автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Конвертированный авиационный двигатель как средство решения экологических проблем

На правах рукописи

АКМАЛЕТДИНОВ Рафиль Газитдинович

КОНВЕРТИРОВАННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАК СРЕДСТВО РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Специальность 05.07.05 - тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2005

Работа выполнена на кафедрах «Авиационные двигатели» и «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научный руководитель -Официальные оппоненты ■

Ведущее предприятие -

доктор технических наук, профессор Гумеров Хайдар Сагитович доктор технических наук, профессор Химич Владимир Леонидович кандидат технических наук Гребенюк Геннадий Петрович Открытое акционерное общество «Институт технологии и организации производства» (ОАО НИИТ)

Защита состоится «Р^ » _2005 г. в час. на заседании

диссертационного совета Д-212.288.05 по специальности 05.07.05 - тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бакиров

Общая характеристика работы Актуальность работы

Конвертирование авиационных ГТД в наземные энергетические установки стало важной частью современного этапа развития теории и практики авиадвигателестроения.

Внедрение конвертированных авиационных ГТД в энергоустановки определяется:

• Потребностью повышения технического уровня и эффективности энергопроизводства, строительства, транспорта и других отраслей хозяйства;

• Целесообразностью сохранения и поддержания высоких технологий авиадвигателестроения за счет расширения сфер применения этих технологий;

• Важностью решения экологических проблем на фоне растущего техногенного воздействия на окружающую среду.

Непрерывно возрастающие требования по охране окружающей среды стимулируют интерес к вопросам как по защите окружающей среды от загрязняющего воздействия газотурбинных двигателей, так и по защите двигателя от вредного воздействия факторов окружающей среды.

Данная постановка направлена на практическое осуществление целей Киотского протокола к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата. В число этих целей входят:

- проведение исследовательских работ, содействие внедрению, разработка и более широкое использование новых и возобновляемых видов энергии, технологий, поглощения диоксида углерода и инновационных экологически безопасных технологий;

- ограничение и (или) сокращение выбросов метана путем рекуперации и использования при удалении отходов, а также при производстве, транспортировке и распределении энергии.

Цель работы

Целью работы является решение экологических проблем посредством применения конвертированных в наземные энергетические установки авиационных ГТД, выявление и уменьшение отрицательного взаимного влияния конвертированного авиационного газотурбинного двигателя и окружающей среды.

Задачи работы

Для достижения данной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

• анализ направлений конверсии в авиадвигателестроении для повышения технико-экономической эффективности и экологичности отдельных отраслей экономики, разработка путей их реализации;

• анализ отрицательных факторов влияния окружающей среды на технико-экономические и экологические показатели конвертируемого двигателя,

разработка методов их снижения;

• анализ отрицательного влияния энергетических установок на базе конвертированных авиационных двигателей на окружающую среду, разработка средств и методов снижения вредного воздействия энергоустановок на окружающую среду;

• разработка методов уничтожения вредных отходов нефтехимических производств с применением авиадвигателей;

• повышение надежности энергетических установок с учетом решения экологических проблем.

Методы исследования

Полученные автором результаты базируются на использовании теорий: термогазодинамических процессов и моделирования с использованием программного комплекса БУЮ; прочности с использованием программы для расчета частот и амплитуд колебаний и вибронапряжения оболочек; химии горения; физических измерений с помощью приборов и датчиков первичной информации, компьютерного лазерно-электронного комплекса «ОПТЭЛ» для измерения геометрических параметров изделий сложной формы.

Достоверность проведенных в работе исследований подтверждена стендовыми и эксплуатационными испытаниями двигателей, сравнением полученных результатов с данными математического моделирования процессов, а также результатами внедрения.

На защиту выносятся

Результаты исследований по анализу и снижению техногенного воздействия конвертированного авиационного ГТД на окружающую среду, взаимного влияния факторов окружающей среды на установки, теоретические и экспериментальные выводы и обобщения по методу уничтожения вредных отходов нефтехимических производств, практические рекомендации по повышению надежности установок, имеющих экологическую направленность, практические результаты разработки энергетических установок с анализом их эффективности.

Научная новизна

• В постановке и решении задачи тесной увязки технико-экономических задач конвертирования авиадвигателей с проблемами экологии в двуедином ключе взаимного влияния окружающей среды на двигатель и двигателя на окружающую среду.

• В формулировке и разработке новых оригинальных решений научно-технических проблем при создании ряда конвертированных газотурбинных установок на базе авиационных двигателей

- замена природного газа сжатым воздухом при строительстве и ремонте магистральных нефтегазопроводов;

- снижение экологической нагрузки в когенерационных энергоустановках, снижение шума, пыли и вредных газообразных выбросов

энергоустановок различного назначения,

- уменьшение выхода вредных веществ в технологии очистки нефтепромысловых труб,

- огневое обезвреживание отходов нефтехимических производств

• В исследовании физической картины эрозионного макроизноса лопаток компрессора и турбины конвертированного авиационного ГТД

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в доведении результатов исследований до инженерной постановки требований к создаваемым технологическим установкам, разработке теоретических моделей, конструктивных решений, методов испытаний и исследований, в анализе результатов экспериментальных испытаний и опытно-промышленной эксплуатации созданных образцов техники

Применение разработанных на базе конвертированных авиационных ГТД энергоустановок позволяет на практике уменьшить вредное воздействие на окружающую среду различных техногенных факторов

Конвертирование авиационных ГТД в наземные установки сопряжено с решением ряда экологических проблем

• Уменьшается потребление топлива до 40% при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии, соответственно снижаются уровень теплового загрязнения и выбросы вредных веществ в окружающую среду Использование в качестве топлива природного газа и новых принципов организации горения также снижают выбросы вредных веществ,

• Исключаются выбросы в атмосферу природного газа за счет использования вместо него сжатого воздуха при выполнении работ по очистке и продувке магистральных газопроводов с помощью генератора сжатого воздуха (ГСВ) В этой установке двигатель одновременно является объектом воздействия окружающей среды, в связи с чем установлены закономерности изменения параметров и геометрических размеров элементов газовоздушного тракта при работе двигателя в условиях повышенной запыленности воздуха,

• Исключается использование химикатов при очистке аэродромных покрытий и путей и авиационной техники от атмосферных осадков за счет термокинетического воздействия струйно-тепловой машины на базе авиационного ГТД,

• Уменьшается водопотребление и исключается применение химических моющих средств при очистке нефтепромысловых труб от отложений с использованием газопаровой смеси, уменьшаются выбросы вредных веществ до уровня, ниже предельно допустимого с помощью авиационного ГТД за счет термокинетического воздействия в сочетании с впрыском водяного пара,

• В теплогенераторе производится чистый подогретый воздух в отличие от существующих теплогенераторов подающих подогретый воздух в смеси с

продуктами сгорания топлива,

• Снижается уровень шума наземной газотурбинной установки за счет настройки пластинчато-щелевого глушителя под конкретный спектр шума Устраняется попадание содержащих пыль горячих газов на вход в двигатель при работе установки по очистке железнодорожных вагонов Моделированием рабочего процесса установлено попадание горячего запыленного воздуха на вход двигателя Предложенные мероприятия позволили поднять надежность работы установки,

• Производится термическое обезвреживание токсичных отходов нефтехимического производства в камере сгорания установки с коаксиально организованным процессом горения

Результаты работы использовались при выполнении работ по конвертированию авиационных ГТД в ФГУП «НПП «Мотор», внедрены в АО «ММК», ОАО «Райский ГОК», ООО «ВарьеганСервис» в виде газотурбинных установок, переданных для дальнейшей эксплуатации в производстве

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции по компрессоростроению «Проблемы компрессоростроения», г Сумы, Украина, 1989 г, заседании Секции организации, технологии и механизации строительства трубопроводов, экологических проблем отрасли научно-технического совета Миннефтегазстроя СССР, Москва, 1989 г, Всероссийской научной конференции «Диоксины экологические проблемы и методы анализа», г Уфа, 1995 г, Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе», г Самара, 1997 г ; Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», Пермь, 2001 г, Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе», г Самара, 2001 г, III Российском энергетическом форуме «Энергосбережение», Уфа, 2003 г Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и списка использованных источников из 91 наименований Основной текст содержит 144 страниц, 53 иллюстрации, 17 таблиц

Краткое содержание работы В первой главе обосновывается актуальность работы, формулируются цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы, проводится анализ степени разрешенности экологических проблем и проблем уменьшения вредного воздействия среды на конвертируемый авиационный ГТД

Вопросы применения энергетических и технологических установок с конвертированным авиационным газотурбинным двигателем становятся все

актуальней для народного хозяйства

Отмечено, что энергетические и технологические установки, созданные на базе конвертированных авиационных ГТД, наследуют высокие технологии, использованные при их создании Для обеспечения их конкурентоспособности должны ставиться задачи по повышению топливной экономичности как экологического фактора, характеризующего уровень воздействия на окружающую среду

Анализ применения наземных энергоустановок с ГТД показал, что актуальны работы по следующим направлениям повышение их технико-экономической эффективности с разработкой путей реализации, разработка средств и методов снижения вредного воздействия энергоустановок на окружающую среду и обратного воздействия, разработка средств и методов уничтожения вредных отходов нефтехимического производства

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи, решаемые в данной диссертационной работе

Во второй главе проведен обзор экологических аспектов конвертирования авиационных ГТД

Конвертированный авиационный ГТД является с одной стороны источником загрязнения окружающей среды, с другой - сам подвержен внешним воздействиям, связанным с загрязненностью окружающей среды (рис 1)

Отмечено, что важнейшими направлениями решения экологических проблем в промышленном производства и, в частности, при конвертировании авиационных ГТД в наземные энергетические установки следует считать

• совершенствование традиционных технологий - введение новых машин и устройств с использованием экологически безопасных методов и материалов,

• разработку нового оборудования с меньшим уровнем вредных выбросов в окружающую среду,

• разработку ресурсосберегающих технологий,

• разработку технологий утилизации экологически опасных отходов производства,

• широкое применение дополнительных методов и средств защиты окружающей среды,

• экологическую экспертизу всех видов производств и промышленной продукции, составление экологических паспортов, исходя из всех видов промышленных загрязнений окружающей среды

Наиболее значимыми факторами воздействия на окружающую среду со стороны газотурбинных двигателей считаются тепловые выбросы, выбросы в атмосферу экологически вредных веществ, шум

Рассмотрены нормативы техногенного влияния на окружающую среду У^вни содержания в атмосферном воздухе различных вредных веществ регламентируются специальными нормами, предельно допустимой концентрацией (ПДК) Различают ПДК в воздухе рабочей зоны (ПДКРЗ) предельно допустимую разовую (ПДКМР) и предельно допустимую среднесуточную концентрацию (ПДКсс)

2 -О О

а ?

Снижение выоросов за счет экономии

топлива при комбинированном производстве электрической и геппоеой •энергии

Перевод двигателей на ?ко югически чистое топливо приротный газ

Исключение вибросов природного мча ы счет испои зования сжатого воздуха от ГС В

Удаление голо печного образования и очистка аэрочромных покрытий и техники

Термическая очистка нефтепромысловых труб

Снижение шума и пыльности в установке очистки жетезнодорожных вагонов

Генерирование чистого подогретого воздуха для цетей теплофикации

Установки химической защиты объектов сельского и тесного хозяйства

Огневое обезвреживание токсичных хлороргани ^ских отходов нефтехимического производства

Материальные (химические)

Энергетические (физические)

ХГЛ-

а:

г?

