Топлива для газотурбинных двигателей: Альтернативное топливо для газотурбинных двигателей класса малой мощности

Альтернативное топливо для газотурбинных двигателей класса малой мощности

Е.М.Синкевич – компания OPRA Turbines

Целесообразность производства и использования альтернативных видов топлива заключается не только в экономии природных ресурсов, но это также и возможность утилизации органических отходов различных отраслей промышленности, деревообработки, сельского хозяйства и т.д.

Cегодня на рынке энергоресурсов ведущие позиции занимают природный газ и нефтепродукты. Эти виды топлива наиболее эффективны в связи с высокой теплотой сгорания, а также с удобством их использования. Однако запасы нефти и газа весьма ограничены. С учетом текущего уровня потребления, этих ресурсов, по оценкам экспертов, хватит не более чем на 50–70 лет. Кроме того, цены на них постоянно растут: только за последние 10 лет цена на нефть в среднем поднялась с $36 до $115 за баррель. Эти цифры говорят о том, что необходимо экономить нефтегазовые ресурсы и рационально развивать технологии, связанные с производством альтернативных видов топлива.

Целесообразность производства альтернативного топлива заключается не только в экономии природных энергоресурсов – это также и возможность утилизации органических промышленных отходов угля, пластика, резинотехнических изделий, отходов деревообрабатывающей отрасли и сельского хозяйства. Одним из наиболее перспективных видов утилизации отходов является сухой пиролиз – термическое разложение органических соединений без доступа кислорода. В результате процесса пиролиза получают химическое сырье или топливо.
Биотопливо, получаемое из сырья животного или растительного происхождения, – один из видов альтернативного топлива. Путем быстрого пиролиза древесины получают пиролизные масла, практически не содержащие минералов и серы и пригодные для использования в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Такое топливо удобно хранить и легко транспортировать.
Однако необходимо учитывать, что пиролизные масла, получаемые из древесины, значительно уступают по своим характеристикам ископаемым видам топлива. Помимо жидкой фазы, они содержат твердые частицы, обладают высокой вязкостью и низкой теплотворной способностью, теряют химическую стабильность при высоких температурах.
Важное значение в развитии производства биотоплива играет топливно-энергетический баланс, т.е. соотношение затрачиваемой энергии в процессе переработки отходов и эффективность использования полученного биотоплива. Поэтому необходимо не только совершенствовать технологию производства топлива, но и создавать эффективные технологии для его утилизации.
В 2010 году стартовал проект по расширению топливной универсальности газотурбинных установок OP16 компании OPRA Turbines. Целью проекта является разработка топливной системы, способной работать на широком спектре жидкого и газообразного топлива, включая тяжелые пиролизные масла, этанол, биодизель, синтез-газ и биогаз.
OPRA Turbines является ведущим поставщиком на мировом рынке силового оборудования в диапазоне мощности 1…10 МВт для нефтегазовой отрасли, судостроения, промышленных предприятий и коммерческого сектора. В газотурбинных установках компании используются усовершенствованные технологии радиальной конструкции газовой турбины. Именно эта уникальная одновальная, полностью радиальная конструкция ротора ГТД ОР16 позволяет модернизировать двигатель для работы на тяжелых и низкокалорийных видах топлива. конверт на выписку из роддома Проточная часть радиального ГТД обеспечивает высокую эксплуатационную надежность установки и снижает чувствительность двигателя к попаданию в проточную часть мелких твердых частиц, содержащихся в пиролизном топливе.
Проектные работы по совершенствованию топливной системы были разбиты на три этапа.
На первом этапе проводились испытания существующей двухтопливной системы, но с заменой механической форсунки высокого давления, обычно применяемой в данной системе, на пневматическую. В отличие от форсунок высокого давления, она способна работать на топливе с более высокой кинематической вязкостью – порядка 10 сантистокс. Кроме того, пневматическая форсунка не требует использования дополнительного сжатого воздуха или пара, что обычно является обязательным при работе на топливе, близком по свойствам к пиролизному.
При разработке КС для сжигания пиролизного топлива за основу была взята стандартная конфигурация камеры сгорания – 3А, поскольку ее конструкцию можно было легко доработать, с тем чтобы увеличить эффективную площадь и изменить распределение воздуха. Проведенные испытания позволили определить оптимальные параметры работы двигателя на пиролизном топливе.
На втором этапе, после определения опытным путем основных параметров новой камеры сгорания, выполнялось 3D-моделирование, проводились необходимые расчеты для определения окончательной конструкции КС.
В настоящее время проект находится на стадии стендовых испытаний опытного образца. В ходе испытаний в качестве топлива используются дизель №2, этанол и пиролизное масло на основе древесины хвойных пород. Свойства пиролизного масла приведены в табл.
Цель испытаний – достигнуть стабильного горения при работе на 100 %-м пиролизном масле в диапазоне нагрузки от 70 до 100 %. На настоящий момент получен положительный результат при работе на топливной смеси, в составе которой 80 % пиролизного масла и 20 % этанола. Для достижения заданной цели требуются некоторые доработки пневматической форсунки и системы подачи топлива. Сейчас над этим активно работают специалисты компании OPRA Turbines.
На текущий год запланирован третий этап проектных работ – испытание топливной системы на двигателе и внедрение ее в эксплуатацию. Несмотря на значительное отличие в конструкции существующих топливных систем двигателя ОР16 и новой камеры сгорания, внедрение ее в эксплуатацию не потребует никаких изменений в конструкции ГТД, а ограничится лишь незначительными доработками пэкиджа установки.
Внедрение новой системы, позволяющей работать на альтернативных видах топлива, не станет заключительным этапом модернизации топливной системы газотурбинной установки OP16. Будут проводиться испытания новой камеры сгорания на низкокалорийном газе с низшей теплотворной способностью – до 10 МДж/кг. Весь комплекс работ по испытаниям и доводке новой камеры сгорания компания OPRA Turbines планирует завершить в текущем году.

Топлива для газотурбинных двигателей — Справочник химика 21

    Третью группу составляют топлива для газотурбинных двигателей. В первую очередь это-топлива для авиационных реактивных двигателей, к которым предъявляют особенно высокие требования, обусловленные необходимостью обеспечить надежность эксплуатации летательных аппаратов. Наиболее приемлемым топливом для реактивных авиационных двигателей оказались средне-дистиллятные керосиновые фракции продуктов [c.7]
    Топливом для газотурбинных двигателей служат авиационные керосины, основными показателями качества которых являются плотность, теплота сгорания, фракционный состав, вязкость, температура начала кристаллизации, содержание аренов, серы, активных сернистых соединений, смол и непредельных соединений, термическая стабильность. 

[c.343]

    Топлива для газотурбинных двигателей 333 [c.333]

    ТОПЛИВА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ [c. 333]

    Из данных таблицы видно, что исследованные дистиллятные фракции могут быть использованы как топлива для газотурбинных двигателей или как их компоненты. Особенно целесообразно [c.28]

    Керосин авиационный—нефтяная фракция, применяемая в качестве топлива для газотурбинных двигателей. [c.269]

    Из приведенных примеров видно, что керосиновые фракции, применяющиеся в качестве топлива для газотурбинных двигателей, выкипают в узких пределах, поэтому выходы таких фракций из нефти сравнительно невелики. [c.6]

    Топливо для газотурбинных двигателей [c.14]

    Другая область применения микрофильтров — авиационная промышленность. Одной из конструктивных особенностей агрегатов топливных, масляных, гидравлических и пневматических систем летательных аппаратов является наличие прецизионных пар трения, минимальные зазоры в которых составляют 5 мкм и менее [5]. Присутствие загрязнений приводит к преждевременному изнашиванию оборудования, забивке фильтровальных элементов бортовых систем и к другим неполадкам.

Вследствие этого к чистоте используемых в авиации жидких сред предъявляются повышенные требования. В частности, в топливе для газотурбинных двигателей должны отсутствовать частицы диаметром более 5 мкм при общем допустимом содержании загрязнений не более 2 г/т. Наблюдается тенденция к уменьшению максимально допустимого размера частиц в жидких системах до 1,5—2 мкм. [c.8]

    Топливо для газотурбинных двигателей, производимое и поставляемое по AFQRJOS, должно соответствовать наиболее жестким требованиям следующих спецификаций  

[c.523]

    Однако дальнейшие исследования показали, что практическое применение бороводородных топлив на газотурбинных, двигателях встречает ряд трудноустранимых препятствий. При горении бора-новых топлив возникает очень высокая температура и образуется громадное количество отложений окиси бора (В2О3). Окись бора плавится при 594° С и до 1030° С представляет собой вязкую массу. В условиях температур газотурбинного двигателя окись бора имеет вид плавленного стекла охлаждаясь, оно затвердевает, образуя Отложения. Поэтому ни одно бороводородное соединение до настоящего времени не нашло практического применения как топливо для газотурбинных двигателей. [c.34]

    Синтетические сера-оргаии-ческие соединения вводились в7 0плив0 глубокой очистки — уайтспирит в тех же количествах, в которых соединения данной группы обнаруживались в топливах для газотурбинных двигателей. Было установлено, что сера оргаии-ческие соединения различного химического строения, кроме элементарной серы и меркаптанов, в количествах до 0,9% не оказывали существенного влияния на коррозионную агрессивность, смоло- и осадкообразующую способность топлив в присутствии бронзы Детальное изучение влияния элементарной серы и мер- 

[c.71]

    Раньше считалось, что эксперименты по самовоспламенению позволяют количественно 0xapaKtepn30BaTb топлива для газотурбинного двигателя, частично потому, что было установлено сильное влияние таких присадок, как тетраэтилсвинец, на полноту сгорания топлива и -нределы устойчивого горения в камере газотурбинного двигателя.  [c.179]

---

Что такое газотурбинные двигатели, почему они не прижились в обычных машинах и как их будут использовать в гибридах

На проходящем в Женеве автосалоне сразу два автопроизводителя представили концептуальные машины с гибридными силовыми установками, в которых батареи заряжаются миниатюрными газотурбинными двигателями. Обе машины, к слову, китайские. Это седан Hybrid Kinetic H600 с элегантным дизайном от Pininfarina и суперкар Techrules Ren с футуристичной внешностью работы Джорджетто Джуджаро.

Не надо думать, что в данном техническом направлении трудятся лишь китайцы. Несколько лет назад никто иной как Jaguar показал гибридный концепт C-X75 с теми же микротурбинами. Так что же это за технология?

Газотурбинные двигатели впервые нашли серийное применение в конце Второй мировой войны, но… в авиации, на немецких истребителях Messerschmitt. В последующие 20 лет они фактически полностью вытеснили поршневые ДВС в военной и гражданской авиации, в прямом смысле спустив их с небес на землю. Моторы отечественных Ту и Superjet, европейских Airbus и американских Boeing — все это газотурбинные двигатели.

