Научно-технический прогресс газотурбинных установок магистральных газопроводов (стр. 4 из 10)

От первого запуска экспериментального ТРД Ф. Уиттла W.U. (Whittle Unit), состоявшегося 12 апреля 1937 г., до первого полета однодвигательного реактивного самолета "Глостер" Е28/39 с ТРД W.1 15 мая 1941 г. прошло четыре года. За это время решалось много проблем. Но главной была проблема создания надежной камеры сгорания, которая претерпела ряд изменений — от кольцевой до трубчатой противоточной, а затем и до трубчатой прямоточной. После разрушения турбины на W.U.-3 в феврале 1941 г. был внедрен новый никелевый сплав фирмы "Монд Никель", названный Нимоник 80.

Рис. 10. Конструктивные схемы дальнейшего развития двигателя Юмо (Юмо-012Б)

Рис. 11. Конструктивная схема ТРД BMW-003

Рис. 12. Конструктивные схемы дальнейшего развития двигателя BMW

Объединенными усилиями трех фирм - "Пауэр Джетс", "Ровер" и "Роллс-Ройс" - был создан опытный двигатель W.2B, ставший прототипом двигателей "Велланд", а затем "Дервент" и "Нин" (уже с прямоточными трубчатыми камерами сгорания). 5 марта 1943 г. двухдвигательный истребитель Глостер ("Метеор-1") с двумя двига телями W.2B ("Велланд 1") тягой по 770 кгс совершил первый полет. А в июле 1944 г. он поступил в широкую эксплуатацию. Всего в Европе в период с 1943 по 1954 гг. было построено 3875 "Метеоров" различных модификаций.

Первым британским двигателем с осевым компрессором был "Метрополитен-Викерс F2" (рис. 13), созданный А. Гриффитом и Х. Константом и впервые испытанный на стенде в 1940 г. В ноябре 1943 г. два таких двигателя тягой по 975 кгс были установлены на "Метеор F2/40" и совершили первый полет.

"Роллс-Ройс" продолжила разработку ТРД с центробежным компрессором, включая "Дервент" (1943 г.), "Нин" (1944 г.) и "Дарт" (1947 г.), а в 1950-е гг. перешла на ТРД с осевыми компрессорами (типа "Эйвон") и ТРДД ("Конуэй", "Спей" и т.д.)

Сравнение основных данных первых опытных и серийных ТРД СССР, Англии и Германии дано в табл. 1.

Сравнительная хронология ряда важнейших событий при создании первых газотурбинных и турбореактивных двигателей в СССР, Англии и Германии дана в табл. 2.

Рис. 13. Конструктивная схема ТРД "Метрополитен-Викерс F2"

Таблица 1 Основные данные первых опытных и серийных ТРД

Таблица 2 Хронология создания первых турбореактивных двигателей

Таблица 3Поколения авиационных ГТД

2. ГТД наземного и морского применения

Параллельно с развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и на транспорте. В 1939 г. швейцарская фирма A.G. Brown Bonety ввела в эксплуатацию первую электростанцию с газотурбинным приводом мощностью 4 МВт и КПД 17,4 %. Эта электростанция и в настоящее время находится в работоспособном состоянии. В 1941 г. вступил в строй первый железнодорожный газотурбовоз, оборудованный ГТД мощностью 1620 кВт (2200 л.с.) разработки этой же фирмы. С конца 1940-х гг. ГТД начинают применяться для привода морских судовых движителей, а с конца 1950-х гг. - в составе газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на магистральных газопроводах для привода нагнетателей природного газа. Таким образом, постоянно расширяя область и масштабы своего применения, ГТД развиваются в направлении повышения единичной мощности, экономичности, надежности, автоматизации эксплуатации, улучшения экологических характеристик.

Быстрому внедрению ГТД в различные отрасли промышленности и транспорта способствовали неоспоримые преимущества этого класса тепловых двигателей перед другими энергетическими установками - паротурбинными, дизельными и др. К таким преимуществам относятся:

- большая мощность в одном агрегате;

- компактность, малая масса (рис. 14);

- уравновешенность движущихся элементов;

- широкий диапазон применяемых топлив;

- легкий и быстрый запуск, в том числе при низких температурах;

- хорошие тяговые характеристики;

- высокая приемистость и хорошая управляемость.

Основным недостатком первых моделей наземных и морских ГТД была относительно низкая экономичность. Однако эта проблема достаточно быстро преодолевалась в процессе постоянного совершенствования двигателей, чему способствовало опережающее развитие технологически близких авиационных ГТД и перенос передовых технологий в наземные двигатели.