§

е

При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ, обладающих суммирующим действием, сумма их концентраций не должна превышать единицы:

С, Сг С„ _

- +—1—+ +—-—<1

пдк, пдк2 пдк„

Загрязненность воздуха регламентируется нормами предельно--допустимых выбросов (ЦЦВ) вредных вещест«

пдв=крпдк,

где Кр - коэффициент разбавления, т.е. объем чистого воздуха, необходимого для разбавления выбрасываемого загрязненного вещества до концентрации ПДК.

В авиации ПДВ устанавливаются на четыре компонента: оксид углерода, несгоревшие углеводороды, оксиды азота, частицы сажи (дым).

При невозможности использовать методы снижения выбросов допускается уменьшать концентрации вредных веществ в воздухе населенных пунктов, рационально рассеивая вредные выбросы в атмосфере, для чего увеличивают высоту выхлопных шахт (без колпаков) или повышают скорость выброса (факельный выброс).

Нормативы техногенного воздействия и методы их снижения рассмотрены применительно к ряду конвертированных установок. Выполнены расчеты по снижению концентрации вредных веществ, используемые для экологической экспертизы различных видов конвертированных установок. Освоены методические основы исследования шума газотурбинной установки и анализа его снижения до уровня санитарных норм

Показано вредное влияние шума энергоустановок на окружающую среду, приведены нормы допустимого уровня шума.

Исследована работа наземной энергетической установки в условиях загрязненной атмосферы, что приводит к снижению ее технико-экономических показателей. Снижается ресурс, ухудшаются мощностные и экономические показатели, создаются предпосылки увеличения вредных выбросов в атмосферу, а также функциональных отказов.

Приведены результаты анализа возможности использования бензола как топлива для энергоустановки для очистки железнодорожных полувагонов на базе конвертированного авиационного двигателя типа РД-ЗМ Установлена принципиальная возможность работы ГТД на продукте, являющемся отходом основного производства, что снижает техногенную нагрузку на окружающую среду.

В третьей главе проведено исследование по снижению вредных выбросов при внедрении газотурбинных установок

Выпочнен большой комплекс термогазодинамических исследований, обосновывающих высокую эффективность когенерационных установок Исследования позволили оптимизировать режимы работы конвертированного авиационного ГТД для сочетания топливной экономичности с высоким ресурсом

Из анализа условий энергопотребления и энергопроизводства сдепан вывод, что на основе когенерационной энергоустановки возможно достичь экономии топлива до 40% и соответственно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду

Энергетическая установка для комбинированного производства тепловой и электрической энергии на базе конвертированного авиационного двигателя по своим экологическим показателям (выбросу вредных веществ, шуму, водопотреблению и др) заметно превосходит существующие теплоэнергетические установки, позволяет устанавливать ее внутри жилой зоны при модернизации внутригородских котельных, тем самым уменьшая потери электрической и тепловой энергии при транспортировке как факторов техногенного воздействия на окружающую среду

Внедрение технологии двухстадийного смешения топлива в камерах сгорания конвертированных двигателей позволяет снизить уровень наиболее вредных выбросов NOX до уровня менее 50 мг/м3, соответствующего требованиям экологической чистоты по ГОСТ для вновь создаваемых ГТУ на газообразном топливе Использование впрыска пара (энергетический и экологический впрыск) позволяет достичь еще более низкого уровня эмиссии

Проведено исследование уровня шума, создаваемого компрессорными и электрическими станциями на базе конвертированных ГТД Результаты измерений показывают превышение допустимого уровня шума и на необходимость обязательного использования средств защиты окружающей среды и обслуживающего персонала от воздействия шума компрессора и выхлопных газов двигателей

Газотурбинная установка является источником вибраций и шума с широким спектром частот (63-8000 гц), способных оказывать отрицательное влияние на человека, наземную и водную фауну

Для двух типов установок (ГПА и ПАЭС) выполнен анализ спектра уровней звукового давления в сравнении с допустимыми уровнями, характеристик затухания для обеспечения экологических требований

В четвертой главе исследован генератор сжатого воздуха для замены природного газа в технологии строительства и очистки газопроводов

Природный газ, используемый для проталкивания очистного поршня по трубе и для опрессовки участков трубопровода, обычно выбрасывается в окружающую среду загрязняет ее Так при 3-х кратной продувке газом трубопровода диаметром 1420 мм и длиной 30 км в окружающую среду выбрасывается приблизительно 0,75 млн м3 газа (Это по нормативам В то время как сверхнормативные потери увеличивают эту цифру в 2-3 раза)

Преимущества технологии продувки внутренней полости и испытания магистральных трубопроводов с использованием сжатого воздуха очевидны

- исключается нецелесообразная трата товарного газа,

- отсутствует загрязнение природным газом окружающей среды

- повышается уровень пожарной и взрывобезопасности

Для практической реализации этой технологии создан на базе конвертированного авиационного ГТД типа Р13-300 генератор сжатого воздуха (ГСВ) с высокими удельными параметрами

Исследование по созданию высокопроизводительной компрессорной установки на базе генератора сжатого воздуха включало этапы выбор базового двигателя анализ технико-экономической и экологической эффективности, комплекс расчетно-экспериментальных работ по определению оптимальных режимов работы при максимальном отборе сжатого воздуха за компрессором двигателя, выбор конструктивных решений и облика установки, экспериментальная стендовая отработка установки, определение параметров и характеристик, опытная эксплуатация

Для подтверждения работоспособности ГСВ в течении длительного времени на этапе экспериментальных испытаний усовершенствована система отбора воздуха

Результаты исследований подтвердили обоснованность разработанной математической модели рабочего процесса энергоустановки

- максимальный отбор воздуха за компрессором установки составляет ~ 19 кг/с при введении в качестве ограничения температуры газа за турбиной

- оптимальная частота вращения ротора низкого давления из условия получения максимального отбора воздуха при заданном ограничении температуры газа составляет

- подтвержден экспериментально длительный ресурс с разработанным кольцевым коллектором отбора воздуха,

максимальная неравномерность температурного поля составляет без отбора воздуха у=1,184 (п; ,|р=90%), с отбором воздуха

при использовании лемнискатного входного устройства минимальный запас устойчивости компрессора составляет ДКУ=24%,

- исходя из факта разрушения сильфонного компенсатора разработана методика, показавшая адекватность моделирования напряженно-деформированного состояния компенсатора,

Лп %

ю

15

1 час

Рис 2 Изменение параметров ГСВ в процессе наработки

- предложена и внедрена в конструкции системы отбора воздуха ограничительная шайба, при критическом истечении через которую обеспечивается допустимое значение температуры газа

Исследовано поведение параметров двигателя при эксплуатации в условиях активного эрозионного воздействия После 128 часов работы наступил помпаж компрессора на режиме холостого хода (рис 2)

Перед наступлением помпажа происходило сначала медленное затем резкое изменение контролируемых параметров

- частота вращения РВД возросла на 7%,

- температура газа за турбиной в течении 5 часов возросла более, чем на 10%

Рабочие лопатки КВД Сопловые лопатки ТВД

У, тт

1 рехмерная интерпретация результатов ишерений профиля лопатки КВД

Рис 3 Эрозионный износ лопаток

Изучено изменение геометрических размеров роторных и стагорных лопаток компрессора с использованием программно-аппаратного комплекса ОПТЭЛ.

Измерения изменения формы профиля лопаток в единой системе координат показали повышенный износ со стороны корыта, что также подтверждается формой износа соплового аппарата турбины (рис. 3)

Предложено модель эрозионного износа дополнить учетом повышенною износа на вогнутой стороне профилей лопаток компрессора и турбины.

Из анализа изменений геометрических размеров направляющих и рабочих лопаток, изменения параметров установки (рабочей линии) можно предположить, что потеря газодинамической устойчивости компрессора при отключении отбора воздуха происходит по двум причинам:

- снижение границы помпажа из-за износа лопаток;

- перегрузка лопаток первых ступеней при недогрузке последних.

Возможно комплексное воздействие обеих причин.

Полученные материалы создают предпосылки для создания математической модели эрозионного износа лопаток компрессора и турбины и чвигателя в целом, изменения их характеристик, разработки технологий, уменьшающих износ и его последствия.

Защита от вибрационного воздействия в ГСВ достигнута за счет активного демпфирования в узлах подвески двигателя. К достоинству предложенных демпфирующих опор следует отнести надежность, незначительную жесткость при динамическом возбуждении, малые габариты.

Сравнительный анализ экономических и экологических преимуществ технологии очистки внутренней полости трубопровода с использованием ГСВ показывает, что помимо экологического эффекта, новая технология продувки экономичнее продувки природным газом в 3 раза, а по сравнению с продувкой традиционными компрессорными установками с ресивером в 7,7 раза.

Экономическая и экологическая эффективность технологии с ГСВ подтверждена актами испытаний.

В пятой главе исследованы: установка для устранения гололедных покрытий аэродромов, установка для термической очистки нефтепромысловых труб, установка для очистки железнодорожных полувагонов от смерзшихся остатков грузов и установка теплогенераторная

Тепловая машина входит в комплекс, включающий скребковые, щеточные и струйные механизмы, обеспечивающий высокую готовность аэродромов при любых атмосферных условиях. При создании тепловой машины сделан анализ и обоснован выбор базового авиационного двигателя, объем его доработок и оптимального режима работы, обеспечивающего выполнение требований тактико-технического задания заказчика к тепловой машине.

Предложена и разработана система управления режимами тепловой машины с перепуском воздуха из-за компрессора во входное устройство, позволяющая:

- выдержать требования по параметрам в широком диапазоне атмосферных температур;

- избежать резонансных режимов при изменении внешней температуры,

- устранить обледенение входного устройства

Исследование по выбору режима работы и программы регулирования выполнено с учетом экологических факторов, имея в виду высокую инициируемую влажность и пыльность.

На основе анализа технологий очистки насосно-компрессорных труб от асфальто-смолопарафинированных отложений предложена установка тепловой обработки с использованием конвертированного авиационного двигателя М-701

С использованием системы DVIG проведено моделирование энергоустановки с впрыском пара в реактивное сопло (рис. 4).

1 10 2

Рис. 4. Схема установки для очистки труб 1-входные условия; 2-основные данные; 3-входное устройство; 4-компрессор;

5-камера сгорания; 6-турбина; 7-диффузор; 8-испаритель; 9-контейнер с трубами; 10-подача воды.

Технико-экономические и экологические показатели установки превосходят многие известные способы очистки труб в нефтедобывающей отрасли.