Их принцип действия прост. В камере сгорания воспламеняется топливо, газы под давлением подаются на лопасти турбины, турбина вращается. На одном валу с турбиной расположены лопасти компрессора, который, будучи приводим в движение от турбины, нагнетает воздух в камеру сгорания.

Газотурбинный двигатель

В авиации на том же валу спереди может располагаться винт (как, например, на самолетах Ан-24), а может более мощный компрессор, который прогоняет воздух через весь двигатель, создавая воздушную струю и тягу для самолета. При этом к валу газотурбинного двигателя можно прицепить не только винт или тяговый компрессор, но и что-то другое. Например, электрогенератор или коробку передач, а через нее соединить такой мотор с колесами автомобиля.

Как видите, все выглядит гораздо проще, чем в поршневом ДВС. Так и есть — проще. Меньше деталей, меньше трущихся частей — это одно из преимуществ газотурбинных двигателей. Второе неоспоримое преимущество — это высокая удельная мощность. Иными словами при равной отдаче газотурбинные моторы в несколько раз легче и компактнее поршневых. Именно этот факт определил их доминирование в авиастроении.

Есть, однако, и существенные недостатки. Именно с ними столкнулись автомобильные конструкторы при попытке установить такой мотор под капот автомобиля. Попыток было много: в США, в Европе и даже в СССР — наши инженеры, в частности, экспериментировали с автобусами.

Выяснилось, что такой мотор потребляет очень много топлива в переходных режимах: на холостом ходу и при наборе скорости. Конструкцию попытались усложнить, применив не один вал, а два: на первом располагался компрессор и малая турбина, которой хватало для вращения компрессора и обеспечения холостого хода. А на втором — основная турбина и отбор мощности на автоматическую коробку передач. На холостом ходу газы на вторую турбину не подавались. А при старте с места открывались заслонки, поток газа направлялся на лопасти тяговой турбины и машина ехала. Такая конструкция, к слову, позволила отказаться от механизма сцепления или гидротрансформатора — поскольку два вала не имели механической связи друг с другом автомобиль не мог заглохнуть.

Techrules Ren

Тем ни менее, расход топлива все равно был выше, чем у поршневых двигателей во всех режимах кроме равномерного движения по трассе. Всплыли и другие недостатки, но о них — позже.

Так или иначе, где-то с 70-х годов XX века от идеи отказались. До тех пор, пока не началась нынешняя гибридно-электрическая революция.

Дело было в далеком 2011 году. Компания Opel тогда пригласила журналистов из России в Нидерланды на тест-драйв подзаряжаемого гибрида Ampera (он же Chevrolet Volt), который в General Motors почему-то называли электрокаром.

После поездки у журналистов, в том числе у меня, накопилось много вопросов относительно устройства машины. Отвечать на них пришлось тогдашнему главе электрического подразделения Opel Кристиану Кунстману. Меня интересовало в частности, почему конструкторы выбрали в качестве ДВС для гибрида наиболее архаичный и неэффективный бензиновый атмосферный мотор объемом 1,4 литра.

Jaguar C-X75

Поскольку концепт Jaguar C-X75 тогда уже представили, я спросил у доктора Кунстмана, что он думает насчет того, чтобы установить под капот Opel Ampera микротурбину вместо поршневого ДВС. Ответ меня удивил.

«Это был бы лучший вариант», — признался инженер. «Однако главная проблема заключается в том, что у нас нет таких двигателей. Для их производства пришлось бы полностью перестроить все заводы. Это огромные инвестиции. Но если бы нам пришлось строить моторный завод с нуля, то мы бы крепко задумались над тем, какие двигатели для гибридов там выпускать — поршневые или газотурбинные».

Действительно, если микротурбина не связана ни с колесами, ни с коробкой передач, а лишь вращает генератор, работая в режиме постоянной тяги — значит все проблемы с высоким расходом топлива в переходных режимах отпадают сами собой? Все так. Вот почему китайцы, у которых в отличие от Opel нет заводов поршневых двигателей, и строить предстоит с нуля, сейчас уцепились за эту идею. Увы, расход топлива — не единственный недостаток.

Первый нерешенный минус газотурбинного двигателя — очень высокая температура газов, попадающих на лопасти турбины. В авиации с этим борются за счет использования дорогих термостойких сплавов, но в массовом автомобилестроении это не применимо из-за высокой стоимости.

Hybrid Kinetic H600

Решить проблему еще в 50-е годы пытались за счет теплообменников, которые нагревают входящий воздух и охлаждают газы, выходящие из камеры сгорания. Это повышает КПД и бережет турбину, но заметно усложняет конструкцию двигателя. И китайцам надо иметь это в виду.

Есть и другие сложности. В частности, газотурбинным моторам надо значительно больше воздуха, чем поршневым двигателям. Причем воздуха чистого. У самолетов нет с этим проблем. А у машин — есть. Необходимые воздушные фильтры достигают такого размера, что преимущество микротурбин компактности полностью сводится на нет.

Вы, возможно, в курсе, что газотурбинные моторы пробовали применять на серийных танках: советском Т80 и американском «Абрамсе». Военных привлекло сочетание мощности и компактности мотора. Увы, простые танкисты жаловались на необходимость постоянно чистить огромные воздушные фильтры. И на колоссальный расход топлива — тоже.

Наконец, последний недостаток — токсичность. Опять же, это следствие повышенного расхода топлива в промежуточных режимах. Создатели концептов Techrules и особенно Hybrid Kinetic H600 уверяют, что их микротурбины экологичнее поршневых ДВС. Но точных данных пока не приводят.

В любом случае, все показанные гибридные автомобили, использующие подобную технологию — пока лишь концепты и их серийное будущее покрыто туманом. Но согласитесь, звучит заманчиво!

Влияние физико-химических свойств керосина и биотоплив на характеристики газотурбинных двигателей | Ардешири

1. Грядунов К.И. Сравнительный анализ показателей качества авиационных керосинов, биотоплив и их смесей / К.И. Грядунов, А. Н. Козлов, В.М. Самойленко, Ш. Ардешири // Научный Вестник МГТУ ГА. 2019. Т.22, №5. С. 67–75. DOI: 10.26467/2079-0619-2019-22-5-67-75

2. Васильев А.Ю. Особенности применения биотопливной смеси в камерах сгорания современных газотурбинных двигателей / А.Ю. Васильев, О.Г. Челебян, Р.С. Медведев // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2013. № 3–2 (41). С. 57–62. DOI: 10.18287/1998-6629-2013-0-3-2(41)-57-62

3. Liu K. Biodiesel as an alternative fuel in Siemens DLE combustors: atmospheric and high pressure rig testing / K. Liu, J.P. Wood, E.R. Buchanan, P. Martin, V.E. Sanderson [Электронный ресурс] // ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2010. Vol. 132, no. 1: 011501. URL: https://doi.org/10.1115/1.3204617 (дата обращения: 10.07.2019).

4. Федоров Е.П., Французова Н.А. Разработка синтетического реактивного топлива из биосырья // Труды ЦИАМ: Прямоточные ВРД и химмотология: сб. науч. ст. / под общ. ред. Л.С. Яновского. 2010. № 1340. С. 107–116.

5. Нургалеев А. Биотопливо нуждается в государственной поддержке [Электронный ресурс] // Отраслевое агентство «АвиаПорт». URL: https://www.aviaport.ru/news/2012/02/01/ 228946.html (дата обращения: 15.03.2019).

6. Lefebvre A.H., Ballal D.R. Gas Turbine Combustion Alternative Fuels and Emissions [Электронный ресурс] // International Renewable Energy Agency. URL: https://www.irena.org/DocumentDownloads/Publications/IRENA_Biofuels_for_Aviation_2017.pdf (дата обращения: 15.06.2019).

7. Завялик И.И. Моделирование функционирования агрегатов топливной системы газотурбинного двигателя летательного аппарата с учетом изменения качества авиационного топлива / И. И. Завялик, В.С. Олешко, В.М. Самойленко, Е.В.Фетисов // Научный Вестник МГТУ ГА. 2016. № 225. С.49–54.

8. Коняев Е.А., Грядунов К.И. Эксплуатационные свойства авиационных горючесмазочных материалов: учебное пособие. М: МГТУ ГА, 2016. 80 c.

9. Нечаев В.М., Ткачев Ф.И. Горюче-смазочные материалы и специальные жидкости: учебное пособие / Университет ГА. Санкт-Петербург, 2015. 60 c.

10. Гишваров А.С. Эксплуатационная надежность топливных систем воздушных судов: учебное пособие. Уфа: УГАТУ, 2008. 298 с.

11. Chishty W.A., Chan T. Benchmarking data from the experience gained in engine performance and emissions testing on alternative fuels for aviation / W.A. Chishty, T. Chan, P. Canteenwalla, C.R. Davison, J. Chalmers // Journal of the Global Power and Propulsion Society. 2017. Pp. 195–210. DOI: 10.22261/S5WGLD

виды топлива, контроль качества и технологии заправки

Каждый день в мире выполняется более 100 тысяч авиарейсов. В год мировая авиация потребляет около 300 млн тонн топлива. Эти цифры прекрасно отражают масштаб и сложность системы авиатопливообеспечения. Системы, от надежной работы которой во многом зависит безопасность миллионов людей, пользующихся авиатранспортом

Чем заправляют самолеты

Топливо для самолетов бывает двух видов. Поршневые двигатели, которыми оборудуются небольшие самолеты и вертолеты, работают на бензине — так же, как и автомобильные моторы. Правда, по составу такое топливо несколько отличается от автомобильного. Газотурбинные двигатели (турбореактивные и турбовинтовые), которыми сегодня оснащены практически все коммерческие воздушные суда, потребляют топливо для реактивных двигателей, которое также называют авиакеросином.

Основная марка авиакеросина, которым в России заправляют почти все пассажирские, транспортные и военные дозвуковые самолеты и большую часть вертолетов — ТС-1 — топливо сернистое. Оно вырабатывается из нефти с высоким содержанием серы.

В Европе основа системы авиатопливообеспечения — керосин Jet A-1. Он считается более экологичным как раз за счет меньшего содержания серы — при его производстве прямогонная керосино-легроиновая фракция полностью проходит процедуру гидроочистки. Российский авиакеросин — это смесь гидроочищеного и неочищенного прямогонного дистиллятов. В целом же это аналоги — более того, отечественный продукт может использоваться при гораздо более низких температурах, чем «Джет». ТС-1 сегодня наравне с Jet A-1 включен в международные документы и руководства по эксплуатации не только самолетов российского производства, но и лайнеров семейств Airbus и Boeing (правда, только выполняющих полеты по России). Но это авиакеросин для гражданской авиации, не предназначенный для сверхзвуковых самолетов.

«Газпром нефть» запустила НИОКР по созданию неэтилированного авиационного бензина. Вместе с учеными из Всероссийского научно-исследовательского института нефтяной промышленности специалисты компании в 2014 году занялись разработкой рецептуры неэтилированного топлива с октановым числом 91, и сейчас эта работа уже завершена.

