Газогенератор – аппарат для выработки газа из угля, дров, отходов деревообработки и других материалов. Генерируемое горючее способно заменить традиционное углеводородное топливо – природный газ для отопления жилья и бензин для автомобиля.

Основная идея использования такого агрегата – экономия на топливных расходах. Постоянное удорожание бензина, пропана и метана заставляет домашних умельцев подыскивать альтернативные способы получения топлива.

Чтобы сделать газогенератор своими руками, необходимо понять его устройство и принцип работы.

Мы объясним, как происходит преобразование твердого топлива в горючий газ, обозначим конструктивные особенности агрегата и приведем примеры самостоятельной сборки простых приборов. Для лучшего усвоения информации, мы дополнили статью наглядными схемами, фотографиями и видео-роликами.

Газогенератор: устройство и принцип работы

Газогенератором называется устройство, преобразующее жидкое либо твердое горючее в газообразное состояние для дальнейшего сжигания его с целью получения тепла.

Варианты топлива для генерирующей установки

Работающие на мазуте или отработке агрегаты имеют более сложную конструкцию, нежели модели, использующие различные виды угля или дрова.

Поэтому чаще всего встречаются именно твердотопливные генераторы газа – благо, топлива для них доступно и дешево.

Галерея изображений Фото из Поставка газа в котел для отопления дома Выработка газа для транспортных средств Производство газа для с/х техники Газовые светильники и обогреватели

В качестве твердого топлива в газовом генераторе используют:

• древесный, бурый и каменный уголь;
• топливные пеллеты из древесных отходов;
• солому, опилки и дрова;
• торфяные брикеты, кокс;
• лузгу семечек.

Особо бережливые хозяева собственноручно заготавливают брикеты из опилок.

Генерация газа возможна из всех этих видов горючего. Выделение энергии зависит от теплотворности разных типов топлива.

Причем тепла от сжигания сырья в газогенераторе получается больше, нежели от использования твердого топлива в котлах. Если КПД обычного дровяного котла варьируется в пределах 60–70%, то у газогенераторного комплекса показатель достигает 95%.

Но здесь надо учесть один нюанс. Котел сжигает топливо для нагрева воды, а генератор газа только производит горючее. Без нагревателя, печки или ДВС толку от самодельного газогенератора будет ноль.

Получаемый газ сразу должен использоваться – накапливать его в какой-либо емкости экономически невыгодно. Для этого придется монтировать дополнительное оборудование, зависящее от электропитания.

В советское время газогенераторы использовали даже для эксплуатации грузовиков, производимого газа вполне хватает для работы двигателя внутреннего сгорания

Что происходит внутри газогенератора

В основе работы генератора газа лежит пиролиз твердого топлива, происходящий при высоких температурах и низком содержании кислорода в топке. Внутри газогенерирующего устройства одновременно протекает несколько химических реакций.

Схема промышленного газового генератора представляет собою достаточно сложную установку с множеством отдельных устройств, в каждом из которых протекает своя операция (+)

Технологически процесс генерации горючего газа делится на три последовательно совершающихся этапа:

1. Термическое разложение топлива. Процесс протекает в условиях дефицита кислорода, которого в реактор подается всего треть от необходимого для обычного горения.
2. Очистка полученного газа. В циклоне (сухом вихревом фильтре) осуществляется фильтрация газового облака от летучих частиц золы.
3. Охлаждение. Полученная газовая смесь охлаждается и подвергается дополнительной очистки от примесей.

Фактически, в блоке как такового газогенератора происходит именно первый процесс – пиролиз. Все остальное – это подготовка газовой смеси для дальнейшего сжигания.

Пиролизная камера самодельного газогенератора делится на бункер с твердым топливом (1), топливник (2) и зольник (3)

На выходе из газогенерирующей установки получается горючая смесь из оксида углерода, водорода, метана и иных углеводородов.

Также, в зависимости от используемого при пиролизе топлива, к ним прибавляются в различных количествах вода в виде пара, кислород, углекислый газ и азот. По описанному принципу функционируют и пиролизные котлы отопления, демонстрирующие высокий КПД.

Особенности работы различных преобразователей

Газогенераторы по устройству и технологии внутренних процессов бывают:

• прямыми;
• обращенными;
• горизонтальными.

Различаются они точками подачи воздуха и выхода сгенерированного газа.

Прямой процесс протекает при нагнетании воздушной массы снизу и выходом горючей смеси вверху конструкции.

Обращенный вариант подразумевает подачу кислорода напрямую в зону окисления. При этом она в газогенерирующем устройстве является самой горячей.

Самостоятельно сделать в нее впрыск достаточно сложно, поэтому такой принцип работы применяется только в промышленных установках.

При прямом газогенераторном процессе на выходе образуется большой объем смол и влаги, обращенный слишком сложен в реализации своими руками, а у горизонтального – пониженная производительность, но предельно простая конструкция (+)

В горизонтальном газогенераторе выходной патрубок с газом расположен сразу над колосником в зоне совмещения реакций окисления и восстановления. Эта конструкция самая простая в самостоятельном исполнении.

Газогенераторный автомобиль.
УАЗ на дровах.

На дровах ездили не только паровозы, на дровах так же ездили автомобили. Причем достаточно «современные» с двигателем внутреннего сгорания.
Конечно, в качестве рабочего топлива использовались не сами дрова, а их производное — горючий газ.
Газ получался в процессе неполного сгорания дров в устройстве называемом газогенератор.

