Научно-технический прогресс газотурбинных установок магистральных газопроводов

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

ТВД и вертолетные ГТД - Arriel, Arrius, Artouste, Astazou, Bastan, Makila, TM 333.

Сименс

Siemens (ФРГ). Профилем этой крупной фирмы являются стационарные наземные ГТД для энергетического и механического привода и морского применения в широком диапазоне мощности от 4 до 300 МВт.

Основные марки разрабатываемых и выпускаемых ГТД:

- Typhoon, Tornado, Tempest, Cyclone, GT35, GT10B/C, GTX100, V64.3A, V94.2, V94.2A, V94.3A, W501D5A, W501F, W501G.

Alstom (Франция, Великобритания). Разрабатывает и производит стационарные одновальные энергетические ГТД в диапазоне мощности 50...270 МВт.

Основные марки ГТД - GT8C2, GT11N2, GT13E2, GT24, GT26.

Солар

Solar (США). Входит в состав компании Caterpillar и занимается разработкой и производством стационарных ГТД малой мощности от 1 до 15 МВт для энергетического и механического привода и морского применения.

Основные марки ГТД - Saturn 20, Centaur 40/50, Taurus 60/70, Mars 90/100, Titan 130.

ГП "ЗМКБ "Прогресс" им. А.Г. Ивченко" (Украина, г. Запорожье). Государственное предприятие "Запорожское машиностроительное конструкторское бюро "Прогресс" имени академика А.Г. Ивченко" специализируется на разработке, изготовлении опытных образцов и сертификации авиационных ГТД -ТРДД в диапазоне тяги 17...230кН, самолетных ТВД и вертолетных ГТД мощностью 1000... 10000 кВт, а также промышленных наземных ГТД мощностью от 2,5 до 10000 кВт. Двигатели разработки "ЗМКБ "Прогресс" серийно выпускаются в ОАО "Мотор Сич" (Украина, г. Запорожье).

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТВД и вертолетные ГТД - АИ-20, АИ-24, Д-27 (ТВВД с открытым ВВ);

- ТРДД - АИ-25, ДВ-2, Д-36, Д-18Т, Д-436Т1/Т2/ТП.

Наземные ГТД:

- Д-336-1/2, Д-336-2-8, Д-336-1/2-10.

НПП "Машпроект" (Украина, г. Николаев).

Научно-производственное предприятие "Зоря-Машпроект" (Украина, г. Николаев) разрабатывает и производит ГТД для морских СУ, а также наземные ГТД для энергетического и механического привода. Наземные двигатели являются модификациями моделей морского применения. Класс мощности ГТД: 2...30МВт. С 1990гг. НПП "Зоря-Машпроект" разрабатывает также стационарный одновальный энергетический двигатель UGT-110 мощностью 110 МВт.

Основные модели ГТД:

- UGT-2500, UGT-3000, UGT-6000, UGT-10000, UGT-15000, UGT-160000, UGT-250000,

UGT-110 (совместно с НПО "Сатурн", Россия).

4.1 Основные российские производители ГТД

Ниже приведены основные российские предприятия-разработчики ГТД, расположенные в алфавитном порядке.

ОАО "Авиадвигатель" (г. Пермь). Разрабатывает, изготавливает и сертифицирует авиационные ГТД - гражданские ТРДД в классе тяги 52.. .200 кН для магистральных самолетов, военные ТРДДФ в классе тяги 152...194кН, вертолетные ГТД, а также авиапроизводные наземные промышленные ГТД для механического и энергетического привода в классе мощности 2,5...30 МВт.

Серийное производство ТРДД разработки ОАО "Авиадвигатель" осуществляет ОАО "Пермский моторный завод" (ОАО "ПМЗ", г. Пермь) и ОАО "НПО "Сатурн"" (г. Рыбинск). Промышленные ГТД серийно выпускаются на ОАО "ПМЗ".

ОАО "Авиадвигатель" и ОАО "ПМЗ" составляют ядро созданного в конце 2003 г. "Пермского центра авиадвигателестроения" во главе с управляющей компанией "Пермский моторостроительный комплекс".

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРДД - Д-20П, Д-30, Д-30КУ/КП, Д-30КУ-154, Д-30-ВЮ, ПС-90А, ПС-90А2, ПС-90А12 (проект), ПС-12 (проект ТРДД 5-го поколения);

- ТРДДФ - Д-30Ф6;

- вертолетные ГТД - Д-25В.

ГТД наземного применения представлены широким спектром моделей для механического и энергетического привода. Наземные двигатели, созданные конвертацией авиационных двигателей Д-30 и ПС-90А - ГТУ-2,5П, ГТУ-4П, ГТУ-6П, ГТУ-10П, ГТУ-12П, ГТУ-16П, ГТУ-25П, ГТЭ-180 (проект совместно с ОАО ЛMЗ).

ГУНПП "Завод имени В.Я. Климова" (г. Санкт-Петербург). Государственное унитарное научно-производственное предприятие "Завод им. В.Я. Климова" в последние годы специализируется на разработке и производстве авиационных ГТД. Номенклатура разработок широка - военные ТРДДФ в классе тяги 81...98кН, самолетные ТВД и вертолетные ГТД в классе мощности 1200...2600 кВт; танковые ГТД в классе мощности 700...900 кВт, а также конвертированные промышленные ГТД на базе ТВД и вертолетные ГТД в классе мощности 0,8...2,5 МВт.

