Метрология / Том 1. Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы / 3-2-KonstruktivnyjeSkhemyNazemnyhMorskihGTD

3.2 - Конструктивные схемы наземных и морских ГТД

Рассмотренные в главе 1 типы наземных и морских ГТД могут быть выполнены с помощью различных конструктивных схем.

3.2.1 - Одновальные ГТД

Одновальная схема является классической для наземных ГТД и применяется во всем диапазоне мощности от 30 кВт до 350 МВт. По одновальной схеме могут быть выполнены ГТД простого и сложного циклов, в том числе и парогазовые установки (ПГУ).

Конструктивно одновальный наземный или морской ГТД аналогичен одновальным авиационным ТВД и вертолетным ГТД и включает компрессор, КС и турбину (см. Рис. 3.27).

Расширение газа в турбине одновального наземного ГТД происходит практически до атмосферного давления, поэтому мощность турбины значительно больше мощности компрессора, а избыточная мощность с вала ГТД передается потребителю. Вал отбора мощности может быть выполнен как со стороны компрессора, так и со стороны турбины (см. Рис. 3.27). Это обеспечивает большую гибкость при компоновке ГТД в составе различных объектов применения.

Одновальная схема проста по конструкции – она имеет минимальное количество опор, подшипников, уплотнений. В одновальных промышленных ГТД нет дорогостоящих узлов СТ и задней опоры, газовода между турбиной газогенератора

èСТ (см. Рис. 3.27), что существенно снижает стоимость ГТД.

Недостатки схемы обусловлены соединением вала турбокомпрессора ГТД и приводимого оборудования. При загрузке с переменной частотой вращения линии рабочих режимов компрессора одновального ГТД зависят от характера функции «мощность загрузки - частота вращения» (N = f(n)), а также от температуры на входе в ГТД. Это вызывает трудности регулирования ГТД, поддержания необходимых запасов устойчивости компрессора

èприемлемого температурного состояния двигателя. Недостатком одновальной схемы является также большая потребная мощность стартера.

По причине указанных особенностей одновальные ГТД в настоящее время практически не применяются для механического привода. В конце 1950-х…начале 1960-х г.г. они использовались на газопроводах, но затем были полностью заменены на ГТД со свободной турбиной. Основное приме-

нение ГТД одновальной схемы – это привод электрогенераторов с постоянной частотой вращения. Важнейшим преимуществом энергетических ГТД одновальной схемы является высокая точность поддержания частоты вращения, определяющая высокое качество электроэнергии. Запуск ГТД может осуществляться от приводимого генератора, работающего во время запуска в режиме электродвигателя.

При работе одновального ГТД в составе ПГУ или ГТУ-ТЭЦ выполняется регулирование (прикрытие) ВНА компрессора на дроссельных режимах для поддержания постоянной температуры газов на выхлопе ГТД, что благоприятно сказывается на к.п.д. парового контура и энергетической установки в целом.

3.2.2 - ГТД со свободной силовой турбиной

Схема ГТД со свободной СТ показана на Рис. 3.28. В этой схеме турбина разделена на два каскада. Первый каскад – ТВД – используется для привода компрессора, а второй каскад – свободная СТ – приводит нагрузку (нагнетатель, электрогенератор, насос и т.д.). ТВД и СТ механически не связаны и имеют возможность вращаться с различ- ной частотой. Компрессор, КС и ТВД образуют единый конструктивный модуль – газогенератор (турбокомпрессор ВД), который служит для пода- чи рабочего газа с заданными параметрами на свободную СТ. Частота вращения газогенератора определяется потребным расходом воздуха для обеспечения заданной мощности ГТД. Частота вращения СТ определяется нагрузкой.

Независимость частот вращения газогенератора и СТ обуславливают основные преимущества данной схемы:

-универсальность применения ГТД для привода различных нагрузок как с постоянной, так и с переменной частотой вращения;

-стабильность протекания линии рабочих режимов на характеристике компрессора при изменении условий загрузки СТ и атмосферных условий;

-меньшая потребная мощность пускового устройства.