Химически процесс получения нужного газа можно описать так:
При полном сгорании топлива углерод соединяется с кислородом и получается углекислый газ: C + O2 = CO2
Углекислый газ к сожалению не горюч 🙁
А вот когда происходит неполное сгорание, то получается оксид углерода (угарный газ): C + O = CO
Угарный газ горюч, температура начала его горения от 700°: 2CO + O2 = 2CO2
Эти процессы происходят в «зоне горения» газогенератора.

Оксид углерода так же можно получить при прохождении углекислого газа через слой раскаленного топлива (дров): C + CO2 = 2CO
В воздухе, как и в топливе присутствует влага, которая соединяясь с угарным газом образует водород: CO + H2O = CO2 + H2
Эта реакция происходит в «зоне восстановления» газогенератора.

Обе зоны – горения и восстановления – несут общее название «активная зона газификации».

В качестве топлива для газогенераторов подходят не только дрова, но и древесный уголь, торф, бурый уголь, каменный уголь. Однако дрова чаще используются как более доступное средство.

Горючие компоненты, после очистки и охлаждения, вполне нормально работают(горят) в двигателе внутреннего сгорания обычного автомобиля.

Большое распространение автомобили с газогенераторами получили в 30-х годах 20 века, когда снабжение бензином было затруднено, особенно в краях далеких от НПЗ.
Первым серийным газогенераторным автомобилем в нашей стране стал ЗИС-13, но подлинно массовыми «газгенами» стали ГАЗ-42, ЗИС-21 и УралЗИС-352.

ГАЗ-42

ЗИС-21

Что же представляет собой данный агрегат

То, что оборудование этого класса привлекает все большее количество потребителей объясняется в первую очередь наиболее низкой ценой на топливо, если сравнивать с бензином и дизелем. Кроме того, работающие на газе генераторы являются одними из наиболее экологически чистых, что вполне соответствует требованиям современного покупателя.

Газогенератор

Есть отличия у этого агрегата и в конструктивном плане. Он состоит из следующих блоков:

• Двигателя;
• Альтернатора;
• Технологической обвязки.

Наличие последнего узла, включающего в себя устройства управления и обслуживания, позволило добиться стабильной работы оборудования в соответствии с запросами потребителя. Многие модели имеют стабилизаторы выходного тока и микропроцессорные узлы, что гарантирует не только высокое качество вырабатываемой электроэнергии, но и возможность мониторинга работы двигателя. На сегодняшний день некоторые из газовых генераторов способны одновременно производить энергию и тепло. Именно они более всего интересуют современного потребителя.

Достоинства и недостатки газовых генераторов

Обойдется бытовой газогенератор заводского изготовления в 1,5–2 раза дороже обычного твердотопливного котла. Стоит ли тратиться на эту «чудо-технику»?

Среди плюсов использования газовых генераторов числится:

• полное прогорание топлива, загруженного в топку, и минимальный объем золы;
• сравнительно высокий КПД при совместной работе с ДВС либо газовым котлом;
• широкий выбор твердого топлива;
• простота эксплуатации и отсутствие необходимости непрерывно следить за работой агрегата;
• временной интервал между перезагрузками топки – до суток на дровах и до недели на угле;
• возможность использования непросушенной древесины – влажное сырье можно применять только в некоторых моделях газогенераторов;
• экологичность устройства – выхлопной трубы у этого устройства нет, весь сгенерированный газ прямым потоком идет в камеру сгорания двигателя или котла.

При использовании влажных дров генератор работать будет, но выработка газа при этом сократится на 20–25%. Падение производительности происходит из-за испарения естественной влаги из древесины.

Это приводит к понижению температуры в топке, что замедляет процесс пиролиза. Лучше всего поленья перед загрузкой в пиролизную камеру тщательно просушивать. Промышленные устройства полностью автоматизированы, подача топлива в них производится шнеком из рядом расположенного контейнера.

Сделанный своими руками газогенератор не радует подобной автономностью, но и он достаточно прост в эксплуатации. Надо лишь время от времени загружать его топливом под завязку.

Рабочие температуры в газогенераторе достигают значений в 1200–1500°C, его корпус должен выполняться из выдерживающих подобные нагрузки материалов

Недостатков у газогенератора меньше, но они есть:

• слабая регулируемость объемов генерируемого газа – при снижении температуры в топке пиролиз прекращается и вместо горючей газовой смеси на выходе образуется месиво из смол;
• громоздкость установки – даже самодельный газогенератор средней мощности в 10–15 кВт занимает достаточно большое пространство;
• длительность растопки – прежде чем реактор произведет первый газ пройдет 20–30 минут.

После «разогрева” генератор стабильно выдает определенный объем газовой смеси, которую необходимо сжигать либо выбрасывать в воздух. Чтобы сделать этот агрегат своими руками потребуются прочные газовые баллоны или толстая сталь, а это немалые деньги. Но все это окупается экономичностью генератора и дешевизной исходного топлива.

Часть моделей газогенераторов оснащается вентилятором надува воздуха, а другие нет. Первый вариант позволяет повысить мощность установки, но привязывает ее электросети. Если нужен небольшой генератор для готовки еды на природе, то можно обойтись компактным без воздушного нагнетателя агрегатом.

Большинство самостоятельно сделанных газогенерирующих установок работает за счет естественной тяги.

Переносной газогенератор мощностью в 2,4 кВт, работающий на дровах, позволяет без проблем готовить обед за городом вдали от цивилизации (+)

Для обогрева частного дома нужна будет уже более мощное и энергозависимое устройство. Однако в этом случае стоит позаботиться о резервном электрогенераторе, чтобы в одночасье при аварии на сети не остаться как без электроснабжения, так и без отопления.

