Как вырабатывать электроэнергию с помощью списанного авиадвигателя

Несколько дней назад на SE7ENе появилась новость об использовании списанных и переоборудованных авиадвигателей для энергоснабжения дата-центров. В комментариях, как и следовало ожидать, возникли вопросы о том, как это устроено.

Принцип работы авиадвигателя

Для начала кратко разберёмся, что представляет собой газотурбинный двигатель (ГТД) и по какому принципу он работает. Везде, где это возможно, используется русскоязычная терминология.

Газотурбинный двигатель — тепловая машина, состоящая из компрессора, камеры сгорания и турбины, а при необходимости и других узлов. Она преобразует энергию сгорающего топлива в энергию реактивной струи и/или механическую работу на валу. Схема простейшего ГТД на рисунке выделена красной рамкой. Если двигатель включает дополнительные узлы, выделенную часть называют газогенератором.

Компрессор забирает воздух из атмосферы — либо воздух поступает в него за счёт движения самолёта — и сжимает его. При этом воздух адиабатически нагревается. В первых двигателях, например Jumo-004 на Me-262, степень повышения давления составляла примерно от трёх до пяти, а в современных, таких как GE9X для Boeing 777X, достигает пятидесяти и более. Как и степень сжатия поршневого двигателя, этот показатель во многом определяет эффективность ГТД. Однако вместе с давлением повышается и температура: у GE9X за компрессором она составляет порядка 750 °C.

Затем в камере сгорания воздух дополнительно нагревается за счёт сжигания топлива — керосина или газа. При этом образуются продукты сгорания, или газы. Температура горения керосина в стехиометрической смеси составляет около 2000 °C, но даже современные материалы не выдерживают такого нагрева. Поэтому состав смеси выбирают так, чтобы итоговая температура была ниже: у Jumo-004 она составляла 775 °C, а у GE9X достигает примерно 1700 °C. Температура газов перед турбиной, то есть на выходе из камеры сгорания, — основной параметр, определяющий КПД двигателя. При этом между ней и степенью повышения давления в компрессоре существует оптимальное соотношение. Если бы воздух в Jumo-004 удалось сжать до уровня GE9X, его было бы уже некуда нагревать в камере сгорания: подвести энергию топлива, чтобы затем извлечь её в турбине, не получилось бы. А воздух, нагретый без предварительного сжатия, не смог бы совершить в турбине полезную работу.

Последний основной элемент — газовая турбина, давшая название всему классу двигателей. Горячие сжатые газы вращают её, совершая механическую работу, которая через вал под камерой сгорания передаётся компрессору. Турбина вращается с высокой частотой: у GE9X она составляет 11 100 об/мин. Лопатки при этом испытывают огромные тепловые и центробежные нагрузки, поэтому допустимая температура газов ограничена прочностью конструкции. В современных турбинах она может превышать температуру плавления материала лопаток и дисков, так что их приходится охлаждать. Это непростая инженерная задача, а сама турбинная лопатка — чрезвычайно сложное и дорогостоящее изделие.

_{Небольшое наболевшее замечание. Турбина — это только часть двигателя, расположенная за камерой сгорания. Называть турбиной весь двигатель неправильно. Вентилятор, видимый спереди авиадвигателя, тоже не турбина. И компрессор — не турбина. Спасибо за понимание.}

Итак, часть энергии топлива расходуется на вращение турбины, которая приводит компрессор. Но на выходе из неё газы сохраняют достаточно высокие температуру и давление, чтобы совершить дополнительную полезную работу. Воспользоваться этим можно двумя способами.

Первый, наиболее простой и исторически более ранний способ — разогнать поток до высокой скорости и создать реактивную тягу. Так работает турбореактивный двигатель, или ТРД. По этому принципу летали первые реактивные самолёты; он же преимущественно используется на современных сверхзвуковых истребителях. Однако с точки зрения газовой динамики КПД тем выше, чем меньше разница между скоростью истечения газов и скоростью полёта.

Второй вариант — установить за первой турбиной ещё одну. Она может быть связана с турбиной, приводящей компрессор, либо оставаться свободной , то есть механически не соединённой с компрессором. Именно эта турбина совершает полезную работу: её можно использовать для вращения винта самолёта (турбовинтовой двигатель, ТВД), привода вертолёта или танка (турбовальный двигатель, ТВаД), а также генератора, компрессора или другого агрегата. Газы на выходе из такой турбины уже непригодны для создания реактивной тяги: доступная энергия потока сработана в турбине. Газы по-прежнему горячие, но их давление близко к атмосферному, поэтому извлечь из них дополнительную полезную работу в габаритах вертолёта уже не удастся.

