2. Преимущества газотурбинного двигателя
над поршневым:
Высокая удельная мощность;
Благоприятные моментные характеристики;
Хорошая уравновешенность - отсутствие возвратно
движущихся деталей;
Нечувствительность к видам топлива;
Хорошие пусковые свойства.
Нетребовательность к качеству смазки, больший
ресурс.
Недостатки:
Низкая топливная экономичность.
3. Рабочий цикл ГТД
Термический КПД
)./( 00 lH
L
Q
Q
u
ee
t
Повышение температуры газов перед турбиной на 50 увеличивает
значение ŋt на 2% *Р.М. Яблоник]
1
1
1
t
σ = pc /pa
)
1
1( 1
zpT TcL
)1(
1
apk TcL
Удельная работа турбины
Удельная работа компрессора
8. Газодинамический расчет проточного тракта двигателя
Исходя из заданных мощности и типичного КПД теплового двигателя т 40% находятся расходы
топлива gт и воздуха (G).
Задаются температура горения и степень сжатия компрессора. (T1= 2300K, σ = 20)
Определяются:
коэффициент полезной работы
скорость истечения из сопла (критическая)
кинетическая энергия струй
площадь критического сечения сопел
суммарная сила тяги сопел
мощность истекающих струй N1 = Рc1Cс1 = E1
окружная скорость сопел
число оборотов ротора
неиспользованная кинетическая энергия струй E(1) = G (Wкр1 - Cc1)2
понижение температуры в процессе истечения
давление в пространстве истечения струй
1
1
к
11
1
2
RTWкр
2
2
1
GW
Ec
1
1
1
389,0 P
TG
Sc
Pс1 = p0c1 Fc1 f() – p2Fc1
1
1
1
c
c
P
N
С
Gc
N
TT
p
1
12
1
)(
2
1
1
2
T
T
p
p
1
1
1
60
d
С
n c
т
k
l
l
1
u
tт
H
N
g
9. Термический кпд идеального цикла кс
выхлкс
t
T
TT
)1(1
)1()
1
1(
m
k
m
k
mт
t
Термический кпд реального цикла
t = 0,467
ŋт = 0,9, ŋк = 0,86.
Полезная мощность = сумма мощностей 2 – 4 ступеней: 35,64 + 29,99 + 25,2 = 90,83 кВт
Расход воздуха: G = 0,11 кГ/с;
Температура горения: Тz = 2300K;
Удельный расход топлива: g = 0,258 кг/кВтчас = 0,19 кг/л. с. час;
Параметр 1 ступень 2 ступень 3 ступень 4 ступень
(кам. сгор.)
Температура К 2300 1935 1628 1370
Давление, ата 20 10,7 5,7 3,0
Скорость истечения, м/с 870 805,0 738,4 677,4
Мощность ступени, кВт 41,6 35,64 29,99 25,2
Площадь крит. сеч. сумм., см2 0,678 1,162 2,00 3,432
Диаметр одного сопла, мм 4,64 6,1 8,0 10,5
Импульс струй, Н 167,3 153,2 149,8 129,2
Сила тяги сопл, Н 95,55 88,2 82,03 74,68
Отношение: тяга/импульс 0,575 0,576 0,582 0,578
Диаметр окружности сопел, м 0,25 0,30 0,35 0,40
Окружная скорость м/сек 435,7 336,6 261,4 211,3
Число оборотов 1/мин 33063 25717 19969 16142
Результаты газодинамического расчета
Остаточные параметры газа за четвертой ступенью: температура Tвыхл = 1152К, давление 1,62 ата.
t = 0,473
10. Расчет компрессора
1 ступень 2 ступень 3 ступень 4 ступень
1 Т1 2 Т2 3 Т3 4 Т4
3,14 399,42 2,36 510,84 1,99 622,26 1,78 733,68
Удельная работа:
Мощность:
)1(
1
hpк Tcl
Nк = lк Gв
Степень сжатия ступени:
Температура после ступени:
1
1
1 )1(
ТсG
N
зв
ст
1
112 )(
ТТ
Расчет проводится при равенстве адиабатических работ сжатия в каждой ступени
Суммарная степень сжатия:
= 1234 = 3,142,361,991,78 = 26,25.
