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

  1. 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.
  2. Обеспечение импортозамещения микрогазотурбинных блоков с превышающими зарубежные аналоги энергетическими показателями.
  3. 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

  1. Будет разработан экспериментальный образец газогенератора перспективной ВСУ с ротором, установленным на гибридных воздушных подшипниках.
  2. 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.
  3. Будет разработана концепция создания высокооборотного безмасляного электрогенератора с воздушным охлаждением, с ротором, установленным на гибридных воздушных подшипниках.
  4. Будет создан     экспериментальный стенд, предназначенный для проведения исследовательских испытаний безмасляных гибридных воздушных подшипниковых узлов.
  5. Будет создан     экспериментальный стенд для исследования динамики роторов лопаточных машин, установленных на гибридных воздушных подшипниках.

Перспективы практического использования

  1. 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.
  2. 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»

1.3GTD 1

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).


1.3DD 2

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.

1.3GTD 2

1.3GTD 3

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.

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

Задать вопрос