Рабочие узлы самодельного агрегата

Чтобы разобраться, как можно сделать твердотопливный газогенератор своими руками, необходимо четко себе представлять его конструкцию. У каждого из элементов свое предназначение, даже отсутствие одного из них недопустимо.

Внутри корпуса самодельного газового генератора должен присутствовать:

• бункер для твердого топлива вверху агрегата;
• камера пиролиза, где происходит процесс тления;
• воздухораспределительное устройство с обратным клапаном;
• колосники с зольником;
• выводной патрубок для производимого газа;
• фильтры очистки.

В самодельном генераторе на дровах образуется достаточно высокая температура, поэтому к каждому его элементу предъявляются жесткие требования. Для корпуса используется прочная листовая сталь, а все детали внутрь подбираются максимально жаропрочные.

Чтобы обеспечить герметичность люка загрузки топлива в закрытом состоянии, крышке понадобится уплотнитель. Самый дешевый материал для этого – асбест. Однако он не отличается безвредностью для здоровья людей, лучше подыскать в магазине специальные жаропрочные прокладки на основе силиконов или силикатов.

Сгенерированные в камере сгорания газы сначала смешиваются с воздухом и охлаждаются, а потом проходят очистку в фильтре из керамзита или опилок (+)

Корпус может быть как цилиндрической формы, так и прямоугольной. Нередко для упрощения работ берется пара баллонов для природного газа или железных бочек. Один из колосников внизу топки приваривают «намертво”, а второй встраивают таким образом, чтобы его можно было пошевелить. Это необходимо для очистки их от шлака и золы.

Воздухораспределительный узел находится снаружи корпуса. Он обеспечивает поступление в топку необходимых объемов кислорода, но при этом благодаря обратному клапану не выпускает из нее горючие газы.

Технологии изготовления газогенератора

Самостоятельно сделать газогенерирующую установку можно несколькими способами. Выбор здесь зависит от наличия материалов и дальнейшего использования получаемого газа.

Вариант #1: Пример сооружения аппарата на угле

Рассмотрим пример изготовления полезной самоделки из металлического ведра с крышкой. Сначала подготовим агрегат, который будет перерабатывать полученный из установки газ в электроэнергию.

Галерея изображений Фото из Переделка топливной системы электрогенератора Модернизация воздушного фильтра агрегата Замена пластиковых труб металлическими аналогами Усовершенствование выхлопной трубы устройства

После подготовки потребителя к предстоящей эксплуатации можно заняться сооружением непосредственно газогенератора.

Галерея изображений Фото из Металлическая пластина для укрепления входа Сверление отверстий в металлической пластине Сверление отверстий в заготовке газогенератора Установка входной трубки в стенку ведра Крепление входящей трубки сварочным аппаратом Обработка силиконовым герметиком Специфика установки патрубка в крышке ведра Укрепление выходной трубы вверху газогенератора

Патрубок, отводящий газ из установки, необходимо снабдить фильтром, т.к. в процессе сгорания уголь выделяет много мелкой взвеси и пыли.

Галерея изображений Фото из Материалы для изготовления фильтра Формирование отверстий в банке Внутри банки укладывается поролон Установка фильтра для вырабатываемого газа

Завершив процесс сооружения самодельного газогенератора, надо проверить его на работоспособность.

Галерея изображений Фото из Подключение к электрогенератору Загрузка топлива в топку агрегата Проверка на утечки газоанализатором Установка заглушки на входной патрубок

Вариант #2: Газогенератор из двухсотлитровых бочек

Для бочкового самодельного газогенератора потребуется пара емкостей в 200 л. Одну из них вставляют в другую на две трети.

Образованное внизу пространство, будет использоваться в качестве камеры сгорания, а верхняя часть идеально подойдет под бункер для дров или пеллет.

Внутри корпуса из бочки будет происходить тление с генерацией газа, а снаружи в цилиндре из старого огнетушителя в фильтре очистки он будет очищаться от негорючих примесей

Сбоку, на уровне секции пиролиза, вваривают трубу сечением в 50 мм для нагнетания воздуха, а ближе к крышке – газоотводящий патрубок. В дне внутренней бочки вырезают отверстие для поступления топлива в камеру сгорания, а к днищу внешней приделывают дверцу поддувала.

Остается только сделать фильтры очистки газовой смеси перед передачей ее в водогрейный котел. Для этого понадобятся использованные огнетушители или отрезки трубы аналогичного размера.

Сверху их наглухо закрывают, а снизу приваривают конусную насадку, на конце которой имеется штуцер для удаления золы. Затем сбоку врезают патрубок для подачи газовой смеси на очистку, а в крышку – отвод для уже отфильтрованного газа.

Первичное очищение газа от частиц сажи и золы происходит за счет центробежных сил в наружном фильтре для грубой очистки (+)

Далее, для понижения температуры горючего газа делают радиатор охлаждения из нескольких труб диаметром в 10 см. Между собой их соединяют небольшими патрубками.

Для окончательного очищения газа устанавливают еще один фильтр с керамзитом, небольшими шайбами из металла или опилками внутри. Применять последний материал допустимо только при условии, что поступающий газ уже охладился, иначе дело может дойти до пожара.

Из газового баллона получится сделать «буржуйку”. Инструкция по созданию примитивной печи приведена в этой статье.

Вариант #3: Самодельная модель для ДВС

Для машины или мотоцикла самодельный газогенератор делают по аналогичной схеме. Только здесь придется уменьшить размеры установки до минимума. Возить с собой тяжелый агрегат накладно, да и выглядит это не очень эстетично.