Наиболее массовые серийные авиационные и наземные двигатели и перспективные проекты:

- ТРД (Ф) - ВК-1, ВК-1Ф;

- ТРДДФ - РД-33,РД-133;

- ТВД и вертолетные ГТД - ГТД-350, ТВ2-117, ТВЗ-117, ТВ7-117, ВК-3500;

- танковые ГТД - ГТД-1000Т/ТФ, ГТД-1250;

- наземные энергетические ГТД: ГТП-0,8; ГТП-1,25; ГТП-1,6; ГТП-2,5.

ОАО "ЛМЗ" (г. Санкт-Петербург). ОАО "Ленинградский Металлический завод" разрабатывает и производит стационарные энергетические ГТД в классе мощности 100... 180 МВт.

Основные марки ГТД- ГТЭ-100 (двигатель сложного цикла с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом), ГТЭ-150, ГТЭ-180 (проект совместно с ОАО "Авиадвигатель").

ФГУП "Мотор" (г. Уфа). Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Мотор"" занимается разработкой военных ТРД и ТРДФ для истребителей и штурмовиков.

Основные авиационные ГТД - Р13-300, Р25-300, Р95Ш, Р195.

В 1990-е гг. на базе двигателя Р195 разработана энергетическая установка ГТЭ-10/95 мощностью 10 МВт.

"Омское МКБ" (г. Омск). АО "Омское моторостроительное конструкторское бюро" занимается разработкой малоразмерных ГТД и вспомогательных СУ.

Основные двигатели разработки "Омского МКБ":

- вспомогательные ГТД - ВСУ-10, ВГТД-43;

- ТВД - ТВД-10, ТВД-20;

- вертолетные ГТД - ГТД-3, ТВ-0-100;

- ТРДД - ТРДД-50 (проект).

ОАО "НПО "Сатурн''" (г. Рыбинск).

ОАО "Научно-производственное объединение "Сатурн"" в последние годы разрабатывает и производит военные ТРДДФ в классе тяги 122... 175 кН, ТВД, вертолетные ГТД мощностью 1000... 1100 кВт, а также конвертированные наземные ГТД мощностью от 4 до 20 МВт. Совместно с НПО "Машпроект" (Украина) участвует в программе энергетического одновального ГТД мощностью 110 МВт. Совместно с компанией Snecma разрабатывает ТРДД для региональных самолетов в классе тяги 50...70 кН. Серийное производство военных ТРДДФ осуществляется на серийных заводах - в уфимском ОАО "УМПО" и московском ФНПЦ "Салют".

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРД (Ф) - АЛ-7Ф, AЛ-21Ф, ВД-7, РД-36-41, РД-36-51;

- ТРДДФ - AЛ-31Ф, АЛ-41Ф (опытный двигатель 5-го поколения);

- ТРДД - SM146 (совместный проект с компанией Snecma);

- ТВД и вертолетные ГТД - РД-600, ТВД-1500.

Наземные ГТД - АЛ-31СТ, АЛ-31СТЭ, ГТД-4, ГТД-6, ГТД-8, ГТД-6,3 (проект), ГТД-10 (проект), ГТД-110 (совместно с НПО "Машпроект").

ОАО "СНТК им. Н.Д. Кузнецова".

ОАО "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова" разрабатывает и выпускает авиационные ГТД (ТВД, ТРДД, ТРДДФ) и наземные ГТД, конвертированные из авиадвигателей. Предприятие имеет самый большой опыт среди российских предприятий в разработке наземных ГТД для газовой промышленности. Продукция этого предприятия серийно эксплуатируется с 1974 г. В последние годы ведется доводка ТВВД НК-93 с двухрядным закапотированным ВВ, а также разработка новых моделей наземных ГТД.

Основные авиационные ГТД, разработанные ОАО "СНТК им. Н.Д. Кузнецова":

- ТВД - НК-12MB, НК-4;

- ТРДД - НК-8-4, НК-8-2/2У, НК-86, НК-88 (на криогенном топливе);

- ТРДДФ - НК-22, НК-25, НК-144, НК-32;

- ТВВД - НК-93 (опытные двигатели). Наземные ГТД - НК-12СТ, НК-16СТ, НК-3 6СТ,

НК-38СТ, НК-14СТ (Э).

АМНТК "Союз" (г. Москва). ОАО "Авиамоторный научно-технический комплекс "Союз"" разрабатывает и изготавливает авиационные ГТД - ТРД, ТРДФ, подъемно-маршевые ТРДДФ.

Основные авиационные ГТД:

- ТРД - АМ-3 (РД-3), АМ-5;

- ТРДФ - РД-9, Р11-300, Р15-300, Р27-300;

- ТРДДФ - Р79 (подъемно-маршевый двигатель для СВВП Як-141).

Тушинское МКБ "Союз" (г. Москва).

Государственное предприятие "Тушинское машиностроительное конструкторское бюро "Союз"" занимается доводкой и модернизацией военных ТРДФ - Р27-300, Р35-300, Р29-300. В 1992 г. на базе Р29-300 разработана ГТУ 55СТ-20 мощностью 20 МВт для привода электрогенераторов.