Основное авиатопливо для сверхзвуковой авиации — РТ. При его производстве с помощью гидроочистки из нефтяного дистиллята удаляются агрессивные, а также нестабильные соединения, содержащие серу, азот и кислород. При этом повышается термическая стабильность топлива, что крайне важно при полетах на сверхзвуковых скоростях, когда за счет трения о воздух нагревается весь корпус самолета, а вместе с ним и топливо в баках.

Разумеется, РТ, обладающее такими характеристиками, можно использовать и в обычных воздушных судах вместо ТС-1. Для самых же скоростных самолетов применяется авиакеросин Т-6, обладающий еще большей термостабильностью и повышенной плотностью.

Что касается авиабензина, то это, по сути, автомобильное моторное топливо, но с улучшенными свойствами, влияющими на надежность работы двигателя. Именно потребность в повышении детонационной стойкости, октанового числа, сортности, обеспечивающих запас динамических характеристик и надежности, заставляет производителей авиабензина добавлять в него тетраэтилсвинец (этилировать). Из-за токсичности эта присадка давно запрещена при производстве автомобильного бензина, но двигатель самолета работает в гораздо более напряженном режиме, а создать неэтилированный авиабензин, не уступающий по характеристикам этилированному, октановое число которого превышает 92–95, пока не удалось никому.

При этом самым современным и совершенным самолетам и вертолетам с поршневыми двигателями нужен авиабензин с повышенным октановым числом — не меньше 100. Поэтому разработкой экологичных аналогов этилированного авиабензина 100LL (одна из самых востребованных марок в мире) сегодня занимаются ведущие производители и научные центры во всем мире. В том числе подобная программа существует и у «Газпром нефти».

100 тысяч авиарейсов выполняется в мире каждый день

Заправка в крыло

Правильная организация заправки даже одного воздушного судна — процесс сложный и при этом очень ответственный. Инцидентов и катастроф, причиной которых стала некачественно организованная заправка, к сожалению, в истории мировой авиации произошло немало. Достаточно вспомнить аварию 2000 года, когда у Ту-154 авиакомпании «Сибирь», летевшего из Краснодара, при посадке в Новосибирске отказали все три двигателя. Как показало расследование, топливные насосы просто забило частицами эпоксидного покрытия, кустарно нанесенного на внутренние стенки топливозаправщика умельцами одного из краснодарских ремонтных предприятий. Но если в этом случае благодаря профессионализму пилотов обошлось без жертв, то в Иркутске при падении гигантского транспортника Ан-124 на жилые дома в 1997 году погибли 72 человека. Одна из версий причины отказа трех двигателей «Руслана» из четырех — превышение содержания воды в авиационном топливе, которое привело к образованию кристаллов льда, забивших топливные фильтры. Чтобы такого не случалось, весь процесс заправки очень жестко регламентирован, а само топливо проходит несколько проверок качества на пути от нефтеперерабатывающего завода до бака самолета.

Первый этап — выходной контроль на самом НПЗ. Однако качественные характеристики керосина могут измениться при его перевозке в случае несоблюдения всех правил транспортировки. Поэтому при приеме керосина на топливозаправочном комплексе (ТЗК), вне зависимости от того, каким путем оно пришло с завода: по трубе, как в аэропортах московского авиаузла или санкт-петербургском Пулково; железнодорожным или автомобильным транспортом, как это происходит в большинстве воздушных гаваней страны, или, тем более, если керосин проделал долгий путь, включающий и наземные и водные маршруты, как при доставке в отдаленные точки, такие как Чукотка, — обязательно проводится входной контроль. Из каждой партии берутся пробы для лабораторных исследований, а также арбитражная проба, которую сразу опечатывают и хранят на случай возникновения разногласий в оценке качества у разных участников процесса топливообеспечения. Само топливо при закачке в приемные резервуары ТЗК проходит через фильтры с тонкостью фильтрации не более 15 мкм.

Топливо по бакам на современных лайнерах распределяется автоматически с помощью бортового компьютера. Соблюдение баланса крайне важно, так как влияет на центровку самолета. Контролировать же процесс заправки и скорректировать его можно со специальной панели, расположенной рядом с местом подсоединения рукава.

Затем керосин отстаивается в резервуарах, после чего проходит полномасштабную проверку по всем основным параметрам, определенным ГОСТом, таким как плотность, фракционный состав, кислотность, температура вспышки, кинематическая вязкость, концентрация смол, содержание воды и механических примесей, температура начала кристаллизации, взаимодействие с водой, удельная электропроводность. Если экзамен успешно сдан, керосин получает паспорт качества, который становится для топлива пропуском на перрон аэропорта. Правда, перед выдачей для заправки самолета, керосин проходит еще один этап контроля — аэродромный — и еще раз фильтруется, теперь через еще более мелкий фильтр. Проверке подвергается и сама заправочная техника, которую без специального контрольного талона до самолета не допустят.

Заправляют самолеты двумя способами. В крупных современных аэропортах перрон соединен с ТЗК системой центральной заправки, а на самолетных стоянках установлены топливные гидранты. Из них керосин в баки воздушного судна перекачивается через специальные заправочные агрегаты (ЗА). Однако пока все же более распространен другой способ — с помощью цистерн—топливозаправщиков (ТЗ). В свою очередь в ТЗ керосин наливается на пунктах налива — складских или перронных. В зависимости от размера цистерны топливозаправщик может вместить до 60 тысяч литров керосина.

Перед началом закачки топливо еще раз проверяют, правда, без использования лабораторий. Керосин сливается из резервуаров ТЗ в прозрачную банку, и визуально определяется наличие в нем воды, кристаллов льда или осадка. Также проверяется и наличие воды в баках самолета перед заправкой и после нее. Перед подсоединением рукава топливозаправщика к горловине бака и само воздушное судно, и ТЗ обязательно заземляются. В истории бывали случаи, когда разряды статического электричества воспламеняли топливо и вызывали серьезные пожары. Для обеспечения безопасности людей самолеты практически всегда заправляются до посадки в них пассажиров.

Где хранится керосин

Объем топливных баков самого крупного и вместительного до последнего времени пассажирского лайнера Boeing-747 достигает 241 140 л (у последних модификаций). Это позволяет залить около 200 тонн топлива. Более привычные ближне- и среднемагистральные Boeing-737 и Airbus A-320 могут принять по 15–25 тонн.

В большинстве самолетов топливо размещается в крыльях и баке, расположенном в центральной части самолета. На некоторых моделях еще один бак есть в хвосте или стабилизаторе — для утяжеления задней части самолета и облегчения взлета, а также для регулировки центровки самолета в полете.

Сначала топливо вырабатывается из внутренних отсеков крыла, затем из концевых. Однако непосредственно к двигателям керосин поступает только из одного бака — расходного (как правило, центрального), куда перекачивается изо всех остальных емкостей.

Для того чтобы предотвратить снижение давления при расходе топлива и прекращения его подачи в топливную систему, все баки сообщаются с атмосферой с помощью специальных дренажных баков в концевой части крыла. Попадающий в них забортный воздух замещает объем израсходованного горючего.

Топливо по бакам на современных лайнерах распределяется автоматически с помощью бортового компьютера. Соблюдение баланса крайне важно, так как влияет на центровку самолета, нарушение которой может привести к самым печальным последствиям, вплоть до катастрофы. Контролировать же процесс заправки и скорректировать его в случае необходимости можно со специальной панели, расположенной рядом с местом подсоединения рукава.

Сам оператор топливозаправщика в процессе заправки держит в руке специальный прибор контроля Deadman, кнопку которого необходимо нажимать через определенные промежутки времени. Если этого не происходит, заправка прекращается — система воспринимает пропуск в нажатии как нештатную ситуацию. Как только заданное количество керосина попало в баки, автоматика отключает подачу топлива, и заполняются документы, фиксирующие результаты заправки.

Автоматизация по всем направлениям

Постоянно автоматизируется не только сам процесс того, как заправляют самолеты. Именно в этом направлении развивается и вся система авиатопливообеспечения. Уже сегодня клиенты лидеров мирового рынка в этом сегменте могут в онлайн-режиме заказать заправку своего самолета в любом аэропорту присутствия топливного оператора. Такую схему развивает, например, Air Total International, свою интегрированную облачную систему управления топливозаправкой создает и Air BP, причем делает он это совместно с глобальным центром планирования полетов RocketRoute, в платформу которого интегрируются данные о топливозаправочной сети по всему миру.

В этом же направлении двигается «Газпромнефть-Аэро» в рамках реализации программы «Цифровой ТЗК».

241 тыс. л — объем топливных баков одного из самых крупных и вместительных в настоящее время пассажирских лайнеров Boeing-747

Сам процесс заправки по такой схеме выглядит как кадр из фантастического фильма. К лайнеру на стоянке подъезжает ТЗ, пилот, как на обычной АЗС, платит за топливо пластиковой картой с помощью мобильного терминала, которым оборудован топливозаправщик. Водитель ТЗ с планшета оформляет и распечатывает документы, подтверждающие факт заправки для пилота — уже через 10 минут в офис авиакомпании приходят необходимые финансовые документы, а баки самолета заполняются топливом.

Наличие такой системы, очевидно, повышает конкурентоспособность топливных операторов, так как значительно упрощает и оптимизирует процесс планирования полетов их клиентам — авиакомпаниям.

Биокеросин производят из биомассы с помощью процесса Фишера — Тропша, из растительного масла, создают горючее для самолетов и на основе этилового спирта. Биокомпоненты в разных пропорциях (максимум 50 50) смешиваются с обычным авиакеросином, что позволяет сократить объем выбросов углекислого газа в атмосферу почти на 50%.

Зеленый керосин

Еще одно направление развития авиатопливного рынка совпадает с вектором движения рынка автомобильного — это снижение уровня вредных выбросов в атмосферу. Главная технология здесь — создание более чистого топлива, в первую очередь за счет разработки и использования биокомпонентов.

На сегодня процедуру сертификации прошли несколько технологий производства авиационного биотоплива. Биокеросин производят из биомассы с помощью процесса Фишера — Тропша*, из растительного масла, создают горючее для самолетов и на основе этилового спирта. Биокомпоненты в разных пропорциях (максимум 50×50) смешиваются с обычным авиакеросином, что позволяет сократить объем выбросов углекислого газа в атмосферу почти на 50 %. При этом конечный продукт по химическому составу эквивалентен традиционному авиатопливу, и его применение не влияет на эксплуатационные характеристики самолетов.

Одним из первых коммерческие заправки биотопливом начал аэропорт норвежского Осло, а пионером в использовании экологичного керосина стала немецкая Lufthansa. Использование биотоплива одобрено Федеральной авиационной администрацией США (FAA), им уже заправляют свои самолеты в США несколько десятков авиакомпаний.