Чтобы облегчить себе работу, для автомобильной версии генератора лучше всего взять баллоны из-под бытового газа. Главное – перед сваркой убедиться, что и намека на присутствие в емкости пропана уже нет, иначе может произойти небольшой взрыв. Для этого необходимо открутить баллонный клапан и заполнить емкость под завязку водой.

Для охлаждения горючей смеси на выходе из установки можно приспособить обычный радиатор отопления

Изначально автомобильный газогенератор производит слишком горячие газы. Их в обязательном порядке необходимо охлаждать. Иначе при контакте с раскаленными частями двигателя они могут самопроизвольно воспламениться. Кроме того, разогретое газообразное горючее имеет малую плотность, из-за чего его поджечь в цилиндрах будет попросту проблематично.

Газогенератор самодельного исполнения для автомобиля можно смонтировать в багажнике либо на прицепе.

Второй способ предпочтительней благодаря:

• простоте ремонта;
• возможности оставить газогенерирующий агрегат в гараже;
• наличию свободного места в багажнике;
• возможности использования установки для иных нужд помимо подачи топлива в ДВС.

Не стоит опасаться дорожных ухабов. При подпрыгивании на кочках твердое топливо в камере сгорания будет встряхиваться, что только поспособствуют его лучшему перемешиванию и горению.

Способ №3

Для реализации следующего способа необходимо подготовить трубку из нержавейки на 4.25 дюйма (14 сантиметров в длину) и бак на пять галлонов. Вместо трубы можно использовать старый огнетушитель.

Далее алгоритм действий выглядит следующим образом:

• в барабане вырезается специальное отверстие для установки подготовленной трубы;
• вырезается фланец. Для этого используется небольшой кусок стали на 1/8 дюйма. Он необходим, чтобы закрепить трубку пламени в барабане;
• с помощью алюминиевых уголков и болтов производится крепление трубки пламени к фланцу.

В качестве прокладки можно использовать силиконовую прокладку, с помощью которой можно эффективно заделать все имеющиеся трещины и швы;

в баке вырезается дверца такого размера, чтобы в нее могли попасть руки для уборки старого пепла. После делается небольшая дверца (из другого бака). Фиксацию дверцы можно организовать с помощью специальных крепежей;

• в качестве решетки для нижней части трубки можно использовать решетчатую часть из пароварки. Главное требование, чтобы она была выполнена из нержавейки;
• жаровня решетки подвешивается немного ниже нижней части трубы пламени с помощью цепей;
• все элементы устанавливаются на основу, а именно решетка, фланец, жаровая труба. Для уплотнения стыков, как упоминалось выше, должна использоваться высокотемпературная смазка;
• для прогонки газа используется вентилятор.

Другие схемы, которые смогут вам помочь в изготовлении газогенератора.

Очередной образец.

Принцип работы автомобильной газогенераторной установки

Чтобы нормально эксплуатировать автомобиль на дровах, одного газогенератора недостаточно. Полученный газ необходимо очистить от вредных для двигателя примесей: смол и сажи. Поэтому была придумана система фильтрации, включающая три дополнительных ступени: фильтр грубой очистки – циклон; радиатор – охладитель; фильтр тонкой очистки.

В качестве простейшего фильтра грубой очистки использовался циклон.

Загрязненный газ попадая внутрь, движется по кругу на высокой скорости, за счет чего крупные и средние частицы золы отбрасываются на стенки центробежной силой и выводятся через отверстие в конусе.

Как пример — промышленный циклон использовавшийся на НАТИ-Г-78

Газ поступал в очиститель через патрубок 1, располагавшийся касательно к корпусу циклона. Вследствие этого газ получал вращательное движение и наиболее тяжелые частицы, содержащиеся в нем, отбрасывались центробежной силой к стенкам корпуса 3.

Ударившись о стенки, частицы падали в пылесборник 6.

Отражатель 4 препятствовал возвращению частиц в газовый поток.

Очищенный газ выходил из циклона через газоотборный патрубок 2.

Удаление осадка осуществлялось через люк 5.

На выходе из газогенератора газ имел высокую температуру.
Чтобы улучшить наполнение цилиндров «зарядом» топлива, газ требовалось охладить. Для этого газ пропускался через длинный трубопровод, соединявший газогенератор с фильтром тонкой очистки, или через охладитель радиаторного типа, который устанавливался перед водяным радиатором автомобиля.

Охладитель радиаторного типа газогенераторной установки УралЗИС-2Г имел 16 трубок, расположенных вертикально в один ряд.

Для слива воды при промывке охладителя служили пробки в нижнем резервуаре.

Конденсат вытекал наружу через отверстия в пробках.

Два кронштейна, приваренные к нижнему резервуару, служили для крепления охладителя на поперечине рамы автомобиля.

Чаще всего в автомобильных газогенераторных установках применяли комбинированную систему инерционной очистки и охлаждения газа в грубых очистителях – охладителях. Осаждение крупных и средних частиц в таких очистителях осуществлялось путем изменения направления и скорости движения газа. При этом одновременно происходило охлаждение газа вследствие передачи тепла стенкам очистителя.

Фильтр тонкой очистки
Для тонкой очистки газа чаще всего применяли очистители с кольцами.

Очистители этого типа представляли собой цилиндрический резервуар, корпус 3 которого был разделен на три части двумя горизонтальными металлическими сетками 5, на которых ровным слоем лежали кольца 4, изготовленные из листовой стали.

Процесс охлаждения газа, начавшись в грубых очистителях – охладителях, продолжался и в фильтре тонкой очистки. Влага конденсировалась на поверхности колец и способствовала осаживанию на кольцах мелких частиц.

Газ входил в очиститель через нижнюю трубу 6, и пройдя два слоя колец, отсасывался через газоотборную трубу 1, соединенную со смесителем двигателя.
Для загрузки, выгрузки и промывки колец использовали люки на боковой поверхности корпуса.

