Современные подходы к исследовательским работам при создании микротурбинных энергетических комплексов

Исторически сложилось, что область приме­нения газотурбинных двигателей (ГТД) была ограничена авиацией и корабельными сило­выми установками. Причиной явилось то, что по удельным массогабаритным показателям ГТД значительно превосходят поршневые ма­шины. Так, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют удельный вес 0,54...0,67 кг на 1 кВт, а ГТД - 0,1.0,14 кг на 1 кВт. Относи­тельно термодинамики различие в эффектив­ности этих машин незначительно. Величины КПД ДВС достигли значений 50 %, эффектив­ность современных ГТД в простом цикле уже превысила 40 %, а КПД парогазовых устано­вок превысил 60 %. Последние характеристи­ки не вполне правомерны для двигателей ряда малых мощностей - от единиц до нескольких сотен киловатт. Эффективность таких дви­гателей значительно ниже. Так, КПД у боль­шинства выпускаемых в мире ГТД простого цикла мощностью до 100 кВт не превышает 11 %, а у ДВС может превышать 34 %. По этой причине применение ГТД малой мощности (ГТДМ) можно считать целесообразным в тех областях, где определяющее значение имеют массогабаритные характеристики или другие специфические свойства этих двигателей, на­пример снижение эксплуатационных затрат вследствие возможного отсутствия маслосистемы. Массогабаритные характеристики, осо­бенности пуска и работы определили широкое применение ГТДМ в качестве вспомогатель­ных силовых установок (ВСУ) в авиации, раз­личных транспортных средствах специально­го назначения. Однако использование ГТДМ в локальной энергетике в значительной степени ограничивает большой расход топлива, явля­ющийся производной низкого КПД. Предпри­нятые попытки модернизации существующих ВСУ с целью повышения КПД обеспечили к началу XXI в. появление на газотурбинном рынке небольших энергетических установок с КПД 34 %, приведенных в таблице.

Увеличение КПД ГТДМ является след­ствием усложнения цикла ввиду применения рекуперации тепла выхлопных газов. Новые показатели экономичности ГТДМ обеспечили значительный рост продаж энергетических установок с такими двигателями. Так, за по­следние пять лет фирма Capstone (США) по­ставила в Россию несколько тысяч энергетических установок с ГТД комбинированного цикла мощностью 30, 60 и 200 кВт. Покупа­тели отдали предпочтение установкам с большим ресурсом, работающим без особого шума, вибрации и, что особенно важно, без исполь­зования масла в подшипниках опор ротора турбогенератора и самого ГТД. Можно ожи­дать еще больший коммерческий успех таких установок, если их КПД превысит аналогич­ный показатель установок с ДВС.

Высокоэффективные энергетические уста­новки с ГТДМ широко применяются в системах автономного энергоснабжения (САЭС), а также резервные и аварийные системы. Значительное количество САЭС в России используется для энергоснабжения удаленных, не имеющих цен­трализованного энергообеспечения объектов (связных, радиолокационных станций и т. д.). Большое количество таких объектов обуслов­лено значительностью территории России, включающей труднодоступные места Арктики и Крайнего Севера. Климатические условия их эксплуатации определяют преимущества при­менения ГТДМ в САЭС.

Ввиду сказанного выше стоит отметить наличие в России большого спроса на высоко­эффективные газотурбинные САЭС. С целью ликвидации дефицита таких САЭС в 2016 г. на одном из ведущих производителей радиолока­ционных станций (РЛС) и радиолокационных комплексов (РЛК) Научно-производственном объединении «Лианозовский электромехани­ческий завод» (НПО «ЛЭМЗ») начались рабо­ты по созданию высокоэффективного ГТДМ. При участии специалистов Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН) создан научно-производственный центр «САЭС» (НПЦ «САЭС»), которому была пору­чена разработка таких двигателей. За короткое время в НПЦ «САЭС» была разработана до­кументация на ГТД мощностью 30 кВт. Тех­нические характеристики предполагаемых к выпуску отечественных машин закладывались в проект заметно выше, чем у зарубежных про­тотипов (см. таблицу).

Оправданно ли это и каковы объектив­ные возможности повышения эффективно­сти ГТДМ? На основе имеющегося опыта и данных современных газотермодинамических исследований можно заключить, что вероят­ность достижения поставленной цели доволь­но высока.