Выбранный режим работы установки (площадь выходного сечения сопла, частота вращения ротора и количество впрыскиваемой воды) обеспечивают экономичность установки и требуемые параметры парогазовой струи с технологической и экологической точек зрения

Выполнен детальный анализ характеристик загрязнения атмосферы, выбросов загрязняющих веществ, их приземных концентраций. ПДК находятся в пределах нормативных показателей

Установка для очистки железнодорожных полувагонов разработана на базе конвертированного авиационного ГТД типа Р11Ф-300 Такая установка обладает высокой производительностью и обеспечивает хорошее качество очистки вагонов

Рис 5 Схема глушителя 1 - каркас глушителя, 2 - лемнискатныя насадок, 3 4 5,6 - каскады с шумопоглощающими пластинами различной толщины, 7 - звукопоглощающий элемент пластины, 8 - регулируемая проставка, 9 - защитная сетка

Однако выявились и отрицательные свойства при работе установки создается высокий уровень шума, превышающий санитарные нормы, высокая запыленность загрязняет окружающую среду, усложняет условия работы двигателя, сокращая его ресурс

Исследованы и решены проблемы защиты окружающей среды от шума установки

Разработанный многокаскадный глушитель шума пластинчатого типа позволяет на основе результатов измерений звукового давления в октавных полосах спектра настраивать его на работу в оптимальном режиме в случаях изменения параметров воздушного тракта, приводящих к вариациям его акустических характеристик

Затухание звука в пластинчатом глушителе пропорционально его длине и обратно пропорционально расстоянию между пластинами

гДе ~ эквивалентный коэффициент поглощения набивки пластин, 2do расстояние между пластами, м, I- длина пластин, м

Изучены спектры частот и уровни звукового давления конвертированных авиационных двигателей, установлены закономерности снижения шума с изменением геометрических размеров пластин глушителя При работе двигателя типа РПФ-300 на режимах с частотами вращения от 81 до 92 % генерируется шум с частотами в интервале от 0,06 до 8 кГц, максимум звукового давления, составляющий 92 дБа, максимум звукового давления снижается применением пластинчатого глушителя с толщиной пластин 100 мм и шагом 50 мм на ~ 40 дБа

Проблема пыли решена как в плане защиты собственно двигателя от попадания пыли в тракт и снижения надежности работы двигателя, так и в плане защиты от пыли окружающей среды

Исследования на основе созданной ММ позволили выявить наличие перетекания на вход в двигатель горячих газов, содержащих пыль устранение перетекания позволило снизить режим работы установки по частоте вращения РИД с 92% до 89% По оценкам ресурс работы установки возрастает с 5000 часов до 25000 часов.

Высокопроизводительный теплогенератор на базе ВСУ ТА-6А позволяет получать большие массы горячего воздуха не содержащего продуктов сгорания, для использования в строительстве сооружений, обогрева больших помещений, осушки внутренних полостей трубопроводов и вытеснения воды из них после гидроиспытаний

Теплопроизводительность установки составляет 1,7 МДж при расходе воздуха 1,2 кг/с

В шестой главе исследована установка на базе модулей авиационных ГТД для нейтрализации токсичных отходов нефтехимического производства

Изучены химический состав и теплофизические свойства хлорсодержащих отходов двух производств САО «Каустик» и АО «Химпром» Получены

необходимые для проектирования установки удельные значения стехеометрического о коэффициента и теплотворной способности при сжигании отходов (Ьо-5,5, Ни-17,73 МДж/м)

Изучены условия огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов химических производств Установлено, что образование диоксинов -термокинетический процесс, требующий для своего завершения определенного промежутка времени. Так, при температуре 1400 °С требуется выдержка в течение 0,01 с для необратимого разложения диоксинов (рис 6)

Разработаны теоретические посылки создания многозонной, многотопливной установки нейтрализации токсичных отходов, позволяющие создать новую технологию обезвреживания токсичных отходов химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности. Сгорание заканчивается в высокотемпературной зоне без контакта с холодными газами, тем более с холодной конструкцией.

Рис 6 Схема установки 1-вспомогательный ГТД ТА-6А, 2-система питания ТА-6А, 3-система управления ТА-6А; 4-подача воздуха в систему охлаждения камеры, 5-система подачи отходов, 6-система подогрева отходов; 7-система питания форсажной камеры; 8-система управления форсажной камерой, 9 корпус камеры охлаждение стенок камеры, - высокотемпературная защитная зона горения керосина (газа), высокотемпературная зона горения отходов

С использованием элементов серийных авиационных двигателей типа Р11Ф-300 и ТА-6А разработана, изготовлена и испытана установка для обезвреживания токсичных отходов. С применением аналога отходов получены экспериментальные данные, подтверждающие правильность принятых теоретических положений Предложенная трехзонная коаксиальная схема зоны горения обеспечивает подавление образования диоксина при нейтрализации отходов, содержащих хлорорганические соединения, так как в течение всего времени реакции контакт зоны сгорания отходов происходит с еще более высокотемпературной зоной инертных продуктов сгорания обычного топлива.

Основные результаты и выводы

1. На основе анализа конвертированных в наземные энергетические установки авиационных ГТД установлена необходимость и эффективность постановки проблемы экологии в двуедином ключе взаимного влияния окружающей среды на двигатель и двигателя на окружающую среду.

В аспекте взаимовлияния выполнены исследования по созданию эффективных не только в техническом, но и в экологическом плане установок:

• Генератора сжатого воздуха на базе авиационного двигателя.

Внедрение технологии очистки магистральных газопроводов сжатым воздухом, отбираемым от конвертированного авиационного двигателя, замена природного газа, используемого для этих целей, позволяет удешевить производство в 3 раза и в 6 раз снизить энергетическую - экологическую нагрузку на окружающую среду.

• Энергетической установки комбинированного производства электроэнергии и теплоты на базе конвертированного авиационного двигателя, заметно превосходящей по своим экологическим показателям (выбросу вредных веществ, шуму, водопотреблению и др.) существующие теплоэнергетические установки. При сложившемся соотношении энергопотребления на основе когенерационной энергоустановки возможно достичь экономии топлива до 40% и соответственно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.

2. Выполнен анализ воздействия экологических факторов на конвертированный двигатель в составе установок с целью снижения отрицательных эффектов:

• Исследовано поведение параметров двигателя в условиях активного эрозионного воздействия После длительной эксплуатации наступил помпаж компрессора при отключении отбора воздуха.

Критическому состоянию двигателя предшествовали снижение скольжения роторов на 7 % и повышение температуры газа на ~ 10 %.

• На основе измерений геометрических параметров лопаток компрессора с использованием аппаратно-программного комплекса «ОПТЭЛ» исследована физическая картина эрозионного макроизноса лопаток компрессора.

установлены закономерности эрозионного износа по высоте лопаток. Характер износа позволил предложить модель износа с учетом кривизны обтекаемой поверхности.

• Моделированием рабочего процесса очистки железнодорожных вагонов установлено перетекание горячего запыленного газа на вход в двигатель. Устранение перетекания позволило снизить режим работы двигателя с 92 до 89 %, снизив температуры горячей части и тем самым увеличив ресурс установки.

3. Исследования влияния энергетических установок на окружающую среду позволили разработать мероприятия по снижению вредного влияния:

• Предложена установка термокинетической очистки насосно-компрессорных труб от асфальто-смолопарафиновых отложений с использованием конвертированного авиационного двигателя М701.

ПДК выбросов загрязняющих веществ находятся в пределах нормативных показателей.

• Установлено, что энергетическая установка является источником вибраций и шума с широким спектром частот (63-8000 Гц), способных оказывать отрицательное влияние на человека, наземную и водную фауну.

Для двух типов установок (ГПА и ПАЭС) выполнен анализ спектра уровней звукового давления в сравнении с допустимыми уровнями характеристик затухания и выявлены условия, обеспечивающие выполнение экологических требований.

Исследованы и решены проблемы защиты окружающей среды от шума установки по очистке железнодорожных вагонов.

Разработан многокаскадный глушитель шума пластинчатого типа, позволяющий на основе результатов измерений звукового давления в октавных полосах спектра, настраивать его работу, обеспечивая снижение уровня шума до санитарных норм.

4. Изучены условия огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов химических производств. Установлено, что образование диоксинов -термокинетический процесс, требующий для своего завершения определенного промежутка времени. Так, при температуре 1400 °С требуется выдержка в течение 0,01 с для необратимого разложения диоксинов.

На основе этого разработана многозонная многотопливная установка нейтрализации токсичных отходов, позволяющая создать новую технологию обезвреживания токсичных отходов химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности.

Список основных работ по теме диссертации

1. Акмалетдинов Р.Г., Зарипов Ю.М., Зорин В.А. Модернизация установки для очистки железнодорожных вагонов с целью улучшения условий работы ТРД// Испытания авиационных двигателей: Межвузовск научн. сб., № 19, Уфа, 1995. - с. 122-125

3

4

5

6

7

8

9

Зорин В А , Акмалетдинов Р Г , Зарипов Ю М Снижение шума ТРД, излучаемого через воздухозаборную трубу установки для очистки железнодорожных вагонов// Испытания авиационных двигателей Межвузовский научн сб , № 19, Уфа, 1995 - с 116-122 Зорин В А, Акмалетдинов Р Г, Сидоренко А А Пластинчатый глушитель шума ТРД наземного применения// Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе Материалы Междунар научно-технич конф,Самара, 1997 -с 74-76 Сидоренко А А , Акмалетдинов Р Г К вопросу расчета колебаний гибких трубопроводных коммуникаций гидростатических опор системы виброзащиты// Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе Материалы Междунар научно-технич конф, Самара, 1997 - с 102-103

Акмалетдинов Р Г, Гумеров X С , Харитонов В Ф Использование модулей авиационных ГТД в установке нейтрализации токсичных отходов нефтехимического производства// Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе Материалы Междунар научно-технич конф , 4 2 Самара, 2001 -с 164-170 Зорин В А , Акмалетдинов Р Г , Сидоренко А А Шумоглушение ТРД наземного применения// Аэрокосмическая техника и высокие технологии Материалы Всерос Научно-техн конф, Пермь, 2001 -с 118-119

Зорин В А , Акмалетдинов Р Г, Сидоренко А А Глушитель шума ТРД стационарной энергетической установки// Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе Материалы Междунар научно-технич конф , Самара, 2001 -с 34-36 Акмалетдинов Р Г, Гумеров X С , Струговец С А Эффективность использования конвертированного авиационного газотурбинного двигателя в качестве генератора сжатого воздуха при строительстве и ремонте нефтегазопроводов// Энергосбережение Материалы III Российского энергетического форума Уфа, 2003 - с 10 Акмалетдинов Р Г, Гумеров X С Решение технических и экологических проблем с применением конвертированных авиационных ГТД //Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей Межвузовский научный сборник -Уфа УГАТУ, №20, 2004 с 147-151 Зорин В А, Акмалетдинов Р Г Охрана окружающей среды от шума газотурбинных установок с авиационными двигателями на магистральных газопроводах //Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей Межвузовский научный сборник

Уфа №20, 2004 1 с 20

Акмалетдинов Рафиль Газитдинович

КОНВЕРТИРОВАННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАК СРЕДСТВО РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Специальность 05 07 05 «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных

аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 14 апреля 2005 г Формат 60x84 1Д6 Бумага офсетная Печать плоская Гарнитура Times New Roman Усл печ л 1,0 Усл кр - отт 1,0 Уч. - изд л 0,9 Тираж 100 экз Заказ № 143

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университе i Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул К Маркса, 12

tâûï'tPST M

451

■' > M

1. Введение. Конвертирование авиационных ГТД в наземные энергетические установки. Конвертирование и экологические проблемы. Постановка задачи.

2. Экологические аспекты конвертирования авиационных ГТД.

2.1. Нормирование эмиссии вредных веществ

2.2. Защита от шума газотурбинных энергетических установок.

2.3. Воздействие запыленности на работу ГТД.

2.4. Возможность использования бензола как топлива для ГТУ. 44 ф Выводы.

3. Снижение вредного воздействия на окружающую среду при внедрении газотурбинных энергетических установок.

3.1. Термодинамические основы повышения экологических показателей при комбинированном производстве энергии.

3.2. Схема энергетической установки

3.3. Экологические показатели газотурбинной энергетической установки на базе конвертированного авиационного двигателя.

3.4. Охрана окружающей среды от шума газотурбинных установок с авиационными двигателями на магистральных газопроводах. 55 Выводы.