Газодинамические процессы в газогенераторе требуют изменения частоты вращения ротора: на малом газу она составляет около 70% максимальной, а на крейсерском режиме — около 90%. В то же время вертолётному винту или генератору необходимы постоянные обороты. Один из органов управления вертолётом даже называется шаг-газ, поскольку одновременно изменяет подачу топлива и шаг несущего винта. Поэтому в двигателях с переменной мощностью удобнее применять свободную турбину: обороты ротора газогенератора меняются, а постоянная частота вращения свободной турбины обеспечивается согласованием количества и температуры поступающих газов с механическим сопротивлением на её валу, то есть с отбираемой мощностью.

В современных реактивных двигателях сочетаются оба подхода. Часть тяги создают газы, выходящие из турбины через внутренний контур, а другую часть — вентилятор перед компрессором, направляющий воздух в обход камеры сгорания по внешнему контуру. Такая схема называется турбореактивным двухконтурным двигателем (ТРДД). Отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу через внутренний называют степенью двухконтурности. Чем она выше, тем экономичнее двигатель при одинаковых параметрах газогенератора, но тем ниже возможная скорость полёта. Например, у АЛ-41Ф1, установленного на Су-57, степень двухконтурности составляет около 0,3, а у GE9X — 10. Воздушный винт тоже можно считать внешним контуром, поэтому винтовые самолёты ещё экономичнее, хотя и медленнее.

Как правило, такой двигатель имеет два вала, один внутри другого. Каскад высокого давления служит газогенератором для турбины низкого давления, которая, в свою очередь, вращает вентилятор и компрессор низкого давления — подпорные ступени. При высокой степени двухконтурности вентилятор практически не работает на внутренний контур. Два вала нужны потому, что большой вентилятор вращается сравнительно медленно: у GE9X его частота составляет 2500 об/мин. Это позволяет поддерживать оптимальную окружную скорость на концах длинных лопаток. Существуют и трёхвальные двигатели: первым был Rolls-Royce RB.211, а среди других примеров — Д-18Т для «Руслана» и «Мрии» и НК-32 для Ту-160. Такая схема лучше с точки зрения газовой динамики, но значительно сложнее конструктивно.

Как превратить реактивный двигатель в привод генератора

Допустим, у нас есть двухконтурный двухвальный ГТД, снятый с самолёта, и мы хотим построить на его основе электростанцию. Что потребуется изменить, чтобы он приводил генератор?

Прежде всего снимают вентилятор. У двигателя с высокой степенью двухконтурности его можно убрать полностью: как уже отмечалось, на внутренний контур он почти не работает. Если степень двухконтурности невелика, лопатки вентилятора можно укоротить до размера следующей ступени, а оставшуюся часть заключить в корпус. Степень двухконтурности становится равной нулю, и весь воздух поступает через компрессор в камеру сгорания.

Вместо вентилятора устанавливают другое входное устройство, рассчитанное не на полёт, а на работу без набегающего потока. Часто добавляют и фильтр, защищающий компрессор от пыли, которая вызывает интенсивный износ лопаток. Такая проблема, например, возникала у вертолётов в Афганистане, но применение фильтров снижало мощность двигателей, что в высокогорных условиях тоже нежелательно.

Камеру сгорания переводят с керосина на газ. Он дешевле, а его доставка проще: достаточно подвести трубу, вместо того чтобы привозить топливо автомобилями. Как именно переделывают камеру, сказать не берусь: на мой взгляд, её разработка ближе к искусству, чем к обычной инженерной работе.

Турбину, приводящую компрессор, оставляют: её работа почти не зависит от назначения двигателя. Благодаря этому стало возможным создавать универсальные газогенераторы. Один и тот же газогенератор может служить основой дозвукового, сверхзвукового или винтового двигателя, если они принадлежат к одному размерному классу. А с другой камерой сгорания его можно использовать и в наземной установке. Причём такая установка может изначально проектироваться как наземная — к этому мы ещё вернёмся.

После удаления вентилятора двухконтурного двигателя мощность турбины низкого давления становится избыточной. Здесь возможны разные решения. Например, у двух- или трёхступенчатой турбины можно убрать одну или две ступени. Аналогично можно поступить с турбовинтовым двигателем, чей винт механически связан с ротором, как у НК-12.

Если у турбины низкого давления всего одна ступень, её, возможно, придётся заменить менее мощной. Другой вариант — добавить ступень и снимать мощность с этой же турбины: тяга сопла нам не нужна, поэтому у газового потока можно отобрать всю доступную мощность. С точки зрения газовой динамики решение не идеально, поскольку турбина остаётся связанной с компрессором, зато оно дешевле.

