Научно-технический прогресс газотурбинных установок магистральных газопроводов (стр. 5 из 10)
К ГТД морского применения могут быть отнесены также двигатели, предназначенные для привода промышленного и энергетического оборудования, но работающие в морских условиях – на морских платформах добычи нефти и газа или в прибрежной полосе. Такие ГТД должны удовлетворять ряду специфических требований, поскольку работают они в агрессивной морской среде. Класс мощности морских ГТД – от 0,5 до 50 МВт.
Кроме перечисленных выше основных объектов ГТД применяются также как двигатели наземных транспортных средств (локомотивов, автомобилей) и боевой техники (танков, бронемашин). Прорабатывается применение ГТД для городских трамваев.
Дополнительным эффектом использования ГТД может быть выработка сжатого воздуха, инертных газов, охлаждённого воздуха (в системах кондиционирования и промышленных холодильниках).
3. Основные типы наземных и морских ГТД
Наземные и морские ГТД различного назначения и класса мощности можно разделить на три основных технологических типа:
- стационарные ГТД;
- ГТД, конвертированные из авиадвигателей (авиапроизводные);
- микротурбины.
3.1 Стационарные ГТД
Двигатели этого типа разрабатываются и производятся на предприятиях энергомашиностроительного комплекса согласно требованиям, предъявляемым к энергетическому оборудованию:
- высокий ресурс (не менее 100000 ч) и срок службы (не менее 25 лет);
- высокая надёжность;
- ремонтопригодность в условиях эксплуатации;
- умеренная стоимость применяемых конструкционных материалов и ГСМ для снижения стоимости производства и эксплуатации;
- отсутствие жёстких габаритно-массовых ограничений, существенных для авиационных ГТД. Перечисленные требования сформировали облик стационарных ГТД, для которых характерны следующие особенности:
- максимально простая конструкция;
- использование недорогих материалов с относительно низкими характеристиками;
- массивные корпуса, как правило, с горизонтальным разъёмом для возможности выемки и ремонта ротора ГТД в условиях эксплуатации;
- конструкция камеры сгорания, обеспечивающая возможность ремонта и замены жаровых труб в условиях эксплуатации;
- использование подшипников скольжения.
Рис. 17. Стационарный ГТД (модель M501F фирмы Mitsubishi Н. I.) мощностью 150 МВт
Типичный стационарный ГТД показан на рис. 17. В настоящее время ГТД стационарного типа используются во всех областях применения наземных и морских ГТД в широком диапазоне мощности от 1 МВт до 350 МВт.
На начальных этапах развития в стационарных ГТД применялись умеренные параметры цикла. Это объяснялось некоторым технологическим отставанием от авиационных двигателей из-за отсутствия мощной государственной финансовой поддержки, которой пользовалась авиадвигателестроительная отрасль во всех странах-производителях авиадвигателей. С конца 1980-х гг. началось широкое внедрение авиационных технологий при проектировании новых моделей ГТД и модернизации действующих. К настоящему времени мощные стационарные ГТД по уровню термодинамического и технологического совершенства вплотную приблизились к авиационным двигателям при сохранении высокого ресурса и срока службы.
3.2 Наземные и морские ГТД, конвертированные из авиадвигателей
ГТД данного типа разрабатываются на базе авиационных прототипов на предприятиях авиадвигателестроительного комплекса с использованием авиационных технологий. Промышленные ГТД, конвертированные из авиадвигателей, начали разрабатываться вначале 1960-х гг., когда ресурс гражданских авиационных ГТД достиг приемлемой величины (2500...4000 ч.). Первые промышленные установки с авиаприводом появились в энергетике в качестве пиковых или резервных агрегатов.
Дальнейшему быстрому внедрению авиапроизводных ГТД в промышленность и транспорт способствовали:
- более быстрый прогресс в авиадвигателестроении по параметрам цикла и повышению надежности, чем в стационарном газотурбостроении;
- высокое качество изготовления авиационных ГТД и возможность организации их централизованного ремонта;
- возможность использования авиадвигателей, отработавших летный ресурс, с необходимым ремонтом для эксплуатации на земле;
- преимущества авиационных ГТД – малая масса и габариты, более быстрый пуск и приемистость, меньшая потребная мощность пусковых устройств, меньшие потребные капитальные затраты при строительстве объектов применения.
При конвертации базового авиационного двигателя в наземный или морской ГТД в случае необходимости заменяются материалы некоторых деталей холодной и горячей частей, наиболее подверженных коррозии. Так, например, магниевые сплавы заменяются на алюминиевые или стальные, в горячей части применяются более жаростойкие сплавы с повышенным содержанием хрома. Камера сгорания и система топливопитания модифицируются для работы на газообразном топливе или под многотопливный вариант. Дорабатываются узлы, системы двигателя (запуска, автоматического управления (САУ), противопожарная, маслосистема и др.) и обвязка для обеспечения работы в наземных и морских условиях. При необходимости усиливаются некоторые статорные и роторные детали.