5. Основы рабочего процесса ГТД

Эффективность ГТД наземного и морского применения, предназначенных для производства мощности на выходном валу, может оцениваться только как эффективность тепловой машины.

При рассмотрении ГТД как тепловой машины можно отвлечься от конкретного типа и назначения двигателя, так как в большинстве рассмотренных выше схем ГТД реализуется одинаковый термодинамический цикл, обычно называемый простым газотурбинным циклом или циклом Брайтона.

Реальный простой газотурбинный цикл показан на рис. 20 в T-S диаграмме. В диаграмме наглядно отображаются работа цикла, подведенное и отведенное тепло и внутрицикловые потери (в процессах сжатия, расширения и течения рабочего тела по тракту ГТД).

Простой цикл состоит из следующих термодинамических процессов (см. рис. 20):

- адиабатическое сжатие рабочего тела (воздуха) в воздухозаборнике (отрезок Н-В на диаграмме) и в компрессоре (отрезок В-К) от атмосферного давления Р_н до давления Р*_к. В авиационных ГТД при скорости полета равной нулю (V= 0) и в наземных ГТД динамическое сжатие в воздухозаборнике отсутствует и весь процесс сжатия осуществляется в компрессоре;

- подвод тепла при постоянном давлении к потоку рабочего тела в камере сгорания



Рис. 20. Простой газотурбинный цикл в T-S диаграмме:

площадь 2КГ32 -- тепло, подведенное топливом (Q₁);

площадь 1НС41 - тепло, отведенное в атмосферу (Q2);

площадь 1НК21 -- потери работы в процессе сжатия;

площадь ЗГС42 - потери работы в процессе расширения.

Работа цикла = Q₁ - Q₂ = площадь НКГСН - площадь 1НК21 - площадь ЗГС43

Примечание: при V_n = 0 точки В и Н совпадают.

(КС) за счет сгорания топлива (отрезок К-Г). Фактически давление в КС несколько снижается от Р*_к до Р*_г из-за гидравлических и тепловых потерь;

- адиабатическое расширение продуктов сгорания в турбине (отрезок Г-Т) и сопле (Т-С) от давления Р* до атмосферного Р_н. Для вертолетных и наземных ГТД точки Т и С практически совпадают, так как расширение газа в турбине происходит до атмосферного давления;

- отвод тепла к внешнему источнику (в атмосферу) при постоянном давлении Р_н (отрезок С-Н).

Реальный газотурбинный цикл является разомкнутым циклом -- в дальнейшем выхлопные газы не участвуют в периодически совершаемой работе и не попадают на вход в двигатель. Цикл осуществляется рабочим телом с переменной теплоемкостью и химическим составом. Является переменными расход рабочего тела из-за добавки массы топлива в камере сгорания во время цикла. Влияние на объем рабочего тела также оказывает система вторичных потоков внутри ГТД. Основными показателями цикла являются удельная работа L_уд (работа, отнесённая к 1 кг рабочего тела) и эффективный КПД з_е, равный отношению работы цикла L_ц к количеству теплоты Q₁, подведённому с топливом в камере сгорания: з_е = L_ц/ Q₁. Параметрами реального цикла, определяющими уровень его показателей (L_уд и з_е), являются температура газа перед турбиной (как правило, используется температура перед первым рабочим колесом - Т*_СА), суммарная степень сжатия р*_У, уровень аэродинамического совершенства лопаточных машин и гидравлических потерь по тракту, а также расход циклового воздуха на охлаждение турбины. Важнейшим параметром, определяющим совершенство цикла и ГТД в целом как теплового двигателя, является температура газа перед турбиной. С увеличением температуры пропорционально увеличивается удельная работа цикла, а также повышается эффективный КПД. Зависимость показателей цикла от степени сжатия более сложная: с увеличением р*_У удельная работа и эффективный КПД цикла сначала увеличиваются, а затем, достигнув максимума при р*_У = р*_Уopt, снижаются. Оптимальная степень сжатия по КПД значительно выше оптимальной степени сжатия по удельной работе: р*_Уoptз > р*_УoptL (рис. 21).

Рис. 21. Зависимость КПД простого цикла и удельной работы цикла от суммарной степени сжатия, температуры газа перед турбиной и КПД узлов

Перечисленные выше особенности газотурбинного цикла определяют пути его совершенствования, постоянно реализуемые на практике. Для повышения удельной работы и эффективного КПД в любом случае целесообразно иметь максимально возможную температуру перед турбиной. Более высокая Т*_СА помимо непосредственного повышения L_уд и з_е позволяет применить более высокую степень сжатия, повышающую экономичность цикла.

Для любого типа ГТД повышение температуры перед турбиной означает улучшение удельных параметров двигателя:

- повышение удельной тяги ТРД и ТРДД;

- повышение удельной мощности и экономичности ТВД, вертолетных ГТД, наземных и морских ГТД;

- снижение удельной массы всех типов ГТД;

- повышение лобовой тяги ТРД и ТРДД.

Максимально достижимая температура (стехиометрическая) определяется из условия полного использования в процессе горения кислорода воздуха (коэффициент избытка воздуха в камере сгорания б_кс =1). Для углеводородного топлива эта температура зависит от температуры в конце сжатия и составляет Т*_САmax = 2200…2800 K.

