Наземная генерация, ударно-волновой компрессор

В ряде задач криогенной, авиационной и газотурбинной техники требуется большая степень сжатия газа при умеренных потерях полного давления.   Типичная степень повышения давления в центробежном компрессоре составляет от 1,5 до 4. Создание степени повышения давления более 25 требует сложных многоступенчатых осевых компрессоров. Чем выше степень повышения давления, тем больше габариты установки, либо частота вращения ее ротора. Увеличение частоты вращения в традиционных конструкциях приводит к снижению КПД. На данный момент дальнейшему увеличению эффективности систем в целом препятствует низкий коэффициент восстановления полного давления традиционных центробежных компрессоров при необходимых высоких частотах вращения, т.к. образуются локальные сверхзвуковые течения на периферии лопаточного венца, усиливаются утечки через зазоры между статором и ротором. Попытки повышения эффективности приводят к удорожанию установки и снижению ее ресурса. Вследствие чего традиционные пути повышения КПД полностью исчерпаны.

Ударно-волновой компрессор как решение проблемы

Традиционные подходы повышения термодинамического КПД газотурбинных двигателей требуют все большего увеличения давления и температуры сжигания топлива в камерах сгорания, что ведет либо к увеличению габаритов компрессоров, либо к увеличению частоты вращения ротора. В ряде зарубежных модульных энергетических мини-турбин частота вращения доведена до 90.000 об/мин, что позволило получить КПД около 42%.

В современных газотурбинных и комбинированных двигателях сжатие воздуха, подводимого в камеру сгорания, осуществляется в компрессоре (радиальном или осевом), который имеет большие габариты и требует обслуживания. Дальнейшему увеличению термодинамической эффективности двигателей препятствует низкий коэффициент восстановления полного давления традиционных компрессоров при больших частотах вращения.

В качестве альтернативы традиционным решениям, применяемым в турбомашинах, предлагается использовать вместо нескольких осевых или центробежных ступеней компрессора принципиально новое устройство — волновой компрессор, сжатие в котором происходит в оптимальной системе бегущих ударных волн. При раскрутке ротора до частот вращения, обеспечивающих окружные скорости, большие скорости звука, возникает система скачков уплотнения, в которой происходит сжатие газа. Такая конструкция компрессора с ударно-волновой системой сжатия воздуха обеспечивает коэффициент восстановления полного давления, сопоставимый с таковым у осевого компрессора с 8-9 ступенями. В конструкции используются теоретически найденные оптимальные конфигурации ударных волн, обеспечивающие КПД сжатия лучше, чем у традиционных лопаточных машин.

Выполненные расчеты продемонстрировали принципиальную реализуемость концепции гибридной роторной машины, у которой волновой компрессор расположен на одном валу с центростремительной турбиной.

Осевые компрессоры при степени сжатия от 10 до 20 обеспечивают коэффициент восстановления полного давления на уровне 0.85. Центробежный компрессор, имеющий такую же эффективность, позволяет получить степень сжатия на уровне 2-2,5. В то же время, сверхзвуковой многоскачковый воздухозаборник внешнего сжатия позволяет при числе Маха набегающего потока 2,7 получить степень сжатия на уровне 20-22 при потерях полного давления не более 5%. Представляется привлекательным выполнить компрессор тепловой машины в виде серии каналов, профилем напоминающих сверхзвуковой воздухозаборники внешнего сжатия и расположенных на внешней поверхности цилиндрического ротора.

Устройство ударно-волнового компрессора

Предлагаемая схема волнового компрессора представляет собой ротор с сетью каналов особого профиля, напоминающих профиль сверхзвукового воздухозаборника, в которых при раскрутке ротора до частот вращения, обеспечивающих окружные скорости, превышающие скорость звука, будет возникать система скачков уплотнения, сжимающая газ.

