CC BY
120
УДК 621.433
В.А. Гусаров, Я.В. Кулагин
СОЗДАНИЕ МИКРОГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ТУРБОКОМПРЕССОРА ДВС
Модельный ряд большинства производителей автомобильных турбокомпрессоров имеет производительность компрессора 0.113- 0.185 кг/с (406-666 кг/ч), что позволяет создать на их основе МГТУ электрической мощности от 10 до 40 кВт. Разработанная методика позволяет определить теоретическую электрическую мощность микроГТУ с применяемыми в качестве компрессора и турбины турбокомпрессорами ДВС по известным техническим параметрам.
Избыточный воздух, электрическая мощность, микро газотурбинная установка, камера сгорания
V.A. Gusarov, I.V. Kulagin CREATING A MICRO GAS TURBINE BASED ON THE ICE TURBOCHARGER
Most automotive turbochargers have the capacity of air compressors ranging from 0.113 to 0.185 kg / s (406-666 kg / h), which are used for creating miniature gas turbines with electric power from 10 to 40 kW.
The developed method allows us to determine the theoretical electrical power of micro gas turbines using turbochargers for compressors and turbine engines possessing the established specifications
Microturbines, calculation power of the turbocharger, the micro gas turbine plant, the combustion chamber
Развитие современной энергетики в России напрямую связано с применением современных энергетических технологий.
В последнее время всё большее распространение в сфере электроснабжения получают газотурбинные электрогенераторы. Основными их достоинствами являются экологичность, большой ресурс наработки, малая масса на единицу мощности, возможность длительного использования без присутствия оператора.
Сравнительно низкое содержание вредных выбросов обеспечивается высокотемпературным горением топлива в камере сгорания. Для работы газотурбинной установки (ГТУ) подходит большинство видов газообразного топлива, таких как природный газ, пропан-бутан, биогаз, свалочный газ, шахтный газ, древесный газ и практически все виды жидкого топлива.
Значительно больший ресурс ГТУ по сравнению с её дизельными и бензиновыми аналогами достигается за счёт отсутствия деталей и узлов с возвратно-поступательным движением, а также наличием всего одного вращающегося элемента - ротора.
Однако по сравнению с паросиловой установкой ГТУ имеют меньшую экономичность. Средний электрический КПД достаточно хороших ГТУ составляет 37-38 %, а паротурбинных энергоблоков - 42-43 %. На мощных энергетических ГТУ электрический КПД достигает уровня 41-42%. Эффективность ГТУ зависит от температуры в камере сгорания, т. е. температуры уходящих газов [1]. В связи с этим основным направлением развития ГТУ является использование как механической энергии, так и получаемой теплоты, т.е. когенерация.
В отличие от наиболее распространённых установок большой мощности маломощные установки до сих пор в народном хозяйстве мало используются и слабо внедряются. Достаточно отметить, что в России они не производятся. Имеющиеся в ограниченном ассортименте установки импортного производства имеют минимальную электрическую мощность 30 кВт и высокую стоимость, порядка $2 тыс. за 1 кВт электрической мощности.
На мировом рынке совершенно отсутствуют микро газотурбинные установки мощностью 510 кВт электрической мощности и 10-15 кВт тепловой мощности, пригодные для автономного электроснабжения сельского дома.
Поэтому в ФГБНУ ВИЭСХ была поставлена, а затем и решена задача по созданию такой машины. Установка собрана из серийных узлов, выпускаемых российской промышленностью. Этим достигается значительное снижение ее себестоимости.
Основным направлением использования МГТУ предполагается использование в различных технологических процессах сельскохозяйственного производства, таких как отопление и теплоснабжение ферм, полив культур подогретой водой, сушка сена и зерна в полевых условиях и др., что является новизной в мировой практике.
Созданная в ФГБНУ ВИЭСХ установка предполагает производство и ремонт не только на хорошо оснащённых предприятиях, но и в сельских мастерских.
Методики проектирования и расчетов основных узлов газотурбинных двигателей, выполненных на основе турбокомпрессора от ДВС, в мировой практике не существует.
В связи с тем, что в основу проектирования микрогазотурбинной установки в качестве основного узла заложен турбокомпрессор, производителю необходимого определить его мощность и подобрать соответствующую модель. Для МГТУ подобного типа более пригодной является радиальная центростремительная турбина по следующим причинам:
1. Турбокомпрессор такого типа особенно пригоден для малых газотурбинных двигателей, так как путем конструктивного соединения турбины с крыльчаткой компрессора с таким же наружным диаметром можно сделать конструкцию более компактной.