Фактическая величина применяемых Т*_СА в современных ГТД ограничивается, в основном, технологическим возможностями. Это - свойства турбинных материалов, эффективность систем охлаждения, а также экономические и экологические ограничения. Развитие авиационных и наземных ГТД в части повышения Т*_СА по годам показано на рис. 22. Наибольшие температуры Т*_СА =1850... 1870 К достигнуты на новейших военных ТРДДФ и гражданских ТРДД сверхвысокой тяги (> 40 тс), а также мощных энергетических ГТД (> 150 МВт), в основном применяемых в ПГУ. У ТРДД меньшей размерности для региональных и ближнемагистральных самолетов параметры цикла (Т*_СА и р*_к) относительно более низкие - для снижения покупной цены двигателя и затрат на техническое обслуживание.

В реализуемых в настоящее время в США и Европе перспективных программах развития авиационных ГТД (IHPTET, UEET, АМЕТ) разрабатываются технологии и испытываются опытные двигатели, обеспечивающие работу с максимальной температурой газа перед турбиной Т*_САmax = 2000... 2200 К.

Рис. 22. Эволюция температуры газа перед турбиной.

Активное использование новейших авиационных технологий в проектировании и производстве наземных ГТД, а также реализация сложных систем охлаждения турбины с использованием теплообменников и водяного пара в качестве охладителя позволило наземным ГТД постепенно преодолеть технологическое отставание от авиадвигателей. Новейшие модели мощных энергетических ГТД достигли рабочей температуры газа перед турбиной Т*_САmax =1700... 1800 К. При этом ресурс наиболее нагруженных деталей турбины составляет не менее 25000 часов.

Как указывалось, повышение Т*_СА позволяет применять более высокие степени сжатия, оптимальные значения которых увеличиваются с ростом Т*_СА. В связи с этим, одновременное повышение температуры перед турбиной и степени сжатия является наиболее эффективным способом повышения КПД и удельной работы цикла. Необходимо иметь в виду, что обычно ГТД с более высокими р*_У имеют и более высокие Т*_СА. Степень сжатия компрессора в современных наземных ГТД простого цикла р*_к = 30... 35. В авиационных же двигателях р*_к = 40...45 и имеет тенденцию к дальнейшему повышению.

Выбор оптимальной степени сжатия ГТД зависит от назначения двигателя, режимов эксплуатации, размерности. Например, высокая степень сжатия приводит к уменьшению размеров проточной части последних ступеней компрессора и первых ступеней турбины. А это неблагоприятно сказывается на КПД этих узлов, и выигрыш КПД цикла от повышения р*_У может быть сведён на нет уменьшением КПД компрессора и турбины. Поэтому, как правило, более высокие р*_У применяются в ГТД больших размерностей.

Выбор степени сжатия является одной из задач оптимизации параметров ГТД с целью обеспечения наилучших характеристик двигателя и объекта его применения (летательного аппарата, промышленного оборудования, электростанции и т.д.) при минимальной стоимости жизненного цикла.

Значительным резервом для совершенствования цикла и улучшения параметров ГТД является снижение внутрицикловых потерь - повышение КПД лопаточных машин, снижение потерь и утечек по тракту ГТД и расхода воздуха на охлаждение. В настоящее время благодаря развитию методик трехмерного моделирования процессов в узлах ГТД достигнут значительный прогресс в повышении их характеристик.

6. Применение сложных циклов в ГТД

Рассмотренные выше направления совершенствования простого цикла ограничиваются технологическими возможностями, имеющимися в данный момент времени. Другим возможным направлением улучшения характеристик ГТД является применение усложнённых схем для реализации так называемых сложных циклов.

Обычно сложным циклом называют цикл ГТД, содержащий дополнительные термодинамические процессы, не входящие в простой цикл:

- промежуточный подогрев в процессе расширения;

- промежуточное охлаждение в процессе сжатия,

- утилизация тепла выхлопных газов,

- увлажнение циклового воздуха и др.

Утилизация отводимого из цикла тепла может быть реализована различными способами:

- подогревом выхлопными газами циклового воздуха перед камерой сгорания (регенеративный цикл);

- производством перегретого пара высокого давления и впрыском его в камеру сгорания и турбину ГТД (цикл STIG) или срабатыванием пара в отдельной паровой турбине (комбинированный парогазовый цикл);

- использованием тепла выхлопных газов для повышения теплотворной способности топлива (химическая регенерация);

- утилизацией тепла выхлопных газов в дополнительном утилизационном цикле (воздушном или с использованием низкокипящей жидкости).

Для значительного улучшения характеристик ГТД перечисленные процессы и способы утилизации тепла могут применяться в различных сочетаниях.

Поскольку в наземных и морских ГТД нет характерных для авиадвигателей жестких ограничений по габаритам и массе, то для таких ГТУ сложные циклы используются чаще. В авиационных ГТД для повышения тяги широко применяется цикл с промежуточным подогревом в процессе расширения (цикл ТРДФ и ТРДДФ). Дополнительный теплоподвод после расширения газа в турбине осуществляется в форсажной камере (ФК), где рабочее тело подогревается до температуры Т^*_ф = 2000…2200 К (при б_У = 1,1…1,2). Промежуточный подогрев значительно повышает работу цикла и, соответственно, скорость истечения газов из сопла, удельную тягу двигателя (в 1,5.. .2 раза).