4. Газотурбинная установка как генератор сжатого воздуха для замены природного газа в технологии строительства и очистки газопроводов. 60 4.1. Техническо-экономическая и экологическая эффективность

ГСВ для нефтегазовой промышленности

4.1.1. Общая характеристика ГСВ

4.1.2. Определение оптимальных режимов отбора воздуха

4.1.3. Экспериментальная отработка установки

4.1.4. Основные параметры и характеристики ГСВ

4.1.5. Анализ запасов газодинамической устойчивости ГСВ

4.1.6. Температурное поле газа за турбиной

4.1.7. Анализ и разработка мероприятий по совершенствованию системы отбора воздуха

4.1.8. Анализ напряженнодеформированного состоя-ния соединения с гибкими рукавами для повышения надежности ГСВ

4.1.9. Экономические и экологические преимущества технологии очистки внутренней полости трубопроводов с использованием генератора сжатого газа на базе конвертированного авиационного ГТД

4.2. Работа ГСВ в запыленной атмосфере

4.2.1. Общие сведения о работе ГСВ при очистке трубопровода в условиях запыленной атмосферы

4.2.2. Анализ изменения параметров двигателя при длительной работе в запыленной атмосфере

4.2.3. Оценка влияния запыленности атмосферы на детали проточной части авиационного ГТД

Выводы. •

5. Теплогенераторные установки

5.1. Установка для устранения гололедных покрытий

5.1.1. Обоснование доработок и выбор режима тепловой машины на базе двигателя Р-95Ш

5.1.2. Выбор режима работы и программы регулирования с учетом экологических факторов.

5.2. Термическая очистка нефтепромысловых труб

5.2.1. Назначение и описание

Ф 5.2.2. Работа установки

5.2.3. Снижение концентрации выбросов

7. Характеристика источников загрязнения атмосферы.

8. Расчет выбросов загрязняющих веществ от газодинамической установки.

9. Расчеты приземных концентраций.

5.3. Снижение шума и пыльности установки для очистки железнодорожных вагонов

5.3.1. Модернизация установки с целью улучшения условий работы ТРД.

5.3.2. Снижение шума ТРД, излучаемого через

Ф воздухозаборную трубу установки.

5.4. Теплогенератор. 127 Основные результаты.

6. Использование модулей авиационных ГТД в установке нейтрализации токсичных отходов нефтехимического производства

Выводы.

Начиная с 70-х годов в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности значительную роль начинают играть газотурбинные установки (ГТУ), создаваемые на базе авиационных ГТД путем их конвертирования (от английского слова "conversion"- превращение, изменение, перестройка, переоборудование) [8,14, 34, 45, 49, 53, 56, 63, 64, 91].

Применение их в качестве наземных установок для народного хозяйства в ряде случаев позволяет получать принципиально новые технико-экономические решения и достигать результатов, которые не могут быть получены при использовании установок общепромышленного типа [5].

Энергетические установки, построенные на базе авиационных ГТД (АГТУ), находят применение в различных областях народного хозяйства как показано в таблице 1.1. в качестве:

- энергоприводов;

- генераторов сжатого воздуха в стационарных и мобильных установках лабораторного и промышленного типа;

- эксгаустеров, в пневмотранспорте и в других областях техники;

- струйных и струйно-тепловых машин, используемых для перемещения грунта, очистки поверхности от пыли, грязи, льда и снега, диспергирования воды, вентиляции и т.п.;

- тепловых машин, применяемых для обогрева и сушки различных объектов;

- парогазогенераторов в пожаротушении и т.д.

Из анализа следует, что наиболее важной областью использования наземных энергетических установок является применение их в качестве источника механической энергии, то есть в качестве энергопривода.

4b * •

Области применения конвертированных авиадвигателей. Таблица 1.1.

ГАЗОСТРУЙ11ЫЕ МАШИНЫ И УСТАНОВКИ I ЕНЕРАТОРЫ НАГРЕТОГО ПОТОКА (ТРУБОПРОВОДНАЯ ПОДАЧА НОСИТЕЛЯ) ПЕРЕДВИЖНЫЕ КОМПРЕССОРНЫЕ УСТАНОВКИ

Очистка от льда, снега и мусора поверхности наземных покрытий, путей, сооружений и других объектов. Создание направленных газовоздушных струй Сушильные установки Установки для нейтрализации агрессивных сред. Испытание авиадвигателей с имитацией аэродинамического нагрева Очистка, продувка строящихся магистральных тру бопроводов и вытеснение жидкости из полости трубопроводов

Аэродромные тепловые, ветровые и облувоч- ные машины Железнодорожные снегоочистители Очистка от снега, льда и мусора оснований под отсыпку качественных насыпей Очистка от снега и гололе-да поверхности сиении-альных сооружений Очистка открытого подвижною состава от остатков 'РУза. Опаивание и удаление смерзшихся фракций со скальной поверхности Обогрев автомашин при безгаражном хранении Проветривание карьеров и орошение забоев рудника Тушение пожаров газо-нефтяных фонтанов, шахт Рассеивание туманов над аэродромами Создание вертикальных струй для стимулирования роста кучевых облаков Зашита теплолюбивых насаждений ог кратковременных заморозков Сушка зерна

ВК-1. АИ-20. Д-20П. ТГ-16. АИ-25. Д-30. РПФ-300 M70I ВК-1. АИ-20. Д-20Г1. РД-ЗМ АИ-20 АИ-20, М-701 ВК-1, АИ-20. РД-ЗМ, Д-20Г1, Р11Ф-300 Д-20П ВК-1. РД-ЗМ ВК-1. РД-ЗМ РД-ЗМ-500. Д-20Г1 АИ-20 НК-12 ВК-1 Д-2011 PI1Ф-300 АИ-8 Д-20П РД-ЗМ ВК-1 ВК-1 Д-25В АИ-20 Д-25В, АИ-8 ВК-1, РД-ЗМ, Д-20П Р13-300 Р25-300 РД-ЗМ + РПФ-300. АИ-20 + АШ-62ИР АИ-20 + АЩ-82В, Р-951Н, АЛ-21

ВОЗДУХОДУВКИ ЭКСГАУСТЕРЫ СИЛОВЫЕ ПРИВОДЫ

Отбор воздуха за компрессором TP Д. ТРД с разрежение на входе Турбо-эксгаустер на базе ТРД Газо-ту рбо-ходы на подвод-ных крыльях Буровые установки Насосные станции Газоперекачивающие станции ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Учебно-лабораторные стенды Аэрозольные установки Теплогенсраторные установки

Испытания авиационных ГТД с наддувом АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТРУБЫ И УСТАНОВКИ 11ередвиж-ные Стационарные

РД-ЗМ ВК-1. РД-ЗМ ВК-1. РД-ЗМ. Р295-300 АИ-20 АИ-23 АИ-23 НК-12. АИ-20. НК-8. ПК-25. АЛ-31Ф. 1IC-90A АИ-20. АИ-24. Д-136. ТВ 7-П7 РД-ЗМ. Р29-300. ПК-25. P9511J. Д-30. НС-90А. АЛ-31Ф ТС-12. ТС-19, ТА-6А ВК-1. ТА-6А. С300М + ЯМ3238 ВК-1, АИ-24. РПФ-300. ТА-6А

Таблица составлена на базе источников, приведенных в списке литературы.

АГТУ применяются в наземном, речном и морском транспорте, при производстве электроэнергии, для привода технологического оборудования самого различного назначения, при разведке, добыче, транспортировке и переработке нефти и газа. Особенно широкое применение АГТУ находят в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности. На компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов России нашли широкое применение АГТУ отечественного производства. За рубежом газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с газотурбинным приводом нагнетателей природного газа составляют более 3/4 от общей установленной мощности ГПА магистральных газопроводов. При этом наряду с использованием ГТУ промышленного типа большое распространение получили ГТУ авиационного типа.

Преимущества применения АГТУ определяют следующие факторы:

- высокий уровень транспортабельности АГТУ, обусловленный их малой массой и габаритами, особенно при блочно-контейнерном построении ГПА (экономия в весе по сравнению со стационарными ГТУ составляет 3.5 раз при мощности до 2,5 МВт и 2.4 раза при мощности порядка 10 МВт);

- значительно меньший срок ввода ГПА в эксплуатацию, обеспечивающий ускоренное освоение промыслов;

- возможность полного монтажа ГПА на заводе-изготовителе и проведения отладочных испытаний в заводских условиях.

АГТУ второго поколения по сравнению с АГТУ первого поколения имеют более высокий КПД rje=0.35.0.38 (вместо rje=0.21.0.30), что обусловлено повышением основных параметров рабочего процесса: степени повышения давления в компрессоре до я'к = 20 и более и температуры газа в камере сгорания Тг=1000 "Си более.

Энергетические установки, созданные на базе конвертированных авиационных ГТД, наследуют высокие технологии, использованные при их создании. Однако приоритетные функции цели при создании авиационных ГТД зачастую входят в противоречие с показателями экономичности.

Именно две задачи конвертирования авиационных ГТД в энергетические установки становятся важнейшими для обеспечения их конкурентоспособности в сравнении со стационарными ГТУ: повышение топливной экономичности и ресурса до величин, характерных для энергетики.

Вопросы применения ГТУ с авиаприводом становятся всё актуальней для народного хозяйства. Существуют две области промышленности, где ГТУ применяются особенно широко: транспортировка природного газа и энергетика.

В последние годы существенно расширились предложения со стороны оборонных предприятий разработчиков наземных ГТУ: ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» (г. Самара), ГП НПКГ «Заря-Машпроект" (г. Николаев, Украина), ОАО "Авиадвигатель" (г. Пермь), ФГУП «НПП «Мотор» (г. Уфа), ОАО НПО «Сатурн» и др.

Показатели тепловой экономичности рассматриваемых ГТУ можно считать удовлетворительными: при использовании двигателей ранних поколений КПД по выработке электроэнергии составляет около 30% и с более поздними ГТД - 3538%. По сравнению с этим средний КПД по выработке электроэнергии в целом по РАО ЕЭС в последние годы составляет около 38% . Если учесть, что ГТУ очень хорошо вписывается в ГТУ-ТЭЦ для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, то при установке этих ГТУ на ТЭЦ коэффициенты использования тепла топлива могут достигать 80-90% [24, 34, 43, 71].

Для разработки и выпуска оригинальных отечественных энергетических ГТУ большой мощности также целесообразно использование авиационной технологии. Опыт, знания и культура производства, сконцентрированные в авиадвигателестроении, дополненные пониманием условий работы, технических и экономических требований к энергетическому оборудованию и опытом изготовления крупных турбин, имеющимися у энергомашиностроителей, создают основу для успеха кооперации авиамоторостроительных и энергомашиностроительных фирм.

Например, блочно-модульная энергетическая установка (ЭГТУ) НК-900Э, спроектированная на базе авиационного двигателя НК-37, имеет номинальную электрическую мощность 25 МВт, тепловую мощность 46 МВт и эффективный

КПД 36,4 % [43].

Однако энергетики РФ предпочитают иметь ГТУ большей мощности, например равной 95-100 МВт и с КПД 52.54 %.

В настоящее время ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» предлагает следующие энергоустановки мощностью ~95 МВт: комбинированную НК-22ВЭ; парогазовую установку, состоящую из двух ГТУ НК-37, котлов-утилизаторов (КУ) и паровой турбины (ПТ) [67].

В сочетании с паротурбинной приставкой мощность установки НК-22ВЭ возрастает с 54 МВт до 95 МВт, а КПД возрастает с 38 % до 54,5 %.