Применялись конструкции, в которых в качестве фильтрующего материала использовалась вода или масло. Принцип работы водяных (барботажных) очистителей заключался в том, что газ в виде маленьких пузырьков проходил через слой воды и таким образом избавлялся от мелких частиц.

Вентилятор розжига

В автомобильных установках розжиг газогенератора осуществляется центробежным вентилятором с электрическим приводом. При работе вентилятор розжига продувал газ из газогенератора через всю систему очистки и охлаждения, поэтому вентилятор старались разместить ближе к смесителю двигателя, чтобы процессе розжига заполнить горючим газом весь газопровод.

Вентилятор розжига газогенераторной установки состоял из кожуха 1 и 2, в котором вращалась соединенная с валом электродвигателя крыльчатка 3. Кожух, отштампованный из листовой стали, одной из половин крепился к фланцу электродвигателя. К торцу другой половины был подведен газоприемный патрубок 4.

Смеситель

Образование горючей смеси из генераторного газа и воздуха происходило в смесителе.

Простейший двухструйный смеситель а представлял собой тройник с пересекающимися потоками газа и воздуха.
Количество засасываемой в двигатель смеси регулировалось дроссельной заслонкой 1, а качество смеси – воздушной заслонкой 2, которая изменяла количество поступающего в смеситель воздуха.

Эжекционные смесители б) и в) различались по принципу подвода воздуха и газа. В первом случае газ в корпус смесителя 3 подводился через сопло 4, а воздух засасывался через кольцевой зазор вокруг сопла. Во втором случае в центр смесителя подавался воздух, а по периферии – газ.

Воздушная заслонка обычно была связана с рычагом, установленном на рулевой колонке автомобиля и регулировалась водителем вручную. Дроссельной заслонкой водитель управлял с помощью педали.

Нюансы работы и эксплуатации газогенераторов

Важно помнить, что вырабатываемый установкой газ, не имеет запаха и ядовит. Если при сваривании своими руками металлических деталей газогенератора будут допущены ошибки, то беды не избежать.

Для естественного притока воздуха в камере сгорания можно насверлить по окружности корпуса отверстий в 5 мм. Все монтажные работы и проверку работоспособности следует производить в хорошо проветриваемой мастерской либо на улице.

Растопка твердотопливного газогенератора не отличается от розжига дровяной печки. Внутрь накладывают дрова или иной вариант топлива, а затем их поджигают лучиной

После возгорания заслонку прикрывают, чтобы ограничить поступление кислорода в камеру горения. Чтобы генерирующая газ самоделка работала исправно, следует грамотно отрегулировать отвод получаемой газовой смеси и подачу кислорода.

Прежде чем начинать мастерить газогенератор следует произвести инженерные расчеты, в которых надо учесть площадь сгорания и тип топлива, а также требуемую выходную мощность и предполагаемый режим работы.

УДК 629.735.03-251

И.А. Семериков

ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия

ОБЕСПЕЧЕНИЕ СООСНОСТИ ОПОР РОТОРА ГАЗОГЕНЕРАТОРА В КОНСТРУКЦИЯХ СОВРЕМЕННЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В работе рассмотрены конструкции современных авиационных двигателей (ПС-90А, CF6-80, GE-90, CFM-56, PW-6000, PW-1000G) и особенности технологии их сборки. Особое внимание уделено анализу конструктивных элементов, обеспечивающих соосность опор газогенератора. Анализ конструкции двигателей проведен по нескольким критериям: конструктивная схема газогенератора, количество опор, место расположения задней опоры, наличие центрирующих элементов по корпусам, количество силовых корпусов. Результаты сравнения сведены в общую таблицу.

Основываясь на проведенном анализе, можно отметить, что в конструкции отечественного двигателя ПС-90А применяются такие методы обеспечения соосности опор газогенератора, как точная обработка входящих деталей и применение регулировочных элементов. В конструкции двигателей иностранной разработки применяется точное изготовление корпусных и роторных деталей, влияющих на соосность, и используются в основном центрирующие элементы в виде цилиндрических поясков по корпусным и роторным деталям. В целом необходимо отметить, что развитие конструкции двигателей связано со стремлением уменьшить количество деталей, как роторных, так и статорных, влияющих на соосность опор.

Результаты анализа конструкций современных авиационных двигателей и тенденций их изменений используются при создании авиационного двухконтурного двигателя пятого поколения типа ПД-14.

Ключевые слова: конструкция газогенератора, сборка газогенератора, соосность опор, расположение опор газогенератора, обеспечение соосности опор.

!.А. Semerikov

OJSC «Aviadvigatel», Perm, Russian Federation

ENSURING THE ENGINE CORE BEARING SUPPORT ALIGNMENT OF MODERN AERO-ENGINES

Одной из основных задач при проектировании авиационных двигателей является обеспечение соосности опор ротора газогенератора. Чем больше опор ротора газогенератора, тем решение задачи обеспечения соосности становится сложнее.

Соосность посадочных мест, необходимая для нормальной работы подшипников, требует обеспечения совпадения осей посадочных шеек вала и отверстий корпусов после монтажа. Если не приняты меры для компенсации возможных конструктивных или технологических дефектов, нарушающих соосность, работа узла будет ненормальной вследствии перекоса колец и перегрузки тел качения . Обеспечение соосности опор влияет на величину взаимного перекоса наружного и внутреннего колец подшипников опор ротора. Чем меньше отклонение от несоосности опор, связанное с точностью изготовления деталей, тем взаимный перекос колец подшипников меньше и большая величина допустимого значения взаимного перекоса идет в запас. В процессе работы двигателя величина взаимного перекоса колец подшипников опор ротора увеличивается за счет теплового расширения роторных и статорных деталей. Чем меньше величина взаимного перекоса колец подшипников, тем в более благоприятных условиях работают подшипники, соответственно, выше ресурс и надежность подшипников.