Но у развития этого направления есть одно но — производство биотоплива пока слишком дорого, поэтому сегодня, во времена низких цен на нефть, оно не может на равных конкурировать с обычным «Джетом», а тем более с ТС-1.

Полезные дополнения

Авиакеросин, как правило, не используется в чистом виде. Для улучшения его характеристик используются различные присадки. Основные из них:

Противодокристаллизационная (ПВК-жидкость): наиболее известная присадка этого типа — жидкость «И-М». При полете на большой высоте топливо охлаждается до очень низких температур (от −30°С до −45°С). В таких условиях вода, содержащаяся в топливе, кристаллизуется, частицы льда могут забить фильтры, и двигатель остановится. Присадки эффективно решают эту проблему.

Антистатическая: увеличивает электропроводность топлива, снижая при этом активность накопления статического электричества в топливной системе и, соответственно, риск возникновения пожара.

Антиокислительная: борется с окислением топлива и отложением смолистых образований в топливной системе и двигателе.

Противоизносная: увеличивает срок эксплуатации механизмов топливной системы.

* Процесс Фишера — Тропша — химическая реакция, происходящая в присутствии катализатора, в которой монооксид углерода (CO) и водород h3 преобразуются в различные жидкие углеводороды. Обычно используются катализаторы, содержащие железо и кобальт. Принципиальное значение этого процесса — производство синтетических углеводородов

Д-25В

Технические данные

Максимальный режим Н=0, М=0, МСА
Mощность, л. с.	5500
Степень повышения давления	5,6
Максимальная температура газа перед турбиной, К	1240
Удельный расход топлива, кг/л.с.ч	0,296
Расход воздуха приведенный, кг/с	26,2
Диаметр первого рабочего колеса, мм	572
Длина, мм	2737
Масса, кг	1200

Транспортные тяжелые вертолеты Ми-6, Ми-10, Ми-10К

Транспортный тяжелый вертолет Ми-6 предназначен для перевозки грузов массой до 12 т или 61–90 пасса­жиров. Модификация Ми-6 (Ми-10/10К) применялась в качестве летающего крана при монтажно-строи­тельных работах.

В июне 1957 года экипаж летчика-испытателя Рафаила Капреляна впервые поднял Ми-6 в воздух. В 1959–1963 годах прошли Государственные испытания, после которых Ми-6 был принят на вооружение. С 1963 года вертолет стал широко применяться и в народном хозяйстве.

Транспортный вертолет Ми-6 построен по одновинтовой схеме с несущим пятилопастным цельнометаллическим и четырехлопастным деревянным рулевыми винтами. Силовая установка состоит из двух газотурбинных турбовальных двигателей Д-25В. При отказе одного из них вертолет мог продолжать горизонтальный полет. Крутящий момент на выходе редуктора достигал 60 000 кгс·м. За рубежом такой мощный редуктор появился только 17 лет спустя.

В 1959–1980 годах в Ростове-на-Дону построено бо­лее 850 вертолетов Ми-6 и его различных модификаций, еще 50 – в Москве (1959–1962). В ходе производства конструкция вертолета постоянно дорабатывалась. Ми-6 поставлялись в Алжир, Болгарию, Вьетнам, Египет, Паки­стан, Индию, Ирак, Китай, Индонезию, ОАР, Перу, Польшу, Сирию, Эфиопию.

Вертолеты Ми-6 принимали участие в военных дей­ствиях в Афганистане, ликвидации последствий аварии на Чернобыльской атомной электростанции и др.

В 1959–1963 годах на Ми-6 установлено 16 мировых рекордов. Рекорд скорости по замкнутому маршруту – 340,15 км/час – не побит до сих пор. В некоторых рекорд­ных полетах взлетная масса вертолета достигала более 48 т. Для сравнения: взлетная масса зарубежных аналогов до сегодняшнего дня не превышает 34 т.

4 июня 1957 года

первый взлет вертолета Ми-6 с ТВД Д-25В, экипаж Р.И.Капрэляна. Первый полет 18.06.1957

14 июня 1960 года

Первый полет вертолета Ми-10 с 2 пермскими ТВлД Д-25В, экипаж Р.И.Капрэляна

10 сентября 1964 года

Первый полет первого серийного вертолета Ми-10 с пермскими ТВлД Д-25В, экипаж Р.И. Капрэляна, Ростовский вертолетный завод

6 января 1966 года

Первый полет вертолета-крана Ми-10К с пермскими ТВлД Д-25В, экипаж Р. И.Капрэляна

26 июнь 1967

Первый взлет вертолета-гиганта В-12(Ми-12) с пермскими ТВлД Д-25ВФ, экипаж В.П. Колошенко. Первый полет – 10.07.1968

Применение накопителей энергии — радикальный способ улучшения топливной экономичности наземных машин с газотурбинным двигателем – тема научной статьи по механике и машиностроению читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

УДК 629.016

ПРИМЕНЕНИЕ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ — РАДИКАЛЬНЫЙ СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ НАЗЕМНЫХ МАШИН С ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Н.И. Троицкий

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация e-mail: [email protected]

Рассмотрены сравнительные данные по эксплуатационной топливной экономичности внедорожных машин с газотурбинными двигателями и дизелями. Показаны возможности снижения расхода топлива таких машин на различных эксплуатационных режимах, в том числе на режимах “малого газа”. Путевой расход топлива машин с газотурбинными двигателями в значительной мере зависит от условий эксплуатации и среднего уровня загрузки двигателя. На расход существенно влияет продолжительность работы на тормозных и стояночных режимах и в области низких (менее 40… 50% максимальной мощности) нагрузок. Уменьшить высокие расходы топлива машин с газотурбинными двигателями (по отношению к дизелю) на этих режимах практически невозможно, поэтому работа транспортных машин с газотурбинным двигателем на режимах малых нагрузок и при стоянке машины должна обеспечиваться с помощью накопителей энергии. Расчеты показывают возможность снижения на 20… 50% путевого расхода топлива при эксплуатации машины с газотурбинным двигателем и накопителями энергии в зависимости от условий движения.

Ключевые слова: транспортная машина, газотурбинный двигатель, дизель, путевой расход топлива, режим малого газа, накопитель энергии.

USING ENERGY ACCUMULATORS IS THE RADICAL WAY FOR IMPROVING EFFICIENCY OF GROUND-BASED VEHICLES WITH GAS-TURBINE ENGINES

N.I. Troitskiy

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation e-mail: [email protected]

The comparative data on operational fuel efficiency of the off-road vehicles with gas-turbine engines and diesels are examined. The possibilities to reduce the fuel consumption of these vehicles under different operating conditions, including the idling, are shown. The en-route fuel consumption of vehicles largely depends on the operating conditions and average load ofthe engine. The fuel consumption is greatly influenced by duration of idling, braking, and low-load regimes (below 40-50 % of the maximum capacity). To reduce high fuel consumptions of gas-turbine vehicles (relative to a diesel) in these regimes is almost impossible, and so the work of gas-turbine vehicles in regimes of low loads and when they are parked has to be ensured by using energy storages. The calculations show the possibility to reduce by 20-50 % the en-route fuel consumption in operation of a gas-turbine vehicle with the use of energy storages depending on the traffic conditions.

Keywords: transport vehicle, gas-turbine engine, diesel, en-route fuel consumption, idling, energy storage.

В последнее время возрастает интерес к применению газотурбинных двигателей для силовых установок наземного транспорта. Об этом

110 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №3

свидетельствуют работы ООО “Курганмашзавод” (перспективная боевая машина пехоты “Рыцарь”), ООО “КАМАЗ” (платформа легкой серии), а также продолжающаяся в Самарском ОАО “Кузнецов” и ФГУП “НПЦ газотурбостроения “Салют” доводка двигателей для газотурбовозов.

Появившиеся в последние годы полемические статьи по сравнению технико-экономических характеристик отечественных танков с турбопоршневыми (ТПД) и газотурбинными (ГТД) двигателями [1-4] носят в значительной мере конъюнктурный характер и не направлены на поиск путей дальнейшего совершенствования двигателей. Не останавливаясь на многих, нередко противоречивых, факторах, рассмотрим один из основных аспектов их сравнения, а именно — топливную экономичность машин с различными типами силовых установок.

Начиная с 1980-х годов за время эксплуатации танков Т-80У, которые являются единственной в РФ серийной наземной машиной с ГТД, накоплены многочисленные материалы по их топливной экономичности в различных условиях эксплуатации [1, 4]. Основываясь на результатах испытаний Т-80У с ГТД-1250 и Т-72 с дизелем В-84М, авторы сходятся во мнении, что путевая экономичность танка Т-80У на длительных маршах примерно в 1,6… 1,8 раза хуже соответствующего показателя танка Т-72. По данным эксплуатации указанное соотношение доходило до 2,3… 2,5 раз [4], что было вызвано продолжительным временем работы двигателя на режимах малого газа (МГ), которое в рассматриваемых случаях по условиям движения доходило до 50% и более.

Установилось мнение, что эксплуатационная топливная экономичность транспортной машины в основном зависит от удельного расхода топлива двигателя на расчетном режиме. За этот показатель борются, его, как основной, задают при проектировании, по нему сравнивают разные двигатели. При прочих равных условиях такое мнение справедливо, но анализируя эти прочие условия, можно показать, что эксплуатационная экономичность машины ухудшается не только от нерационального управления, но также из-за значительных невосполнимых потерь, связанных с характеристиками двигателя.

Путевой расход топлива (ПРТ) является функцией многих параметров и характеристик двигателя, машины и трассы. Безусловно, основное влияние на ПРТ оказывает экономичность двигателя — его удельный расход топлива на расчетном и частичных (эксплуатационных) режимах, а также расход топлива на режиме МГ, в меньшей степени — его динамические и тормозные характеристики. Путевой расход топлива возрастает с увеличением удельной мощности двигателя (по отношению к массе машины) и с увеличением коэффициента сопротивления движению. Удельная мощность двигателя зависит также от способа управления двигателем и квалификации механика-водителя.

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2014. № 3 111

Работа двигателя на неэффективных режимах, вызванных нерациональным выбором передачи в КПП или некорректным управлением регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины (РСА ТС), по расчетной оценке может дать перерасход топлива от 5 до 20%.

Среди различных способов обеспечения тормозных качеств транспортного ГТД со свободной турбиной только один (с управляемой муфтой связи валов этой турбины с турбокомпрессором) позволяет выполнять торможение двигателем с отключением подачи топлива. При всех остальных способах, в том числе при использовании РСА ТС, расход топлива на тормозных режимах в лучшем случае соответствует расходу на режиме МГ или превышает последний. Таким образом, учитывая, что для транспортного ГТД продолжительность режимов МГ при эксплуатации может составлять 15. .. 30% [4], не считая отмеченных ранее крайних случаев, когда она достигает 50 %, а продолжительность тормозных режимов составляет 3… 8%, можно предположить, что ГТД в среднем четверть своего времени работает с расходом топлива, соответствующим режиму МГ.

