Обеспечение создания отечественных высокоэффективных масштабируемых безмасляных турбогенераторов авиационного и энергетического назначения в классе мощности 100 кВт

Разработка технических решений в обеспечение создания отечественных высокоэффективных масштабируемых безмасляных турбогенераторов авиационного и энергетического назначения в классе мощности 100 кВт

Мероприятие 1.2, очередь 06, Лот №3

Тема проекта: Разработка технических решений в обеспечение создания отечественных высокоэффективных масштабируемых безмасляных турбогенераторов авиационного и энергетического назначения в классе мощности 100 кВт

Сроки проведения работ: 2017-2019 гг

Соглашение № 14.574.21.0151 от «26» сентября 2017 г. на период 2017 - 2020 гг.
ПНИ осуществляется при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации

Общий объем бюджетного финансирования: 36 млн. руб.

Уникальный идентификатор ПНИ: RFMEFI57417X0151

Цели и задачи проекта

Получение значимых научных результатов по созданию элементов базового масштабируемого газогенератора, позволяющих переходить в дальнейшем к разработке и серийному производству:
- газотурбинных авиационных двигателей (ГТД);
- вспомогательных силовых установок (ВСУ);
- летательных аппаратов (ЛА);
- турбогенераторов (ТГ) для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с электроприводом винтов;
- наземных энергетических микротурбин (ГТЭУ);
- другой роторной техники.
Обеспечение импортозамещения микрогазотурбинных блоков с превышающими зарубежные аналоги энергетическими показателями.
Снижение критической зависимости от импорта авиационных ВСУ, источников бесперебойного питания (ИБП) для радиолокационной станции (РЛС) управления воздушным движением, повышение экспортного потенциала в области двигателестроения.

Ожидаемые результаты проекта

Будет разработан экспериментальный образец газогенератора перспективной ВСУ с ротором, установленным на гибридных воздушных подшипниках.
Будет создана концепция одновального ротора с одноступенчатой турбиной диаметром не более 180 мм и одноступенчатым компрессором диаметром не более 160 мм, рассчитанным на приведенный расход воздуха не более 1 кг/с.
Будет разработана концепция создания высокооборотного безмасляного электрогенератора с воздушным охлаждением, с ротором, установленным на гибридных воздушных подшипниках.
Будет создан экспериментальный стенд, предназначенный для проведения исследовательских испытаний безмасляных гибридных воздушных подшипниковых узлов.
Будет создан экспериментальный стенд для исследования динамики роторов лопаточных машин, установленных на гибридных воздушных подшипниках.

Перспективы практического использования

Появление принципиально нового класса техники - ВСУ и ГТД для БЛА с высоким термодинамическим КПД, достигаемым за счет применения рекуперативного термодинамического цикла, что является абсолютно новым для авиации, а также отсутствием системы масляной смазки, что будет означать приход в отрасль нового технологического уклада.
Улучшение потребительских свойств существующей продукции. В ходе выполнения проекта, на основе ВСУ ТА14 будет создано новое поколение техники с принципиально улучшенными потребительскими свойствами:
- более высокой эксплуатационной технологичностью, заключающейся в отсутствии необходимости использовать газовую смазку;
- возможность легкого пуска на высоте и при экстремально низких температурах;
- компактный и эффективный теплообменник радикально улучшающий топливную экономичность при применении разрабатываемого газогенератора на маршевых ГТД БЛА.

Индустриальный партнер: Публичное акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Аэросила".

Проект поддержан технологической платформой «Авиационная мобильность и авиационные технологии»

Проект поддержан предприятиями промышленности:

ОАО «Компрессор»
ПАО «ТУПОЛЕВ»
ООО «РЕАКТОР»

Научно-исследовательская лаборатория «Ударно-волновых и взрывных процессов» приняла участие в Международной конференции по физике и химии горения (ConfPhysChem'18), которая прошла на базе Самарского университета с 24 - 28 июля.

На конференции был представлен доклад «Концепция малоэмиссионной камеры сгорания, использующей для увеличения скорости сгорания подкритический СВЧ разряд», посвящённый возможности разработки малоэмисионной камеры сгорания с уменьшенным выбросом окислов азота NOx, работающей на природном или сжиженном газе, а также возможность сжигания особо бедных топливных смесей при помощи подкритического СВЧ-разряда.

В рамках проведенной работы были выполнены эксперименты по воспламенению топливной смеси подкритическим СВЧ разрядом. При инициировании зажигания подкритическим разрядом получено существенное увеличение полноты сгорания. Продемонстрирована возможность зажигания подкритическим разрядом особо бедной топливно-воздушной смеси.