Стратегическим направлением в реше­нии задачи повышения топливной экономич­ности для ГТД большой мощности является повышение температуры цикла. Однако в от­личие от ГТД большой мощности с развиты­ми системами охлаждения в ГТДМ, особенно регенеративных, при отсутствии прорывных решений по жаростойким и жаропрочным материалам повышение температуры цикла ма­лоэффективно. Определенные возможности повышения топливной экономичности, осо­бенно КПД на частичных нагрузках, связаны с совершенствованием схемных решений и оп­тимизацией термодинамического цикла [1, 2].

Анализ резервов повышения эффектив­ности ГТДМ показывает, что наиболее суще­ственное влияние на КПД оказывает газодина­мическое совершенствование основных узлов проточной части - гидравлического сопротив­ления патрубков и эффективности лопаточ­ных машин (компрессора и турбины). В совре­менных регенеративных ГТД из-за больших гидравлических потерь в патрубках и несо­вершенства процессов сжатия и расширения теряется до трети КПД. Так, политропический КПД процесса сжатия в реальных ГТДМ составляет около 82 % [3], что приводит к сни­жению КПД их реального цикла относительно идеального на 15.20 %. Политропический КПД процесса расширения находится на уров­не 83,5 % [3], что дополнительно снижает КПД машин на 15.20 % (также относительно иде­ального цикла). Гидравлические сопротивле­ния в тракте ГТДМ приводят к фатальному па­дению КПД в зоне малых удельных мощностей (где степень повышения давления меньше 2), а в области максимальной удельной мощности к снижению на 15.20 % [4].

Высокая эффективность во вновь созда­ваемых ГТД может быть реализована путем применения современных методик проектиро­вания с использованием средств вычислительной гидродинамики (англ. Computational fluid dynamics, CFD). Современные достижения во многих областях высоких технологий открыва­ют новые горизонты для исследовательской и инженерной работы. Есть основания полагать, что существенная доля обозначенного здесь резерва повышения экономичности в новом ГТДМ будет реализована.

Разработки в НПЦ «САЭС» служат сви­детельством того, что минимизация гидрав­лических потерь по результатам 3D газодина­мических расчетов при оптимизации камеры сгорания, регенератора и особенно соедини­тельных каналов в общей компоновке ГТДМ могут обеспечить рост КПД ГТДМ в целом как минимум на 5...6 % (относительных). Согласно полученным показателям и имеющимся резер­вам, с учетом повышения степени регенерации на 5.6 % можно ожидать, что КПД нового поколения ГТДМ по пессимистической оценке составит 37 %, а по оптимистической - 42 %. Эти цифры существенно превышают индекс эффективности ГТДМ, представленных на со­временном рынке (см. таблицу) и превосходят или, по крайней мере, не уступают показате­лям лучших газопоршневых машин. При та­ких характеристиках с учетом более высокого уровня надежности и при увеличенных сроках необслуживаемой эксплуатации ГТДМ могут занять лидирующую позицию в автономной и распределенной энергетике, особенно в арктических условиях. И даже в районах с цен­трализованным энергоснабжением, учитывая потери энергии при транспортировке на боль­шие расстояния, энергетические установки с новыми высокоэффективными ГТДМ во мно­гих случаях могут оказаться вполне конкурен­тоспособными.

За 2017 г. в НПЦ «САЭС» был разрабо­тан высокоэффективный ГТДМ и выполнен ряд обеспечительных технологических меро­приятий. Разработаны новые технологические приемы, обеспечивающие проектирование, из­готовление и испытания определяющих узлов ГТДМ. Так, стенды центра позволяют прово­дить исследовательские и доводочные работы как на ГТДМ, так и на отдельных его узлах: камере сгорания, рекуператоре (теплообмен­нике), подшипниках, топливной аппаратуре, патрубках и лопаточных машинах. Введен в строй стенд для испытаний газотурбинных САЭС малой мощности. Стенд обеспечивает проведение предварительных и приемочных испытаний САЭС, а также предназначен для проведения комплексных исследовательских работ на агрегатах двигателя и САЭС в целом, в том числе на системах преобразования элек­троэнергии и автоматического регулирования. Стенд и вспомогательные системы оснащены современным комплексом измерений, позволя­ющим с высокой точностью осуществлять за­меры широкого спектра требуемых параметров (температур, давлений, расходов, мощностей, частот, химических составляющих, электриче­ских и магнитных полей).