Энергоустановка (2НК-37+2КУ+1ПТ) обеспечивает мощность 66 МВт при КПД 48,6 %.

Энергетическая установка AJI-31CT разработана НПО «Сатурн» для газоперекачивающего агрегата мощностью 16 МВт.

Разработанный ГП НПКГ «Заря-Машпроект" газотурбинный двигатель ГТД-110 мощностью 110 МВт предназначен для использования в составе парогазовых энергетических установок (ПТУ). По своим параметрам установка не уступает современным зарубежным энергоустановкам. Разработка ведется совместно с ОАО «НПО Сатурн».

На базе газогенератора авиационного двигателя ПС-90А ОАО «Авиадвигатель» совместно с ОАО JIM3 приступили к созданию современной энергетической газотурбинной установки ГТЭ-180.

Одним из наиболее важных аспектов при создании этой установки является обеспечение ресурса 100000 ч.

Впрыск пара в камеру сгорания существенно увеличивает удельную (на единицу расхода воздуха на входе в компрессор) мощность турбины; использование пара для охлаждения лопаток позволяет повысить уровень температуры рабочего тела; ввод пара в зону горения способствует снижению эмиссии окислов азота [86].

Высокие надежность и экономичность ГТУ достигнуты в результате совершенного конструирования и расчетов на основе последних научных достижений в области аэродинамики, тепломассообмена, горения, механики и конструкционной прочности, металловедения, металлургии и формообразования.

Рабочая среда наземных ГТУ загрязнена в большей степени, чем авиационных ГТД. Например, на электростанциях с турбинами ГТ-100 не было случая замены лопаток из-за исчерпания ресурса длительной прочности. Это приходилось делать из-за износа или повреждения поверхности твердыми частицами, содержащимися в воздухе или в топливе. Иные условия работы потребовали корректировки состава авиационных сплавов для увеличения износостойкости, сопротивления коррозии.

Наиболее предпочтительной выглядит простая схема утилизационнойГТУ, позволяющей теплом выхлопных газов нагревать воду (либо превращать ее в пар), например для отопления жилых массивов или использования для промышленных нужд. Данная схема имеет достаточно высокий коэффициент использования топлива - до 80%. Также рассматривается схема ГТУ с регенерацией тепла выхлопных газов путем подогрева ими воздуха, поступающего из компрессора в камеру сгорания [34].

Развитие ГТУ привело к существенному повышению экономичности парогазовых установок. При работе на природном газе их КПД достигли уже 55%, а эксплуатационные показатели не уступают, и даже превосходят показатели привычных для энергетики паровых энергоблоков. Преимуществами ПГУ, кроме высокой экономичности, являются умеренная удельная стоимость, слабое воздействие на окружающую среду, возможность сооружения за короткое время.

Оснащение авиационного газотурбинного привода камерой дожигания с умеренной степенью подогрева перед СТ позволяет решить проблему использования высокоэффективных авиационных приводов в составе ПГУ, при этом степень форсирования мощности и достигаемый уровень КПД установки лимитируется не столько параметрами цикла двигателя, сколько реальными ограничениями, налагаемыми узлами парового контура и ресурсом силовой турбины [67].

Газотурбинные ТЭЦ могут быть экономически эффективны, а их применение позволит существенно уменьшить мощность, при которой целесообразно комбинированное производство электроэнергии и тепла. Такие ТЭЦ могут успешно заменить котельные во многих небольших городах, прежде всего, в европейской части России.

Результаты исследований [48] по выбору рациональной структуры мощностей электростанций России, свидетельствуют о возможности и целесообразности ввода к 2010 году газотурбинных и парогазовых электростанций общей мощностью 60-65 млн. кВт при оптимистическом и 45-50 млн. кВт при вероятном уровне электропотребления. При этом обеспечиваются существенное снижение приведенных затрат на развитие ЕЭС России, сокращение выбросов в атмосферу, а также интегральная экономия топлива.

Наибольшая эффективность характерна для крупных бинарных ПГУ-ТЭЦ и мелких (15-20 МВт) ГТУ-ТЭЦ с водогрейными или паровыми котлами, а также для крупных бинарных ПГУ с конденсационной паровой частью.

При конвертировании по мере поступления в энергетику авиадвигателей с более напряженными параметрами цикла возникает необходимость усложнения конструкции, чтобы в течение ресурса сохранять их высокие исходные параметры при наземной эксплуатации. Это вызывает ужесточение требований к системам очистки воздуха и подготовки топливного газа. Возникает необходимость введения теплообменника в систему охлаждения турбины двигателя, а также дополнительных узлов и систем, например, системы промывки проточной части газогенератора.

Характерной особенностью газа как топлива, является то, что он уже находится в газообразном состоянии и, следовательно, не требует предварительного распыла и испарения.

При работе на природном газе снижается температура стенок жаровой трубы и неравномерность температурного поля. Кроме прочего резко снижаются вредные выбросы.

Охрана окружающей среды при эксплуатации различных энергетических установок в связи с актуальностью проблемы входит в учебные программы ВУЗов

35]. Для решения проблем защиты каждая установка должна иметь экологический паспорт.

В [35] даются правовые основы охраны природы. Нормирование вредных веществ в атмосферном воздухе и в воде водоемов производится на основе предельных допустимых концентраций наиболее распространенных в авиационной промышленности и транспорте вредных веществ в атмосферном воздухе и в воде водоемов санитарно-бытового использования.

Для повышения эффективности борьбы с загрязнением атмосферного воздуха регламентируется общее количество выбросов в атмосферу на основе ограничений предельно допустимых выбросов вредных веществ. Предельно допустимый выброс устанавливается из условия, чтобы содержание загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от источника не превышало нормативов качества воздуха.

Нормируемыми параметрами шума, создаваемого на территории жилой застройки при взлете, посадке и пролете самолетов, являются максимальные уровни звука ЬЛ в дБА. В дневное время величина ЬЛ составляет 85 дБА, а в ночное - 75 дБА.

Запыленность воздуха влияет на работу ГТД не только из-за пылевых отложений на деталях двигателя, но и из-за абразивного износа рабочих элементов проточной части ГТД. На характер абразивного износа кроме химико-физической природы пыли оказывает влияние концентрация пыли в общем объеме поступающего воздуха и дисперсный состав пыли.

В зависимости от места расположения воздухозаборника, метеорологических условий, состояния грунта запыленность воздуха может изменяться в довольно широких пределах от 0,5 до 3 г/м3, что оказывает различное влияние на характеристики двигателя и его ресурс.

Так более половины всех перевозимых в настоящее время железнодорожным транспортом грузов находится в сыпучем состоянии и в виде кусков. Перевозка осуществляется в вагонах открытого типа. При использовании существующих способов разгрузки часть груза в особенности, зимой остается в вагонах.

Например, при разгрузке полувагонов в подземные приемные бункеры остатки грузов составляют при опрокидывании вагонов - около 0.5 т, при черпании сверху - от 1 до 8 т.

На большинстве предприятий очистка вагонов производится вручную, на что идет более 60% трудовых затрат и 55% простоя вагонов под выгрузку, а применяемые устройства (накладные вибраторы, гидро- и пневмоустановки, щеточные механизмы) не обеспечивают качественную очистку вагонов.

Анализ известных в настоящее время способов очистки показал, что при очистке вагонов открытого типа от слежавшихся и смерзшихся остатков перевозимых грузов наиболее эффективным является газодинамический. В этом случае в установке используются, как правило, отслужившие свой летный ресурс авиационные газотурбинные двигатели типа, AH-2Q, Д-20П, ВК-1, РД-ЗМ, Р11Ф-300 как наиболее компактные, обладающие высокой энерговооруженностью на единицу массы, простотой в обслуживании и стабильностью в работе. Такие преимущества по сравнению с другими механизмами и устройствами позволяют обеспечить высокое качество и полноту очистки как в летних, так и зимних условиях (в случае смерзшихся грузов), высокую производительность (до 300 вагонов в час в зимних условиях и до 500 - в летних условиях) [3]. Опыт эксплуатации ТРД на железных дорогах показал, что с их помощью возможно механизировать трудоемкие операции и обеспечить необходимое качество очистки при одновременном снижении эксплуатационных расходов и простоя вагонов.

Эксплуатация авиационного ГТД в составе наземных энергоустановок происходит, как правило, в более загрязненных, в отличие от полетных, условиях атмосферы.

При работе двигателя в условиях сильной запыленности атмосферы поступающая пыль оказывает эрозионное воздействие на лопатки компрессора и турбин, а также может осаждаться в виде твердого осадка на деталях горячей части двигателя.

Характер влияния запыленного воздуха на работу двигателя зависит от физико-химической природы пыли, ее дисперсного состава и концентрации пыли в общем объеме воздуха, засасываемого компрессором двигателя.

Пыль в размягченном виде может также откладываться на лопатках компрессора, изменяя геометрию лопатки и ее шероховатость, что приводит к уменьшению КПД и соответственно снижению степени повышения давления и производительности компрессора. Максимальное количество отложений образуется на входном направляющем аппарате и первых ступенях компрессора.

При таком уровне отложений в воздушном тракте компрессора КПД компрессора снижается от 2 % по одним данным до 3-5 % - по другим, степень повышения давления на 5-7 %, а мощность на 10-17 %.

Использование технологии промывки на работающем компрессоре приводит к восстановлению мощности до 4% от текущего значения, а полная промывка на неработающем компрессоре - к полному восстановлению мощности.

Отложения пыли на деталях двигателя и их абразивный износ при воздействии твердых частиц пыли могут привести как к параметрическим отказам, так и к преждевременным разрушениям деталей двигателя.

Вследствие абразивного износа деталей газовоздушного тракта ухудшаются газодинамические характеристики проточной части двигателя, и как результат этого дополнительно уменьшается КПД компрессора, степень повышения давления и снижается мощность двигателя.

В начальной стадии абразивного износа КПД компрессора, степень повышения давления и соответственно мощность двигателя изменяются незначительно, затем из-за износа происходит существенное искажение профиля проточной части, в результате чего КПД компрессора, степень повышения давления и мощность резко уменьшаются. При этом 110-120 кг пыли, прошедшей через двигатель, уменьшает мощность двигателя на 18-22% [59].

Дальнейшее увеличение массы пыли, проходящей через двигатель, обусловливает значительный износ профильной части лопаток и соответственно увеличение профильных и концевых потерь. В результате этого развивается колебательный режим течения воздушного потока, переходящий в неустойчивый, помпажный режим работы компрессора.

Таким образом, из-за воздействия запыленного потока воздуха могут иметь место параметрические отказы, обусловливающие отклонение параметров двигателя от установленных нормированных значений. Кроме параметрических отказов воздействие запыленного потока может привести к изменению долговечности и разрушению деталей двигателя, подверженных абразивному износу.

Из рассмотренного следует, что при эксплуатации наземных установок с ГТД необходимо обеспечивать условия, исключающие попадание пыли в газовоздушный тракт двигателя. Наиболее просто это возможно осуществить путём применения воздухозаборников шахтного типа с забором воздуха на достаточно большой высоте от земли (3-5 м). Такой воздухозаборник одновременно может быть использован для установки систем шумоглушения. С этой целью во внутренней полости воздухозаборника устанавливаются пластины из пористых мягких материалов, заключенных в металлическую сетку. При расчете сечения воздухозаборника принимается скорость движения воздуха в воздухоподводящем канале, равная 5-7 м/с.

