Газовые/керосиновые микротурбины (до 10 кВт)

[e2e4]

Их характеристики: 3...7 кВт, 1 кг собственного веса (без топлива), ресурс - сотни часов. Модное сейчас направление в авиамоделировании. Даже продаются готовые в специализированных магазинах (около 50 тыс. руб за штуку).

Вот здесь довольно много информации на эту тему.
Есть четыре канонических книжки на эту тему (Kurt Schreckling, Thomas Kamps )- с чертежами, расчетами, рекомендациями по сборке (кому интересно - напишите, вышлю).

В общем ребята очень длительное время пытались смасштабировать (а в конце концов получили собственные уникальные модели) большие турбины на малые мощности.

По их расчетам (и экспериментальным данным) довольно оптимальная микротурбина (двухвальная) с давлением за компрессором в районе 1,3 бара при механической мощности на турбинном колесе около 7 кВт потребляет около 15 л топлива в час (керосин, ДТ и т.п.). Коэффициент использования топлива, как Вы понимаете, мизерен, хотя для авиамоделирования приемлем.

Теперь вопрос: в чем принципиальная причина столь низкого КПД по топливу, и как его улучшить (для сравнения расход аналогиченого дизельного двигателя составляет около 2,5...3 л/час при номинальной загрузке 7 кВт)?
Нормальные, "большие" турбины мощностью от нескольких мегаватт имеют сравнимый с ДВС КПД по топливу (или даже чуть больший).

-- Ср окт 07, 2009 12:50:07 --

Есть идея использовать данные агрегаты в качестве мини-электростанций аналогичных дизель-генераторным, но всеядные (керосин, бензин, ДТ, биотопливо, пропан и т.п.) и с отличными масса-габаритными показателями. Все расчеты уже сделал, генераторы подобрал, а вот с топливом - неувязочка. Все преимущества в весе (да и в деньгах) съедает .

[Qx15(RUS)]

Цитата:

при механической мощности на турбинном колесе около 7 кВт потребляет около 15 л топлива в час

Наверное речь идет о турбореактивных двигателях. А ее главное назначение - создавать реактивную тягу позади ее. Разумеется, если использовать только механическую мощность, создаваемою на оси компрессора, "далеко не уедешь". Почти вся энергия выходит вместе с перегретыми, быстро движущимися газами. Если вы хотите получить большое кол-во энергии, то тут надо присоединить газовую турбину, с холодильником, например Лаваля и тогда и КПД будет побольше чем у дизеля и всеядность сохраниться. А вообще такое уже давно на вертолеты и на танки ставиться.
Хотя может я и ошибаюсь, и здесь приведена тяговая мощность движка, тогда это можно объяснить неполным сгоранием....но тут же четко написано

Цитата:

при механической мощности на турбинном колесе около 7 кВт

[e2e4]

Нет. В третьей книжке Kurt'а Schkreckling'а речь идет именно о турбовинтовых двигателях, т.е. помимо компрессорного колеса и турбины, работающей на него (обычно ее называют турбина высокого давления, ТВД) имеется еще настоящее турбинное колесо (турбина низкого давления, ТНД), с вала которой и снимается механическая мощность. Другое дело что у него эта энергия крутит лопасти винта, а я хочу подсоединить к генератору. Там и расчеты есть, и графики.

На вертолеты и танки ставятся турбины мощностью от 30 кВт минимум (во всяком случае я меньше не встречал) и, естественно образмеренные в разы - массы у них десятки килограмм (хотя и ресурс в разы больше, не спорю). А тут речь идет именно о микротурбинах, грубо говоря, помещающихся на ладони(!).

Знаю точно, что без всяких дополнительных теплообменников и т.п. классическая "взрослая" ГТУ мощностью несколько мегаватт имеет КПД от 28 (разработки 30-х годов прошлого века) до 42% (современные импортные "вылизанные" турбины). Почему же для микротурбин так сильно падает КПД? Микритурбины вращаются с частотой вращения до 120 000 об/мин ТВД - может в этом дело? Или Kurt Schreckling просто не стал заморачиваться? Какие-нибудь пояснения бы...

[Xey]

e2e4 в сообщении #249919 писал(а):

речь идет именно о микротурбинах, грубо говоря, помещающихся на ладони(!).
...
Какие-нибудь пояснения бы...

Может растут потери тепла - объем камеры сгорания уменьшается в кубе, а поверхность теплоотдачи в квадрате от размера (если спичку уменьшить в 10 раз , она наверняка не загорится).
И вязкость воздуха имеет большее значение.

[e2e4]

Цитата:

Может растут потери тепла - объем камеры сгорания уменьшается в кубе, а поверхность теплоотдачи в квадрате от размера (если спичку уменьшить в 10 раз , она наверняка не загорится).
И вязкость воздуха имеет большее значение.