Основными недостатками схемы со свободной СТ является усложнение и удорожание конструкции по сравнению с одновальной схемой (см. Рис. 3.31). А в случае привода электрогенератора

–также и меньшая точность поддержания частоты вращения СТ при резких колебаниях загрузки и напереходных режимах.

На Рис. 3.28 показан двигатель ГТУ-16П разработки ОАО «Авиадвигатель» мощностью 16 МВт, выполненный по схеме с СТ с выходом силового вала назад. Двигатель имеет высоконапорный однокаскадный компрессор со степенью сжатия π *Êmax = 23 в четырнадцати ступенях и трехступенчатую консольную свободную СТ. На этом же рисунке показан аналогичный по схеме двигатель ГТУ-4П мощностью 4 МВт с выходом силового вала вперед в сторону компрессора.

Âсвязи с общей тенденцией развития ГТД

âнаправлении повышения степени сжатия, а также сложностью разработки однокаскадных высоконапорных компрессоров, в настоящее время газогенератор (турбокомпрессор) часто выполняют двухвальным, аналогично двухвальному газогенератору ТРДД. Для промышленных ГТД со свободной СТ более точным будет использование термина «двухвальный турбокомпрессор», т.к. значительное количество наземных ГТД, конвертированных из авиационных ТРДД, созданы на базе одновального газогенератора и модифицированного каскада низкого

давления (КНД и ТНД) базового двигателя с добавлением вновь спроектированной СТ.

На Рис. 3.29 показаны примеры ГТД с двухкаскадным турбокомпрессором и СТ:

-двигатель ГТУ-25П мощностью 25 МВт разработки ОАО «Авиадвигатель», созданный на базе высоконапорного газогенератора и КНД гражданского ТРДД ПС-90А.

-ГТД Coberra 6000 в классе мощности 24…32 МВт, созданный на базе двухвального газогенератора трехвального гражданского ТРДД RB211-24G фирмы Rolls-Royce;

-ГТД LM1600 мощностью 14 МВт, созданный на базе газогенератора и модифицированного каскада низкого давления военного ТРДДФ F404 фирмы General Electric;

На базе трехвальных авиационных ТРДД возможно создание наземных ГТД со свободной СТ, имеющих трехвальный турбокомпрессор. На Рис. 3.30 показана принципиальная схема и продольный разрез единственного в мировой практике серийного промышленного ГТД, выполненного

по данной схеме. Это российский двигатель НК36СТ в классе мощности 25…30 МВт, разработанный в «СНТК им. Кузнецова» (г. Самара) на базе трехвального ТРДДФ НК-32.

Отмеченные выше существенные недостатки схемы ГТД со свободной СТ в энергетическом применении вынуждают разработчиков ГТД создавать для привода электрогенераторов одновальные модификации двигателей путем исключения узла СТ с задней опорой и подстановки дополнительной ступени к турбине газогенератора. Одновальную

èдвухвальную модификации имеют ГТД фирмы Solar (США) в классе мощности 2…13 МВт (модели Centaur 40, Taurus 60, Taurus 70, Titan130)

èфирмы Siemens (ФРГ) в классе мощности 4…7 МВт (модели Typhoon, Tornado). Схема подобной модернизации показана на Рис. 3.31 на примере проекта одновального ГТД ОАО «Авиадвигатель» на базе двигателя ГТУ-12П, выполненного по схеме со свободной турбиной.

Схема со свободной турбиной (с одновальным и двухвальным газогенератором) широко применяется в ГТД различного назначения. Она часто используется в ГТД, разработанных на базе авиационных, как правило – многовальных, прототипов. По данной схеме выполнено большое количество моделей ГТД в классе мощности от 0,5 до 51 МВт. Наибольшая мощность 51 МВт реализована в энергетическом ГТД фирмы General Electric LM5000STIG, работающем по циклу с впрыском пара.