Абстрагируясь от других факторов (влияния способа управления, динамических характеристик ГТД, характеристик машины, ее трансмиссии и трассы), рассмотрим зависимость ПРТ от трех основных характеристик двигателя — удельного расхода топлива, протекания нагрузочной характеристики и расхода топлива на режиме МГ.

Удельный расход топлива на расчетном режиме. На первый взгляд, этот параметр должен в первую очередь определять ПРТ при прочих равных условиях. Как правило, под удельным расходом топлива Се0 обычно подразумевается стендовый (условный) удельный расход топлива. Переход к объектовым условиям работы ГТД (с сопротивлениями на входе 5. .. 7 кПа и выходе ~ 1,5 кПа) дает повышение этого значения и снижение мощности в зависимости от параметров двигателя и типа системы очистки воздуха на 14. . . 20 %.

Логично, что при анализе влияния на ПРТ термодинамического совершенства двигателей следует сравнивать показатели их удельного расхода топлива в объектовых условиях, отнесенные к мощности на ведущем колесе, с учетом всех объектовых потерь и отборов мощности.

В настоящей статье не ставится целью изучение факторов, влияющих на удельный расход топлива на расчетном режиме. Отметим, что для транспортного ГТД в этом плане основными направлениями являются повышение температуры при умеренных отборах воздуха на охлаждение, в том числе в перспективе — с использованием конструкционных керамических материалов (ККМ), а также применение теплообменника с высокой степенью регенерации.

До практического внедрения ККМ, отработки технологий производства и надежности конструкций “горячих узлов” из керамики в

112 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №3

составе транспортных ГТД ожидать резкого улучшения удельного расхода топлива ГТД не приходится. Тем не менее, за счет применения стационарного теплообменника с высокой степенью регенерации (на уровне 80… 82 %) можно получить улучшение до 20 % расчетной топливной экономичности по сравнению с современным уровнем, что реализовано в американском двигателе LV-100 (фирмы General Electric и Honeywell), в котором достигнут Се0 = 201 г/кВт-ч (по рекламным данным).

Изменение удельного расхода топлива по нагрузочной характеристике. Транспортный двигатель большую часть времени работает в области частичных нагрузок в пределах 40. ..60% максимальной мощности [4] в зависимости от условий движения, удельной мощности машины и других факторов.

На этих режимах удельный расход топлива ГТД без дополнительного регулирования существенно увеличивается — по расчетам, на 50 %-ной мощности в среднем на 24. . .27% по отношению к номинальному режиму. Это относится как к двигателям без теплообменника, так и с теплообменником, если в них не применены способы дополнительного регулирования — РСА силовой турбины или управляемая муфта связи валов в целях программного регулирования температуры газа. Последнее позволяет в двигателях с теплообменником получить снижение до 30% удельного расхода топлива на частичных по мощности режимах двигателя.

Обеспечение пологости зависимости Се = f (Ne) в широком диапазоне режимов по мощности ГТД, осуществляемое за счет программного регулирования температуры газа, ограничивается допустимым запасом устойчивости компрессора ДКумин уже при Ne = 40 … 60 % максимальной мощности. При этом расчетный режим двигателя выбирается с запасом устойчивости не менее 25 %, что, безусловно, сказывается на снижении КПД компрессора и, следовательно, экономичности ГТД на этом режиме.

Следует отметить, что эффективность улучшения удельного расхода топлива ГТД на частичных режимах повышается с ростом степени регенерации а и только при а = 0,75. .. 0,82 при снижении мощности до 60… 40% Ne макс можно получить удельный расход топлива, не превышающий расчетного значения. На более низких режимах по мощности регулирование двигателя может происходить только при ДКу = const или при постоянстве угла установки РСА, что вызывает резкий рост удельного расхода топлива.

Таким образом, программное регулирование температуры газа не решает вопроса кардинального улучшения экономичности ГТД на режимах ниже 40… 50 %-ной мощности, которые достаточно характерны для эксплуатации внедорожных машин.

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2014. № 3 113

Расход топлива на режиме МГ. Этот параметр является наиболее уязвимым в части его влияния на путевой расход топлива машины. Режим МГ (или холостого хода) обычно выбирается с учетом минимизации расхода топлива и обеспечения высоких динамических характеристик двигателя. Необходимо, чтобы время приемистости турбокомпрессора (ТК) не превышало 4… 5 с. Более глубокий дроссельный режим ТК может дать снижение часового расхода топлива при значительном ухудшении разгона ТК, который существенно затягивается на этих режимах.

Как показали результаты испытаний опытных двигателей ГТД-3Т, ГТД-700 [5], а также серийных двигателей ГТД-1000Т и ГТД-1250, часовой расход топлива на режиме МГ изменялся в пределах 22… 30% расхода на режиме максимальной мощности. Если сравнить этот показатель с соответствующим параметром ТПД, то становится явным их существенное различие. Так, если у двигателя В-84М мощностью 617 кВт расход топлива на режиме МГ составляет 10 кг/ч (без загрузки генератора), у ГТД-1000Т мощностью 735 кВт — 70 кг/ч. На режиме МГ часовой расход топлива у данного ГТД соответствует расходу топлива ТПД В-84М на режиме более чем 40 %-ной мощности.

Расчетный анализ показал, что если при длительном движении машин с этими двигателями доля режимов малого газа ориентировочно оценивается в 15%, соотношение их ПРТ составляет 1,6. .. 1,8, то в условиях реальной эксплуатации (когда доля режимов малого газа достигает 40%) соотношение ПРТ достигает 1,90. ..2,10, а при доли режимов малого газа 70% соотношение ПРТ составляет 2,5… 2,9.

В целях снижения ПРТ машин с ГТД, прежде всего в реальной эксплуатации, конструкторами ОАО “Спецмаш” и ЛНПО им. Климова были введены режим “стояночного малого газа” (СМГ), а также вспомогательный газотурбинный энергоагрегат ГТА-18 мощностью 18 кВт и система сброса топлива до режима МГ при торможении двигателем. Перевод на режим СМГ осуществляется при длительной стоянке машины с работающим двигателем, при этом часовой расход топлива составляет 50 кг/ч.

Эти мероприятия, по расчетной оценке, практически не оказывают влияние на ПРТ при марше, но в реальной войсковой эксплуатации машин снижают ее на 3. . . 6 %.

В Научно-исследовательском институте двигателей в 1980-е годы под руководством автора были проведены экспериментальные исследования путей снижения расхода топлива двигателя ГТД-1250 на режиме МГ и СМГ. Помимо специфичных для данного двигателя способов снижения расхода топлива (перевод генератора ГС-18 на второй каскад), были исследованы такие мероприятия, как раскрытие РСА силовой турбины во флюгерное положение, дросселирование входа,

114 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №3

воздушный распыл топлива (последнее оказалось достаточно эффективным в части повышения КПД сгорания) и др. Результаты испытаний показали возможность снижения расхода топлива на СМГ практически вдвое (без загрузки генератора). Однако даже в этом случае при реальной эксплуатации с относительной продолжительностью режима МГ в 40%, относительное значение ПРТ машины с ГТД-1250 по сравнению с машиной, оснащенной дизелем В-84М, окажется на уровне 1,55… 1,75.

Для проведенного анализа были использованы материалы сравнительных испытаний машин с двигателями В-84М и ГТД-1250, которые легли в основу подтверждения корректности методики сравнительной оценки. Для объективного сравнения путевой экономичности машин с ГТД и ТПД следует учесть влияние на ПРТ различия мощности рассмотренных двигателей. Результаты расчетного анализа влияния удельной мощности машины на ПРТ показаны на рисунке (расчеты проведены для условия движения по обобщенной трассе суточных маршей с максимально возможной скоростью). Двигатель ГТД-1250 имеет более высокие потери мощности от объектовых сопротивлений на входе и выходе по сравнению с двигателем В-84М (соответственно 14 % и 8 %), однако, в силовой установке с В-84М имеют место более высокие потери мощности в трансмиссии и затраты на привод вентилятора. Мощность моторно-трансмиссионной установки с двигателем В-84М в объектовых условиях на ведущем колесе, отнесенная к соответствующей мощности с двигателем ГТД-1250, составляет ~ 70 %. Приведение к одной и той же мощности на ведущем колесе даст снижение указанных соотношений ПРТ на марше в размере ~ 10 % (см. рисунок).

Таким образом, проведенный расчетный анализ показал, что увеличенный ПРТ транспортных машин с ГТД по сравнению с машинами с ТПД в значительной мере определяется повышенным расходом топлива при нагрузках менее 50 % максимальной мощности и расходом

Изменение путевого расхода топлива (кривая 1) и средней скорости движения машины (кривая 2) по обобщенной трассе в зависимости от удельной мощности моторно-трансмиссионной установки с ГТД

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2014. №3 115

топлива на режиме МГ. Если расчетный удельный расход топлива ГТД с теплообменником довести до уровня ТПД и обеспечить его постоянство при снижении мощности до 50 %, соотношение ПРТ машин с ГТД и ТПД в условиях длительного пробега окажется на уровне 1,15… 1,20, а при реальной эксплуатации (работа на режиме МГ — 40% времени) около 1,25… 1,35. В этой расчетной оценке часовые расходы топлива на режимах МГ и СМГ приняты соответственно равными 40 и 20 кг/ч.

Поэтому в транспортных машинах с ГТД следует по возможности исключить работу двигателя при нагрузках ниже 40… 50% по мощности, а также на тормозных и стояночных режимах.

Практически единственным решением этой проблемы является применение накопителей энергии в силовых установках машин с ГТД. Подобные гибридные силовые установки в последние годы исследуют, прорабатывают и производят многие фирмы США, Японии, Германии, Швеции и других стран. Практически все разрабатываемые для армии США машины легкой категории по массе снабжаются накопителями энергии.

В зависимости от назначения газотурбинной силовой установки к накопителям энергии предъявляются различные требования по энергоемкости. Однако общими требованиями к накопителям энергии являются [6]:

• возможность запасать энергию с высоким КПД в течение требуемого времени;

• возможность отдавать энергию с высокой производительностью и эффективностью;

• возможность плавного управления потоком энергии при зарядке и разряде во всем диапазоне мощности от 1 до 100 %;

• выполнение в виде легкой, простой и компактной системы;

• обеспечение минимальных потерь энергии в накопителях энергии (не более 1 % за 5. . . 10 мин).

Выбор типа накопителя энергии и его максимальной емкости определяется при разработке СУ с учетом показателей машины и характерной для ее назначения гистограммой режимов, а также других ограничений (габаритно-массовые показатели, стоимость и др.).

Среди разнообразных типов накопителей энергии в последнее время наиболее привлекательными считаются электрохимические (в том числе литий-ионные аккумуляторные батареи) и механические (маховики), в том числе магнитодинамические. В демонстрационном образце боевой машины пехоты (БМП) М2 “Бредли” в качестве накопителей энергии использованы свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, в БМП “Мардер” — магнитодинамический накопитель фирмы Магнет Мотор (ФРГ).