САЭС может работать на жидком или га­зообразном топливе. Вырабатываемая электро­энергия отдается в общую сеть либо тратится на регулируемые активные нагрузки. Стенд ос­нащен мобильной системой сбора и обработ­ки информации (ССОИ), используя которую можно оперативно в соответствии с програм­мой испытаний менять карту замеров, а также в случае необходимости использовать ССОИ на других испытательных и исследовательских стендах. ССОИ позволяет задействовать од­новременно не менее 150 измерительных ка­налов. Предусмотрена возможность развития ССОИ в части наращивания номенклатуры и количества измерительных и управляющих каналов.

Используя метод CFD в проектировании, можно создавать более эффективные компрес­соры и турбины. Однако сложность газодина­мических процессов в лопаточных машинах при их проектировании не позволяет пола­гаться только на расчетные данные. Резуль­таты расчетов необходимо верифицировать с результатами физических экспериментов на материальных объектах - макетах и опытных образцах разрабатываемых изделий. Работа с материальными объектами дает наибольшую достоверность в сравнении с расчетными ис­следованиями на виртуальных моделях.

Однако изготовление технического обо­рудования для таких работ - материально энер­гозатратный процесс. Конфигурация иссле­дуемых деталей лопаточных машин сложна. В их серийном производстве используется дорогостоящая оснастка для обеспечения не­обходимого качества изготовления. В случае когда требуется несколько опытных образцов, использовать оснастку экономически нецеле­сообразно. А без нее качество продукта сни­жается, сроки изготовления и себестоимость существенно увеличиваются.

Описанная проблема инициировала но­вое технологическое направление, получив­шее название «быстрое прототипирование», в котором наиболее широко применяются аддитивные технологии. В настоящее время по­явилось большое количество 3D-принтеров, использующих широкий спектр материалов и имеющих различные принципы действия и большой стоимостной диапазон от так называ­емых бытовых до уникальных комплексов вы­ращивания крупногабаритных жаропрочных деталей. Теперь 3D-принтеры рассматривают­ся как составная часть основного технологи­ческого процесса изготовления товарной про­дукции в технологиях ремонта ответственных изделий, например лопаток газовых турбин. Однако изготовление деталей из металличе­ских материалов на 3D-принтерах - дорогосто­ящий процесс. Печатать детали из пластмасс существенно дешевле, но их прочность сильно уступает деталям, напечатанным из металла.

С учетом этих аспектов при активизации научно-исследовательских и опытно-конструк­торских работ (НИОКР), направленных на совершенствование малоразмерных лопаточных машин, был разработан метод организа­ции экспериментальных работ, позволяющий кардинально сократить сроки их проведения. Предпосылками к разработке нового метода стали возможности аддитивных технологий. Этот метод предназначен в первую очередь для изготовления пластмассовых макетов и обеспечивает достаточность имеющихся проч­ностных характеристик за счет формирования соответствующих условий работы в экспери­ментах.

Для создания таких условий испытаний ОИВТ РАН совместно с НПО «ЛЭМЗ» был разработан уникальный газодинамический стенд. При его создании были установлены основные технические требования:

• соответствие натурных геометрических размеров испытываемого объекта или его пол­ное геометрическое подобие с небольшими коэффициентами масштабирования;
• обеспечение подобия объекта по крите­риям Маха и Рейнольдса;
• наличие возможности испытывать пласт­массовые макеты.

Создание такого газодинамического стен­да позволило обеспечить реализацию новой технологии исследования лопаточных машин.

Эта технология включает испытания лопаточ­ных машин в виде макетов, которые можно изготовить быстро из недорогих материалов. При этом учитываются следующие факторы.