Для обеспечения высокой надежности ГТУ к воздухоочистительным устройствам предъявляются жесткие требования (по ГОСТ 21199-82), в частности, остаточная среднегодовая запыленность воздуха на входе в компрессор не должна превышать 0,3 мг/м', а для твердых частиц размером более 20 мкм-0,03 мг/м3.

В работе [83] изучается процесс эрозии - коррозии энергетического оборудования в двухфазном потоке, когда в рабочем теле, газе содержится жидкая фаза. Это характерно для работы наземных ЭУ: с впрыском пара в тракт, при работе тепловой машины для очистки аэродромов от гололёдных покрытий. Найдена закономерность влияния термодинамических параметров (температуры t0 и давления р0) двухфазного потока на интенсивность эрозии углеродистой стали и алюминиевого сплава (АМГ-2), легированных сталей и сплавов (12X18Н9Т). Установлена высокая эффективность применения технологии защиты с помощью ингибиторов для предупреждения эрозии-коррозии металла энергетического оборудования.

В обзорной работе [77] приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, касающихся характеристик турбомашин при наличии в рабочей среде твёрдых частиц.

Рассмотрены экспериментальные данные по влиянию твёрдых частиц на характеристики турбин и компрессоров.

Запылённость потока снижает мощность и КПД турбины, например, 3-х процентное содержание пыли снижает при непродолжительной работе КПД на расчётной частоте вращения турбины на 6 % (без учёта эрозии лопатки).

Абразивные частицы могут вызвать серьёзные эрозионные повреждения поверхностей лопаток компрессора. Эти повреждения проявляются в изъязвлении и срезании входных и выходных кромок лопаток и в увеличении общей шероховатости их поверхности.

В результате снижается полное давление. В зависимости от количества пыли, прошедшей через компрессор получено снижение КПД от 1,86 % до 2,89%. Предполагается, что потеря КПД происходит в результате эрозии входных кромок (особенно вблизи концов лопаток) и повышения концевых перетечек из-за интенсивной эрозии концов лопаток и корпуса.

Эрозионная стойкость различных материалов изучена при разных углах атак набегающего потока, разных скоростях потока, а также при разных температурах материала лопаток.

В связи с происшедшими авариями и отказами авиационных двигателей Роллс-Ройс RB 211 и Прат-Уитни, а также отказами промышленных газовых турбин, работающих в запыленной атмосфере проблема обеспечения надёжности и безопасности является чрезвычайно актуальной.

Помимо изучения физических явлений, необходимы работы по сепарации пыли, или, в общем виде, по защите от попадания пыли в двигатель, а также по повышению устойчивости конструкции к пылевой эрозии.

В работе [59] на основе анализа работы вертолётных двигателей установлены

19 качественные и количественные закономерности влияния эрозионного износа проточной . части компрессоров на показатели их работы, установлено уменьшение запаса ГДУ компрессора и смещение напорных характеристик в сторону меньших расходов воздуха. При оценке влияния изменения радиального зазора вследствие эрозионного износа на основе исследований принимается, что при увеличении относительного радиального зазора в осевом компрессоре на 1% КПД его снижается на 2%. Объёмная скорость эрозионного износа материала лопатки пропорциональна квадрату окружной скорости.

Интенсивность эрозии в многоступенчатом компрессоре увеличивается от первой ступени к последней, основные эрозионные повреждения профиля лопатки происходят со стороны корыта у передней кромки.

На основе экспериментальных исследований делается вывод, что двигатель в процессе эрозионного износа больше склонен к помпажу на низких частотах вращения.

В результате анализа работы стационарных энергетических установок выявлено, что важным фактором, влияющим на интенсивность эрозии, является размер пылевых частиц, так масса частиц пыли размером 40 мкм вызывает эрозию быстрее, чем такая же масса частиц размером 5 мкм, примерно в обратной пропорции. Эти данные позволяют установить требования к системе очистки воздуха на входе в двигатель, так как за счёт этого' ресурс двигателя может быть увеличен в десятки раз.

В работе [87] экспериментально исследовано образование солевых отложений на плоской решетке профилей. Полученные результаты позволяют выполнить оценку изменения геометрии проточной части двигателя расчетным путем в результате засоления.

Износ и загрязнения рабочих и направляющих лопаток компрессора и турбины, других элементов двигателя ведёт к уменьшению моторесурса, степени повышения давления в компрессоре, увеличиваются температура газа в турбине, растёт расход топлива.

Технология эксплуатации энергетической установки должна предусматривать необходимость периодической очистки (промывки) проточной части. Как показано в [59] снижение KIЩ компрессора низкого давления за 100 ч период работы составляет 2-3%, а у компрессора высокого давления снижение КПД существенно выше - на 6-7%. Фирма Турботек рекомендует для ГТУ ABB, Slemne, ЛМЗ очистку проточной части компрессора производить до 40 раз в год на работающем двигателе и раз в два месяца на неработающем.

Типичный эффект от влажной промывки на работающем и неработающем компрессоре номинальная мощность для данного агрегата

30 О

29 9 с-. р,;25 5

3500

4000

1000 1500 2000 2500 3000 Время эксплуатации, ч

Возврат потерь мощности влажная очистка на работающем компрессоре

MB влажная очистка на неработающем компрессоре ■■ предполагаемая деградация без очистки

Рис. 1.1. Типичный эффект от влажной промывки на работающем и неработающем компрессоре.

Износ концевых сечений лопаток компрессора приводит к искажению полей скоростей потока, что может служить причиной потери газодинамической устойчивости [90].

Непрерывно возрастающие требования по охране окружающей среды стимулируют интерес к вопросам защиты окружающей среды от загрязняющего воздействия газотурбинных двигателей [57, 68, 74].

Первая принципиально новая установка для очистки насосно-компрессорных труб (НКТ) с использованием ГТД, внедрена в 1992 г. на трубной базе ЦПРС НГДУ «Стрежевойнефть» ПО «Томскнефть» [12]. При испытании выполнены эксперименты для проверки и уточнения расчетов, а также для дальнейшего проведения конструктивных мероприятий усовершенствования разработки. Очередные установки были сданы в эксплуатацию в 1993 г. в г. Мегионе ПО «Мегионнефтегаз» и в 1995 г. в г. Нижневартовске АО «Черногорнефть». Все установки для очистки труб от асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) успешно эксплуатируются в настоящее время.

Использование предлагаемого способа очистки обеспечило качественную и производительную очистку труб, безопасность работы обслуживающего персонала, соблюдение условий охраны окружающей среды, экономию расхода топлива и др. Установка, работая по прямому назначению, обеспечивает эффективное удаление АСПО с наружной и внутренней поверхности труб. За одну обработку в зависимости от типоразмеров очищается 70-100 труб НКТ. Время очистки составляет в среднем 15 минут, но возможны отклонения в большую или меньшую сторону в зависимости от климатических условий и степени загрязненности труб. Новая разработка является базовой для создания принципиально новых технологий очистки труб НКТ на предприятиях по добыче нефти.

В настоящее время к загрязнениям среды принято относить все те факторы, которые оказывают вредное воздействие как на самого человека, так и на ценные для него организмы живой и объекты (ресурсы) неживой природы.

Со стороны газовых турбин наиболее значительными факторами воздействия на окружающую среду являются: тепловые выбросы, выбросы в атмосферу экологически вредных веществ и шум.

Поэтому в большинстве стран подогрев воды техногенными факторами в водоемах и водотоках сверх естественной температуры допускается летом не более чем на 3 К и зимой - 5 К. Кроме того, в ряде стран ограничивается и верхний предел температуры сбросной воды (301-306 К) [68].

Выбросы в атмосферу экологически вредных веществ сопровождаются как возрастанием потребления топлива и атмосферного кислорода, так и увеличением масштабов загрязнения атмосферы выхлопными (дымовыми) газами. Газы эти представляют собой смесь продуктов сгорания с избыточным воздухом. До настоящего времени углекислый газ и водные пары не считались загрязнителями, но такое отношение к ним меняется, поскольку повышение их содержания в атмосфере способно повлиять на ее температуру и, следовательно, изменить климатические условия. Что же касается других компонентов продуктов сгорания, то они либо обусловливают дымление,, либо являются токсичными. Наряду с ухудшением видимости взвешенные дымовые частицы продуктов сгорания представляют серьезную угрозу для здоровья человека.

В связи с изложенным, действующими санитарно-гигиеническими нормами установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) взвешенных (пылевых) частиц в атмосферном воздухе, как максимально разовые (ПДКмр), так и среднесуточные (ПДКес).

Важнейшим событием последнего времени в области защиты окружающей среды является принятие Россией «Киотского протокола к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата» [42].

Стороны, вошедшие в Конференцию Сторон, «при выполнении своих определенных количественных обязательств по ограничению и сокращению выбросов . в целях поощрения устойчивого развития осуществляют . меры, как:

• повышение эффективности использования энергии в соответствующих секторах национальной экономики;

• проведение исследовательских работ, содействие внедрению, разработка и более широкое использование новых и возобновляемых видов энергии, технологий поглощения диоксида углерода и инновационных экологически безопасных технологий;

• ограничение и/или сокращение выбросов метана . при производстве,

23 транспортировке и распределении энергии». Согласно протокола в понятие парникового газа входит:

• диоксид углерода (СО2);

• метан (СН4);

• закись озота (N20);

• гидрофтор углероды (ГФУ);

• перфторуглероды (ПФУ);

• гексофторид серы (SF6)/

В категорию источников парниковых газов входит энергетика (сжигание топлива, энергетическая промышленность .), утечки при добыче и транспортировке топлива, в том числе нефти и природного газа, другие секторы.

На основе выполненного обзора источников по интересующей проблеме обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель работы, решаемые задачи. Формулируются научная новизна в работе и ее практическая ценность.

Цель работы.

Целью работы является решение экологических проблем посредством применения конвертированных в наземные энергетические установки авиационных ГТД, выявление и уменьшение отрицательного взаимного влияния конвертированного авиационного газотурбинного двигателя и окружающей среды.

Задачи работы.

Для достижения данной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

- анализ направлений конверсии в авиадвигателестроении для повышения технико-экономической эффективности и экологичности отдельных отраслей экономики, разработка путей их улучшения;

- анализ отрицательных факторов влияния окружающей среды на техникоэкономические и экологические показатели конвертируемого двигателя,

24 разработка методов их снижения;

- анализ отрицательного влияния энергетических установок на базе конвертированных авиационных двигателей на окружающую среду, разработка средств и методов снижения вредного воздействия энергоустановок на окружающую среду;

- разработка методов уничтожения вредных отходов нефтехимических производств с применением авиадвигателей;

- повышение надежности энергетических установок с учетом решения экологических проблем.

Практическая ценность.

Практическая ценность работы заключается в доведении результатов исследований до инженерной постановки требований к создаваемым технологическим установкам, разработке ■ теоретических моделей, конструктивных решений, методов испытаний и исследований, в анализе результатов экспериментальных испытаний и опытно-промышленной эксплуатации созданных образцов техники.

Применение разработанных на базе конвертированных авиационных ГТД энергоустановок позволяет на практике уменьшить вредное воздействие на окружающую среду различных техногенных факторов.