2.1 Механический привод промышленного оборудования

Наиболее массовое применение ГТД механического привода находят в газовой промышленности. Они используются для привода нагнетателей природного газа в составе ГПА на компрессорных станциях магистральных газопроводов, а также для привода агрегатов закачки природного газа в подземные хранилища (рис. 15).

Рис. 15. Применение ГТД для прямого привода нагнетателя природного газа: 1 - ГТД; 2 - трансмиссия; 3 - нагнетатель.

К примеру, только в ОАО "Газпром" к настоящему времени эксплуатируются около 3100 ГТД суммарной установленной мощностью свыше 36000 МВт. ГТД используются также для привода насосов, технологических компрессоров, воздуходувок на предприятиях нефтяной, нефтеперерабатыватывающей, химической и металлургической промышленности. Мощностной диапазон ГТД от 0,5 до 50 МВт.

Основная потребность перечисленного приводимого оборудования – зависимость потребляемой мощности от частоты вращения (обычно близкая к кубической), температуры и давления нагнетаемых сред. Поэтому ГТД механического привода должны быть приспособлены к работе с переменными частотами вращения и мощностью. Этому требованию в наибольшей степени отвечает схема ГТД со свободной силовой турбиной. Различные схемы морских и наземных ГТД будут рассмотрены ниже.

2.2 Привод электрогенераторов

ГТД для привода электрогенераторов (рис. 16) используются в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС) простого цикла и конденсационных электростанций комбинированного парогазового цикла (ПГУ), вырабатывающих "чистую" электроэнергию, а также в составе когенерационных установок (в российской литературе они часто называются "ГТУ-ТЭЦ"), производящих совместно электрическую и тепловую энергию.

Современные ГТЭС простого цикла, имеющие относительно умеренный электрический КПД η_эл= 25…40%, в основном используются в пиковом режиме эксплуатации – для покрытия суточных и сезонных колебаний спроса на электроэнергию. Эксплуатация ГТД в составе пиковых ГТЭС характеризуется высокой цикличностью (большим количеством циклов "пуск – нагружение – работа под нагрузкой – останов"). Возможность ускоренного пуска является важным преимуществом ГТД при работе в пиковом режиме. Электростанции с ПГУ используются в базовом режиме (постоянная работа с нагрузкой, близкой к номинальной, с минимальным количеством циклов "пуск – останов" для проведения регламентных и ремонтных работ). Современные ПГУ, базирующиеся на ГТД большой мощности (N > 150 МВт), достигают КПД выработки электроэнергии η_эл= 58…60%. В когенерационных установках тепло выхлопных газов ГТД используется в котле-утилизаторе для производства горячей воды и (или) пара для технологических нужд или в системах централизованного отопления. Совместное производство электрической и тепловой энергии значительно снижает её себестоимость. Коэффициент использования тепла топлива в когенерационных установках достигает 90%. Электростанции с ПГУ и когенерационные установки являются наиболее эффективными и динамично развивающимися современными энергетическими системами. В настоящее время мировое производство энергетических ГТД составляет около 12000 штук в год суммарной мощностью около 76000 МВт.

Основная особенность ГТД для привода электрогенераторов – постоянство частоты вращения выходного вала на всех режимах (от холостого хода до максимального), а также и высокие требования к точности поддержания частоты вращения, от которого зависит качество вырабатываемого тока. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют одновальные ГТД, поэтому они широко используются в энергетике.

Рис. 16. Применение ГТД для привода генератора (через редуктор): 1- ГТД, 2 – трансмиссия, 3 – редуктор, 4 – генератор.

ГТД большой мощности (N > 60 МВт), работающие, как правило, в базовом режиме в составе мощных электростанций, выполняются исключительно по одновальной схеме.

В энергетике используется весь мощностной ряд ГТД от нескольких десятков кВт до 350 МВт.

2.3 Применение в морских условиях

В морских условиях ГТД применяются в составе силовых агрегатов гражданских морских судов и боевых кораблей различного класса: от быстроходных ракетных и патрульных катеров водоизмещением около 500 т до авианосцев и кораблей сопровождения водоизмещением до 50000 т. Газотурбинный силовой агрегат обычно включает один или несколько ГТД и редуктор для понижения частоты вращения и передачи мощности на гребной винт. При этом ГТД могут быть различной мощности. В этом случае двигатель меньшей мощности используется как маршевый для экономичного крейсерского хода, а большей мощности – как форсажный для обеспечения максимального боевого хода при совместной работе с маршевым двигателем. Применяются также силовые агрегаты смешанного типа с использованием дизеля в качестве маршевого двигателя.