Для достижения минимального значения несоосности обычно применяют следующие мероприятия:

— уменьшение количества деталей, входящих в силовую схему двигателя, точность изготовления которых влияет на соосность опор;

— точное изготовление всех деталей, входящих в силовую схему двигателя и влияющих на соосность опор;

— применение совместной механической обработки на станке нескольких собранных деталей, входящих в силовую схему двигателя, которые влияют на соосность опор. При этом по отдельности допуски на изготовление деталей, входящих в пакет для обработки, могут быть стандартные, не зажатые;

— применение регулировочных элементов (эксцентриковые и клиновидные кольца) в конструкции опор для выправления радиального смещения опор (соосность опор) и уменьшения торцевого перекоса (торцевое биение при контроле вращения ротора относительно статора);

— аналитическая оценка влияния теплового расширения деталей ГТД на соосность опор с использованием современных расчетных технологий и компьютерных программ;

— другие способы.

Под силовой схемой двигателя понимается система силовых деталей, предназначенных для восприятия нагрузок, действующих на элементы двигателя, и передача их результирующей на узлы крепления двигателя к самолету. Она состоит из силовой схемы ротора и силовой схемы корпуса .

Ротор газогенератора имеет три опоры. Передняя опора — роликовый подшипник, средняя опора — шариковый подшипник, задняя опора — роликовый подшипник (расположена перед турбиной высокого давления). Передняя и задняя опоры выполнены упруго-демпферными .

Корпусы газогенератора соединены между собой фланцевыми болтовыми соединениями. Центрирование по всем корпусам компрессора высокого давления и на стыке с камерой сгорания выполнено при помощи цилиндрических выступов. Пример центрирования с помощью цилиндрических выступов показан на рис. 2.

Рис. 2. Центрирование с помощью цилиндрических выступов

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В конструкторской практике центрирование между корпусными деталями может быть выполнено при помощи штифтов и призонных болтов . У каждого из способов есть свои достоинства и недостатки.

В стыке корпуса камеры сгорания и турбины высокого давления центрирования нет, и далее на корпусах турбины высокого давления центрирования нет. Количество корпусных деталей в компрессоре высокого давления — 6, в камере сгорания — 2, в турбине высокого давления — 2.

В конструкции роторов компрессора высокого давления и турбины высокого давления диски устанавливаются на валы. Соединение между роторами выполнено при помощи шлицевой муфты. Центрирование осуществляется при помощи цилиндрических выступов. Между роторными деталями компрессора высокого давления и турбины высокого давления центрирование также выполнено при помощи цилиндрических выступов.

К достоинству данной конструкции следует отнести то, что при сборке газогенератора допустимый перекос колец подшипников ротора компрессора высокого давления обеспечивается за счет точного изго-

товления деталей и их центрирования при помощи цилиндрических посадок. Рекомендованная величина взаимного перекоса колец согласно ГОСТ 3325-85 составляет:

— у роликового подшипника — 6′;

— шарикового подшипника — 5′ .

Рекомендованные значения перекоса колец от технологических погрешностей обработки посадочных мест и сборки не должны превышать максимального значения с коэффициентом 0,5.

Проверка торцевого и радиального биений по корпусам проводится при окончательной сборке с ротором компрессора высокого давления, с проверкой после постановки каждого корпуса. При сборке турбины высокого давления опора ротора выставляется концентрично опорам компрессора высокого давления с подбором соответствующих эксцентрикового и клиновидного колец, при постановке третьей опоры ротора. Корпусы турбины высокого давления имеют возможность смещения друг относительно друга для обеспечения радиальных зазоров по рабочим лопаткам, это также является достоинством конструкции.

— ~ ——- «*

Рис. 3. Газогенератор двигателя CF6-80

Ротор газогенератора двигателя имеет три опоры. Передняя опора -роликовый подшипник. Средняя опора ротора сдвоенная и состоит из роликового и шарикового подшипников: роликовый подшипник вос-

1 ГОСТ 3325-85. Подшипники качения. Поля допусков и технические требования к посадочным поверхностям валов и корпусов. Посадки.

принимает радиальные нагрузки, а шариковый — осевые нагрузки. Задняя опора ротора — роликовый подшипник, расположена перед турбиной высокого давления, следовательно, турбина высокого давления имеет консольное расположение относительно опор, это, в свою очередь, увеличивает нагрузку на роликовый подшипник задней опоры ротора. Средняя и задняя опоры ротора упруго-демпферные.

Корпусы газогенератора соединены между собой фланцевыми болтовыми соединениями. Центрирование в стыке корпусов выполнено при помощи цилиндрических выступов, так же как и в стыке корпусов компрессора высокого давления двигателя ПС-90А. Количество силовых корпусных деталей в компрессоре высокого давления — 1, в камере сгорания — 1, в турбине высокого давления — 1.

Между роторными деталями центрирование выполнено при помощи цилиндрических выступов. В стыке роторов КВД и ТВД применено шлицевое соединение с двойной центровкой.

Анализ конструкции показывает, что в конструкции газогенератора двигателя CF6-80 нет явных регулировочных элементов. Точное изготовление и центрирование корпусных деталей позволяют обеспечить требуемую соосность опор ротора газогенератора (это является достоинством конструкции). Возможно, регулировка выполняется за счет деталей, у которых не регламентировано расположение в окружном направлении.