Эксперименты выполнялись на установке генерирующий электромагнитные колебания с частотой f ≈ 3,4·109 Гц, что соответствует длине волны λ = 8,9 см, при длительности СВЧ-импульса Ƭимп = 40 мкс. Мощность СВЧ-пучка Рb может варьироваться диапазоне от 102 Вт до 106 Вт. В качестве топливной смеси использовалась стехиометрическая, а также обедненная пропан-воздушная смесь с коэффициентом избытка окислителя больше предела воспламенения при нормальных условиях.

Эксперименты показали, что применение подкритического СВЧ разряда увеличивает скорость горения и полноту сгорания топливной смеси примерно в четыре раза, а также позволяет сжигать особо бедную топливно-воздушной смесь. Сжигание сверхбедных смесей позволяет снизить выбросы NOx, снижает удельный расход топлива, а также позволяет сохранить необходимый КПД установки при заданной температуре.

Ряд косвенных признаков указывает на практически полное отсутствие окислов азота в продуктах сгорания, что можно объяснить большой скоростью горения и отсутствием областей с высокой температурой.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства Образования и науки Российской Федерации (соглашение №14.574.21.0151, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57417X0151).

Научно-исследовательская лаборатория «Газотурбинные энергетические комплексы» приняла участие на 8-ом Международном симпозиуме «Неравновесные процессы, плазма, горение и атмосферные явления» (NEPCAP 2018), который проходил с 1 по 5 октября 2018 г. в Сочи.

На симпозиуме был представлены результаты работ, полученные в рамках проекта «Разработка технических решений в обеспечение создания отечественных высокоэффективных автономных газотурбинных комплексов малой мощности (до 100 кВт)» выполняемый по Соглашению о предоставлении субсидии №14.574.21.0151 от 26 сентября 2017 года.

Младший научный сотрудник лаборатории Михаил Булат выступил с докладом «Многоочаговый розжиг камеры сгорания подкритическим стримерным СВЧ разрядом»

В работе выполнено исследование инициирования горения топливной смеси пропана с воздухом при помощи стримерного разряда. Разряд зажигался квазиоптическим СВЧ пучком излучения на резонаторе, представлявшем собой полуволновой вибратор. Усиление электрического поля в окрестности резонатора на порядок позволяло зажигать разряд при напряженности электрического поля существенно ниже энергии пробоя. Исследованы зажигание топливной смеси стримерным разрядом в свободном пространстве и на поверхности диэлектрической пластины.

Исследования показали, что при атмосферном давлении и комнатной температуре в свободном пространстве стримерный разряд распространяется со скоростью порядка 3-5 км/с. На поверхности диэлектрической пластины скорость распространения разряда возрастает до 10-15 км/с. Ранее столь большие скорости разряда не фиксировались. Разряд горит в течение 40-100 мкс. Воспламенение топливной смеси происходит уже после того, как разряд погас. Задержка составляет от 50 до 100 мс, что примерно совпадает с временем индукции стехиометрической смеси пропана с воздухом.

Воспламенение носит объемный характер, т.е. в самый начальный момент времени пламя образуется сразу по всему объему, на который ранее распространился стримерный разряд. Хотя горение начинается сразу по всему объему, свечение ярче в тех точках, где располагались узлы стримерного разряда. Покадровый анализ видео, снятого скоростной камерой, а также обработка изображений, показала, что прогрев газа между плазменными каналами стримерного разряда осуществляется ударными волнами, которые распространяются от плазменных узлов, в которых ветвятся плазменные каналы. Скорость распространения ударных волн - более 2.5 км/с. Последующее горение происходит также с образованием ударных волн, которые воспламеняют топливную смесь, ранее не затронутую стримерным разрядом. Взаимодействие детонационных волн приводят к сильной турбулентности в зоне горения и образованию множества «горячих точек», которые, в свою очередь, становятся источниками новых детонационных волн.

Описанный выше механизм приводит к увеличению скорости сгорания в 4-5 раз. При этом сгорание полное, окислы азоты NOx не образуются. Дополнительно была проверена гипотеза о фотохимическом характере воспламенения смеси. Выполненные эксперименты, в которых сравнивалось воспламенение при воздействии на топливную смесь высокой температуры, плюс УФ излучения и только УФ излучения, показало, что термический фактор играет определяющую роль. Только УФ излучения, образующегося при зажжении стримерного разряда, недостаточно для воспламенения топливной смеси.