Мощность на привод компрессора = 44,9 кВт
12. Порядок теплового расчета КС
lNu 4.08.0
PrRe023,0
L
Nu
WD
Re
pC
Pr
Расчет выполняется в критериальной форме:
Коэффициент теплоотдачи от горячих газов к стенке камеры сгорания:
градмВт
градсекм
ккал
D
Nu 2
2
1
1 /1,4000958,0
Теплоотдача при течении расплавленных металлов в трубах,
определяемая числом Нуссельта, зависит от числа Пекле (Pe)
Жаропрочные сплавы для роторов: на основе ниобия ВН2А, молибдена ЦМ3, вольфрама ВВ2 - сохраняют
прочность до 1200С; для камеры сгорания – бронзовые сплавы.
Жаростойкие керамики: нитрид бора и карбид вольфрама допускают температуру до 3000С.
Nu = a + bPe
a
uL
Pe
Pe 1000 Nu = 14 U =0,25 м/сек
Коэффициент теплоотдачи к металлу: 2 = 3000 Вт/м2 град
Давление в жидкости p, возникающее при вращении КС
за счет центробежной силы
22
rp
При разности температур в “горячей” и “холодной” полостях рубашки
охлаждения 100С, перепад давления составит Δр = 4,7 МПа
Температура жидкометаллического теплоносителя: Тср2 = 608С
при условии, что площадь сброса тепла = 10 (площадь поверхности камеры сгорания)
13. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Р. М. Яблоник. Газотурбинные установки. М.: Машгиз. 1959. 408 с.
2. Ред. Г. Ю. Степанов. Танковые силовые установки. М.: Воениздат. 1991. 380 с.
3. Е. С. Щетинков. Физика горения газов. М.: Наука. 1965. 739 с.
4. А. Сударев, В. Тихоплав, Г. Шишов, В. Катенев. Высокотемпературные двигатели с применением
высокотемпературной керамики. Журнал «Газотурбинные технологии» № 3, 2000.
5. Г .Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Наука. 1969. 824 с.
6. И. И. Кулагин. Теория авиационных газотурбинных двигателей. М.: Гос. издательство оборонной
промышленности. 1955. 408 с.
7. А. В. Квасников. Теория жидкостных ракетных двигателей. Л.: Судпромгиз. 1959. 541 с.
8. Интернет: nttp://www/splav.kharkov.com
9. Интернет: nttp://www.chemport.ru/chemical encyclopedia article 488.html
10. В. С. Жуковский. Основы теории теплопередачи. Л.: Энергия. 1969. 224 с.
11. С. С. Кутателадзе и В. М. Боришанский. Справочник по теплопередаче. М.:, Л.: Гос. энергетич. из-
во. 1959. 414 с.
12. Б. В. Раушенбах, С. А. Белый, И. В. Беспалов, В. Я. Бородачев, М. С. Волынский, А. Г. Прудников.
Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных
двигателей. М.: Машиностроение. 1964. 526 с.
13. М. П. Вукалович, И. И. Новиков Техническая термодинамика. М.:, Л.: Гос. энергетическое изд-во.
1962. 304 с.
14. Н. Б. Варгафтик. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Гос. изд-во
физико-математической литературы. 1963. 708 с.
15. Боришанский В. М., Кутателадзе С. С., Новиков И. И., Федынский О. С. Жидкометаллические
теплоносители. Изд. 3-е. М.: Атомиздат, 1976. 328 с.
16. Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов, О. В. Байбаков, Ю. Л. Кирилловский Гидравлика
гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.
17. В. Г. Некрасов. Комбинированный силовой агрегат: АГТД + маховик.// Автомобильная
промышленность, 1996, № 11, 1997, № 1. - прототип;
18. Патент RU № 2052145, МПК G01M 9/00.Способ преобразования тепловой энергии в механическую
в газотурбинном двигателе и газотурбинный двигатель (варианты) А. М. Рахмаилов.
19. Патент 200500025 МПК F02C 3/32 Способ преобразования энергии и струйный двигатель для его
осуществления. Б. М. Кондрашов
14. Опыт прежних разработок, предшествующих струйному
ГТД
Патент RU 2339928C1 G01M 9/08 Локотко А.В.
Газогенератор р 20МПа, Т :600С
M
8
15. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Расчетные оценки показывают, что предложенный газотурбинный струйный двигатель
обладает повышенной экономичностью, сравнимой с экономичностью поршневых ДВС.