На рис. 4 представлен газогенератор двигателя GE-90. Двигатель разработан фирмой General Electric, имеет несколько модификаций, которые устанавливаются на такие самолеты, как Boing 777-200IGW, Boing 777-200ER, Boing 777-300, Boing 777-200X, Boing 777-300X .

Ротор газогенератора имеет две опоры. Передняя опора сдвоенная, шариковый подшипник воспринимает осевые нагрузки, роликовый подшипник воспринимает радиальные нагрузки. Задняя опора ротора — роликовый подшипник, расположена за турбиной высокого давления. Передняя опора выполнена упруго-демпферной.

Корпусы газогенератора соединены между собой фланцевыми болтовыми соединениями. Центрирование в стыке корпусов выполнено при помощи цилиндрических выступов, аналогично ПС-90А. Количество корпусных деталей в компрессоре высокого давления — 2, в камере сгорания — 3, в турбине высокого давления — 2.

Между роторными деталями центрирование выполнено при помощи цилиндрических выступов. В стыке роторов компрессора высокого давления и турбины высокого давления применены центровка и болтовое соединение.

Анализ конструкции показывает, что в конструкции газогенератора двигателя GE-90 нет явных регулировочных элементов. Соосность опор обеспечивается за счет точного изготовления деталей и их центрирования. Возможно, регулировка выполняется за счет деталей, у которых не регламентировано расположение в окружном направлении.

На рис. 5 представлен газогенератор двигателя CFM56-7B. Двигатель разработан фирмой CFMI и устанавливается на самолет Boing 737 .

Рис. 5. Газогенератор двигателя CFM56-7B

Ротор газогенератора имеет две опоры. Передняя опора сдвоенная, шариковый подшипник воспринимает осевые нагрузки, ролико-

вый подшипник воспринимает радиальные нагрузки. Задняя опора ротора — роликовый подшипник, расположена за турбиной высокого давления. При этом подшипник имеет межроторное расположение, т.е. наружное кольцо подшипника расположено в роторе высокого давления, а внутреннее кольцо подшипника на роторе низкого давления, и радиальные нагрузки от подшипника передаются от ротора газогенератора на ротор низкого давления двигателя и далее на узел задней опоры турбины низкого давления.

Корпусы газогенератора соединены между собой фланцевыми болтовыми соединениями. Центрирование в стыке корпусов выполнено при помощи цилиндрических выступов, аналогично ПС-90А. Количество корпусных деталей в компрессоре высокого давления — 1, в камере сгорания — 2 (корпус камеры сгорания и турбины высокого давления единый), в турбине низкого давления — 3 (включая корпус задней опоры ротора низкого давления).

Между роторными деталями центрирование выполнено при помощи цилиндрических выступов. В стыке роторов компрессора высокого давления и турбины высокого давления применено болтовое соединение.

Анализ конструкции показывает, что в конструкции газогенератора двигателя СБМ56-7Б нет явных регулировочных элементов. Соосность опор обеспечивается за счет точного изготовления деталей и их центрирования. Возможно, регулировка выполняется за счет деталей, у которых не регламентировано расположение в окружном направлении.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На рис. 6 представлен двигатель Р’^6000. Основной изготовитель двигателя — фирма Pratt&Whitney. Двигатель устанавливается на самолет А-318 .

Ротор газогенератора имеет две опоры. Передняя опора — шариковый подшипник, воспринимает осевые нагрузки. Задняя опора ротора — роликовый подшипник, расположена перед турбиной высокого давления, это, в свою очередь, увеличивает нагрузку на роликовый подшипник.

Корпусы газогенератора соединены между собой фланцевыми болтовыми соединениями. Центрирование в стыке корпусов выполнено при помощи цилиндрических выступов, аналогично ПС-90А. Количество корпусных деталей в компрессоре высокого давления — 3, в камере сгорания — 2, в турбине высокого давления — 1 (корпус турбины высокого давления и турбины низкого давления единый).

Между роторными деталями центрирование выполнено при помощи цилиндрических выступов. В стыке роторов компрессора высокого давления и турбины высокого давления применено шлицевое соединение с двойной центровкой.

Анализ конструкции показывает, что в конструкции газогенератора двигателя PW-6000 нет явных регулировочных элементов. Соосность опор обеспечивается за счет точного изготовления деталей и их центрирования. Возможно, регулировка выполняется за счет деталей, у которых не регламентировано расположение в окружном направлении.

На рис. 7 представлен двигатель PW-1000G. Двигатель разрабатывается компанией Pratt&Whitney в кооперации с другими известными фирмами. Модификацию данного двигателя PW-1217G планируют разработать для самолета MRJ фирмы Mitsubishi, а модификацию PW-1524G — для самолета CSeries фирмы Bombardier и для самолета МС-21 компании «Иркут» .

Рис. 7. Газогенератор двигателя PW-1000G

Ротор газогенератора имеет две опоры. Передняя опора — шариковый подшипник, воспринимает осевые нагрузки. Задняя опора рото-

ра — роликовый подшипник, расположена за турбиной высокого давления. Передняя опора выполнена упруго-демпферной.

Корпусы газогенератора соединены между собой фланцевыми болтовыми соединениями. Центрирование в стыке корпусов выполнено при помощи цилиндрических выступов, аналогично ПС-90А. Количество корпусных деталей в компрессоре высокого давления — 1, в камере сгорания — 1 (частично является корпусом компрессора высокого давления), в турбине высокого давления — 2.