А как потери тепла влияют на работу турбинного двигателя? Я действительно не понимаю...

Вязкость воздуха - это понятно. Т.е. вы хотите сказать, что для газотурбинного двигателя существует некий минимальный размер, после которого дальнейшее уменьшение ведет к резкому увеличению удельного расхода топлива, т.е. сам принцип преобразования хим. энергии в механическую а-ля ГТУ не реализуем в малых размерах?

-- Чт окт 08, 2009 11:28:17 --

Qx15(RUS) писал(а):

Если вы хотите получить большое кол-во энергии, то тут надо присоединить газовую турбину, с холодильником, например Лаваля и тогда и КПД будет побольше чем у дизеля и всеядность сохраниться. А вообще такое уже давно на вертолеты и на танки ставиться.

Не могли бы вы пояснить, что за зверь такой - холодильник Лаваля (имеется ввиду сопло Лаваля?)? И как наличие подобного устройства на выходе из турбины позволит снять с нее больше мощности без дополнительного расхода топлива?

="Qx15(RUS) писал(а):

Хотя может я и ошибаюсь, и здесь приведена тяговая мощность движка, тогда это можно объяснить неполным сгоранием....

Как я уже написал выше, мощность все-таки механическая, снимаемая со второго колеса. А по поводу сгорания - Курт в своей книжке пишет, что сгорание практически полное, да и если посмотреть видео подобных турбин - на youtube его много - то видно, что заметное задымление есть только при пуске. При работе выхлоп абсолютно чистый как правило, что косвенно подстверждает слова Курта.

[Ajabsandal]

e2e4 в сообщении #249919 писал(а):

Знаю точно, что без всяких дополнительных теплообменников и т.п. классическая "взрослая" ГТУ мощностью несколько мегаватт имеет КПД от 28 (разработки 30-х годов прошлого века) до 42% (современные импортные "вылизанные" турбины). Почему же для микротурбин так сильно падает КПД? Микритурбины вращаются с частотой вращения до 120 000 об/мин ТВД - может в этом дело? Или Kurt Schreckling просто не стал заморачиваться? Какие-нибудь пояснения бы...

Да Вы сами уже ответили: "...современные импортные "вылизанные" турбины".
Задумайтесь что это такое? Это "вылизывание" (расчетно-экспериментальное) как всей проточной части турбины, так и ее отдельных компонент. Конструкция лопаток чего только стоит! Это очень большие затраты денег и людских ресурсов. Сименс на разработку ГТУ SGT5-PAC-4000F (с турбиной 270 Мвт) потратил более 2 млрд. евро! Очевидно, что затраты на "вылизывание" микротурбин тоже должны быть немалые, но SGT5-PAC-4000F стоит порядка 50 млн. евро, и тут Сименс затраты может "отбить", а вот в случае микротурбин - бабушка надвое сказала!

[e2e4]

Да, но не в пять же раз хуже, чем КПД аналогичного дизеля, правда? "Вылизывание" - это проценты, но не в разы. Тут какая-то загвоздка принципиальная, мне кажется. Или турбина работает совсем не "в режиме", и ее надо как-то настроить.

[Ajabsandal]

e2e4 в сообщении #250271 писал(а):

Да, но не в пять же раз хуже, чем КПД аналогичного дизеля, правда? "Вылизывание" - это проценты, но не в разы. Тут какая-то загвоздка принципиальная, мне кажется. Или турбина работает совсем не "в режиме", и ее надо как-то настроить.

Турбины рассчитываются на использование в номинальном режиме работы (на 100% мощности). Именно в этом случае имеется максимальный КПД. При работе на пониженной мощности КПД быстро падает (именно в переходе от оптимального расчетного режима к неоптимальным и ухудшаются ТЭПы турбин).
А в Вашем случае как определялся оптимальный (расчетный) режим работы микротурбины? Поняв, насколько текущий режим работы отличается от расчетного, можно говорить уже о других причинах плохого КПД.

[Xey]

e2e4 в сообщении #250024 писал(а):

т.е. сам принцип преобразования хим. энергии в механическую а-ля ГТУ не реализуем в малых размерах?

Из опыта видно, что зажженная спичка, костер и пожар несколько различные явления.
Горение само поддерживающийся процесс, вероятно он состоит из нескольких последовательных стадий, которые не успевают реализоваться в полной мере при малом объеме.
Например, космические лучи довольно энергичны, но не все смеси самопроизвольно возгораются или взрываются , видимо есть порог энергии, ниже которого процесс горения затухает.

[Ajabsandal]

Xey в сообщении #250330 писал(а):

e2e4 в сообщении #250024 писал(а):

т.е. сам принцип преобразования хим. энергии в механическую а-ля ГТУ не реализуем в малых размерах?