3.2.3 - ГТД со «связанным» КНД

Схемы ГТД со «связанным» КНД показаны на Рис. 3.32. В отличие от рассмотренных выше схем со свободной турбиной, в которых количество каскадов турбины всегда на единицу больше, чем количество каскадов компрессора, в схеме со «связанным» КНД количество каскадов компрессора

èтурбины одинаково. Для привода КНД используется СТ, а ТНД отсутствует. Данная схема позволяет существенно удешевить многовальные ГТД из-за исключения одного каскада турбины, уменьшения количества опор, подшипников и уплотнений.

Схема со «связанным» КНД удобна для конверсии многовальных авиационных ТРДД с высокой степенью двухконтурности в промышленные ГТД, поскольку позволяет максимально использовать материальную часть базовых двигателей. В данном случае используется не только газогенератор, но и каскад НД базового двигателя с трансмиссией. КНД базового ТРДД (вентилятор и подпорные ступени) модифицируются для наземного применения, а турбина вентилятора используется

èкак силовая, и как привод КНД. Высокая степень унификации с базовым авиадвигателем позволяет дополнительно удешевить ГТД за счет увеличения серийности производства значительной части деталей или использования деталей базовых авиадвигателей, отработавших летный ресурс.

Схема со «связанным» КНД имеет возможность привода нагрузки как со стороны компрессо-

3.2.4 - Конструктивные особенности наземных ГТД различного назначения

В основном, ГТД механического привода в настоящее время выполняются по схемам со свободной турбиной, и, значительно реже – по схеме «со связанным» КНД. Для привода электрогенераторов используются все рассмотренные выше схемы. Однако, мощные энергетические ГТД (Ne > 60 МВт), которые используются на электростанциях, для поддержания частоты тока в сети

âбазовом режиме, как правило, выполняются по одновальной схеме.

Конструкция собственно двигателя, предназначенного для механического и энергетического привода, практически идентична. Отличия могут быть в конструкции трансмиссии, соединяющей ГТД с нагрузкой, в узлах крепления ГТД, в системе топливопитания (если предусматривается работа на различных видах топлива), в составе и расположении некоторых агрегатов систем двигателя,

âпрограммном обеспечении САУ.

ГТД, используемые в составе силовых агрегатов морских гражданских судов и военных кораблей, выполняются, в основном, по схемам со сво-

бодной СТ. Реже – со «связанным» КНД. В морских условиях используются как ГТД стационарного типа, так и ГТД, конвертированные из авиадвигателей. Конструкция морских ГТД должна удовлетворять ряду специфических требований:

-стойкость к коррозии в условиях агрессивной морской среды;

-способность выдерживать большие ударные нагрузки (для ГТД боевых кораблей);

-возможность работы на низкосортном жидком топливе;

-высокая экономичность не только на номинальном режиме, но и на глубоких дроссельных

режимах (0,2…0,3 от NÍÎÌ).

Возможно также требование реверсирования направления вращения свободной СТ.

В ГТД для морского применения используются коррозионностойкие материалы и покрытия, усиленные опоры и подшипниковые узлы. При работе на низкосортных сортах жидкого топлива используются системы топливоподготовки для удалений примесей ванадия, натрия, кальция, серы и др. Морские ГТД должны быть оборудованы эффективными системами очистки (промывки) газовоздушного тракта от солевых отло-

жений. При необходимости реверсирования направления вращения, СТ выполняется с двухярусными лопатками. Реверсирование осуществляется переключением потока газа за турбокомпрессором на внешний ярус СТ, лопатки которого спрофилированы для обеспечения обратного вращения СТ. Недостатком реверсивных турбин является снижение к.п.д. СТ и ГТД в целом на вентиляционные потери при прямом вращении ротора СТ.

Для удовлетворения требований экономичности на дроссельных режимах используются ГТД сложных циклов, например, с регенерацией тепла или с промежуточным охлаждением и регенерацией. Высокая экономичность на дроссельных режимах достигается поддержанием постоянно высокой температуры газа перед рекуператором путем поворота («прикрытия») соплового аппарата свободной СТ или ВНА компрессора (в одновальной схеме ГТД).