Использование волнового компрессора вместо многоступенчатого осевого позволит собрать всю конструкцию на одном валу, значительно при этом габариты двигателя. В частном случае канал может быть спрофилирован таким образом, чтобы торможение происходило в простых волнах сжатия без потери полного давления. Также, теоретически, в канал может подаваться топливо, тогда вращающийся ротор сможет выполнять роль не только компрессора, но и пульсирующего детонационного двигателя (ПуВРД), работающим по термодинамическому циклу Хэмпфри. Для реализации высокого КПД детонационного двигателя необходимо обеспечить периодическую подачу сжатого воздуха при степени сжатия не менее 10. Потери полного давления на прямом скачке уплотнения, весьма малые при числе Маха близком к 1, резко возрастают с его увеличением. Уже при М=2 потери будут составлять 28%. Потери полного давления в сверхзвуковом диффузоре снижаются при замене единственного прямого скачка уплотнения системой более слабых косых скачков, за которыми скорость остается сверхзвуковой с замыкающим слабым прямым скачком, переводящим поток в дозвуковой. При заданном числе Маха потока чем больше количество скачков, тем меньше потери полного давления.

Необходимо иметь диффузор с наименьшими потерями полного давления. Это для заданного количества скачков достигается решением задачи К. Осватича о нахождении оптимальной системы скачков. В результате решения этой задачи выяснилось, что система с максимально возможным значением коэффициента сохранения полного давления обладает тем свойством, что нормальная составляющая числа Маха перед всеми косыми скачками одинакова.

Из этого следует, что отношения полных давлений, а также статических давлений, плотностей и температур во всех косых скачках уплотнения также одинаковы. При решении задачи Осватича выяснилось, что замыкающий прямой скачок оптимальной системы при 1,5<Mн<5 немного слабее косых. Поскольку это отличие незначительно, в первом приближении можно считать, что все скачки уплотнения в этом случае имеют одинаковую интенсивность. Приняв это допущение, можно определить коэффициент сохранения полного давления для каждого скачка и выбрать углы наклона скачков в зависимости от скорости набегающего потока.

Даже в такой первоначальной конфигурации коэффициент восстановления полного давления получился на уровне 0.85, соответствующем современному уровню газотурбинной техники. Получен коэффициент восстановления полного давления, примерно соответствующий таковому у осевого компрессора с 8-9 ступенями.

Понятно, что волновой компрессор не может быть единственным устройством сжатия воздуха. Также как прямоточный воздушно-реактивный двигатель не может работать на малых скоростях, так и волновой компрессор требует предварительного разгона и сжатия воздуха.

Для этой цели предполагается использовать специально спроектированный центробежный компрессор. В качестве прототипа использован подходящий по рабочим параметрам компрессор ВСУ ТА-18. Конструкция лопаточного венца по сравнению с прототипом усовершенствована, применена так называемая полуторолопаточная схема, когда одна лопатка имеет полную длину, а другая половинную. В качестве исходных данных задан расход Q = 1,37 кг/с и частота вращения ротора n = 41123 об/мин.

Численное моделирование в трехмерной постановке показало, что в случае рассматриваемой конструкции решение К.Осватича для плоских конфигураций скачков уплотнения не выполняется. Кроме того, сами конфигурации ударных волн могут быть нестационарными, причем это не связано с явлением помпажа. Для расчета внутренних каналов УВК необходимо привлекать разработанную авторами теорию нестационарных оптимальных ударно-волновых конфигураций [2-5]. Осевые компрессоры при степени сжатия от 10 до 20 обеспечивают коэффициент восстановления полного давления на уровне 0.85. Центробежный компрессор, имеющий такую же эффективность, позволяет получить степень сжатия на уровне 2-2,5.

В то же время, сверхзвуковой многоскачковый воздухозаборник внешнего сжатия позволяет при числе Маха набегающего потока 2,7 получить степень сжатия на уровне 20-22 при потерях полного давления не более 5%.