116 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №3

Эффективность применения накопителей энергии подтверждают следующие расчеты. Расход топлива двигателя ГТД-1250 при работе на СМГ для обеспечения мощности, снимаемой с генератора, N = 3 кВт в течение 1 ч составляет 50 кг. Использование газотурбинного энергоагрегата типа ГТА-18 позволит снизить расход топлива до 10… 12кг/ч. Привод генератора мощностью 3 кВт от маховика, заряженного на максимальной мощности основного двигателя, с учетом всех потерь потребует расхода топлива 2,6 кг за 1 ч работы.

Расчеты, проведенные для машины массой 42 т, показали, что использование в качестве накопителя энергии маховика с максимальной энергией заряда 7,5 МДж позволяет при движении по типовой трассе снизить до 25% ПРТ и повысить до 14% среднюю скорость. При постоянстве средней скорости эффективность дополнительного снижения ПРТ составит около 20%.

Заключение. 1. Использование газотурбинного двигателя в наземных транспортных машинах при всех его объективных преимуществах по сравнению с дизелем (по тяговым характеристикам, массогабаритным показателям, пуску при отрицательных температурах и др. ) имеет практически непреодолимый недостаток — более высокий расход топлива на режимах МГ и при нагрузках ниже 30. . . 50 % максимальной мощности.

2. При разработке наземных транспортных машин с ГТД обязательным элементом конструкции силовой установки должен быть накопитель энергии, используемый для энергоснабжения на стоянке и работе на неэффективных для двигателя глубоко дроссельных режимах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Морозов В.А., Изотов Д.С. Двигатели для “летающих танков” // Двигатель. 1999. № 5. С. 22-25.

2. Ашик М.В., Ефремов А.С., Попов Н.С. Танк, бросивший вызов времени (к 25-летию танка Т-80) // под общ. ред. Козишкурта В.И. СПб.: ГИПП “Искусство России”, 2001. 112 c.

3. Вавилонский Э.Б. А дизель все-таки лучше // Независимое военное обозрение. 2001. № 23.

4. Вавилонский Э.Б., Куракса О.А., Неволин В.Н.Ответ оппонентам (отклики на выступления и публикации в СМИ сторонников газотурбинного танка Т-80) // Техника и вооружение. 2008. № 2-8.

5. Павлов М.В., Павлов И.В. Отечественные бронированные машины // Техника и вооружение. 2008. № 5-9, 11, 12; 2009. № 1-5, 7-11; 2010. № 1-8.

6. Бут Д.А., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. Накопители энергии. М.: Энергоатомиздат, 1991. 399 с.

REFERENCES

[1] Morozov V.A., Izotov D.S. Motors for “flying tanks”. Dvigatel’ [Motor], 1999, no. 5, pp. 22-25 (in Russ.).

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2014. № 3 117

[2] Ashik M. V., Efremov A.S., Popov N.S. Tank, brosivshiy vyzov vremeni (k 25-letiyu tanka T-80) [Tank defied time (for the 25th anniversary of the T-80)]. GIPP “Iskusstvo Rossii” Publ., 2001. 112 p.

[3] Vavilonskiy E.B. A diesel engine is still better. Nezavisimoe voennoe obozrenie [Independent Military Review], 2001, no. 23 (in Russ.).

[4] Vavilonskiy E.B., Kuraksa O.A., Nevolin V.N. Answer opponents (responses to speeches and media supporters of the gas turbine T-80). Tekhnika i vooruzhenie [Arms and equipment], 2008, no. 2-8 (in Russ.).

[5] Pavlov M.V., Pavlov I.V. Fatherland armored vehicles. Tekhnika i vooruzhenie [Arms and equipment], 2008, no. 5-9, 11, 12; 2009, no. 1-5, 7-11; 2010, no. 1-8 (in Russ.).

[6] But D.A., Alievskiy B.L., Mizyurin S.R., Vasyukevich P. V. Nakopiteli energii. [Energy storages]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991. 399 p.

Статья поступила в редакцию 16.09.2013

Троицкий Николай Иванович — канд. техн. наук, доцент кафедры “Газотурбинные двигатели и нетрадиционные источники энергии” МГТУ им. Н.Э. Баумана.

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

N.I. Troitskii — Cand. Sci. (Eng.), assoc. professor of “Gas-Turbine Engines and Nontraditional Energy Sources” department of the Bauman Moscow State Technical University.

Bauman Moscow State Technical University, Vtoraya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation.

118 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №3

Влияние состава топлива на работу газотурбинного двигателя | J. Eng. Газовая турбина Power

Системные эффекты термохимии топлива очевидны в других связанных исследованиях применения сжигания ископаемого топлива. Альтернативные виды биотоплива были исследованы Rubie et al. [21] с учетом авиационных приложений. В исследовании рассматривались биотопливо из морских водорослей, парафинового керосина Camelina (CSPK) и парафинового керосина Jatropha (JSPK). Все они по молекулярной массе и H / C близки к струе A, которую они предназначены для имитации.В исследовании описывается создание этого синтезированного топлива из сырья водорослей, камелины, ятрофы и животного жира. Эти виды топлива использовались для «добавления» и пополнения струи А в увеличивающихся смешанных соотношениях. Различия в характеристиках оценивались с учетом моделирования двигателя F404-GE-400, контролирующего фиксированную скорость газогенератора. Три различных топлива показали лишь незначительные изменения в производительности, что указывает на то, что все виды топлива являются жизнеспособной альтернативой реактивному двигателю A. Для сравнения, промышленный двигатель, как показано в этой статье, более приемлем для использования широкого спектра видов топлива, поскольку двигатель является заземленным. на основе, может колебаться доступная мощность для большинства приложений и не имеет ограничений профиля полета самолета.Бэ и Ким [22] рассмотрели возможные альтернативные виды топлива для автомобильных двигателей как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. Топливо включало сжатый природный газ, водород, сжиженный нефтяной газ и спирт для двигателей с искровым зажиганием, а также биодизель, диметиловый эфир и реактивное топливо-8 (JP-8) для двигателей с воспламенением от сжатия. Эти топлива были оценены на предмет их свойств сгорания, таких как октановое и цетановое число, физических свойств, которые влияли на образование распыляемой смеси / смеси для сгорания, более низкой теплотворной способности и совместимости с двигателем. Они подчеркнули сотрудничество между производителями автомобильных двигателей и нефтеперерабатывающей промышленностью в направлении создания более эффективных и экологически чистых двигателей внутреннего сгорания. Это относительно похоже на разработку промышленных газовых турбин, где двигатели и системы сгорания спроектированы для большей топливной гибкости, чтобы приспособиться к побочным видам топлива и другим видам топлива низкого качества. Например, Гёкалп и Лебас [23] подчеркивают, что промышленные газы, которые определяются как выбросы с нефтеперерабатывающих заводов или других химических промышленных процессов, являются отличными кандидатами в топливо для промышленных газотурбинных двигателей.Они также исследовали другие альтернативные виды топлива, такие как биогаз и сложные эфиры растительных масел, и оценили их на основе их физических / химических характеристик.

Влияние состава топлива на работу газотурбинного двигателя | J. Eng. Газовая турбина Power

Системные эффекты термохимии топлива очевидны в других связанных исследованиях применения сжигания ископаемого топлива. Альтернативные виды биотоплива были исследованы Rubie et al.[21] с учетом авиационных приложений. В исследовании рассматривались биотопливо из морских водорослей, парафинового керосина Camelina (CSPK) и парафинового керосина Jatropha (JSPK). Все они по молекулярной массе и H / C близки к струе A, которую они предназначены для имитации. В исследовании описывается создание этого синтезированного топлива из сырья водорослей, камелины, ятрофы и животного жира. Эти виды топлива использовались для «добавления» и пополнения струи А в увеличивающихся смешанных соотношениях. Различия в характеристиках оценивались с учетом моделирования двигателя F404-GE-400, контролирующего фиксированную скорость газогенератора.Три различных топлива показали лишь незначительные изменения в производительности, что указывает на то, что все виды топлива являются жизнеспособной альтернативой реактивному двигателю A. Для сравнения, промышленный двигатель, как показано в этой статье, более приемлем для использования широкого спектра видов топлива, поскольку двигатель является заземленным. на основе, может колебаться доступная мощность для большинства приложений и не имеет ограничений профиля полета самолета. Бэ и Ким [22] рассмотрели возможные альтернативные виды топлива для автомобильных двигателей как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия.Топливо включало сжатый природный газ, водород, сжиженный нефтяной газ и спирт для двигателей с искровым зажиганием, а также биодизель, диметиловый эфир и реактивное топливо-8 (JP-8) для двигателей с воспламенением от сжатия. Эти топлива были оценены на предмет их свойств сгорания, таких как октановое и цетановое число, физических свойств, которые влияли на образование распыляемой смеси / смеси для сгорания, более низкой теплотворной способности и совместимости с двигателем. Они подчеркнули сотрудничество между производителями автомобильных двигателей и нефтеперерабатывающей промышленностью в направлении создания более эффективных и экологически чистых двигателей внутреннего сгорания.Это относительно похоже на разработку промышленных газовых турбин, где двигатели и системы сгорания спроектированы для большей топливной гибкости, чтобы приспособиться к побочным видам топлива и другим видам топлива низкого качества. Например, Гёкалп и Лебас [23] подчеркивают, что промышленные газы, которые определяются как выбросы с нефтеперерабатывающих заводов или других химических промышленных процессов, являются отличными кандидатами в топливо для промышленных газотурбинных двигателей. Они также исследовали другие альтернативные виды топлива, такие как биогаз и сложные эфиры растительных масел, и оценили их на основе их физических / химических характеристик.

Свойства топлива для газовых турбин и их обращение

3 октября 2019 г.

Персонал и участники TMI

Персонал и участники TMI

Блог

Turbomachinery содержит сообщения экспертов во всех областях турбомашиностроения, таких как газовые турбины, диагностика машин, материалы, ремонт , и запасные части, и поощряет пользователей к участию, с привлечением читателей и взаимодействием в качестве основной цели.