Объем конструктивных доработок базового авиадвигателя в наземную модификацию в значительной степени определяется типом авиационного ГТД. Например, при использовании ТРД - обязательна разработка свободной силовой турбины (СТ) или подстановка дополнительных ступеней к существующей турбине. При использовании ТРДД, имеющих, как минимум, по два каскада компрессора и турбины, возможна конвертация в наземные и морские ГТД различных схем: с однокаскадным газогенератором и свободной СТ; с двухкаскадным двухвальным газогенератором и свободной СТ; со "связанным" КНД. В первом и последнем вариантах возможно использование турбины вентилятора базового авиадвигателя в качестве силовой.
Пример конвертированного ГТД показан на рис. 18, а сравнение конвертированного ГТД и ГТД стационарного типа одного класса мощности показано на рис. 19.
Авиационные ТВД и вертолетные ГТД функционально и конструктивно более других авиадвигателей приспособлены для работы в качестве наземных ГТД. Они фактически не требуют модификации турбокомпрессорной части (кроме камеры сгорания).
Первым массовым конвертированным ГТД стал ТРД Avon фирмы Rolls-Royce, устанавливавшийся на самолетах "Каравелла". С 1964 г. "Avon" используется как газогенератор для стационарной СТ производства фирмы Cooper Bessemer. По аналогичной схеме впоследствии был конвертирован двухвальный газогенератор ТРДД RB211-24G. Мощность ГТУ, получивших обозначение Coberra 2000 и Coberra 6000, составила 14,5 и 27 МВт соответственно.
Рис. 18. ГТД, конвертированный из авиадвигателя (модель LM2500 фирмы General Electric мощностью 23 МВт на базе ТРДД CF6-6)
Рис. 19. Сравнение типичных конструкций ГТД, конвертированного из авиадвигателя и ГТД стационарного типа одного класса мощности (25 МВт, фирма GE): 1 - тонкие корпуса; 2 - подшипники качения; 3 - выносные КС; 4 - массивные корпуса; 5 - подшипники скольжения; 6 - горизонтальный разъем.
В СССР в 1970-е годы был разработан наземный ГТД НК-12СТ на базе одновального авиационного ТВД НК-12, который эксплуатировался на самолетах ТУ-95, ТУ-114 и АН-22. Конвертированный двигатель НК-12СТ мощностью 6,3 МВт был выполнен со свободной СТ и работает в составе многих ГПА и по сей день.
В настоящее время конвертированные авиационные ГТД различных производителей широко используются в энергетике, промышленности, в морских условиях и на транспорте. Мощностной ряд – от нескольких сотен киловатт до 50 МВт.
Данный тип ГТД характеризуется наиболее высоким эффективным КПД при работе в простом цикле, что обусловлено высокими параметрами и эффективностью узлов базовых авиадвигателей. ГТД LM6000PC фирмы General Electric и TRENT фирмы Rolls-Royce имеют эффективный КПД на валу СТ
. ГТД TRENT к настоящему времени является наиболее мощным двигателем данного типа Ne = 52,6 МВт.4. Основные мировые производители ГТД
В данном разделе дается краткий обзор крупнейших зарубежных и российских разработчиков, производителей авиационных, наземных и морских ГТД. Указываются марки наиболее массовых моделей ГТД и перспективные проекты.
Дженерал электрик
General Electric (GE), США. Крупнейший мировой производитель авиационных, наземных и морских ГТД. Отделение компании General Electric Aircraft Engines (GE AE) в настоящее время занимается разработкой и производством авиационных ГТД различных типов - ТРДД, ТРДДФ, ТВД и вертолетных ГТД. Диапазон тяг и мощностей этих двигателей очень широк: ТРДД - от 40 до 512 кН, ТРДДФ - от 80 до 190 кН, ТВД и вертолетные ГТД - от 900 до 3500 кВт. GE АЕ участвует в совместных программах. Так, с французской компанией Snecma разрабатывается и производится семейство ТРДД CFM56, с фирмой Pratt & Whitney действует программа ТРДД GP7000, с компанией Honeywell - программа ТРДД CFE738.
К наиболее массовым серийным авиационным двигателям и перспективным проектам можно отнести:
- ТРД - J85, J79;
- ТВД и вертолетные ГТД - СТ7, Т58, Т700;
- ТРДД - TF39, CF6-6, CF6-50, CF6-80C2, GE90, CF34, CFM56 (совместно с Snecma);
- ТРДДФ - F101, F110, F404, F414, F120 (двигатель 5-го поколения с элементами ДИЦ).
Отделение компании General Electric Energy разрабатывает и производит авиапроизводные стационарные ГТД для энергетического, механического и морского привода в диапазоне мощности от 2 до 300 МВт. Также это отделение осуществляет маркетинг и поставки всех типов наземных и морских ГТД фирмы GE.