33ГАЗОТУРБИННЫЙ СТРУЙНЫЙДВИГАТЕЛЬ (ГТСД)

А.В. Локотко, Новосибирск, 2014

ЧАСТЬ 1НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Преимущества традиционого газотурбинного двигателя по сравнению с

поршневым: Высокая удельная мощность; Благоприятные моментные характеристики; Относительная простота конструкции, хорошая

уравновешенность; Нечувствительность к видам топлива; Хорошие пусковые свойства; Большой ресурс, нетребовательность к качеству

смазки.

Недостатки: Низкая топливная экономичность.

Рабочий цикл ГТДТермический КПД

)./( 00 lH

L

Q

Q

u

eet

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

1

11 t

σ = pc /pa

)1

1( 1

zpT TcL

)1(1

apk TcL

Удельная работа турбины

Удельная работа компрессора

Прототип: В.Г. Некрасов

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

)1(2. )

1(

оптк

Оптимальная степень сжатия для достижения максимальной экономичности при заданном :

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

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

σк.опт 38

СХЕМА СТРУЙНОГО ГТД

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

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

коэффициент полезной работы

скорость истечения из сопла (критическая)

кинетическая энергия струй

площадь критического сечения сопел

суммарная сила тяги сопел

реализуемая мощность от истечения струй N1 = Рc1Cс1 = Ec1

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

2RTWкр

2

2

1

GWEc

1

11 389,0 P

TGSc

Pс1 = p0c1 Fc1 f() – p2Fc1

1

11

cc P

NС

Gc

NTT

p

112

1

)(2

1

12

TTp

p

1

11

60

d

Сn c

т

k

l

l1

utт H

Ng

Термический кпд идеального циклакс

выхлксt T

TT

)1(1

)1()1

1(

m

k

m

kmт

t

Термический кпд реального цикла

t = 0,467

ŋт = 0,9, ŋк = 0,86.

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

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

Температура К 2300 1935 1628 1370Давление, ата 20 10,7 5,7 3,0Скорость истечения, м/с 870 805,0 738,4 677,4Мощность ступени, кВт 41,6 35,64 29,99 25,2Площадь крит. сеч. сумм., см2 0,678 1,162 2,00 3,432Диаметр одного сопла, мм 4,64 6,1 8,0 10,5Импульс струй, Н 167,3 153,2 140,8 129,2Сила тяги сопл, Н 95,55 88,2 82,03 74,68Отношение: тяга/импульс 0,575 0,576 0,582 0,578Диаметр окружности сопел, м 0,25 0,30 0,35 0,40Окружная скорость м/сек 435,7 336,6 261,4 211,3Число оборотов 1/мин 33063 25717 19969 16142

Результаты газодинамического расчета

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

t = 0,473

Порядок теплового расчета КС

lNu 4.08.0 PrRe023,0

L

Nu

WDRe

pCPr

Расчет выполняется в критериальной форме:

Коэффициент теплоотдачи от горячих газов к стенке камеры сгорания:

градмВтградсекм

ккал

D

Nu 22

11 /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

uLPe

Pe 1000 Nu = 14 U =0,25м/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)

ЗАКЛЮЧЕНИЕРасчетные оценки показывают, что предложенный газотурбинный струйный двигатель обладает экономичностью, сравнимой с показателями для поршневых ДВСДвигатель является «остро настроенным» на расчетный режим работы, поэтому его применение, по-видимому, наиболее целесообразно в условиях постоянной нагрузки, например, на автомобилях гибридных схем – для привода генераторов для заряда аккумуляторов, в системах распределенной энергетики, на маломерных судах - в качестве главного двигателя.

Изложенная концепция ГТД защищена патентами : Патент на изобретение RU 2441998 C1 ГАЗОТУРБИННЫЙ СТРУЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ. А.В. Локотко. Патент Германии на полезную модель 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. Публикации: А.В. Локотко. Газотурбинный струйный двигатель. // “Газотурбинные технологии “ № 10/2012 (111), с. 42 – 47.А.В. Локотко. Газотурбинный струйный двигатель. //”Академический журнал Западной Сибири” № 4 (47), Том 9, 2013, с. 114-115.А.В. Локотко. Газотурбинный струйный двигатель. //Сборник трудов XIII Семинара по струйным, отрывным и нестационарным течениям. Томск 26-29.06.2012. С. 231-235.А.В. Локотко. Газотурбинный струйный двигатель. // Новосибирский кооперационный форум “Новые технологии для промышленного производства” 17.10.2012 г. Сборник трудов, 1 стр. (страницы не обозначены). А.В. Локотко. Газотурбинный струйный двигатель // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. № 1 2014 p. 107 – 116.А.В. Локотко. Газотурбинный струйный двигатель. // Х Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ’ 2014) 25 – 31 мая 2014, г. Алушта. Сборник трудов. С. 561 – 563.