• В камере сгорания газовой турбины топливо должно быть впрыснуто, испарено и смешано с воздухом перед сгоранием. Физические свойства топлива играют решающую роль в этих процессах и в значительной степени определяют характеристики сгорания. Эта статья содержит выдержки из статьи Дэна Бернса и Алехандро Каму Solar Turbines Incorporated в 2019 г. «Влияние состава топлива на характеристики газотурбинного двигателя». ASME Turbo Expo проводится в Фениксе, штат Аризона. С учетом типичных углеводородов алканов с прямой цепью, легкие молекулы вплоть до н-бутана (C4h20) существуют в виде газа при стандартных условиях окружающей среды. Более тяжелые углеводороды будут существовать в виде жидкостей и в конечном итоге достигнут твердой фазы по мере того, как молекулярная масса продолжает увеличиваться.Это изменение фазы при стандартных условиях окружающей среды связано с большим количеством кинетической энергии, необходимой для того, чтобы оставаться в газовой или жидкой фазе, по сравнению с межмолекулярными силами. Следовательно, необходимо учитывать фазу топлива, чтобы понять его правильное обращение и обработку перед сгоранием. Для газообразного топлива индекс Воббе (WI) используется для характеристики пригодности топлива для данной топливной системы и обеспечивает указание содержания энергии в топливе для данного объемного расхода.Индекс Воббе рассчитывается с использованием нижней теплотворной способности топлива (LHV), измеренной в британских тепловых единицах / фут3, и его удельного веса (относительной плотности) по отношению к воздуху (SGair) при стандартном давлении и температуре. WI = LHG / Sqrt (SGair) Наиболее распространенным газовым топливом для промышленных газовых турбин является природный газ. Однако глобальный интерес к альтернативной энергии и усилиям по хранению энергии привел к увеличению интереса к газифицированному биотопливу, смесям синтетических газов и побочным продуктам, таким как коксовый газ (COG) и доменный газ (BFG), которые могут быть получены из производство стали.COG выделяется во время производства кокса, который подается в доменную печь, производящую BFG и чушковый чугун. Из-за более низкого H / C по сравнению с обычными нефтью и природным газом, эти топлива с более низким WI, высоким уровнем инертных газов и содержанием h3-CO могут также могут быть обработаны для увеличения H / C за счет применения процесса Фишера-Тропша. Этот процесс можно разделить на низкотемпературные и высокотемпературные процессы конверсии для получения высокомолекулярных и низкомолекулярных углеводородов соответственно.Эти процессы преобразования идеальны в районах с обилием топлива на основе угля или биомассы, где они могут быть преобразованы в транспортные топлива с более высоким содержанием энергии, такие как дизельное топливо и бензин. обработка для удаления твердых частиц и соединений серы для снижения скорости коррозии и увеличения срока службы турбины. Природный газ может быть слишком «кислым» из-за высокого содержания сероводорода (h3S), который необходимо удалить перед сжиганием.Другие примеси, такие как вода и жидкие углеводороды, также могут присутствовать в газообразном топливе в зависимости от его условий. Широкий диапазон плотности энергии для типичного газообразного топлива может создать проблемы для системы управления турбиной, оборудования для обработки топлива и оборудования для сжигания из-за их большого разброса в объемных расходах. Жидкие топлива требуют более строгого кондиционирования из-за более широкого диапазона углеводородов и твердых частиц, большой разброс физических свойств и характера гетерогенного горения.Химические и физические свойства жидкого топлива сильно влияют на процесс сгорания из-за конкурирующих эффектов между испарением топлива, смешиванием и скоростью реакции. В зависимости от качества распыления и смешивания максимальная скорость тепловыделения и, следовательно, эффективность сгорания регулируется одним из этих трех механизмов. Свойства топлива, такие как вязкость, плотность и поверхностное натяжение, играют важную роль при горении распылением. Вязкость не только влияет на мощность, необходимую для прокачки топлива через топливную систему, но также влияет на его распыление и испарение капель.Чем выше вязкость топлива, тем хуже качество распыления, что может привести к образованию сажи. Отложения углерода в системе сгорания могут повредить оборудование из-за сильного теплового излучения и засорения. Для систем жидкого топлива также могут потребоваться отдельные системы распыления воздуха во время зажигания в зависимости от типа распылителя, используемого в топливной форсунке. Относительная плотность (удельный вес) топлива связана с его температурой кипения и химическим составом и является хорошим индикатором H / C смеси, теплотворной способности и склонности к образованию углеродных отложений.Характеристики летучести зависят от диапазона перегонки, давления пара и температуры вспышки. Топливо с высокой летучестью может обеспечить лучшее воспламенение и стабильность, но также может способствовать образованию паровой пробки. Низколетучие топлива, такие как тяжелые топлива, обычно слишком вязкие для впрыскивания, что требует нагрева для достижения приемлемых уровней вязкости, а также предотвращения образования кристаллов парафина, что отражается в более высоких температурах замерзания. Присутствие изопарафиновых углеводородов вместо их аналогов с прямой цепью может снизить температуру замерзания. При использовании тяжелого топлива в газовых турбинах для запуска и остановки двигателя обычно используется дистиллятное масло с более высокой плотностью API (более низкая относительная плотность и вязкость), например смесь легких дизелей (дистиллят № 2, также известный как DF-2). последовательности, чтобы избежать образования кокса в топливных форсунках. Процессы обработки жидкого топлива используются для удаления твердых частиц, таких как ванадий и свинец, в зависимости от критериев загрязнения топлива, а также для предотвращения образования эмульсий. Натрий, калий и кальций также могут присутствовать в форме морской воды, которая могла возникнуть в результате проглатывания компрессора вблизи океанических сред, соленых скважин или транспортировки по морской воде, которая может реагировать с связанной с топливом серой с образованием сульфата натрия (Na2SO4).Эти загрязнения также могут вступать в реакцию с компонентами двигателя, что приводит к потере или порче материала из-за горячей коррозии, что приводит к ухудшению характеристик двигателя. Следовательно, крайне важно внедрить соответствующие процессы обработки топлива, чтобы уменьшить деградацию двигателя. Процессы обработки жидкого топлива включают системы промывки топлива или системы парообразного жидкого топлива (VFO), предназначенные для обработки загрязненного топлива. Авиационный бензин (Avgas) содержит меньше ароматических углеводородов, чем автомобильный бензин, чтобы минимизировать влияние топлива на эластомеры и обеспечить более высокую теплотворную способность.Смеси керосина (Avtur) могут быть адаптированы для различных применений в реактивном топливе, таких как коммерческая авиация (Jet A / A-1), военная авиация (JP-8) и для морского флота (JP-5), которые содержат различные добавки. для снижения температуры замерзания, снижения летучести в целях безопасности или повышения производительности в суровых условиях. Тяжелые остаточные топлива являются остатком процесса перегонки сырой нефти и содержат больше твердых частиц, чем дистиллированные смеси. Обычно они классифицируются по плотности API или вязкости и охватывают широкий спектр тяжелых нефтей и остатков, которые используются для производства асфальта. H / C и удельная энергия существенно не меняются при сравнении бензинов с легкими дистиллятными маслами.

Соответствующее содержание:

Газотурбинные двигатели — обзор

VI Турбовинтовые и турбовентиляторные самолеты

Турбовинтовые и турбовентиляторные двигатели являются газотурбинными двигателями, как и турбореактивный двигатель, и предназначены для сведения к минимуму недостатков и использования преимуществ присущие поршневым и турбореактивным двигателям. Основное различие между этими тремя двигателями заключается в том, как они создают тягу.В турбореактивном двигателе это достигается за счет расширения горячих газов через сопло, в турбовинтовом двигателе используется пропеллер, а в турбореактивном двигателе используется многолопастной вентилятор, во многом связанный с пропеллером. Основным элементом газотурбинного двигателя является газогенератор, состоящий из компрессора (ов), горелок и турбин, приводящих в действие компрессор. Смесь воздуха и топлива, проходящая через газогенератор, является основным потоком. Газогенератор и первичный поток являются общими для всех трех двигателей и служат базой для сравнительной оценки.

В турбореактивном двигателе выхлопные газы из газогенератора расширяются через сопло, и единственным выходом является тяга. Это однопоточный двигатель, отличительными характеристиками которого являются легкий вес, небольшая площадь лобовой части, тяговая эффективность, увеличивающаяся с увеличением воздушной скорости, высокий удельный расход топлива (самый высокий из трех) и малая тяга на низких скоростях.

В турбовинтовом двигателе есть два потока: первичный поток, который развивает реактивную тягу, и вторичный (гораздо больший) поток через винт, который создает тяговое усилие.Турбовинтовой двигатель — это в первую очередь производитель мощности и описывается так же, как и поршневой винт. Турбовинтовой двигатель является в первую очередь заменой поршневого винта, поскольку он способен развивать более высокие воздушные скорости и больший диапазон для данного веса самолета из-за гораздо меньшего веса двигателя и меньшего веса C _D0 . Несмотря на то, что из-за винта и коробки передач он тяжелее турбореактивного или двухконтурного двигателя, он примерно в четыре раза легче поршневого двигателя той же мощности. Кроме того, хотя лобовая часть несколько больше, чем у турбореактивного двигателя, она меньше, чем у поршневого винта, и когда двигатель работает, C _D0 имеет порядок площади турбореактивного двигателя, что означает более высокие E _м , чем поршневой винт.Наличие реактивной тяги, которая хотя и относительно мала, но по существу постоянна, имеет тенденцию сглаживать кривые тяги на более высоких скоростях и уменьшать скорость снижения эффективности движителя. Турбовинтовой двигатель имеет низкий удельный расход топлива, порядка, но несколько выше, чем у поршневого винта. Еще одно важное преимущество перед поршневой опорой — это гораздо более низкие затраты на техническое обслуживание. Хотя его первоначальная стоимость выше, это более простой двигатель с большей надежностью, особенно с учетом недавних улучшений в коробке передач.

Турбореактивный двухконтурный двигатель — это многопоточный двигатель, во многих отношениях похожий на турбовинтовой, за исключением того, что дополнительные турбины напрямую приводят в действие вентилятор, который напоминает компрессор с осевым потоком. Несмотря на то, что при очень высоких коэффициентах двухконтурности турбовентиляторный двигатель может производить больше мощности, чем тягу, и работать больше как турбовинтовой, чем трубореактивный, его принято описывать как турбореактивный двигатель.

Турбореактивный двухконтурный двигатель сочетает в себе хорошую тяговую эффективность и высокую тягу на более низких скоростях движения поршень-винт с постоянной тягой и повышением тягового качества на более высоких скоростях движения турбореактивного двигателя.Поскольку сложность и вес редуктора и системы регулятора воздушного винта турбовинтового двигателя устранены, турбовентилятор стал еще проще и легче. Кроме того, воздушный поток, проходящий через канальный вентилятор, не сильно зависит от воздушной скорости, так что снижение пропульсивной эффективности при высоких скоростях полета не столь существенно, как снижение, связанное с эффективностью воздушного винта турбовинтового двигателя. Следовательно, ТРДД может использоваться на воздушных скоростях до низких сверхзвуковых скоростей включительно.Хотя лобовая часть больше, чем у турбореактивного двигателя, ТРДД значительно короче, и общее сопротивление не обязательно больше. Удельный расход топлива намного меньше, чем у турбореактивного двигателя, и, хотя он больше, чем у турбовинтового, он приближается к сопоставимым значениям. Турбореактивный двигатель также тише, чем турбореактивный, и намного тише, чем турбовинтовой, что является преимуществом в наши дни, когда все больше внимания уделяется шумовому загрязнению.