В ходе реализации второго этапа работ выполнены теоретические, численные и аналитические исследования элементов быстровращающихся роторов: колеса компрессора, колеса турбины, составного вала, опор ротора. Исследования показали целесообразность разработки концепции малогабаритной камеры сгорания вспомогательной силовой установки и энергетической силовой установки, предназначенной для сжигания бедных топливных смесей. Разработаны экспериментальные образцы радиальных и упорных газодинамических и гибридных статодинамических подшипников, стенды для проведения их экспериментальных исследований. Изготовлены экспериментальные образцы радиальных и упорных газодинамических и гибридных подшипников, а также стенды для проведения их экспериментальных исследований.

Экспериментальные образцы радиального и осевого газовых подшипников с гибкими опорными сегментами

Радиальный гибридный ГП с жесткими опорными сегментами

Упорный гибридный газовый статодинамический подшипник с жесткими опорными сегментами

Процесс сборки стенда для проведения исследовательских испытаний безмасляных гибридных воздушных подшипниковых узлов

Разработаны соответствующие программы и методики экспериментальных исследований (ПМЭИ). Проведенные экспериментальные исследования продемонстрировали верность выбранной концепции силовой установки, использующей газодинамические и гибридные газовые подшипники, подтвердили их рабочие характеристики, полученные расчетным путем. Разработан макет перспективной вспомогательной силовой установки с быстро вращающимся ротором и высокочастотным синхронным стартер-генератором на постоянных редкоземельных магнитах. Макет отражает разработанную концепцию перспективного малого газотурбинного двигателя, имеющего высокие удельные параметры и высокий термодинамический коэффициент полезного действия, высокую скорость вращения ротора, сочетающуюся со стойкостью к продольным и поперечным перегрузкам.

Схема макета перспективной ВСУ

Результаты исследований были доложены на Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос» с докладом на тему: «Моделирование импульсных струй вихреразрешающими методами»; международной научной конференции «Физика и химия горения» (International Conference on Combustion Physics and Chemistry), тема доклада: ««The concept of a low-emission combustion chamber, which uses a subcritical microwave discharge» и на 8-ом Международном симпозиуме «Неравновесные процессы, плазма, горение и атмосферные явления» (NEPCAP 2018) с докладом: «Multifocal ignition of combustion chamber by subcritical streamer microwave discharge».

На заключительном этапе проведены теоретические и численно-аналитические исследования методов сопряжения температурных полей в жидкости и твердом теле выявили, что учет сопряженного характера теплообмена необходим, т.к. имеет место взаимное влияние температурных полей в твёрдом теле и газовой среде, и тепловые потоки на границе раздела двух сред существенны, а вот выбор модели турбулентности сравнительно слабо влияет на результат расчета.

Сравнение результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными и расчетами прямым методом показало надежность данных, получаемых при помощи разработанной численной методики. Модальный анализ системы «газовый подшипник-ротор», исследование критических частот вращения и сопоставление их с рабочим диапазоном вращения ротора определили переходные и аварийные эксплуатационные режимы газовых подшипников.

Разработана эскизная конструкторская документация экспериментального образца ротора перспективной вспомогательной силовой установки на газовых подшипниках с массогабаритными имитаторами рабочих колес компрессора и турбины, имитатором высокочастотного синхронного стартер-генератора на постоянных редкоземельных магнитах и стенда для проведения его экспериментальных исследований.

Изготовлены экспериментальный образец ротора ВСУ с массогабаритными имитаторами, а также стенд для проведения экспериментальных исследований.

Проведены экспериментальные исследования ротора перспективной вспомогательной силовой установки на газовых подшипниках с массогабаритными имитаторами рабочих колес компрессора и турбины, имитатором высокочастотного синхронного стартер-генератора на постоянных редкоземельных магнитах.

В процессе исследований по отсутствию резонансных колебаний было установлено, что ротор в подшипниках на газовой смазке не имеет собственных критических частот во всем диапазоне частот вращения вплоть до 60000 об/мин.

Отсутствие тепловых повреждений, прогораний и уноса материала указывает на то, что антифрикционное покрытие устойчиво к температурам до 210°С в условиях работы установки.

В результате исследований воздействия радиальных и осевых перегрузок не было выявлено следов аварийных касаний ротора. На рисунке представлены результаты воздействия ротора на покрытие подшипника.

Поверхность осевого подшипника после испытаний

Видны характерные следы притирки покрытия без его разрушения (1), а также небольшой скол (2) за пределами области притирки, вызванный, по-видимому, попаданием твердой частицы в зазор. Отсутствие значительных повреждений рабочих поверхностей подшипников свидетельствует об успешном прохождении испытаний и возможности применять разработанную роторную систему в условиях перегрузок.