2. Ротор радиальной центростремительной турбины в отличие от ротора осевой турбины, состоящего из диска и отдельных лопаток, может быть изготовлен более дешевым способом из поковки или путем точного литья.
3. Радиальная турбина малых размеров теоретически может быть даже более эффективной, чем соответствующая осевая турбина вследствие значительно меньшего влияния числа Рейнольдса на ее характеристики и, следовательно, масштабности.
4. Радиальная турбина имеет более высокую прочность и надежность в работе по сравнению с осевой турбиной.
5. Лопатки радиальной турбины практически нечувствительны к действию малых твердых частиц, оказавшихся в газообразных продуктах сгорания, в то время как попадание твердых частиц на лопатки осевой турбины может вызвать серьезную эрозию лопаток.
6. Радиальная турбина имеет более высокие перепады давлений в ступени, чем турбина осевого типа. Для перепадов давлений в ступени порядка 3 или 4 может быть применена 2- или 3-ступенчатая радиальная турбина.
7. Радиальная турбина с регулируемыми сопловыми лопатками может сохранять свой расчетный (максимальный) КПД в относительно широком диапазоне мощностей и, таким образом, иметь значительно лучшие характеристики при частичных нагрузках, чем турбина осевого типа.
8. Как и осевая, турбина радиального типа, используемая как свободная или силовая, имеет такие же характеристики максимального крутящего момента при запуске на малой частоте вращения [2].
Для создания МГТУ применяется автомобильный турбокомпрессор производства отечественной или импортной автомобильной промышленности. Использование в конструкции отечественных серийных промышленных деталей обеспечивает более низкую себестоимость установки и высокую
доступность большинства необходимых узлов, агрегатов и деталей. Увеличенный ресурс работы до капитальных ремонтов и возможность производства нескольких капитальных ремонтов без существенных затрат значительно сокращают сроки окупаемости. На рис. 1 представлен автомобильный турбокомпрессор без перепускного клапана [3]. При работе ДВС перепускной клапан регулирует подачу рабочего газа на турбину, но при работе МГТУ перепускной клапан должен быть закрыт, вследствие этого отпадает необходимость в его использовании.
Рис. 1. Устройство автомобильного радиального турбокомпрессора ТКР-90-2: 1 - улитка; 2 - диффузор безлопаточный; 3 - колесо компрессора; 4 - крышка корпуса компрессора; 5 - корпус турбины; 6 - колесо турбины; 7 - кольцо упорное; 8 - аппарат силовой; 9 - моновтулка; 10 - вал ротора; 11 - крышка корпуса турбины; 12 - кольцо уплотнительное; 13 - маслоотражатель; 14 - гайка крепления колеса компрессора
Основными задачами для достижения положительного результата являлась разработка таких узлов как двигатель МГТУ, свободная силовая турбина, электронной системы управления двигателем с периферийными узлами.
В отличие от известных микротурбин импортного производства, таких как Capstone, Calnetix, Дрессер-Рэнд, Hitachi и др., нашими разработчиками была выбрана двухвальная кинематическая схема.
Рис. 2. Блок-схема газотурбинных разработанных установок: 1 - электростартер-компрессор; 2 - рабочий компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - турбина; 5 - свободная силовая турбина; 6 - утилизатор тепла; 7 - генератор; 8 - зарядное устройство;
9 - аккумуляторная станция; 10 - инвертор
В процессе работы было разработано несколько методик проектирования основных узлов МГТУ. В данной статье приводится только методика выбора турбокомпрессора по заданному параметру - электрической мощности проектируемой микрогазотурбинной электростанции.
Разработка микрогазотурбинной установки начинается с разработки двигателя, который состоит из двух узлов: турбокомпрессора от ДВС и камеры сгорания. Чтобы получить надёжный, экономичный и дешёвый двигатель, необходимо оптимизировать всю его конструкцию в целом, а для этого необходимо определить параметры и модель турбокомпрессора, определить геометрические параметры камеры сгорания.
Методика подбора турбокомпрессора, используемого в МГТУ, основана на показателях производительности компрессора, N г/с, указанной в технической характеристике любого выпускаемого турбокомпрессора, требуемой теоретической электрической мощности изготавливаемой газотурбинной установки и вида используемого топлива.