Поскольку и турбовинтовой, и двухконтурный двухконтурные двигатели являются многопоточными двигателями, эквивалентный удельный расход топлива представляет собой комбинацию значений hpsfc и tsfc и, таким образом, будет варьироваться в зависимости от скорости полета.Любое значение, указанное в литературе, относится к конкретной воздушной скорости, которая не всегда указывается. Разница в удельном расходе топлива в зависимости от скорости полета у турбовентиляторного двигателя больше, чем у турбовинтового.

Поскольку турбовинтовые двигатели и турбовентиляторные двигатели представляют собой разные комбинации поршневой винт и турбореактивный двигатель, их характеристики должны находиться где-то между характеристиками поршневого винта и чисто турбореактивного двигателя. Сравнивая турбовинтовые, двухконтурные и турбореактивные двигатели сопоставимой мощности (сопоставимые газогенераторы), можно сделать вывод, что турбовинтовой двигатель обеспечивает наибольшую тягу на более низких скоростях полета, включая самолет, стоящий неподвижно в начале разбега.Однако тяга будет уменьшаться наиболее быстрыми темпами из трех по мере увеличения воздушной скорости и при взлете, вероятно, будет меньше, чем у двух других. Турбореактивный двухконтурный двигатель будет производить меньшую тягу, чем турбовинтовой, на более низких скоростях, но большую, чем турбореактивный, что не только улучшает взлетные характеристики и характеристики на ранней стадии набора высоты, но также обеспечивает более высокую взлетную массу, чем турбореактивный двигатель. Тяга уменьшается с увеличением воздушной скорости, но медленнее, чем у турбовинтового двигателя, из-за различий между вентилятором и гребным винтом и из-за большей составляющей реактивной тяги.По мере увеличения степени двухконтурности характеристики турбовинтового двигателя приближаются к характеристикам турбовинтового двигателя на более низких скоростях, но сохраняются некоторые характеристики турбореактивного двигателя на более высоких скоростях. Турбореактивный двигатель имеет самую низкую начальную тягу из трех, но тяга по существу остается постоянной в зависимости от скорости полета.

Что касается других характеристик характеристик, турбовинтовой двигатель в достаточной степени похож на поршневой винт, что является разумным приближением, просто используя уравнения поршень-винт без изменений.Однако турбовентилятор не обязательно так прост или прямолинеен. Если коэффициент двухконтурности низкий, уравнения турбореактивного двигателя можно использовать без изменений. По мере увеличения степени двухконтурности и увеличения отношения мощности к тяге турбовентиляторный двигатель приобретает больше характеристик турбовинтового и поршневого двигателя, особенно на более низких скоростях полета. По-прежнему можно использовать уравнения турбореактивного двигателя с осознанием того, что фактические значения для низких скоростей могут несколько отличаться. На более высоких скоростях турбовентилятор будет работать больше как турбореактивный, но с меньшим удельным расходом топлива.

Из-за своей превосходной топливной экономичности турбовентиляторный двигатель быстро заменил турбореактивный двигатель для дозвуковых самолетов, а турбовинтовой двигатель заменил поршневой двигатель во многих приложениях (например, в пригородных самолетах) из-за его меньшего веса и более высокой скорости полета. Однако в последние годы меньший по размерам региональный самолет (RJ) с 30–100 креслами быстро заменяет турбовинтовой в качестве фидерного и ближнего коммерческого самолета (см. Рис. 8). Хотя топливная эффективность RJ ниже, чем у турбовинтового, RJ обладает преимуществами более высоких крейсерских высот (выше турбулентности и погодных условий), более короткого времени полета, меньшего шума и, возможно, более высокого общественного признания из-за его более современного внешнего вида.

РИСУНОК 8. Canadair Regional Jet, CRJ 200. Транспортное средство вместимостью 50 пассажиров, скорость 0,81 Маха, с двумя турбовентиляторными двигателями тягой 8700 фунтов, полная масса 53 000 фунтов, площадь крыла 520 футов. ² (W / S = 102 фунт / фут ² ) и дальность действия 2300 миль. [Любезно предоставлено Bombardier Aerospace.]

2 агрессивные цели при разработке газовых турбин | Передовые технологии для газовых турбин

Нормированная стоимость электроэнергии определена как

— установленные капитальные затраты и текущие эксплуатационные расходы электростанции, преобразованные в постоянный поток платежей в течение предполагаемого финансового срока службы электростанции.Установленные капитальные затраты включают затраты на строительство, затраты на финансирование, налоговые льготы и другие субсидии или налоги, связанные с установкой. Текущие затраты включают стоимость топлива (для электростанций, потребляющих топливо), ожидаемые затраты на техническое обслуживание и другие соответствующие налоги или субсидии, зависящие от эксплуатации станции. ⁷

Нормированная стоимость становится одним из ключевых критериев при определении того, решит ли коммунальное предприятие приобрести и эксплуатировать газовую турбину. Вероятно, что продажи газовых турбин будут иметь негативное влияние, если стоимость возобновляемых источников энергии будет постоянно снижать стоимость газовых турбин.Две недавние оценки предсказывают, что это может произойти в период с 2020 по 2024 год. ^8,9

Будет сложно как достичь растущих целей производительности, так и оставаться конкурентоспособным по стоимости с возобновляемыми источниками энергии. Постоянно меняющийся ландшафт производства электроэнергии делает все более сложным прогнозирование исследований газовых турбин с наибольшей потенциальной окупаемостью. Например, значительное и непредвиденное снижение стоимости возобновляемой энергии может потенциально смягчить или обратить вспять долгосрочный прогнозируемый рост спроса на газовые турбины для производства электроэнергии.

Учитывая рекордно низкие цены на возобновляемые источники энергии, агентство Bloomberg New Energy Finance заявило, что «некоторые существующие угольные и газовые электростанции с невозвратными капитальными затратами будут продолжать играть свою роль в течение многих лет, сочетая оптовую генерацию и балансирование, по мере увеличения проникновения ветра и солнца. Но экономические аргументы в пользу строительства новых мощностей по углю и газу рушатся, поскольку батареи начинают посягать на гибкость и пиковые доходы, которыми пользуются электростанции, работающие на ископаемом топливе ». ¹⁰ Даже в этом случае темпы, с которыми могут происходить изменения в источниках энергии, будут зависеть от многих факторов, таких как темпы увеличения и развертывания более дешевых возобновляемых источников энергии и скорость, с которой спрос на электроэнергию растет.

Эта область исследований напрямую снизит затраты на жизненный цикл. ¹¹ Технический риск достижения этой цели высок, поскольку для достижения целей по повышению эффективности потребуются более дорогие решения, такие как материалы с более высокими эксплуатационными характеристиками и более сложная геометрия компонентов, что приведет к увеличению производственных затрат.

Авиационные двигатели преобразуют химическую энергию, запасенную в реактивном топливе, в полезную тяговую мощность. Движущая сила определяется как произведение силы тяги и скорости полета.Газовые турбины используются для приведения в движение самолета в одной из трех конфигураций или архитектур: турбореактивный, двухконтурный или турбовинтовой. В каждом из этих случаев газовая турбина служит ядром авиационного двигателя. Турбореактивные двигатели используют выхлоп из активной зоны в качестве прямого источника тяги, причем практически вся механическая энергия, производимая модулем турбины, используется для приведения в действие модуля компрессора (и электрических генераторов для электрической системы самолета). В турбовентиляторных двигателях часть механической энергии, производимой турбинным модулем, используется для приведения в действие вентилятора, который обеспечивает тягу (в дополнение к выхлопу турбины).Вентилятор расположен внутри гондолы двигателя непосредственно перед активной зоной. Диаметр лопастей вентилятора больше диаметра сердечника. Воздух, проходящий через вентилятор, обтекает сердечник и сливается с выхлопом турбины перед выходом из двигателя. Турбовинтовой двигатель похож на турбовентилятор, за исключением того, что для создания тяги используется винт, расположенный за пределами гондолы двигателя, вместо установленного внутри вентилятора.

___________________

⁷ Управление энергетической информации, 2018, EIA использует два упрощенных показателя, чтобы показать относительную экономику электростанций будущего, Today in Energy , 29 марта, https: // www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=35552.

⁸ McKinsey and Company, 2019, Global Energy Perspective 2019: Reference Case (Summary) , https://mck.co/2Nh4yGg, январь.

⁹ Д. Дадли, 2018, Возобновляемые источники энергии будут неизменно дешевле ископаемых видов топлива к 2020 году, утверждается в отчете, Forbes , 13 января, http://bit.ly/2PWOFCi.

¹⁰ Bloomberg New Energy Finance, 2018, «Падение затрат на ветроэнергетику, солнечную энергию и батареи вытесняет ископаемое топливо», 28 марта, http: // bit.ly / 34CtcTE.

¹¹ Справочная информация о затратах в течение жизненного цикла представлена ​​в главе 1 в разделе «Общая информация для критериев повышения производительности».

Топливо для газотурбинных двигателей | EI

• Опубликован: Июнь 2018 г.
• REF / ISBN: 9781527225466
• Издание: 1-е
• Статус: Текущий

Опубликовано Landfall Press; Автор: Эрик Гуджер.

Обратите внимание, что в декабре 2018 г. для этой публикации была опубликована ошибка, она доступна для загрузки и представлена ​​в виде полного PDF-файла. Это изменение внесено в полный PDF-файл.

С момента своего появления во время Второй мировой войны в качестве жизнеспособной альтернативы поршневому двигателю, газотурбинный двигатель пережил период быстрого развития, став повсеместным в областях как тяги, так и выработки электроэнергии. Соответствующие виды топлива разрабатывались параллельно с широким спектром возможных претендентов на раннем этапе развития до нынешних строго определенных керосинов для авиационных применений, а также ряда газообразных углеводородов и среднекипящих нефтяных дистиллятов для промышленных целей.Многочисленные спецификации топлива (BSI, DERD, NATO, US Mil, US Civil, ISO) четко обозначены.

В этом всеобъемлющем, но кратком обзоре газотурбинного топлива сравниваются восемь или около того авиационных керосинов и три основных промышленных топлива с указанием их производства, истории технических характеристик и требований, методов испытаний, загрязняющих веществ и добавок. Поскольку ожидается, что добыча нефти, получаемой из ископаемого топлива, прекратится в течение следующих пятидесяти лет, особое внимание здесь было уделено альтернативным возможностям, которые могут быть доступны, изучены как « падающие » добавки, так и существенно другие заменители, сосредоточив внимание на биотопливе как на альтернативе. временная мера и водород для большей стабильности.

Преимущества для участников

Являетесь ли вы членом EI? Если да, зарегистрируйтесь / войдите в систему сейчас, чтобы убедиться, что вы получаете бесплатный доступ или скидки на публикации EI.

Если вы не являетесь участником, почему бы не присоединиться сегодня и не получить все преимущества членства в EI? Члены EI имеют право на 25% скидку на большинство публикаций EI.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

.