#газотурбинная установка

Газотурбинная установка — это современный высокотехнологичный механизм, генерирующий электричество и тепловую энергию. Ее используют в нефтегазодобывающей промышленности, на предприятиях, а также для обеспечения городов и других населенных пунктов. У такой установки есть компрессор — деталь, предназначенная для сжатия воздуха и его подачи в камеру сгорания. Скорость вращения этой детали постоянна, но зимой или в северных частях нашей страны прохождению воздуха может мешать снег и дождь. Науке уже известны устройства для очистки воздуха в таких установках, но они имеют сложную конструкцию, большие размеры и фильтры, которые препятствуют прохождению воздушного потока. Поэтому ученые ПНИПУ разработали собственное устройство. Оно снижает аэродинамическое сопротивление всей системы, имеет простую и легкую конструкцию.

Для качественной и бесперебойной работы электростанций, авиации и нефтегазовой промышленности научное сообщество стремится модернизировать источники энергии, в том числе газотурбинные установки. Новое поколение турбин отличается улучшенными характеристиками двигателя, например, высокой температурой газа на выходе из камеры сгорания, что делает установки более мощными. Но это негативно отражается на деталях турбины, например, на рабочих лопатках, которые участвуют в преобразовании кинетической энергии газового потока в механическую работу на валу двигателя. В среде горячего газа рабочие лопатки подвергаются огромным нагрузкам, из-за чего снижается их прочность и долговечность. Ученые Пермского Политеха повысили эффективность охлаждения рабочей лопатки турбины за счет модификации системы подвода воздуха.

Для сохранения металла лопаток газотурбинных двигателей от высоких температур применяют теплозащитные покрытия, которые состоят из нескольких слоев. Эффективным способом получения слоистого материала является искровое плазменное спекание, когда слои из порошка уплотняются благодаря импульсному току и нагрузке. Формирование теплозащитных покрытий таким методом в России практически не изучено. В настоящее время в качестве верхнего керамического слоя покрытия широко применяют диоксид циркония, который используется также в ядерной энергетике, пиротехнике и медицине. Однако рабочая температура его применения ограничена (не выше 1200 градусов). Ученые Пермского Политеха предлагают перспективный теплозащитный керамический материал на основе соединения циркония и редкоземельных элементов. Исследование позволит перейти на отечественное производство теплозащитных покрытий для деталей газотурбинных двигателей.

Во многих областях промышленности — нефтегазовой, деревоперерабатывающей, энергетической, в качестве источника энергии используются газотурбинные установки. Газовая турбина представляет собой тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется сначала в теплоту, а затем в механическую энергию. Они очень надежны и высокопроизводительны. Применение таких установок на электростанциях обеспечивает население теплом, светом и другой энергией в больших количествах. При разработке наземных газотурбинных установок важно соблюдать параметры экономичности вне зависимости от климатических условий. Повышенные температуры наружного воздуха отрицательно воздействуют на энергетическую и экономическую эффективность установок. В связи с этим актуальна разработка решений, которые сократят негативное влияние высоких температур. Ученые Пермского Политеха предложили способ охлаждения воздуха для газотурбинной установки на основе полного испарения капель воды в оросительной камере.

Газотурбинные установки используют в нефтегазовой и авиационной промышленности в качестве источника энергии. В состав установки входит газотурбинный двигатель. Один из важнейших элементов в нем — камера сгорания — основной источник вредных выбросов. Снижение выбросов в атмосферу можно обеспечить применением малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС). Сегодня контроль выбросов в атмосферу не ведется, поскольку нет датчиков эмиссии. Ученые Пермского Политеха предложили для контроля вредных выбросов из камеры сгорания использовать математическую модель МЭКС, встроенную в систему автоматического управления газотурбинной установки. Для повышения адаптивных свойств модели использованы технологии искусственного интеллекта, а именно — нейронные сети, которые позволяют эффективно увеличить качество моделирования процессов в сложных объектах на основе создания гибких и простых алгоритмов. Таким образом, ученые Пермского Политеха разработали и апробировали систему автоматического управления МЭКС со встроенной нейросетевой моделью.

В таких важных отраслях экономики, как нефтегазодобывающая и авиационная промышленность в качестве источника энергии используются газотурбинные установки. В их состав входит газотурбинный двигатель, одним из важнейших элементов которого является камера сгорания, производящая вредные выбросы. Чтобы процесс горения топлива в ней был устойчив и не приводил к чрезмерной эмиссии загрязняющих веществ, необходима система автоматического управления камерой сгорания, для работы которой требуются сенсоры выбросов. В качестве такого сенсора эмиссии выступает полуэмпирическая модель камеры сгорания, прогнозирующая вредные выбросы, которую разработали ученые Пермского Политеха.

Для эффективной работы камер сгорания газотурбинных энергоустановок, которые активно используются для выработки электричества и теплоэнергии, необходимо в течение всего процесса нагревать свежую газовоздушную смесь до температуры воспламенения. Если газа в смеси мало, а воздуха много, горение нестабильно и практически невозможно. Ученые Пермского Политеха предложили комбинированный способ повышения температуры топлива перед его подачей в камеру сгорания. Технология позволит установке самопроизвольно выделять большое количество тепла и электроэнергии, не принося вреда экологии. Кроме того, разработка уменьшит габариты оборудования и при этом увеличит срок службы и экономичность его работы.

Несмотря на устоявшееся мнение, согласно которому газотурбинные двигатели (ГТД) почти достигли технологического совершенства и прироста характеристик более чем на единицы процентов в новых моделях ждать не стоит, инженеры продолжают искать способы радикально их улучшить. Компания GE Aviation уже до конца 2020 года собирается представить предсерийные экземпляры своих революционных силовых установок, которые должны быть на 20% долговечнее, на 35% экономичнее и будут иметь улучшенную на 80% энерговооруженность, чем предыдущие аналогичные модели.