Известны аналогичные разработки волнового компрессора Ramgen Power Systems³. Компания нацелена на создание системы улавливания, сжатия и хранения СО₂, на что с 1998 года получила более 22 млн. долларов из частных фондов и 30 млн. долларов от государственных контрактов с Министерством энергетики и Министерством обороны США. Применение волнового компрессора, заменяющего 7 ступеней обычного осевого компрессора, позволило существенно сократить габариты установки, хотя работоспособной установки пока создать не удалось. Причина состоит в том, что американская компания использует известное решение Осватича для сжатия потока в оптимальных системах стационарных скачков уплотнения, которое не выполняется в случае бегущих ударных волн.

Основное отличие предлагаемого решения состоит в том, что конструкция волнового компрессора создается на основе разработанной авторами теории оптимальных бегущих ударных волн, поэтому для создания работоспособного агрегата не требуется упрощать физическую модель и делать дополнительные допущения, приводящие к значительным погрешностям результатов инженерных расчетов.

Компанией Ramgen Power Systems ведутся перспективные исследования в направлении разработки гибридной роторной машины, совмещающей в себе, волновой компрессор и пульсирующий реактивный двигатель, работающий по термодинамическому циклу Хамфри, о чем подробнее сказано ниже.

Основные технические преимущества волновых компрессоров над обычными

В авиационной, криогенной и газотурбинной технике требуются устройства, позволяющие обеспечить высокую степень сжатия газа при малых потерях полного давления. На данный момент данная проблема решается путем создания чрезвычайно сложных многоступенчатых осевых компрессоров, причем, чем выше требуемая степень повышения давления, тем сложнее и больше требуется компрессор. Поиск более эффективных решений путем повышения частоты вращения ротора приводит к снижению КПД. Кроме того, это приводит к быстрому износу установки.

Сейчас, когда традиционные пути повышения КПД установок для сжатия газов уже практически исчерпаны, альтернативным решением может стать волновой компрессор. Благодаря тому, что сжатие воздуха происходит в оптимальной системе ударных волн, образующихся при раскрутке специально спрофилированного ротора до скоростей, превышающих скорость звука, одна ступень компрессора подобной конструкции может заменить несколько осевых или центробежных ступеней.

При этом геометрия волнового компрессора не предполагает использования большого количества дорогостоящих деталей. Фактически это специально спрофилированный стальной диск в цилиндрическом корпусе, вращающийся с большой скоростью. Использование столь простой конструкции намного более выгодно экономически, нежели разработка и обслуживание традиционного компрессора с большим числом ступеней.

Кроме того, важную роль также играют и габаритные размеры. Например, в ходе предварительных численных исследований профиля удалось получить степень сжатия около 10 и потери полного давления в пределах 7% при диаметре установки 30 см. Обыкновенный осевой компрессор, рассчитанный на такую же степень сжатия, будет иметь существенно большие размеры и состоять из 8-9 ступеней. Говоря же о воздушно-космической технике, где степень повышения давления может достигать 45, сложность конструкции и затраты на обслуживание представляют серьезную проблему. Чрезвычайно важными в этой области являются задачи снижения размеров, прежде всего, площади лобового сечения вспомогательных силовых установок. Использование волнового компрессора позволит создать газотурбинную установку, которая будет размещаться на одном валу и при этом занимать существенно меньше места.

Фактически волновой компрессор применим в достаточно широком спектре областей, где требуется большая степень сжатия газа. Примером могут служить и турбохолодильные агрегаты, и наземные энергетические установки, и газоразделительные системы. Очень большой сегмент занимают газоперекачивающие станции, системы хранения технических газов. Рынок компрессорной техники велик и охватывает различные отрасли.

Наиболее крупными являются рынки газотурбинных энергетических установок, компрессоров систем сжатия газов и криогенной техники.