Конвертирование авиационных ГТД в наземные, установки сопряжено с решением ряда экологических проблем:

• Уменьшается потребление топлива до 40% при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии, соответственно снижаются уровень теплового загрязнения и выбросы вредных веществ в окружающую среду. Использование в качестве топлива природного газа и новых принципов организации горения также снижают выбросы вредных веществ;

• Исключаются выбросы в атмосферу природного газа за счет использования вместо него сжатого воздуха при выполнении работ по очистке и продувке магистральных газопроводов с помощью генератора сжатого воздуха (ГСВ). В этой установке двигатель одновременно является объектом воздействия окружающей среды, в связи с чем установлены закономерности изменения параметров и геометрических размеров элементов газовоздушного тракта при работе двигателя в условиях повышенной запыленности воздуха;

• Исключается использование химикатов при очистке аэродромных покрытий и путей и авиационной техники от атмосферных осадков за счет термокинетического воздействия струйно-тепловой машины на базе авиационного ГТД;

• Уменьшается водопотребление и исключается применение химических моющих средств при очистке нефтепромысловых труб от отложений с использованием газопаровой смеси, уменьшаются выбросы вредных веществ до уровня, ниже предельно допустимого, с помощью авиационного ГТД, за счет термокинетического воздействия в сочетании с впрыском водяного пара;

• В теплогенераторе производится чистый подогретый воздух в отличие от существующих теплогенераторов, подающих подогретый в смеси с продуктами сгорания топлива;

• Снижается уровень шума наземной газотурбинной установки за счет настройки пластинчато-щелевого глушителя под конкретный спектр шума. Устраняется попадание содержащих пыль горячих газов на вход в двигатель при работе установки по очистке железнодорожных вагонов. Моделированием рабочего процесса установлено попадание горячего запыленного воздуха на вход двигателя. Предложенные мероприятия позволили поднять надежность работы установки;

• Производится термическое обезвреживание токсичных отходов нефтехимического производства в камере сгорания установки с коаксиально организованным процессом горения.

Результаты работы использовались при выполнении работ по конвертированию авиационных ГТД в ФГУП «НПП «Мотор», внедрены в АО «ММК», ОАО «Гайский ГОК», ООО «ВарьеганСервис» в виде газотурбинных установок, переданных для дальнейшей эксплуатации в производстве.

Внедрение конвертированных авиационных ГТД в энергоустановки определяется:

- Необходимостью повышения технического уровня и эффективности энергопроизводства, строительства, транспорта и других отраслей хозяйства;

- Необходимостью сохранения и поддержания высоких технологий авиадвигателестроения за счет расширения сфер применения этих технологий;

- Необходимостью решения экологических проблем на фоне растущего техногенного воздействия на окружающую среду.

Непрерывно возрастающие требования по охране окружающей среды стимулируют интерес к вопросам как по защите окружающей среды от загрязняющего воздействия газотурбинных двигателей, так и от вредного воздействия факторов окружающей среды на сам двигатель.

Конвертирование авиационных ГТД в наземные энгергетические установки стало важной частью современного этапа развития теории и практики авиадвигателестроения, выдвинув в число важнейших цель охраны окружающей среды.

Научная новизна работы состоит

- в постановке и решении задачи тесной увязки технико-экономических задач конвертирования авиадвигателей с проблемами экологии в двуедином ключе взаимного влияния окружающей среды на двигатель и двигателя на окружающую среду.

- в формулировке и разработке новых оригинальных решений научно-технических проблем при создании ряда конвертированных газотурбинных установок на базе авиационных двигателей:

- замена природного газа сжатым воздухом при строительстве и ремонте магистральных нефтегазопроводов;

- снижение экологической нагрузки в когенерационных энергоустановках, снижение шума, пыли и вредных газообразных выбросов энергоустановок различного назначения;

- уменьшение выхода вредных веществ в технологии очистки нефтепромысловых труб;

- огневое обезвреживание отходов нефтехимических производств.

- в исследовании физической картины эрозионного макроизноса лопаток компрессора и турбины конвертированного авиационного ГТД. Результаты различных этапов работы, положенные в основу диссертации, получены автором в процессе работы старшим научным сотрудником в лаборатории турбокомпрессорных агрегатов на базе авиационных двигателей УАИ руководимой Шайхутдиновым З.Г., заведующим лабораторией наземных энергетических установок ВНИИСТ, ведущим инженер-конструктором НПП «Мотор».

Автор выражает благодарность сотрудникам названных коллективов и, в особенности, Магафурову Ш.М., Хамитову Р.З., Струговцу С.А., Дьяконову B.C. и Лазунову А.В.

Основные результаты и выводы

1.Ha основе анализа конвертированных в наземные энергетические установки авиационных ГТД установлена специфика взаимного воздействия экологических факторов и энергетических установок.

В аспекте взаимовлияния выполнены исследования: Генератора сжатого воздуха на базе авиационного двигателя.

Внедрение технологии очистки магистральных газопроводов сжатым воздухом, отбираемым от конвертированного авиационного двигателя, замена природного газа, используемого для этих целей, позволяют удешевить производство в 3 раза и в 6 раз снизить энергетическую - экологическую нагрузку на окружающую среду.

Установки тепловой обработки с использованием конвертированного авиационного двигателя М 701.

С использование системы DVIG проведено математическое моделирование установки с впрыском пара в реактивное сопло.

Выполнен детальный анализ характеристик загрязнения атмосферы, выбросов загрязняющих веществ, их приземных концентраций. ПДК находятся в пределах нормативных показателей. 1 Энергетической установки комбинированного производства электроэнергии и теплоты на базе конвертированного авиационного двигателя, заметно превосходящей по своим экологическим показателям (выбросу вредных веществ, шуму, водопотреблению и др.) существующие теплоэнергетические установки. При сложившемся соотношении энергопотребления на основе когенерационной энергоустановки возможно достичь экономии топлива до 40% и соответственно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.

2. Выполнен анализ воздействия экологических факторов на конвертированный двигатель в составе установок с целью снижения отрицательных эффектов:

Исследовано поведение параметров двигателя в условиях активного эрозионного воздействия. После длительной эксплуатации наступил помпаж компрессора при отключении отбора воздуха.

Критическому состоянию двигателя предшествовали снижение скольжения роторов на 7 % и повышение температуры газа на ~ 10 %.

Измерениями геометрических параметров поврежденных лопаток компрессора с использование аппаратно-программного комплекса «ОПТЭЛ», установлены закономерности эрозионного износа на спинке, корыте и по высоте лопаток. Характер износа позволил предложить модель износа с учетом кривизны профиля.

Моделированием рабочего процесса очистки железнодорожных вагонов установлено перетекание горячего запыленного газа на вход в двигатель. Устранение перетекания позволило снизить режим работы двигателя с 92 до 89 %, снизив температуры горячей части и увеличив ресурс установки.

3. Исследования отрицательного влияния энергетических установок на окружающую среду позволили разработать мероприятия по его снижению: На основе изученных закономерностей влияния впрыска пара на экологические характеристики предложена установка термокинетической очистки насосно-компрессорных труб от асфальто-смолопарафиновых отложений с использованием конвертированного авиационного двигателя М701;

ПДК выбросов загрязняющих веществ находятся в пределах нормативных показателей;

Широкое внедрение когенерационных энергетических установок позволяет снизить потребление органического топлива до 40 %, тем самым снизив соответственно нагрузку на окружающую среду;

Энергетическая установка является источником вибраций и шума с широким спектром частот (63-8000 Гц), способных оказывать отрицательное влияние на человека, наземную и водную фауну.

Для двух типов установок (ГПА и ПАЭС) выполнен анализ спектра уровней звукового давления в сравнении с допустимыми уровнями характеристик затухания и выявлены условия, обеспечивающие выполнение экологических требований.

• Исследованы и решены проблемы защиты окружающей среды от шума установки по очистке железнодорожных вагонов.

Разработан многокаскадный глушитель шума пластинчатого типа, позволяющий на основе результатов измерений звукового давления в октавных полосах спектра, настраивать его работу, обеспечивая снижение уровня шума до санитарных норм.

• Экологическая проблема пыли решена как в плане защиты собственно двигателя от попадания пыли в тракт и снижения надежности работы двигателя, так и в плане защиты от пыли окружающей среды.

4. Изучены условия огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов химических производств. Установлено, что образование диоксинов термокинетический процесс, требующий для своего завершения определенного промежутка времени. Так, при температуре 1400 °С требуется выдержка в течение 0,01 с для необратимого разложения диоксинов.

На основе этого разработана многозонная многотопливная установка нейтрализации токсичных отходов, позволяющая создать новую технологию обезвреживания токсичных отходов химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности.

1. Акмалетдинов Р.Г., Зарипов Ю.М., Зорин В.А. Модернизация установки для очистки железнодорожных вагонов с целью улучшения условий работы ТРД. Межвузовск. научн. сб. «Испытания авиационных двигателей», № 19, Уфа, 1995.-е. 122-125.

2. Антонов О.Н., Сидоренко А.А., Лаптиева Е.Я., Акмалетдинов Р.Г., Гареев Р.Н. Снижение уровня воздействия виброгенераторов на фундаменты и окружающий персонал. Отчет № Б 385055, УАИ, Уфа, 1974. Сб. НИР 10,11,1975.-120 с.

3. Арьков Ю.Г., Шайхутдинов З.Г. Конвертирование авиационных ГТД для использования в наземных энергетических установках: Учебн. пособ. Уфа: изд. УАИ, 1986.- 82 с.

4. Ахмедзянов A.M., Сираев Э.З., Харитонов В.Ф. и др. Газогенераторная установка на базе авиационных двигателей для нейтрализации промышленных отходов //Испытания авиационных двигателей, Вып. 19// Уфим. авиац. ин-т. Уфа, 1993,-с. 111-115.

5. Ахмедзянов A.M., Харитонов В.Ф., Сираев Э.З., Гумеров Х.С., Ивах А.Ф. Создание на базе форсажной камеры ВРД установки для сжигания жидких промышленных отходов, содержащих токсичные вещества. Изв. ВУЗов. Авиационная техника, № 1. 1995.-е. 101-106.

6. Бикчантаев М.М. Проблема очистки труб и пути ее решения. /Нефтяник, № 2. 1999. с. 50-51.

7. Высотно-скоростные характеристики двигателя Р13-300 (Термодинамический расчет). 95Рс-365. и/я А-3803, 1970. 81 с.

8. Газоструйная машина. Доброхотов А.Н., Маркин В.А., Падерин JI.A., Казаков В.Е. ГосНИИГА. А.с. № 1017761, СССР. Заявл. 15.02.82.

9. Газоструйная машина для очистка от льда аэродромных и подобных покрытий. Могутнов А.А., Маркин В.А., Печерский Г.Д. /ГосНИИ эксплуатации и ремонта Авиационной техники ГА/ Авт. свид. СССР, кл.

10. EOI H5/10), № 751893, заявл. 13.05.77, № 2485740, опубл. 30.07.80.

11. Газотурбинный привод AJ1-31CT. АО «Люлька-Сатурн», М., ОАО УМПО, г. Уфа.-2003.-8 с.

12. Галиуллин Рав.М., Галиуллин Риш. М., Бакиров Ж.М. и др. «Компьютерные лазерно-электронные комплексы измерения геометрии изделий сложной формы «ОПТЭЛ». Журнал «Авиационная техника. Известия вузов», №1, 1997. с. 100-106.

13. Герлах С. Вынужденные колебания металлических сильфонов при их обтекании //Труды Американского общества инженеров-механиков. Сер.Е. т. 91 - № 84. 1969. - с. 285-293.

14. Гишваров А.С., Тимашев С.А. Мониторинг по критериям экологической безопасности и надежности. Межвузовский научный сборник «Испытания авиационных двигателей», № 19, Уфа, 1995. с. 125-130.

15. Гнесин М.Р., Крюков А.И. Особенности работы гибких трубопроводов в условиях вибрации //Производственно-технический бюллетень. М: Дом техники, № 7, 1964. - с. 66-70.