Однако КПД цикла существенно снижается из-за подвода дополнительного тепла при более низком давлении. Удельный же расход топлива двигателя значительно увеличивается как вследствие ухудшения КПД цикла, так и из-за снижения полетного КПД (увеличения скорости истечения). Из-за низкой экономичности форсажный режим обычно используется в критических условиях эксплуатации - на взлете (для сокращения длины ВПП), для ускоренного разгона самолета, для преодоления звукового барьера и т.д. Применения форсажа в сверхзвуковом крейсерском полете обычно стремятся избежать из-за значительного снижения дальности полета.

В 1940-1960-х гг. были созданы опытные образцы ТВД с регенератором. Этим применение регенеративного цикла в авиационных ГТД ограничилось и не получило дальнейшего развития по причине значительного веса и габаритов теплообменника и его низкой надежности. Однако в настоящее время вновь проявляется интерес к применению регенерации тепла. Так, в рамках европейской программы CLEAN прорабатываются перспективные ТВД и ТРДД с рекуператором (в ТРДД - в сочетании с промежуточным охлаждением).

В наземных ГТД регенеративный цикл применяется достаточно широко. Утилизация тепла осуществляется в теплообменниках-рекуператорах и позволяет повысить КПД цикла на 20...30% (относительных). При этом удельная работа несколько снижается из-за гидравлических потерь в рекуператоре. Очевидно, что регенерация тепла возможна, если температура выхлопных газов существенно выше температуры воздуха за компрессором, т.е. при небольшой степени сжатия р^*_к = 4…10.

В настоящее время регенеративный цикл используется в ГТД небольшой размерности (мощностью до 16 МВт) и в микротурбинах, для которых применение высокой степени сжатия ограничивается малой размерностью лопаточных машин.

Энергетические наземные ГТД широко используются в составе ПГУ в комбинированном парогазовом цикле, который является комбинацией простого газотурбинного цикла и парового цикла Ренкина. В ПГУ тепло выхлопных газов ГТД используется в котле-утилизаторе для производства перегретого пара и выработки дополнительной мощности в конденсационной паровой турбине. Увеличение мощности и КПД установки составляет 50 %.

Уровень КПД современных ПГУ, базирующихся на ГТД с высокими параметрами цикла

Т^*_СА = 1600…1700 К, р^*_к = 16...23) достигает 58. ..60 %.

Достаточно часто в энергетических ГТД используется также цикл с впрыском пара в камеру сгорания и турбину (цикл STIG). В отличие от ПГУ в этом случае нет необходимости в паровой турбине, поэтому установки с впрыском пара значительно проще и дешевле. Однако и прирост мощности и КПД в таких установках меньше, чем в ПГУ. Очевидным недостатком цикла является потеря большого количества специально подготовленной воды (парогазовая смесь после расширения в турбине и охлаждения в котле выбрасывается в атмосферу).

Цикл с промежуточным подогревом в наземных ГТД имеет ограниченное применение из-за отрицательного влияния на эффективный КПД. Такой цикл в настоящее время используется только в энергетических ГТД GT24 и GT26 фирмы Alstom. Эти ГТД предназначены для работы в составе ПГУ и имеют мощность 180 и 260 МВт. В ГТД имеется вторая камера сгорания, расположенная после первой ступени пятиступенчатой турбины. Для компенсации снижения КПД цикла в GT24 и GT26 применена повышенная степень сжатия р^*_к = 30…32.

В наземных ГТД используются также циклы:

- с промежуточным охлаждением;

- с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом;

- с промежуточным охлаждением и регенерацией;

- с промежуточным охлаждением, промежуточным подогревом и регенерацией;

- с впрыском пара в камеру сгорания с последующим его извлечением на выхлопе при помощи контактного конденсатора;

- циклы с увлажнением воздуха и др.

Однако реализующие перечисленные циклы установки не нашли пока широкого применения и являются либо опытными образцами, либо выпущены небольшой серией.

В рамках зарубежных программ развития энергетики прорабатываются перспективные установки, объединяющие ГТД сложных циклов с различными технологическими процессами. Но они, по сути, уже не являются ГТД в классическом его понимании, а представляют собой сложные технологические системы по совместному производству различных видов энергии (электрической, механической, тепловой, холода) и химических продуктов, экологически чистые и безотходные.

7. Основные параметры наземных и морских приводных ГТД

В отличие от авиационных двигателей в наземных и морских ГТД полезная энергия полностью срабатывается на турбине и передаётся потребителю в виде механической работы. По способу использования свободной энергии наиболее близким авиационным аналогом для наземных и морских ГТД является вертолетный ГТД.

К основным параметрам наземных и морских ГТД относятся эффективная мощность и эффективный КПД на выходном валу. Также важными параметрами являются расход воздуха, расход и температура газов, располагаемая тепловая мощность на выходе, расход топлива. Эти параметры используются при проектировании ГТУ и объектов применения ГТД.

Масса и габариты для наземных и морских ГТД имеют второстепенное значение. Исключение составляют транспортные ГТД, в том числе и морские, используемые для привода судовых движителей. Для транспортных двигателей габариты (объем) имеют важное значение, поскольку пространство для их размещения на объектах применения зачастую ограничено.