Сравнение с аналогами

Прямых аналогов нет, это объясняется множеством существующих научно-технических проблем. Наиболее близкими аналогами решения, представленными на рынке, в сегменте мощности до 200 кВт можно считать турбогенераторы С-30, С-65, С-200 фирмы Capstone Turbine Corporation, но они имеют удельную мощность на уровне 3 кВт/кг. Еще хуже обстоят дела у авиационных ВСУ, например, у TA-18-200 (Аэросила, г.Ступино) Nуд=1.9 кВт/кг. Лучшие показатели в сегменте 1000-2000 кВт у современных турбовальных (ТВ3-117 Nуд=5 кВт/кг) и турбовинтовых двигателей (ТВ7-117 Nуд=6.7 кВт/кг, РД600 Nуд=4.5 кВт/кг). В настоящее время, разрабатывается высокоэкономичный турбовинтовой двигатель АЛ-54 с рекуперацией тепла, имеющий экономичность на уровне лучших «больших» ТРДД — 159 г/л.с.ч. Однако, применение теплообменника привело к увеличению массы и габаритов, что снизило удельную мощность до 4.1 кВт/кг.

Основное отличие предлагаемого решения состоит в том, что конструкция волнового компрессора создается на основе разработанной авторами теории оптимальных бегущих ударных волн, поэтому для создания работоспособного агрегата не требуется упрощать физическую модель и делать дополнительные допущения, приводящие к значительным погрешностям результатов инженерных расчетов.

Разработка конкурентоспособна на мировом уровне. Она не имеет прямых аналогов. Текущие решения в 3-5 раз не удовлетворяют по удельной мощности (Nуд). За счет внедрения ряда усовершенствований (новые материалы, отказ от масла, аддитивные технологии) Nуд может быть увеличена на 70-100%, но и этого недостаточно для создания распределенных силовых установок.

Рынок

В настоящее время в России эксплуатируется около 400 тысяч промышленных компрессоров (в основном поршневых), которые вместе с насосами потребляют около 20% вырабатываемой в стране электроэнергии. Для оценки потенциала отечественного рынка следует исходить из факта морального и физического износа большей части парка компрессорного оборудования, требующего замены или модернизации. Следует учитывать и другую хорошо известную особенность национального рынка – недостаток финансовых средств у потенциальных потребителей оборудования. Однако, несмотря на эту особенность, рынок компрессорного оборудования развивается динамично. Обновление компрессорного хозяйства происходит не только на предприятиях сырьевых отраслей, но и в пищевой, строительной промышленности, в машиностроении, и даже, чего давно не наблюдалось, на предприятиях оборонно-промышленного комплекса.

Предполагается, что структура генерирующих мощностей в малой энергетике России к 2040 г. будет подобна таковой в США. Особенно активно в США распределенная энергетика развивается в течение последних 15 лет. Во многом это объясняется блэкаутами 1998 года в Сан- Франциско, 1999 года в Нью-Йорке, энергокризисом в Калифорнии, продлившимся с 2000 по 2003 год, сбоями подачи электроэнергии в Лондоне, Дании и Швеции в 2003 году. Причиной этих блэкаутов стали недостатки централизованных систем энергоснабжения, которые заставили обратить внимание общественности на распределенную энергетику.

Прогноз роста мощностей в распределенной энергетике США в коммерческом секторе к 2040 г., ГВт

В России ситуация подобная, но рост малой энергетики будет происходит преимущественно за счет роста малых и средних промышленных предприятий, развития жилищного строительства и модернизации ЖКХ, модернизации крупных промышленных предприятий. В ближайшее десятилетие ежегодный рост энергопотребления будет составлять от 2,2% до 3,1% в год.

Программой ОАО «Газпром» в период с 2012 по 2025 годы предстоит замена 2000 газоперекачивающих агрегатов на базе газотурбинных двигателей. Согласно информации, предоставленной ассоциацией «Союз авиационного двигателестроения» (АССАД) к 2025 г. планируется четырехкратный рост объема продаж продукции предприятиями отечественного газотурбинного двигателестроения.