16. Горюнов И.М., Кожинов Д.Г., Ахмедзянов Д.А., Кривошеев И.А., Иванова О.Н. Система термогазодинамического моделирования газртурбинных двигателей (DVIGw): св-во РОСПАТЕНТ об офиц. регистр, прогр. № 2004610624 от 4.03.2004;

17. Горюнов И.М. Система математического моделирования тепловых, энергетических и комбинированных установок (DVIGwT): св-во РОСПАТЕНТ об офиц. регистр, прогр. № 2004610623 от 4.03.2004;

18. ГОСТ 29328 92 Установки газотурбинные для привода турбогенераторов. М.: Изд-во стандартов, 1992. - 18 с.

19. Григорьян Ф.Е., Перцовский Е.Ф. Расчет и проектирование глушителей шума энергоустановок. Л.:Энергия. 1980. 120 с.

20. Егорычев В.А., Осокин Е.И., Хачикян Э.Д. Агрегаты технического обслуживания самолетов и вертолетов, /изд. «Транспорт», 1973. с. 1-20.

21. Ененков В.Г., Желтов П.М., Мельников Б.Н. и др. Защита окружающейсреды при авиатранспортных процессах. М.: Транспорт, 1984. - 198 с.

22. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справочник. Пер. с англ. /Под ред. Колверта С. и Шиглунда Г.М.: М.: Металлургия, 1988. -760 с.

23. Зорин В.А., Акмалетдинов Р.Г., Зарипов Ю.М. Снижение шума ТРД, излучаемого через воздухозаборную трубу установки для очистки железнодорожных вагонов. Межвузовский научн. сб. «Испытания авиационных двигателей», № 19, Уфа, 1995.-е. 116-122.

24. Зорин В.А., Акмалетдинов Р.Г. Охрана окружающей среды от шума газотурбинных установок с авиационными двигателями на магистральных газопроводах //Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей, вып. 20. Уфа, 2004. с. 207-212.

25. Зорин В.А., Акмалетдинов Р.Г., Сидоренко А.А. Пластинчатый глушитель шума ТРД наземного применения. Материалы Междунар. научно-технич. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе», Самара, 1997. с. 74-76.

26. Зорин В.А., Акмалетдинов Р.Г., Сидоренко А.А. Шумоглушение ТРД наземного применения. Тезисы доклада Всерос. Научно-техн. конфер. «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2001.» Пермь, 2001. — с. 118-119.

27. Изотов С.П., Шашкин В.В., Капралов В.М. и др.: Под общей ред. В.В Шашкина «Авиационные ГТД в наземных установках», J1.: Машиностроение, 1984. 228 с.

28. Инженерная экология и экологический менеджмент: Под ред. Иванова Н.И., Фадина И.М. М.: Логос, 2003. - 528 с.

29. Итбаев В.К., Сираев Э.З., Зиновьев В.А., Акмалетдинов Р.Г. Исследованиепоперечных колебаний компенсаторов. Тезисы доклада XXX научно-технич. конф. УАИ, 1980.-е. 71-74.

30. Ивах А.Ф., Гребенюк Г.П., Ишбулатов М.Н., Арефин В.И., Фокин Н.И., Особенности конвертирования форсированной по скорости камеры сгорания при работе на природном газе. Вестн. СГАУ № 2 (2); Самар. гос. аэрокосм, ун-т, Самара, 2002. с. 21-26.

31. Итбаев В.К., Сираев Э.З. Экспериментальное определение зависимостей декрементов колебаний сильфонов //Вибрационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов: Труды КуАИ. -Куйбышев, 1983. с. 57-60.

32. Киотский протокол к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата. Киото, 11 декабря 1997 года.

33. Комплексная механизация и автоматизация выгрузки сыпучих грузов. Труды Всесоюзного НИИ железнодорожного транспорта. — М.: Транспорт. Вып. 185, 1964.-с. 79.

34. Кузнецов Н.Д. Резник В.Е., Горелов Г.М., Орлов В.Н./ Проблемы повышения эффективности авиационных двигателей, конвертируемых в газотурбинные установки наземного применения /Изв. Вузов/ Авиационная техника, № 6, 1992. 11 с.

35. Магафуров Ш.М., Акмалетдинов Р.Г., Амирханов Р.Н., Зарипов Ю.М., Хамитов Р.З. Передвижная компрессорная установка ПКУ-3/4,0. Информац. листок № 29-28 РНТИК «Башинформ», Уфа. 1990. 2с.

36. Максимов Д.А. «Закономерности образования окислов азота при сжигании предварительно подготовленной смеси в камере сгорания наземных установок на базе авиационных ТРД». Дисс-я на соискание ученой степени к.т.н. Уфа, УГАТУ, 1998. 179 с.

37. Манушин Э.А. «Газовые турбины: проблемы и перспективы.» Энергоатомиздат, 1986. 165 2. с.

38. Марчуков Е.Ю. Научные основы конверсии авиационного двигателя для истребителя в привод наземных газотурбинных установок. АО А.Люлька-Сатурн. М. 1998.-250 с.

39. Методы расчета характеристик ГТД. Гумеров Х.С., Ахметзянов A.M., Аксельрод С.Е., Алаторцев В.П. Уфа УАИ, 1980. 67 с.

40. Михайлов Б.И., Резник В.А., Кринский А.А. «Комплексное воздухоочистительное устройство для энергетических установок». JI., Машиностроение, Ленинградское отделение, 1978. 144 с.

41. Наземное использование авиадвигателей в народном хозяйстве: Материалы межотраслевой н.-т. конференции, сов. семинаров и выст. (под ред. Доброхотова А.Н.) ч. 1. - М., 1981. - 123 с.

42. Никитин B.C. Борьба с пылью и газами на открытых разработках. М., Госгортехиздат, 1971. - 79 с.

43. Обеспыливание воздуха на предприятиях стройматериалов. Балтренас П.Б. М.: Стройиздат, 1990. - 184 с.

44. Ольховский Г.Г. Применение газовых турбин в России/ Мировая электроэнергетика, № 2, 1995. 27 с.

45. Охрана окружающей среды в авиационной промышленности. Учебное пособие. Под ред. Коганова А.В. М., МАИ: 1984. 55 с.

46. Пикула Э.Р. «Эрозионный износ проточной части компрессоров авиационных газотурбинных двигателей». Проблемы безопасности полетов. ВИНИТИ, № 6,1990. с. 46-50.

47. Правкин В.И., Рубинштейн Г.Н., Канцельсон Л.О. и др. //Отчет о НИР «Разработка методов очистки сточных вод и обезвреживание отходов для предприятий».// НПО «ТЕХЭНЕРГОХИМПРОМ», М. 1987. 78 с.

48. Применение авиационных двигателей в энергетических установках для народного хозяйства. Тепловые и газоструйные машины. Вып.1. Сб. Статей под ред. Ю.Г.Бехли и др. М., Труды ЦИАМ, № 914.1979. 99 с.

49. Применение авиационных двигателей в энергетических установках для народного хозяйства. Силовые приводы и энергетические установки, Вып. 2. Сб. Статей под ред. Ю.Г.Бехли и др. М., Труды ЦИАМ, 1982. 87 с.

50. Промышленные хлорорганические продукты. Справ, под ред. Л.А.Ошина. М., Химия, 1978. - 656 с.

51. Протокол технического совещания по вопросу «Модернизация реактивной установки для очистки железнодорожных вагонов АО «ММК», Магнитогорск, 12.04.1994. 2 с.

52. Резник В.Е., Горелов Г.М., Данильченко В.П. «Газотурбинная установка, созданная на основе авиационного двигателч, в составе парогазовой схемы с дожиганием». Известия вузов «Авиационная техника», № 4, 1995. с. 6690.

53. Решение проблем охраны окружающей среды при разработке энергетического оборудования за рубежом. НИИЭинформэнергомаш, Зарубеж. ЭП. 10-81-11.1981.-34 с.

54. Решение Минавиапрома и Минобороны (ВВС) о выборе газотурбинного двигателя для применения на тепловой машине по удалению гололеда на аэродромах от 26.06.89 г., Исх. № 128/1/232/2. 2 с.

55. Рыжов А.А., Дьяконов B.C., Акмалетдинов Р.Г. Заключение по исследованию характера разрушения стендового сильфона 333 93 808 при испытаниях изд. Г 93695020. Технич. отчет НПО «Мотор», Уфа, 1990. 5с.

56. Салихов А. А. Комбинированная газотурбинная технология преобразования энергии на базе авиационных ГТД. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Уфа, УГАТУ, 2000. 16 с.

57. Сидоренко А.А., Акмалетдинов Р.Г. Виброзащитное устройство. Информационный листок №30 — 95 РНТИК «Баштехинформ», Уфа, 1995. -2 с.

58. Состояние и перспективы работ по охране окружающей среды в гражданской авиации. Материалы всесоюзной научно-технической конференции. М. 1982. 150 с.

59. Табаков В. «Ухудшение характеристик турбсэмашин под влиянием рабочей среды, содержащей твердые частицы». Обзор. Теоретические основы, №2, т. 106, 1984.-с. 115-125.

60. Тактико-техническое задание на доработку турбореактивного двигателя Р-195, Р13-300, Р95Ш для работы на тепловых машинах по удалению гололеда на аэродромах Р-95ТМ, ТМ1, ТМ2, 95ТМ-ТТТ-001. 8 с.

61. Термогазодинамический анализ рабочих процессов ГТД в компьютерной среде DVIGw: Учебное пособие /Д.А.Ахмедзянов, И.М. Горюнов, И.А.Кривошеев, Х.С.Гумеров, Д.Г.Кожинов, С.Н.Иванова. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, - 2003. - 219 с.

62. Терехов A.J1. Борьба с шумом на компрессорных станциях. JL: Недра, 1985.- 182 с.

63. Томаров Г.В. «Физико-химические процессы и закономерности эрозии-коррозии металла энергетического оборудования в двухфазном потоке». Теплоэнергетика, №9, 2001. с. 59-67.

64. Точенов JI.A. Применение новых установок для очистки поверхностей самолетов. Труды ГосНИИ ГА, Вып. 191,1980. - с. 101-102.

65. Турбокомпрессорные установки на базе авиационных двигателей и их модулей: Учебн. пособие/З.Г. Шайхутдинов, Ю.Г. Арьков, В.А. Гилязетдинов и др. Уфа: УАИ, 1986. - 92 с.

66. Фаворский О.Н., Батерин В.М., Зейгарник Ю.А. и др. «Комплексная парогазовая установка с впрыском пара и теплонасосной установкой (ПГУ МЭС-60) для АО «Мосэнерго». Теплоэнергетика, №9, 2001. с. 50-58.

67. Хазиахметов М.Р., Еникеев Г.Г. Экспериментальное исследование изменения геометрии плоской решетки профилей в результате образования солевых отложений. Уфа. УАИ. 1989. — с. 12:

68. Хамитов Р.З., Струговец С.А., Рыжов А.А., Дьяконов B.C., Акмалетдинов Р.Г. Программа стендовых испытаний опытного образца генератора сжатого воздуха ГСВ 95. Технич. отчет 95 gv - 35 YGJ «Мотор», 1990. -6 с.

69. Wu Guochuan. Ни Bing. The effects of End-Bend Regulation of compressor Blade on the Outlet Flow Field. Nanjiang, China.

70. H.G. Munzberg, J. Kurzke. Gasturbinen Betriebsverhalten und Optimierung. Springer - Verlag Berlin Heidelberg New York, 1977. - 444 c.