Двигатель является «остро настроенным» на расчетный режим работы, поэтому его
применение, по-видимому, наиболее целесообразно в условиях постоянной нагрузки,
например, на автомобилях гибридных схем – для заряда аккумуляторов, или на
маломерных судах - в качестве судового двигателя.
Изложенная концепция ГТД защищена: патентом РФ на изобретение
Патент RU 2441998 C1 ГАЗОТУРБИННЫЙ СТРУЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. А.В. Локотко.
Патентом на полезную модель Германии: Deutsche Patentanmeldung Mr. 20 2012
102 965.0 – IPC F23R 3/42, Bezeichnung Gastyrbinenstrahimotor, Gebrauchsmusterinhabar
Lokotko, Anatolij V., RU, Tag der Anmeldung 07.08.2012, Tag der Eintragung 04.09.2012.
Описание опубликовано по адресу: http://depatisnet.dpma.de
Автор ищет возможности взаимовыгодного сотрудничества с заинтересованными
лицами с целью создания и экспериментального исследования опытного образца
двигателя. Возможная база для развертывания этих работ – Институт теоретической и
прикладной механики Сибирского отделения Российской академии наук
(ИТПМ СО РАН).
16. Характеристики некоторых двигателей сопоставимой мощности
Технические характеристики газотурбинного двигателя ГТД-360
Мощность, кВт 360
Удельный расход топлива (газ /ДТ), кг /кВт*ч 0.20 / 0,23
Частота вращения выходного вала, об/мин 3000 – 27000
Расход воздуха, кг / с 2,0
Степень регенерации роторного теплообменника 0,86
Габариты, мм 1400 х 900 х 1040
Масса, кг 650 - 760
Четырехцилиндровый двигатель М-29 имеет мощность 80 лошадиных сил при весе 55 кг. Межремонтный ресурс
составляет 500 летных часов. В качестве топлива на М-29 используется автомобильный бензин АИ-93. Расход топлива на
крейсерском режиме полета - 320 граммов на киловатт-час.
Технические характеристики двигателя ГТД-1250
Максимальная мощность, кВт (л.с.) 919 (1250)
Максимальный крутящий момент, кгс*м 448
Габаритная мощность, л.с./м3 1200
Масса двигателя, кг 1050
Удельный расход топлива, г/л.с.*ч 225
Расход масла, л/час не более 0.2
Степень сжатия 10.5
Ресурс (назначенный), ч. 1000
Ресурс (межремонтный), ч. 500
Габаритные размеры (длина,высота,ширина), мм 1494,888,1042
ГТД-1250 форсирован путем дальнейшего повышения температуры газов до 1340К.
ГТУ мощностью 60 л.с.
Расход воздуха кг/с 0,68
Степень сжатия 2,75
Число оборотов об/мин 40000
Температура газов 1120К
Удельный расход топлива, кг/л.с.*ч 0,57
18. Примерные статьи расходов по теме «Струйный ГТД»
Конструкторские работы. 3 чел-год, з.пл. 30 т. р./мес. 30 0,13 = 3,9 + 30 = 33,9 0,302
= 10,24 + 33,9 = 44, 14 3 = 132,4 12 = 1589 т. руб./год.
Материалы: - хромистая бронза, прокат 100 кг 1700 руб./кг = 170000 руб.
- легированн. жаропрочные стали 300 кг 260 руб./кг = 78000 руб.
- металлокерамика для лабиринтных уплотнений;
- кварцевое стекло.
Изготовление отдельных макетов двигателя и двигателя в сборе.
Покупное оборудование: Тормозной стенд (Санкт-Петербург) 10 мл. руб.
Накладные расходы (25% от стоимости работ) + оплата помещений.
Примерные затраты 25000 т. руб.
Предварительный план исследований опытного образца двигателя и его элементов
Продувка КС сжатым воздухом от магистрали с измерением силовых характеристик;
Исследование условий воспламенения и стабилизации пламени во вращающейся КС
при работе на водороде;
Определение расходно-тяговых характеристик вращающейся КС в зависимости от
температуры;
Исследование восстановления импульса струй и трения в междисковых пространствах;
Исследование процесса теплопередачи в рубашке охлаждения с жидкометаллическим
теплоносителем;
Ресурсные испытания.