Параметры ГТД обычно даются в стандартных условиях ISO 2314:

- температура атмосферного воздуха +15 °С;

- давление атмосферного воздуха 760 мм рт. ст.;

- относительная влажность воздуха 60%;

- без учета потерь давления во всасывающем и выхлопном устройствах объекта применения ГТД;

- с учетом потерь на входе и выходе собственно ГТД - во входном корпусе компрессора и выходном тракте ГТД за турбиной, включающем стойки задней опоры, диффузор и улитку.

Мощность наземных и морских ГТД изменяется в широких пределах - от десятков киловатт в микротурбинах до сотен мегаватт в крупных стационарных энергетических ГТД. К настоящему времени создано множество моделей ГТД, достаточно равномерно заполняющих мощностной ряд от 30 кВт до 350 МВт.

Мощностной ряд ГТД можно условно разделить на четыре класса:

- микротурбины - имеют мощность от 30 кВт до 250 кВт, применяются обычно в составе автономных энергоагрегатов для выработки электроэнергии или совместного производства электрической, тепловой энергии и в ряде случаев для производства холода;

- ГТД малой мощности - от 250 кВт до 10 МВт, для механического и морского привода, привода электрогенераторов в составе ГТЭС простого цикла и в когенерационных установках для совместного производства электрической и тепловой энергии;

- ГТД средней мощности - от 10МВт до 60 МВт для механического и морского привода, в составе ГТЭС простого и комбинированного парогазового цикла и в когенерационных установках;

- ГТД большой мощности - от 60 до 350 МВт, используются в составе ГТЭС комбинированного парогазового цикла и в когенерационных установках; значительно реже - в простом цикле.

Важнейшими удельными параметрами, определяющими степень технического совершенства наземных и морских ГТД, являются удельная мощность и эффективный КПД на выходном валу.

Удельная мощность (аналогично ТВД и вертолетным ГТД) представляет собой мощность, приходящуюся на единицу (1 кг/с) расхода воздуха G_в , и численно равна удельной работе цикла (кДж/кг), кВт/кг/с.

N_уд = N_е / G_в.

Современные наземные и морские ГТД постоянно развиваются в сторону повышения удельной мощности за счет увеличения температуры газа перед турбиной, совершенствования аэродинамики лопаточных машин и систем охлаждения. В настоящее время особенно значителен прогресс в повышении параметров мощных одновальных энергетических ГТД. Это объясняется интенсивным заимствованием авиационных технологий в области трехмерной аэродинамики, применением многослойных теплозащитных покрытий (ТЗП) и эффективных систем охлаждения турбины, использованием теплообменников для снижения температуры охлаждающего воздуха и водяного пара в качестве охладителя.

Удельная мощность новейших серийных энергетических ГТД достигает 400...450 кВт/кг/с при освоенной температуре газа перед турбиной Т^*_СА = 1700 К (при работе в базовом режиме с межремонтным ресурсом 25 000 часов). Разрабатываются опытные модели энергетических ГТД с температурой газа перед турбиной Т^*_СА = 1783 К.

Удельная мощность ГТД малой и средней мощности достигает значений 300…350 кВт/кг/с при максимальной температуре газа на номинальном режиме Т^*_СА = 1500…1600 К.

Важнейшим удельным параметром наземных и морских ГТД является эффективный КПД з_е . Он характеризует топливную эффективность и представляет собой отношение эффективной мощности на валу N_e к мощности, подведённой с топливом N_топл , кВт:

N_топл = G_{т час}Н_u/3600, з_е = N_e / N_топл = ,

где G_{т час} - часовой расход топлива ГТД, кг/ч; Н_u - низшая теплота сгорания, кДж/кг.

Повышение эффективного КПД - важнейшее направление развития ГТД - достигается повышением параметров цикла Т^*_СА и р^*_к в оптимальном соотношении, а также уменьшением внутрицикловых потерь за счет совершенствования аэродинамики лопаточных машин, систем охлаждения и снижения потерь по тракту ГТД.

Эффективный КПД зависит также и от класса мощности - у ГТД меньшего класса мощности КПД, как правило, ниже (рис. 23). Эта зависимость проявляется через фактор размерности. В ГТД меньшей мощности более умеренные параметры цикла, так как сложнее получить высокий КПД на малоразмерных лопаточных машинах. Параметры цикла, кроме этого, влияют и на удельную стоимость ГТД. Эффективный КПД современных ГТД простого цикла составляет з_е = 0,18…0,43.

Удельная стоимость ГТД - экономический параметр, характеризующий стоимость 1 кВт установленной мощности ГТД в определенной стандартной комплектации. Например, если ГТД применяется для механического привода, в состав оборудования входят: система запуска, управления, противообледенительная и противопожарная, входное и выходное устройства, редуктор и некоторые другие. С ростом мощности ГТД существенно снижается его удельная стоимость. Так, например, удельная стоимость ГТД для механического привода составляет от 400…450 $/кВт (для ГТД класса мощности 1 МВт) до 170…180 $/кВт (для ГТД мощностью 30…40 МВт).

8. Особенности требований к приводным ГТД для ГПА

Энергетика и механический привод являются важнейшими областями применения наземных ГТД: в суммарном объеме мирового производства наземных и морских ГТД энергетические ГТД составляют около 91%, приводные ГТД - около 5% (по стоимости). В России основной потребитель ГТД - газотранспортные подразделения ОАО "Газпром", однако и в энергетике в последнее время наблюдается быстрый рост спроса на газотурбинные приводы.