ЫВ = эл лл о , (1)
Чт •Чэ.г.-'Пс т.
где N в - производительность компрессора г/с, кг/ч; Кэл. - теоретическая электрическая мощность установки, кВт; Qт - удельная теплота сгорания топлива, кВт- ч/кг (табл. 1); Пс.т- КПД свободной силовой турбины (0,7-0,9); Пэг. - теоретический КПД электрогенератора (0,7-0,85).
Электрический КПД серийных ГТУ составляет ~ 36 % большой мощности [4] и ~ 20-28% малых микротурбин.
Для наиболее эффективного горения газовоздушной смеси необходимо создать в камере сгорания условия, при которых количество воздуха, поступающего непосредственно на горение, было бы меньше общего объёма поступающего в камеру воздуха. Количество этого избыточного воздуха определяется коэффициентом избытка а:
а = £ (2)
Ов - фактический массовый расход воздуха;
св=ыв-К^, (3)
Кп.в. - коэффициент преобладания воздуха, равен отношению количества подаваемого воздуха в камеру сгорания, к количеству воздуха, подаваемого на охлаждение турбины.
Ьо - теоретический массовый расход воздуха;
¿о = —, (4)
о 232 у '
где 0,232 - массовая доля кислорода в атмосферном воздухе; Оо - массовое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг топлива (с учетом содержащегося в топливе кислорода) (табл. 1).
Таблица 1
Теоретическое соотношение количества воздуха и топлива в стехиометрической смеси при сгорании топлива 30 [6]
Соотношение Топливо
Метан Пропан Бутан Пропан-бутан ДМЗ Этанол СПГ ДТ Бензин Водород
м3/м3 9,52 23,81 30,94 27,43 9,52 58,60 2,38
кг/кг 17,2 15,60 15,20 15,20 9,13 9,07 17,20 14,20 14,50 34,8
Go - для пропан-бутановой смеси составляет 15,2 кг/кг.
Для работы ГТД могут использоваться любой горючий газ или жидкое топливо. Наиболее распространённым топливом для работы установок подобного типа являются природный газ и пропан-бутановая смесь, удельная теплота сгорания которых приведена в табл. 2.
Таблица 2
Удельная теплота сгорания веществ в воздухе, От МДж/кг, кВт-ч/кг [5]
Топливо Содержание энергии Топливо Содержание энергии
МДж/кг квтч/кг МДж/кг квт- ч/кг
Водород 120,9 33,58 Бытовой газ 31,8 8,83
Метан 50,1 13,92 Древесный уголь 31 8,61
Этилен 48 13,33 Условное топливо 29,3 8,14
Пропан 47,54 13,21 Спирт этиловый 30 8,33
Пропан-бутан 36 10,0 Биоэтанол Е85 27 7,5
Бензин 44 12,22 Биогаз 24 6,67
Дизельное топливо 42,7 11,86 Метанол 22,7 6,31
Нефть 41 11,39 Алюминий 6,7 1,86
Керосин 40,8 11,33 Каменный уголь 22 6,11
Мазут 39,2 10,89 Бурый уголь 15 4,17
Исходя из конструктивных особенностей камеры сгорания микроГТУ с турбокомпрессором от ДВС, где рабочее тело не должно превышать температуру 700 °С, до 60% воздуха, поступающего от компрессора, идет не в камеру сгорания, а на охлаждение стенок камеры сгорания и турбины. Поэтому вводимый в расчет этот объём воздуха представлен как коэффициент преобладания воздуха Кпв. и находится в пределах 2 2.2. Конструкция камеры сгорания в данной статье не рассматривается.
Стандартное значение коэффициента избытка воздуха для тепловых двигателей:
Для газовых ДВС а =1.1-1.3
Для бензиновых ДВС а =0.8-1.1
Для дизельных ДВС а =1.2-2
Для ГТУ а =4-8 [7]
Для МГТУ а = 2-6 _
Рис. 3. Турбокомпрессор ТКР-7-1Н установленный на раме МГТУ А-90
Разработанная методика позволяет определить теоретическую электрическую мощность мик-роГТУ по известным техническим параметрам.
.т.