Наконец, можно установить свободную турбину. Это оптимальный вариант: газогенератор работает на подходящих ему режимах, а свободная турбина вращается с постоянной частотой. К ней и подключают электрогенератор. В результате получается небольшая электростанция, к которой подведена газовая труба и от которой отходит электрический кабель. Мощность таких установок составляет от единиц до десятков мегаватт. Например, НК-12СТ на базе двигателя НК-12 самолёта Ту-95 развивает 6,3 МВт, а НК-36СТ-32 на базе газогенератора НК-32 для Ту-160 — 32 МВт.

Ресурс современных гражданских авиадвигателей измеряется десятками тысяч часов. При этом его ограничивают не только с учётом возможной поломки, но и исходя из допустимого риска отказа во время полёта над океаном. Поэтому у конверсионных двигателей обычно остаётся значительный запас ресурса, и их можно эксплуатировать до фактического отказа: фактический ресурс окажется больше назначенного. Впрочем, и назначенный ресурс весьма велик: для НК-36СТ-32 заявлено 120 тысяч часов.

Наконец, двигателю, разумеется, потребуется новая система управления.

Газотурбинные установки, разработанные для стационарной работы

Переоборудование авиационных двигателей в наземные установки — сравнительно специфическая задача. Чаще наземные двигатели сразу проектируют для такого применения, опираясь на существующие авиационные конструкции. При этом между ними есть ряд отличий.

Прежде всего наземная установка не ограничена в массе столь же строго, как авиационная. Это позволяет увеличить ресурс, например применив более тяжёлые и долговечные подшипники. Не нужна и привычная для авиадвигателя коробка агрегатов: отбирать воздух и мощность на нужды самолёта не требуется, достаточно предусмотреть вал для запуска. Несколько меняется и система охлаждения: устанавливают более производительный маслонасос, поскольку подшипники охлаждаются маслом, а также масляный радиатор с большей теплоотдачей.

Изменения затрагивают и внутренние узлы. При производстве двигателя с нуля профиль лопаток компрессора можно оптимизировать не для крейсерского полёта на высоте, а для работы неподвижной установки на уровне моря. Разница невелика, но это позволяет выиграть несколько десятых процента КПД. Аналогичным образом оптимизируют турбину. Кроме того, на лопатки компрессора и турбины могут наносить антикоррозионные и усиленные покрытия для защиты от более запылённого наземного воздуха.

Сразу устанавливают и другую камеру сгорания, в том числе увеличенного размера: жёстко экономить массу не требуется, а в более длинной камере можно обеспечить более эффективное и чистое сгорание топлива с меньшим объёмом выбросов.

В результате получается наземная силовая установка, унифицированная в производстве с авиационным двигателем, но приспособленная к работе на земле. Однако сфера применения таких машин ограничена: газ можно использовать эффективнее, например в парогазовых установках.

Парогазовая установка — это комплекс с газотурбинным двигателем, на выхлопе которого размещён теплообменник. Как уже говорилось, после падения давления в турбине до атмосферного газы остаются достаточно горячими: их температура составляет около 500 °C. В авиационных двигателях и обычных наземных ГТУ они просто выбрасываются в окружающую среду. Однако их тепло можно использовать в теплообменнике для нагрева воды и получения перегретого пара. Направив этот пар в паровую турбину, получают дополнительную мощность и повышают общий КПД. Для сравнения: КПД НК-36СТ-32 составляет 38%, а лучших парогазовых установок — 62%. При этом газотурбинная часть выдаёт примерно вдвое больше мощности, чем паровая. Но паровая часть значительно крупнее и требует постоянной подачи воды для компенсации потерь в конденсаторе, тогда как чисто газовой установке нужны только топливо и воздух.

Поэтому газотурбинные установки применяют прежде всего там, где важны компактность — например, в танках и небольших боевых кораблях, — или простота конструкции, как на газоперекачивающих станциях. Авиадвигатели и созданные на их основе силовые установки требуют минимального обслуживания. При перекачке газа удобно и то, что они работают на том же топливе, которое транспортируется по трубопроводу: отдельно подводить к ним электричество или топливо не нужно. Это особенно важно для станций посреди тундры, куда прокладывать дополнительные коммуникации, пусть даже вдоль трубы, сложно и дорого. Газовые турбины также используют для покрытия пикового потребления электроэнергии: они быстрее выходят на рабочий режим и проще в обслуживании, что снижает капитальные затраты, хотя и увеличивает расход топлива.

Ещё одно преимущество конверсионных установок на базе авиадвигателей — скорость строительства. Основа в виде относительно недорогого газогенератора уже готова, а из крупных узлов остаётся добавить свободную турбину и генератор. Благодаря сравнительно небольшим размерам такую установку можно разместить на территории дата-центра.

Надеюсь, мне удалось понятно изложить эту тему. Задавайте вопросы в комментариях — постараюсь на них ответить.

 

Источник