8.1 Требования к характеристикам ГТД

Основными характеристиками ГТД, определяющими его размерность и техническое совершенство, являются номинальная мощность на выходном валу (N_{e ном}) и эффективный КПД (з_е) на режиме номинальной мощности.

N_{e ном} - это максимальная длительная мощность в определенных стандартных условиях (см. ниже), при которой обеспечиваются заявленные показатели ресурса, надежности и экономичности. з_е и N_{e ном} определяются для двух условий: условий по ISO 2314 и станционных условий.

Рис. 23. Зависимость эффективного КПД (з_е) наземных ГТД от мощности

Условия ISO 2314 (ГОСТ 20440-75):

1) параметры воздуха на входе (в плоскости входного патрубка компрессора): полное давление 0,1013 МПа, полная температура +15 °С, относительная влажность 60%;

2) параметры на выхлопе (в плоскости выхлопного патрубка турбины или на выходе из регенератора, если используется регенеративный цикл): статическое давление 0,1013 МПА;

3) сопротивление входного и выхлопного трактов ГПА не учитывается.

Параметры ГТД в условиях ISO используются для определения технического уровня двигателя и сравнения его с ближайшими аналогами.

Станционные условия отличаются от условий ISO учетом потерь полного давления во входном и выхлопном устройствах ГПА, которые обычно не превышают 1000 Па. Номинальная мощность должна обеспечиваться до температуры атмосферного воздуха +25°С (это требование может быть изменено для конкретного двигателя). Максимальная мощность ГТД - это предельная рабочая мощность, развиваемая при больших отрицательных температурах атмосферного воздуха. Максимальная мощность должна быть до 20% выше номинальной. Номинальный КПД проектируемых ГТД должен соответствовать современному техническому уровню или быть выше. КПД современных серийных ГТД для различных классов мощности приведены в табл. 4

Таблица 4

Примечание: показатели относятся к серийной товарной продукции мирового рынка простого и регенеративного цикла и не относятся к установкам сложных и комбинированных циклов. Перспективные разработки и прототипы могут иметь КПД на 1,5. ..2% (абсолютных) выше.

Нагрузочная характеристика двигателя ГПА (зависимость мощности от частоты вращения силовой турбины при постоянном режиме газогенератора) должна быть пологой - не более 5 % снижения мощности при частоте вращения СТ 70 % от номинальной.

Минимальная мощность, при которой допускается длительная эксплуатация ГТД, может составлять до 50 % от номинальной мощности.

Конструкция ГТД должна допускать возможность отбора сжатого воздуха из-за компрессора на станционные нужды и в противообледенительную систему. При этом соответственно снижаются мощность и КПД.

Двигатели ГПА работают на земле, в условиях запыленности, поэтому в процессе эксплуатации мощность снижается из-за загрязнения газовоздушного тракта двигателя (в основном, проточной части компрессора). Для восстановления мощности выполняют промывку газовоздушного тракта. При промывке на вход в двигатель при помощи промывочных устройств подаются специальные моющие растворы. Промывку выполняют на рабочем режиме или на режиме холодной прокрутки. Отличие промывки на рабочих режимах от промывки на холодной прокрутке заключается в расходах промывочной жидкости - на холодной прокрутке подается значительно больше моющей жидкости.

Рекомендуемая периодичность промывки:

- на рабочем режиме - через 300…1000 часов работы;

- на режиме холодной прокрутки - через 3000…5000 часов работы.

Промывки могут производиться и чаще в случае значительного снижения мощности ГТД при сильной загрязненности воздуха.

8.2 Требования к ресурсам и надежности

Класс использования ГТД для ГПА, как правило, базовый:

- время работы свыше 6000 ч/год;

- число пусков не менее 20 в год;

- время непрерывной работы - более 300 ч/пуск;

Срок службы ГТД - не менее 20 лет.

Ресурсы:

- назначенный - не менее 100000 ч;

- межремонтный - 20000…25000 ч.

Назначенный ресурс газогенератора ГТД, конвертированного из авиадвигателя, должен быть не менее 50000 час.

Надежность ГТД для ГПА определяется следующими основными показателями:

а) наработка на отказ по причинам, связанным с двигателем, ч:

Т_отказ = Т_р / Ч_отказ ,

где Т_р - суммарное время работы парка двигателей, ч;

Ч_отказ - количество отказов.

Нормируемое значение Т_отказ ? 3500 ч.

б) коэффициент надежности пусков

К_нп = П / П_общ ,

где П - количество удавшихся пусков;

П_общ - общее количество пусков с учетом неудавшихся.

Нормируемое значение К_нп ? 0,95.

в) коэффициент готовности

К_г = Т_р /(Т_р + Т_прост),

где Т_р - суммарное время работы парка двигателей, ч;

Т_прост - суммарное время вынужденных простоев, связанное с устранением отказов, ч.

Нормируемое значение К_г ? 0,98.

г) коэффициент технического использования:

К_ти = Т_р /(Т_р + Т_восст + Т_тор),

где Т_р - суммарное время работы парка двигателей, ч;

Т_восст - суммарное время восстановления, связанное с устранением отказов, ч;

Т_тор - время простоев на плановое техническое обслуживание и ремонт, запланированный на время простоев, ч.

Нормируемое значение К_ти ? 0,9.