^эл _ К •р . (5)
Модельный ряд турбокомпрессоров от ТКР 6 до ТКР 11С31К имеет производительность по перекачке воздуха 0.113- 0.185 кг/с (406-666 кг/ч), что позволяет создавать на их основе МГТУ электрической мощности от 10 до 40 кВт.
Рис. 4. Экспериментальная установка А-90
По предложенной методике были созданы две МГТУ, на которых был проведен ряд испытаний. Хочется отметить их следующие достоинства: легкий запуск при температурах от - 30 до + 30 °С, полная автоматизация рабочего процесса на всех режимах работы двигателя, включая режимы запуска и остановки. Наличие систем защиты позволяет исключить практически все внештат-
ные ситуации. При общей мощности двигателя 91 кВт первая экспериментальная установка имеет вес 62 кг [8].
Формулы (1) и (4) были апробированы и доказаны на экспериментальной установке А-90 (рис. 3) с расчетной тепловой мощностью 91 кВт, где используется турбокомпрессор ТКР-7-1Н (рис. 4), с производительностью компрессора 0.12 кг/с (432 кг/ч). Для обеспечения нужного термического режима была разработана камера сгорания с меняющимся размером проходного канала охлаждающего воздуха между корпусом камеры сгорания и смесителем [9]. На асинхронном трёхфазном генераторе, подключенном к сети, была получена электрическая мощность 18 кВт, что совпадает с теоретическим расчетом по производимой тепловой мощности и заданным электрическим КПД установки.
Таблица 3
Технические характеристики МГТУ А-90
Электрическая мощность, кВт 18
КПД по электричеству, % 20
КПД общий - когенерация, % 73
Напряжение на выходе, трехфазное, В 380
Частота тока, Гц 50
Вес установки, кг 62
Время выхода на рабочий режим двигателя, мин не более 1
Габариты, мм 1200 х 1114x644
Топливо Пропан-бутан
Расход газа при номинальной нагрузке, г/с 1,92
Температура выхлопных газов, °С 335
Выход тепловой энергии, кВт 48
Выброс вредных веществ в выхлопе < 0,6 ppm NOx
Скорость вращения турбины, об./мин 35000-80000
Скорость вращения свободной силовой турбины, об./мин 6000-14800
Уровень шума на расстоянии 10 м, с1В 82
ЛИТЕРАТУРА
1. Сорочинский В.Ф. Снижение энергозатрат при конвективной сушке зерна // Хранение и переработка зерна. 2011. Июль.
2. Гусаров В.А., Кулагин Я.В. Газотурбинные технологии для автономного электроснабжения // Газотурбинные технологии: специализированный информационно-аналитический журнал. Рыбинск, 2012. № 7 (108).
3. Каталог продукции ЗАО НПО «Турботехника». Россия.
4. Микротурбины МТ 333 FlexEnergy. Руководство по эксплуатации.
5. Физическая энциклопедия / Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич и др.; под общ. ред. А.М. Прохорова. М.: Сов. энциклопедия, 1999. Т. 5. 692 с.
6. Чухарева Н.В. Топливо и рациональное его сжигание в камерах сгорания ГТУ: элементы топлива, внешний и внутренний балласт топлива, теплотехническая оценка элементов топлива. ТХНГ, 2010.
7. Гущин С.Н. Казяев М.Д. Расчёт горения топлив. Екатеринбург: УГТУ УПИ, 1995.
8. Кулагин Я.В. Применение микрогазотурбинных установок, работающих на биогазовом топливе, как генераторов энергии в микросетях // Международная конференция РИАМА, Москва, 6-7 ноября 2013 г. М., 2013.
9. Гусаров В.А., Кулагин Я.В. Разработка газотурбинного двигателя, работающего на биогазовом топливе // Вестник ВИЭСХ. 2013. Вып. № 1 (10). С. 68-71.
Гусаров Валентин Александрович - Valentin A. Gusarov -
кандидат технических наук Всероссийского Ph. D., Associate Professor
научно-исследовательского института All-Russian research Institute for electrification
электрификации сельского хозяйства, г. Москва of agriculture, Moscow
Кулагин Ярослав Владимирович - Yaroslav V. Kulagin -
Аспирант научно-исследовательского института Postgraduate
электрификации сельского хозяйства, г. Москва All-Russian research Institute for electrification
of agriculture, Moscow
Статья поступила в редакцию 10.08.15, принята к опубликованию 15.09.15