Спрос на газотурбинные установки растет сейчас в секторе ЖКХ, судостроении, транспортном секторе и в других отраслях экономики. Особое значение имеет принятие в четвертом квартале 2008 года Федеральной целевой программы «Развитие газотурбостроения в авиационной промышленности на 2010–2015 годы и на период до 2025 года». В 2009 году на нее планируется выделить 4,3 млрд. рублей, а основные финансовые вливания начнутся с 2010 года. При этом затраты на реализацию ФЦП по газотурбостроению на весь программный период составят 334,7 млрд. рублей, из них бюджетное финансирование — 223,9 млрд. руб. (по данным Минпромэнерго)

По итогам 2008 года общий объем продаж компаний по производству газовых турбин в России вырос по сравнению с предыдущим годом на 2,5%. Совокупная прибыль российских газотурбостроительных предприятий по итогам 2008 г. снизилась по сравнению с 2007 г. на 18,8%.

Наибольший объем производства газовых турбин в России приходился на ОАО «Ленинградский металлический завод» группы компаний «Силовые машины» (1025 МВт).

Объем выпуска газотурбинных установок (ГТУ) Казанским моторостроительным производственным объединением составил 584 МВт, Пермским моторным заводом – 480 МВт, ОАО «Сатурн-Газовые турбины» — 59 МВт.

В сегменте газовых турбин мощностью не более 5000 кВт объем импорта в 2008 г. по сравнению с предыдущим годом возрос на 42,8%

В данном сегменте наибольший удельный вес в структуре импорта занимало оборудование производства украинских компаний (45,1%), компаний Чехии (28,2%).

Импорт газовых турбин мощностью свыше 5000 кВт вырос по сравнению с 2007 г. на 56,8%. Импорт из Украины составил в стоимостном выражении 70,8%, Швейцарии – 20,8%, Швеции –8,1%.

В сегменте газовых турбин мощностью не более 5000 кВт объем экспорта в 2008 г. по сравнению с предыдущим годом возрос на 28,3%.

В сегменте газовых турбин мощностью более 5000 кВт объем экспорта в 2008 г. по сравнению с предыдущим годом возрос на 53,5%.

В настоящий момент тенденция роста сохраняется.

Объем и структура рынка малой генерации

Доступная ёмкость рынка при существующей экономической ситуации в России составляет для готового решения не менее сотни установок мощностью 100 кВт в год, с ростом на ближайшие 10 лет до 1000 установок в год. Зависимость этого количества от цен конкурентов при должном уровне сервиса представляется весьма слабой в связи с отсутствием отечественных предложений и ограниченным предложением вообще, а также относительной новизной таких технических решений на отечественном и мировом рынке.

Можно уверенно предположить, что и сам молодой рынок таких решений будет уверенно и динамично расти. Проведённый анализ рынка показывает, что значительная доля (почти половина) вводимых в строй новых энергетических мощностей имеют суммарную мощность менее 2 МВт. Если же рассмотреть мощность газотурбинных электрических станций, то на станции мощностью менее 1 МВт приходится почти 30% рынка.

Малая электроэнергетика России сегодня – это примерно 49000 электростанций (98,6% от их общего числа) общей мощностью 17 ГВт (8% от всей установленной мощности электростанций России), работающих как в энергосистемах, так и автономно. Общая годовая выработка электроэнергии на этих электростанциях достигает 5% от выработки всех электростанций страны. Если учесть приведенные данные, то средняя мощность малых электростанций составляет примерно 340 кВт.

В РАО «ЕЭС России» (до её реформирования) инициативу развития малой энергетики поддерживали. «Это выгоднее, чем тащить магистральные линии электропередачи, учитывая просторы нашей страны». Тем более что строительство одного километра магистральной линии обходится в $1 млн.

Рынок компрессорной техники

В настоящее время в России эксплуатируется около 400 тысяч промышленных компрессоров (в основном поршневых), которые вместе с насосами потребляют около 20% вырабатываемой в стране электроэнергии.

Для оценки потенциала отечественного рынка следует исходить из факта морального и физического износа большей части парка компрессорного оборудования, требующего замены или модернизации. Следует учитывать и другую хорошо известную особенность национального рынка – недостаток финансовых средств у потенциальных потребителей оборудования. Однако, несмотря на эту особенность, рынок компрессорного оборудования развивается динамично. Обновление компрессорного хозяйства происходит не только на предприятиях сырьевых отраслей, но и в пищевой, строительной промышленности, в машиностроении, и даже, чего давно не наблюдалось, на предприятиях оборонно-промышленного комплекса.

