 1996, № 11, 1997, № 1. - прототип;18. Патент RU № 2052145, МПК G01M 9/00.Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе и газотурбинный двигатель (варианты) А. М. Рахмаилов.19. Патент 200500025 МПК F02C 3/32 Способ преобразования энергии и струйный двигатель для его осуществления. Б. М. Кондрашов

Опыт прежних разработок, предшествующих струйному ГТД

Патент RU 2339928C1 G01M 9/08 Локотко А.В.

Газогенератор р 20МПа, Т :600С

M 8

ЗАКЛЮЧЕНИЕРасчетные оценки показывают, что предложенный газотурбинный струйный двигатель обладает повышенной экономичностью, сравнимой с экономичностью поршневых ДВС.

Двигатель является «остро настроенным» на расчетный режим работы, поэтому его применение, по-видимому, наиболее целесообразно в условиях постоянной нагрузки, например, на автомобилях гибридных схем – для заряда аккумуляторов, или на маломерных судах - в качестве судового двигателя.

Изложенная концепция ГТД защищена: патентом РФ на изобретениеПатент RU 2441998 C1 ГАЗОТУРБИННЫЙ СТРУЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. А.В. Локотко.Патентом на полезную модель Германии: Deutsche Patentanmeldung Mr. 20 2012 102 965.0 – IPC F23R 3/42, Bezeichnung Gastyrbinenstrahimotor, Gebrauchsmusterinhabar Lokotko, Anatolij V., RU, Tag der Anmeldung 07.08.2012, Tag der Eintragung 04.09.2012. Описание опубликовано по адресу: http://depatisnet.dpma.de

Автор ищет возможности взаимовыгодного сотрудничества с заинтересованными лицами с целью создания и экспериментального исследования опытного образца двигателя. Возможная база для развертывания этих работ – Институт теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН).

Характеристики некоторых двигателей сопоставимой мощностиТехнические характеристики газотурбинного двигателя ГТД-360

Мощность, кВт 360Удельный расход топлива (газ /ДТ), кг /кВт*ч 0.20 / 0,23Частота вращения выходного вала, об/мин 3000 – 27000Расход воздуха, кг / с 2,0Степень регенерации роторного теплообменника 0,86Габариты, мм 1400 х 900 х 1040Масса, кг 650 - 760

Четырехцилиндровый двигатель М-29 имеет мощность 80 лошадиных сил при весе 55 кг. Межремонтный ресурс составляет 500 летных часов. В качестве топлива на М-29 используется автомобильный бензин АИ-93. Расход топлива на крейсерском режиме полета - 320 граммов на киловатт-час.

Технические характеристики двигателя ГТД-1250Максимальная мощность, кВт (л.с.) 919 (1250)Максимальный крутящий момент, кгс*м 448Габаритная мощность, л.с./м3 1200Масса двигателя, кг 1050Удельный расход топлива, г/л.с.*ч 225Расход масла, л/час не более 0.2Степень сжатия 10.5Ресурс (назначенный), ч. 1000Ресурс (межремонтный), ч. 500Габаритные размеры (длина,высота,ширина), мм 1494,888,1042ГТД-1250 форсирован путем дальнейшего повышения температуры газов до 1340К.

ГТУ мощностью 60 л.с.Расход воздуха кг/с 0,68Степень сжатия 2,75Число оборотов об/мин 40000Температура газов 1120КУдельный расход топлива, кг/л.с.*ч 0,57

• СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Примерные статьи расходов по теме «Струйный ГТД»

Конструкторские работы. 3 чел-год, з.пл. 30 т. р./мес. 30 0,13 = 3,9 + 30 = 33,9 0,302 = 10,24 + 33,9 = 44, 14 3 = 132,4 12 = 1589 т. руб./год.Материалы: - хромистая бронза, прокат 100 кг 1700 руб./кг = 170000 руб.- легированн. жаропрочные стали 300 кг 260 руб./кг = 78000 руб.- металлокерамика для лабиринтных уплотнений;- кварцевое стекло.Изготовление отдельных макетов двигателя и двигателя в сборе.Покупное оборудование: Тормозной стенд (Санкт-Петербург) 10 мл. руб.Накладные расходы (25% от стоимости работ) + оплата помещений.Примерные затраты 25000 т. руб.

Предварительный план исследований опытного образца двигателя и его элементовПродувка КС сжатым воздухом от магистрали с измерением силовых характеристик;Исследование условий воспламенения и стабилизации пламени во вращающейся КС при работе на водороде;

Определение расходно-тяговых характеристик вращающейся КС в зависимости от температуры;Исследование восстановления импульса струй и трения в междисковых пространствах;Исследование процесса теплопередачи в рубашке охлаждения с жидкометаллическим теплоносителем;Ресурсные испытания.