Изготовлен макет перспективной ВСУ с быстро вращающимся ротором и высокочастотным синхронным стартер-генератором на постоянных редкоземельных магнитах. Макет отражает разработанную концепцию перспективной установки, имеющей высокие удельные параметры и высокий термодинамический коэффициент полезного действия, высокую скорость вращения ротора, сочетающуюся со стойкостью к продольным и поперечным перегрузкам.

Макет перспективной ВСУ

Разработаны рекомендации и предложения по реализации (коммерциализации) результатов ПНИ и вовлечению их в хозяйственный оборот, проект технического задания на проведение ОКР по разработке вспомогательной силовой установки воздушного судна в классах мощности 100-500 кВт, а также проведена технико-экономическая оценка результатов прикладных научных исследований в сравнении с современным техническим уровнем.

По итогам выполнения Проекта можно сделать следующие выводы и обобщения.

Полученные технические решения и научные результаты позволяют перейти к разработке и производству газотурбинных авиационных двигателей (ГТД), вспомогательных силовых установок (ВСУ), летательных аппаратов (ЛА), турбогенераторов (ТГ) для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с электроприводом винтов, наземных энергетических микротурбин (ГТЭУ) и другой роторной техники.

Одним из главных технический решений можно считать применение гибридных подшипниковых узлов с воздушной смазкой вместо керамических или газодинамических лепестковых подшипников, позволяющих отказаться от масляной смазки не только при длительной работе на номинальных режимах с постоянной частотой вращения, но и при перегрузках, характерных для СУ БЛА, а также при частых пусках и остановках ВСУ. Проведенный анализ научно-технической литературы позволил сделать вывод, что на российском и мировом рынке отсутствуют производители ВСУ и СУ БЛА с гибридными воздушными подшипниками, а теоретические исследования подтвердили, что лепестковые ГДП при условии организации подачи воздуха в смазочный зазор обладают достаточным запасом несущей способности по перегрузке (до 9g).

На основе известных эмпирических и полуэмпирических зависимостей создана уникальная методика расчета подшипниковых узлов, подбора и определение основных размеров лепестковых газодинамических подшипников. Методика проектирования, заключающаяся в проведении последовательных расчетов, позволила успешно спроектировать экспериментальные образцы. Все элементы методики прошли поэтапную экспериментальную проверку на разработанных в ходе проекта экспериментальных стендах.

Большое внимание в ходе выполнения проекта было уделено отработке конструкции подшипников и лопаточных машин, технологии их изготовления. Подучена конструкторская документация на гибридные радиальный и радиально-упорный подшипники, оптимизированная для применения 3D аддитивных технологий. Отработана методика расчета упругости конструкции, выполненной методами аддитивных печати. Сделан вывод о том, что при проектировании изделий, ориентированных на применение 3D-печати, необходимо учитывать особенности выбранной технологии изначально.

Конструкция заготовки требует использования специальных элементов, предназначенных для поддержки в процессе печати отдельных элементов конструкции изделия, а также для отведения тепла. При разработке лопаточных машин выполнялась топологическая оптимизация под применение 3D аддитивных технологий, позволяющей существенно сократить количество деталей, упростить конструкцию и снизить вес. Методика подготовки конструкций позволила успешно изготовить экспериментальные образцы.

Рассмотрены особенности реализации последовательного подхода к сопряженному тепловому моделированию. Для решения уравнения теплового баланса в твердом теле используется метод конечных элементов, а для дискретизации уравнений, описывающих течение жидкости – метод конечных объемов. В отличие от общепринятого подхода, когда между различными расчетными модулями передаются температуры жидкости и металла, в разработанном подходе температура металла передается от конечно-элементного модуля к модулю расчета характеристик жидкости, а в обратном направлении – тепловой поток. Такая реализация позволяет стабилизировать численные расчеты и избежать проблем, связанных с расходимостью итерационной процедуры. Разработан подход к сопряженному тепловому моделированию, основанный на решении уравнения изменения температуры жидкости при замороженном поле скорости. Для контроля и изменения шага интегрирования по времени вводится параметр точности по температуре, позволяющий реализовать гибкое управление вычислительным процессом. Метод GMRES позволяет получить выигрыш в характеристиках точности и сократить время, необходимое для решения задачи при замороженном поле скорости, по сравнению с многосеточным подходом.

Работы были выполнены в ходе реализации проекта по Соглашению о предоставлении субсидии № 14.574.21.0151 Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57417Х0151.