Фактически показатели надежности оцениваются по результатам эксплуатации и должны быть подтверждены по истечении пяти лет эксплуатации двигателей.

8.3 Требования к габаритам и весовым характеристикам

В отличие от авиационных к ГТД наземного применения предъявляются менее жесткие требования по габаритам и массе.

Основными ограничениями являются габариты контейнеров для транспортировки и хранения двигателей. ГТД должны транспортироваться обычными транспортными средствами с применением распространенных грузоподъемных механизмов. При проектировании промышленных двигателей для ГПА нет необходимости вводить в конструкцию элементы, снижающие массу деталей: выборки, проточки, отверстия и т.п. Также не следует применять без особой необходимости дорогостоящие легкие сплавы (титановые, алюминиевые, магниевые) и высоколегированные стали.

8.4 Используемые ГСМ

В качестве топлива для ГТД ГПА в основном используется природный газ, отбираемый из транспортных газопроводов. Состав и характеристики топливного газа регламентируются отраслевым стандартом. При проектировании ГТД, особенно деталей камеры сгорания, лопаток и дисков турбины, следует учитывать, что в состав природного газа входят сероводород и меркаптановая сера. Эти компоненты газа при высоких температурах вызывают оксидно-сернистую коррозию деталей. Повышенным содержанием сероводорода отличается природный газ, откачиваемый из подземных хранилищ газа. В некоторых случаях в качестве топлива могут использоваться попутные нефтяные газы.

Транспортируемый газ, используемый в качестве топлива, проходит на компрессорных станциях через специальные блоки подготовки. В этих блоках газ доводится до требований стандарта по чистоте, содержанию влаги и температуре.

Во многих случаях транспортируемый природный газ используется и в качестве рабочего тела для турбостартеров двигателя - так называемый пусковой газ. Пусковой газ также подается к стартеру двигателя из блоков подготовки газа компрессорной станции.

В системах смазки ГТД для ГПА используются минеральные масла типа МС-8П, в некоторых двигателях используется масло турбинное типа ТП-22е. В высокотемпературных ГТД, конвертированных из авиадвигателей, применяются синтетические масла при условии минимизации потерь масла.

8.5 Требования экологии и безопасности

Существуют допустимые нормы содержания окислов азота и углерода в выхлопных газах приводных ГТД ГПА.

Содержание окислов азота (в сухих продуктах сгорания при температуре 0,1013 МПА и условной концентрации кислорода 15 %):

- для вновь проектируемых ГТД - не более 50 мг/нм³;

- для модернизируемых ГТД - не более 150 мг/нм³.

Содержание оксидов углерода - не более 100 мг/нм3.

Компрессорные станции магистральных газопроводов являются объектами повышенной пожаровзрывоопасности. Поэтому к ГТД для ГПА предъявляются особые требования по обеспечению безопасности работы. Конструкция двигателя в целом, его составных частей, агрегатов, трубной и электрической обвязки должны гарантированно исключать искрообразование, утечку топливного газа, нелокализованные разрушения роторов.

В конструкции должны применяться датчики и агрегаты взрывобезопасного исполнения, корпуса компрессоров, турбин следует проектировать более прочными. Двигатели необходимо оборудовать системой автоматической защиты от раскрутки роторов, а в случае ее отказа разрушение лопаток должно предшествовать разрушению дисков.

В отличие от авиационных двигателей ГТД для ГПА устанавливаются в специальных укрытиях. закрываются шумотеплоизолирующими кожухами. Кроме того, в составе самих ГПА предусмотрены шумоглушащие устройства во входной шахте и в системе выхлопа. Поэтому в конструкции собственно двигателя не предусматриваются какие-либо устройства для снижения уровня шума.

Заключение

Газотурбинные двигатели за шестьдесят лет своего развития стали основным типом двигателей в современной авиации. На основе авиационных ГТД созданы двигатели для наземной и морской техники: мобильных электростанций, газокомпрессорных станций, наземных и морских транспортных средств. Газотурбинные двигатели - классический пример сложнейшего устройства, детали которого работают длительное время в условиях предельно высоких температур и нагрузок. Вместе с тем эти двигатели - образец высочайшей надежности, которая обеспечивается эффективными конструкторскими решениями, сложными газодинамическими, тепловыми и прочностными расчетами. В связи с этим изучение газотурбинных двигателей, как одного из наиболее совершенных достижений инженерной мысли, выходит за рамки утилитарной задачи подготовки инженеров-двигателистов. Анализ существующего состояния трубопроводного транспорта природных газов и оценка перспектив его дальнейшего развития показывают, что газотурбинный вид привода центробежных нагнетателей на компрессорных станциях как в настоящее время, так и на ближайшую перспективу остается одним из основных видов энергопривода компрессорных станций.

Список использованной литературы

1. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. / А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, B.JI. Сандрацкий. - М.: Машиностроение, 2008. - Т. 1. -208 с.: ил. - (Серия: Газотурбинные двигатели).

2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. / А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, B.JI. Сандрацкий. - М.: Машиностроение, 2008. - Т. 2. -366 с.: ил. - (Серия: Газотурбинные двигатели).

3. Б.П. Поршаков, А.А. Апостолов, В.И. Никишин. Газотурбинные установки: - М: ГУП Издательство "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. - 240 с.

Размещено на Allbest.ru