ЧАСТЬ 2ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ,

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

НОУ ХАУ

В конструкции ГТСД устранены турбинные лопатки, за счет чего удалось повысить температуру в камере сгорания до

максимального уровня в 2300ºK.

Конкурентные преимущества ГТСД:• Термический КПД = 46% (у современных ГТД – 37%);• Работа на любом жидком и газовом топливе, включая

отходы нефтепродуктов, кислые попутные газы, свалочный газ;

• Экологическая чистота - лучше требований ЕВРО – 6;• Простая конструкция - высокий ресурс и низкая

себестоимость.

Генерация электроэнергии и тепла

ГТУ ГТСД Термический КПД (%) 35-39% 46% Виды топлива бензин нет да дизельное топливо да да газ да да попутный газ, в т.ч. кислый нет да отходы нефтепродуктов нет да

Продукт – компактный, легкий многотопливный электрогенератор для нефтяников, газовиков, геологов и отдаленных поселков.

В России установлено более 48 тысяч объектов малой энергетики. Емкость рынка на 2020 год – около 10 млрд. $.

ПРИМЕНЕНИЯ ГТСД

ПРИМЕНЕНИЯ ГТСД

Гибридный транспорт

Дизель ГТСД ЕВРО 6 NOx 9,6 0,060 0,50 CO 6,2 1,170 1,50 NMHC 2,9 0,017 0,13 Сажа 0,5 0,004 0,01 HCHO 0,12 0,008

Экологически чистый городской гибридный транспорт, использующий любой экономически эффективный вид топлива, в т.ч. биогаз и биодизель.

Существенная экономия на инфраструктуре по сравнению с троллейбусом итрамваем.

Вложения в НИОКР и модернизацию производства в РФ до 2020 г. - 23,6 млрд. руб.Мировой рынок – 10 000 ед. или EUR 4 млрд. в год.

ПРИМЕНЕНИЯ ГТСДПрочие применения

Выработка электроэнергии из биогаза в животноводстве.

Повышение эффективности работы городских очистных сооружений.

Утилизация свалочного газа.

Компактный и легкий автономный источник электроэнергии и тепла для МЧС и медицины катастроф.

БИЗНЕС МОДЕЛЬ

Продажа лицензий и комплекта конструкторской документации на производство двигателя российским, а в

перспективе – зарубежным машиностроительным предприятиям.

Потенциальные клиенты в РФ:ФГУП «Завод имени В. Я. Климова»ФГУП «ОМО им. П.И.Баранова»ОАО «КAДВИ»ОАО ИПП «Энергия»

Источник прибыли проекта – выручка от лицензирования конструкции ГТСД, роялти, заказные разработки.

МАРКЕТИНГ

Рынок: Компактные многотопливные генераторы для систем распределенной энергетики. Гибридные приводы для легкового и общественного транспорта. Главные двигатели для маломерных судов.

География: РФ, затем страны Азии и Латинской Америки

Объем рынка: мировой - $ 4 000 млн.; РФ - $ 500 млн.; рост рынка в год: 5-10 %.

Конкуренты: Capstone corp. (США)

КОМАНДАЛокотко Анатолий Викторович - д.т.н., руководитель проекта. специалист в области прикладной газовой динамики, двигателей внутреннего сгорания; стаж работы по специальности 53 года. Имеет 7 патентов на изобретения.

Шушпанов Михаил Михайлович– ведущий конструктор, богатый опыт проектирования газодинамических установок. Стаж работы по спец. 55 лет. Имеет 5 патентов на изобретения.

Трошин Павел Александрович – инженер-конструктор, энергичен, стремится к совершенству в своей профессии. Стаж работы 5 лет.

ФИНАНСОВЫЙ ПЛАН

Сумма инвестиций: $ 620 тысячРаспределение инвестиций: 100% - ИнвесторВыход инвестора: продажа доли стратегическому инвестору

Срок окупаемости проекта: 42 месяца

2014 2015 2016 2017 2018Реализация 1 500 2 500Валовая прибыль 1 370 2 350Инвестиции 87 287 246

ПЛАН - ГРАФИК2012 год - Выполнены расчетные НИР, подтверждена принципиальная возможность разработки ГТСД, получены базовые патенты: на конструкцию в РФ и полезную модель Германии. Публикация в журнале “Газотурбинные технологии” № 10, 2012.2014 год - Выступление на Russian Startup Tour 26.02.2014. Публикация в журнале “Austrian Journal of Technical and Natural Sciences” 1-2014. 2014-2015 годы - Создание юридического лица, разработка комплекта рабочей конструкторской документации. Размещение заказов на изготовление составных частей опытного образца ГТСД.2016 год - Испытания составных частей опытного образца ГТСД, изучение и оптимизация их параметров.2017 год - Изготовление и испытания опытного образца ГТСД. Начало продаж лицензий и комплектов конструкторской документации производителям двигателей.2018 год – Выход Инвестора из проекта

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕlok@itam.nsc.ru+7 923 706 68 71