Из опыта видно, что зажженная спичка, костер и пожар несколько различные явления.
Горение само поддерживающийся процесс, вероятно он состоит из нескольких последовательных стадий, которые не успевают реализоваться в полной мере при малом объеме.
Например, космические лучи довольно энергичны, но не все смеси самопроизвольно возгораются или взрываются , видимо есть порог энергии, ниже которого процесс горения затухает.

Если бы речь шла о субмолекулярном или молекулярном уровне процессов, я бы согласился, но здесь другой случай. где нет разницы между спичкой и вселенским пожаром. Простой вопрос: с каким допуском изготовляются лопатки турбины? Предположим, что допуск в обоих случаях составляет 0.01 % от размера лопатки (вроде хорошая точность изготовления?). Для турбины 270 Мвт это ~ 0.1 мм, а теперь посчитайте допуск для микротурбины!? Это уже субмикронный уровень! Следовательно и все оборудование для изготовления микротурбин должно ориентироваться на субмикронный уровень! А это уже хайтек! Очень сомневаюсь, что высокие технологии там присутствуют - ведь это не космос и не оборонка. а ширпотреб. Отсюда вывод: нет хайтека - нет высокого КПД!

[e2e4]

Так. За выходные постараюсь перелопатить книжки и написать сюда выжимку о конструкции, расчете и технологии микротурбин. Может быть, Вы сможете тогда посоветовать, в какую сторону двигаться, чтобы увеличить КПД, или поставить на этой идее крест.

[Qx15(RUS)]

e2e4 в сообщении #250024 писал(а):

Не могли бы вы пояснить, что за зверь такой - холодильник Лаваля (имеется ввиду сопло Лаваля?)? И как наличие подобного устройства на выходе из турбины позволит снять с нее больше мощности без дополнительного расхода топлива?

Не холодильник, а турбина с доп. холодильником. Расход топлива увеличиться, но с ним возрастет и КПД. Просто все "в трубу" вылетает, а то, что вы там с одной пары лопаток забираете, сущие проценты. Ставьте дополнительные. Те же "импортные" имеют не одну и не десять.

-- Пт окт 09, 2009 21:58:44 --

Крест пока рано ставить...Мы еще не уперлись в "тупик"

[Кардановский]

e2e4: Крест на идее ставить явно преждевременно. Ведь,например,на некоторых крылатых ракетах малые газотурбинные двигатели давно и успешно работают... Далее,Вы начали свои поиски и конструкторские проработки с некоторой зарубежной книги-пособия. А ведь есть,например, и прекрасные отечественные ВУЗовские учебники по конструированию газотурбинных двигателей. Их можно найти ,например,в том же МАИ...

[Qx15(RUS)]

e2e4 в сообщении #249739 писал(а):

По их расчетам (и экспериментальным данным) довольно оптимальная микротурбина (двухвальная) с давлением за компрессором в районе 1,3 бара при механической мощности на турбинном колесе около 7 кВт потребляет около 15 л топлива в час (керосин, ДТ и т.п.). Коэффициент использования топлива, как Вы понимаете, мизерен, хотя для авиамоделирования приемлем.

То есть вы хотите сказать, что их КПД= 3.9% Можно узнать, какая у них сила тяги?

-- Вс окт 11, 2009 01:35:33 --

Т.е. Вы спрашиваете, куда делись оставшиеся 176КВт Мощности?

[Ajabsandal]

Qx15(RUS) в сообщении #250807 писал(а):

e2e4 в сообщении #249739 писал(а):

По их расчетам (и экспериментальным данным) довольно оптимальная микротурбина (двухвальная) с давлением за компрессором в районе 1,3 бара при механической мощности на турбинном колесе около 7 кВт потребляет около 15 л топлива в час (керосин, ДТ и т.п.). Коэффициент использования топлива, как Вы понимаете, мизерен, хотя для авиамоделирования приемлем.

То есть вы хотите сказать, что их КПД= 3.9% Можно узнать, какая у них сила тяги?

-- Вс окт 11, 2009 01:35:33 --

Т.е. Вы спрашиваете, куда делись оставшиеся 176КВт Мощности?

Давайте посчитаем!
Возьмем топливо - керосин по ГОСТ-10227-86.
Теплотворная способность = 43120 кДж/кг;
Плотность при 20 гр.С = 780 кг/куб. метр;
Получаем массовый расход керосина = 15 л/час = 15/3600=0.00417 л/сек х 0.780 кг/л= 0.00325 кг/сек;
Теоретическая мощность, которую может дать идеальный двигатель сжигая такой расход керосина = 0.00325 кг/с х 43120 кДж/кг = 140.14 кДж/с = 140.14 кВт!
Итого КПД 7-ми киловаттного движка на этом же расходе топлива составляет:
КПД = 7 / 140.14 х 100% = 4.995 %!
Вопрос: Либо - ошибка в данных по расходу топлива, либо - "На хрена такой движок нужен!".