Производством и выпуском компрессорного оборудования занимаются более 20 заводов в России и странах СНГ. Среди них – ОАО ‘Казанькомпрессормаш’, ОАО ‘Пензкомпрессормаш’, ОАО ‘Невский завод’, ОАО ‘Компрессорный завод’ (г. Краснодар), ОАО ‘Дальэнергомаш ‘ (г. Хабаровск), московские – ОАО ‘Борец’ и ОАО ‘Компрессор’, ЗАО НПП ‘Уралкомпрессормаш’, ОАО ‘Машиностроительный завод Арсенал’ (Санкт-Петербург) и другие.

Широко представлена на российском рынке и продукция зарубежных производителей компрессорного оборудования – ‘Далгакыран’ (Турция), ‘Атлас Копко’ (Швеция), ‘АБАК Групп’, ‘Фини’, ‘Фиак’, ‘Боттарини’ (Италия), ‘Гарднер Денвер’ (Германия), ‘Ингерсол-Рэнд’, ‘Дрессер-Рэнд’ (США), ‘Атмос’ (Чехия) и других производителей, занимающих более скромную нишу.

Конкуренция между зарубежными и отечественными фирмами-изготовителями и поставщиками растет. Отечественные производители компрессоров пока имеют шансы сохранить свою нишу на рынке за счет более низких цен. Но ненадолго.

Надежда на то, что потребитель заинтересован только в дешевизне продукции, может сыграть с российскими производителями компрессоров недобрую шутку. Точно так же, как самоуспокоенность по поводу качества компрессоров. Возможно, соответствует действительности утверждение многих производителей о том, что отечественная продукция по качеству сопоставима с зарубежными аналогами. Но потребитель компрессорного оборудования ценит (и высоко) эксплуатационные характеристики компрессоров, наличие организации их сервисного обслуживания. Что вполне понятно, поскольку расходы на эксплуатацию компрессорного оборудования, напрямую связанные с экономичностью в потреблении электроэнергии, составляют немалую долю затрат.

В связи со сказанным повторим банальную истину о том, что цифры – вещь упрямая. По оценкам, масштабы поставок импортных компрессоров превышают в последние годы объемы отечественного производства в 4-5 раз. В минувшем году удельный вес отечественной продукции в объемах продаж пользующихся у потребителя все большим спросом винтовых установок составил:

• установки с производительностью от 1 до 5 куб. м в минуту – около 9%;
• от 5 до 10 куб. м – примерно 45%;
• от 10 до 40 куб. м – порядка 21-22%.

Исключение – группа компрессоров с производительностью от 20 до 40 куб. м, где рынок делится примерно натрое между ОАО ‘Пензкомпрессормаш’, ‘Далгакыран’ и ‘Атлас Копко’. По остальным позициям лидерство этой шведской компании неоспоримо.

По мнению некоторых руководителей российских заводов, этому способствуют чрезвычайно низкие, на их взгляд, пошлины на ввоз компрессорного оборудования, составляющие 5%. Ими, в связи с решением России о вступлении во Всемирную торговую организацию, ставится вопрос о необходимости повышения до 10%, а по отдельным позициям – до 15-20% ставок импортных таможенных пошлин на компрессорное оборудование на момент вступления России в ВТО и дифференцированного снижения их, но не ранее чем через 2-4 года после вступления.

Разработанный новый тип компрессора будет обладать значительными конкурентными преимуществами, т.к. его реализация позволит существенно снизить габариты устройства, упростить конструкцию компрессора и одновременно повысить его надежность. Продукт будет ориентирован на применение во вспомогательных силовых установках самолетов, двигателях малогабаритных беспилотных летательных аппаратов, распределенных силовых установках самолетов 6-ого поколения, комбинированных двигателях воздушно-космических самолетов, наземных энергетических установках, турбодетандерах, компрессорах для сжатия технических газов, в криогенной технике.

2014г.