Между роторными деталями центрирование выполнено при помощи цилиндрических выступов. Ротор компрессора высокого давления стяжной, и в конструкции присутствует единый вал. Роторы компрессора высокого давления и турбины высокого давления соединены между собой при помощи шлицевого соединения.

Анализ конструкции показывает, что в конструкции газогенератора двигателя PW-1000G нет явных регулировочных элементов (аналогично конструкции газогенератора двигателя PW-6000). Соосность опор обеспечивается за счет точного изготовления деталей и их центрирования. Возможно, регулировка выполняется за счет деталей, у которых не регламентировано расположение в окружном направлении.

Результаты сравнения конструкций газогенераторов двигателей отечественной и иностранной разработки обобщены в таблице.

По результатам анализа конструкции двигателей можно отметить, что в конструкции отечественного двигателя ПС-90А применяются несколько методов обеспечения соосности опор газогенератора, такие как точная обработка входящих деталей и ипользование регулировочных элементов. В стыке корпусных деталей тоже применяются центрирующие элементы в виде цилиндрических поясков, но в некоторых стыках центрирование отсутствует. Это связано с технологией сборки газогенератора.

В конструкции двигателей иностранной разработки применяется метод обеспечения соосности опор ротора газогенератора за счет точности изготовления корпусных и роторных деталей, влияющих на соосность, и применения в основном центрирующих элементов в виде цилиндрических поясков по корпусным и роторным деталям. Также нужно отметить, что в конструкции проектировщики стремятся уменьшить количество деталей, как роторных, так и статорных, влияющих на соосность опор. Применение других методов обеспечения со-

осности не исключается, так как в официальных источниках информации мало встречается данных по технологии и способам сборки двигателей.

Сравнение конструкций газогенераторов двигателей отечественной и зарубежной разработки

Параметр для Двигатель

сравнения ПС-90А СБ6-80 вБ-90 СБЫ-56 PW-6000 PW-1000

Схема газогенератора 13 + 2 14 + 2 10 + 2 9 + 1 5 + 1 8 + 2

Количество

опор газогене- 3 3 2 2 2 2

ратора

Расположение

задней опоры под КС под КС за ТВД за ТВД под КС за ТВД

газогенератора

ПК+ + + + + + +

+КВД

<и КВД + стыков нет + + + +

К ч И 1 8 £ & & КВД+ +КС + + + + + +

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

КС+ + + + + +

& 8 и о еп +ТВД

ТВД — + + + корпус единый для ТВД и ТНД +

Количество

корпусов у газогенератора (КВД/КС/ ТВД) 6/2/2 1/1/1 2/3/2 1/2/3 3/1/1 1/1/2

Дата сертификации двигателя 1993 г. СБ6-80С2 -1985 г. 2003 г. СБЫ56-2 — 1979 г.; СБЫ56-5С -2003 г. 2005 г. 2012 г.

Результаты анализа конструкций современных авиационных двигателей отечественной и западной разработки и тенденций их изменений используются при создании авиационного двухконтурного двигателя пятого поколения типа ПД-14.

Выбранное конструктивно-схемное решение должно отвечать как минимум следующим требованиям :

— обеспечить в соответствии с основным назначение двигателя и его параметрами минимальные размеры и массу двитателя при полном удовлетворении норм прочности и надежности конструкции;

— способствовать минимальному уровню вибраций двигателя с учетом действующих норм.

Библиографический список

1. Перель Л.Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор. Справочник. — М.: Машиностроение, 1983. — 534 с.

2. Хронин Д.В. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. — М.: Машиностроение, 1989. — 565 с.

6. Иностранные авиационные двигатели (По данным иностранной печати) / под ред. Л.И. Соркина. — 11-е изд. — М.: Изд-во ЦИАМ, 1987.

7. Иностранные авиационные двигатели. 2005: Справочник ЦИАМ / В.А. Скибин, В.И. Солонин. — М.: Авиамир, 2005. — 592 с.

6. Solonin V.I. Inostrannye aviatsionnye dvigateli . CIAM Handbook, 1987.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Получено 10.03.2014

Об авторах

Критерии выбора

При выборе конкретной модели следует руководствоваться вышеприведенными характеристиками устройств, а именно:

• Какую мощность вам необходимо выдать в сеть?
• Сколько фаз требуется для потребителя?
• Будет использоваться в качестве резервного или основного источника?
• Питается от магистрального газопровода или от баллона?
• Где будет устанавливаться газген?
• Какие габариты приемлемы для установки?

Остальные нюансы рассматриваются в соответствии с местными условиями, особенностями нагрузки и пожеланиями заказчика.

Список использованной литературы

• Ольховский Г.Г., Казарян В.А., Столяревский А.Я «Воздушно-аккумулирующие газотурбинные электростанции» 2011
• Базеев Е.Т. «Развитие теплоэнергетики и гидроэнергетики» 2012 – 2013
• Кириллов И.И. «Газовые турбины и газотурбинные установки» 1956
• Костюк А.Г., Фролов В.В. «Паровые и газовые турбины» 1985.

Выводы и полезное видео по теме

Как использовать газогенератор, перерабатывающий древесный уголь, в качестве поставщика топлива для малолитражного автомобиля:

Простой газогенератор из пропановых баллонов:

Устройство дровяного генератора газа:

Вышеприведенными способы подходят для самостоятельного изготовления эффективного газогенератора. Но моделей этого устройства существует гораздо больше. Одни из них сделать проще, другие сложнее.

Главное при сборке агрегата уделить максимум внимания качеству сварных швов, иначе могут произойти утечки газа и взрыв. Если все выполнено правильно, то газогенератор исправно прослужит 10–15 лет. А потом металл корпуса начнет прогорать, и придется все делать заново.