При повышении температуры макета выше 100 °С пластмассы резко снижают свои прочностные свойства. По этой причине тем­пературы на новом стенде должны быть смоделированы так, чтобы ни на каких испыты­ваемых режимах температура газового потока не превышала 100 °С. Предел прочности до­ступных пластмасс в 10-20 раз ниже предела прочности используемых в ГТД сплавов (мень­шее значение относится к легким сплавам, а большее - к высокопрочным). Для лопаточных машин характерно, что наиболее нагружен­ными являются роторные детали, а главным фактором, вызывающим механические напря­жения, - центробежные силы. Напряжения от центробежных сил, как известно, пропор­циональны плотности материала и квадра­ту частоты вращения. Плотность пластмассы почти в 3 раза меньше плотности легких спла­вов и в 8 раз меньше плотности высокопроч­ных сталей, поэтому для сохранения запасов прочности в модельных условиях необходимо понизить частоту вращения приблизительно в 2 раза соответственно. Если при этом соблю­дено геометрическое подобие, в 2 раза умень­шатся все скорости. Известно, что в критерий Маха входят скорость в первой степени и температура в степени 0,5. Таким образом, при уменьшении частоты вращения в 2 раза обе­спечить сохранение критерия Маха можно за счет снижения температуры в 4 раза. Критерий Рейнольдса также включает скорость в первой степени. Для его сохранения уменьшение ско­рости можно компенсировать за счет снижения давления [5].

На основе теоретических и практических предпосылок, приведенных выше, был создан стенд для газодинамических исследований на материальных макетах разрабатываемых мало­размерных лопаточных машин из пластмассы (рис. 1).

На стенде можно испытывать макеты турбомашин натурных геометрических разме­ров. При этом допускается исследовать ком­прессоры с приведенным расходом до 1 кг/с, а также турбины с расходным комплексом  = 0,4 (кг⁄с·√K)/кПа, который определяется по формуле

где G - расход;

T - температура на входе в турбину;

P - давление на входе в турбину.

При этом необходимо обеспечить воз­можность использовать макеты натурных гео­метрических размеров. Ключевые элемен­ты стенда - вакуумирующая и охлаждающая системы, создающие необходимые условия моделирования. Вакуумирующая система обеспечивает энергией исследуемые газоди­намические процессы стенда. Ее характери­стики выбраны таким образом, чтобы обеспе­чивать возможность проведения испытаний макетов компрессоров и турбин с сохранением геометрической идентичности при номинальном расходе рабочего тела до 1 кг/с и степени повышения давления до 7,5 или его пониже­ния до 7. Охлаждающая система обеспечивает температуру рабочего тела (воздуха) стенда в криогенных пределах (80.90 K). Для этого используется жидкий азот. Система утилиза­ции холода позволяет проводить исследование в течение часа, расход жидкого азота при этом составляет 40 л/ч.

Воздух газодинамического стенда необ­ходимо охлаждать до криогенных температур. В связи с этим возникла проблема, связанная с наличием в воздухе компонент, конденсиру­ющихся при крайне низких температурах (на­пример, водяной пар, углекислый газ и др.). Конденсация этих компонент чревата двумя негативными последствиями. Во-первых, в этом случае переход происходит в твердую фазу, следовательно, твердая фаза будет нака­пливаться и со временем перекрывать каналы. Во-вторых, фазовые переходы в исследуемых газодинамических процессах могут исказить результаты исследования. Для того чтобы вли­яние фазовых переходов было пренебрежимо мало, наличие конденсирующихся компонент должно измеряться миллионными долями. Для обеспечения приемлемой концентрации конденсирующихся компонент рабочее тело в газодинамическом стенде проходит предва­рительную подготовку по осушке. На данном этапе используются закольцованная систе­ма перекачки воздуха с полной изоляцией от окружающей среды и система полузакрытая, где массообмен с окружающей средой сведен к минимуму.

Основная концепция стенда - это макси­мальное сокращение сроков подготовки испы­таний. На этапе подготовки испытаний помимо объекта исследования необходимо изготовить оборудование, согласовывающее этот объект со стационарным стендовым оборудованием (рамой, трансмиссией, приводом, нагрузочным устройством). Изготовление этой материаль­ной части может быть не менее длительным и трудоемким, чем изготовление самого объек­та исследования, поэтому значительная часть стендового оборудования изготавливается ме­тодами быстрого прототипирования. С этой це­лью стационарное стендовое оборудование по механической части полностью отсоединено от объекта исследования. Все энергетические по­токи от стационарного оборудования к объекту исследования передаются через газодинамиче­ские связи и технологические компоненты, из­готовленные так же, как исследуемый объект.

Для изготовления макетов из пластика в НПЦ «САЭС» был собран 3D-принтер. На­личие уникального газодинамического стенда обеспечивало достоверность полученных результатов испытаний пластмассовых макетов во всем требуемом диапазоне работы натурных объектов в создаваемом ГТДМ.

Отметим, что еще одним важнейшим пре­имуществом пластмассовых макетов является возможность применять прозрачную пластмас­су, что позволяет визуализировать поток и на­блюдать особенности течения. Для реализации визуализации экспериментов в испытательном боксе газодинамического стенда есть смотро­вые окна и предусмотрена установка видеока­мер для сверхскоростной видеосъемки.

При создании стенда большое внимание было уделено ССОИ. Были спроектированы и изготовлены специальные мобильные кон­тейнеры, в которых датчики-преобразователи первичных сигналов собраны по схожим функ­циональным группам (рис. 2).

В одном контейнере датчиков-преобра­зователей давления располагается до 16 легко­съемных модулей, каждый из которых содер­жит датчик-преобразователь и пневматический переключатель. Пневматические переключа­тели имеют четыре положения. Каждый дат­чик-преобразователь в процессе испытаний может быть переключен на одну из трех импульсных трасс, подведенных к модулю или на ресивер с тестовым давлением. Таким образом обслуживается в 3 раза больше измерительных каналов по сравнению с числом датчиков-пре­образователей. Тестирование измерительных каналов можно проводить непосредственно в процессе испытаний. Переключения выполня­ются по команде оператора или автоматически по заложенной программе испытаний.

Составной частью контейнера являют­ся также четыре ресивера, первый из которых пополняется сжатым воздухом от внешнего источника. Этот воздух используется в системе управления пневматическими переключателя­ми и для создания трех регулируемых диапазо­нов тестового давления в трех оставшихся реси­верах. Тестовые давления задаются оператором или автоматически в соответствии с програм­мой испытаний. Для обеспечения заданных те­стовых давлений есть три регулятора давления, по одному на каждый регулируемый ресивер.

В рассматриваемой НИОКР для постро­ения ССОИ используется программируемый контроллер автоматизации, представляющий собой многофункциональную систему управ­ления и сбора данных. Данная система раз­работана для задач, требующих высокой про­изводительности и надежности проводимых измерений. В состав системы входят:

• контроллер с операционной системой реального времени (Linux Real-Time);
• программируемая логическая интегра­льная схема (ПЛИС) (параллельная обработка данных на частоте до 40 МГц);
• комплект модулей ввода/вывода сиг­налов;
• панель с портами для подключения VGA, HMI;
• корпус с системой электропитания.

Контроллер реального времени обеспе­чивает детерминированное во времени испол­нение программного кода, что позволяет ре­шать задачи комплексной обработки и анализа собираемой информации.

ССОИ выполняет функции не только сбо­ра и обработки информации, но и управления исполнительными механизмами. Так, в приве­денном примере контейнера датчиков-преобразователей давления система осуществляет управление регуляторами давления и пневмати­ческими переключателями. Кроме этого, в кон­цепцию стенда заложена возможность иссле­дования полей температур и давлений, а также визуализация течений потоков газа. Управление приводами системы траверсирования потока газа и камерами наблюдения замыкается на ССОИ. Гибкая структура ССОИ позволяет в кратчайшие сроки решать вновь возникающие проектно-исследовательские задачи.

В настоящей статье не рассмотрены во­просы повышения КПД ГТДМ при использо­вании эффективного рекуператора, создания экономичных опор скольжения роторов, каме­ры сгорания, топливной системы, систем вос­пламенения, для успешной реализации которых в НПЦ «САЭС» разработаны соответствующие стенды. Отметим, что в НПЦ «САЭС» создается уникальная экспериментально-исследователь­ская база для исследований, поузловой доводки и испытаний элементов газотурбинных модулей малой мощности, которая должна обеспечить их малозатратное и эффективное проектирование. Создание такой базы стало возможным благода­ря консолидации усилий НПО «ЛЭМЗ» и ОИВТ РАН. В то же время привлечение к участию в экспериментах ученых, аспирантов и студен­тов учебных институтов (НИУ «МЭИ», РУДН и МГТУ им. Н. Э. Баумана) создает благоприят­ные условия для дальнейшего инновационного развития работ и обеспечивает активное уча­стие в подготовке высококвалифицированных кадров высоких газотурбинных технологий.