В СУ железнодорожных локомотивов ГТД чаще используются для привода электрогенераторов, питающих тяговые электродвигатели. Значи- тельно реже – для механического привода колес локомотива. В последнем случае используются ГТД со свободной СТ. Локомотивные ГТД могут быть стационарного и конвертированного типа, а их конструктивное исполнение не обладает особой спецификой, за исключением некоторых вспомогательных систем [3.2].

ГТД, наряду с дизельными двигателями, применяются для привода наземной боевой техники - танков, командно-штабных бронемашин и пр. Основная конструктивная особенность танковых ГТД – наличие мощной системы пылеочистки циклового воздуха, системы удаления пылевых отложений. Например, российский танковый двигатель ГТД-1000Т/ТФ мощностью 740…810 кВт разработки ГУНПП им. Климова (г. Санкт-Петербург) оборудован специальными пневмоударниками, которые позволяют двигателю пропустить за свой ресурс около 500 кг пыли без обслуживания воздухоочистителя. СТ ГТД-1000Т/ТФ выполнена с поворотным сопловым аппаратом для улучшения динамических характеристик ГТД, повышения экономичности на дроссельных режимах, а также для возможности работы СТ в режиме потребителя мощности (при торможении танка). Для повышения экономичности танковые ГТД могут выполняться с регенераторами тепла (см. Рис. 3.34).

Применение ГТД в автомобильном транспорте не нашло пока широкого применения из-за низкой экономичности на всех режимах (даже при использовании регенерации тепла) и худшей приемистости, несмотря на преимущества компактности, ма-

лого веса, многотопливности и др. по сравнению с традиционными карбюраторными и дизельными двигателями. Как правило, автомобильные ГТД выполняются по схеме со свободной СТ. Из-за малой размерности (Ne < 300 кВт) в конструкции широко используются радиальные турбомашины, а для повышения экономичности – регенераторы тепла.

3.2.5 - Конструктивные особенности ГТД сложных циклов

Из-за наличия дополнительных специфических узлов конструктивный облик ГТД сложных циклов существенно отличается от ГТД простого цикла. К таким узлам относятся - промежуточные охладители, теплообменники-рекуператоры, дополнительные КС, системы впрыска воды и пара в газовоздушный тракт ГТД и др.

ÃÒÄ регенеративного цикла имеет достаточно сложную систему трубопроводов подвода

èотвода воздуха и газа к рекуператору. Кроме этого меняется конструкция узла КС – вводятся фланцы отвода и подвода воздуха. ГТД регенеративного цикла достаточно широко применялись в 1950…1970 г.г. в классе мощности до 25 МВт. Поскольку ГТД первых поколений имели относительно низкую степень сжатия, применение регенерации тепла позволяло повысить их экономич- ность до 25%,. Регенеративный цикл используется в современных и перспективных малоразмерных ГТД - в них сложно реализовать высокую степень сжатия с высоким к.п.д. На Рис. 3.35 показан новейший одновальный энергетический ГТД с рекуператором мощностью 4,6 МВт фирмы Solar (США). Двигатель Mercury 50 имеет оригинальную компоновку узлов, обеспечивающую минимальную длину трубопроводов циклового воздуха, и выносную КС.

На Рис. 3.36 показан ГТД WR-21 мощностью 25 МВт фирмы Rolls-Royce с традиционной компоновкой узлов и системы отвода и подвода воздуха к рекуператору. Двигатель работает по более сложному циклу с промежуточным охлаждением

èрегенерацией тепла. WR-21 разработан для ВМФ США, имеет высокую экономичность не только на номинальном, но и на глубоких дроссельных режимах. Такая экономичность обеспечивается поддержанием постоянной температуры перед рекуператором при снижении мощности за счет регулирования («прикрытия») СА свободной СТ. Промежуточный охладитель выполнен в виде компактного воздушно-жидкостного теплообменника, расположенного между КНД и КВД по периметру вокруг двигателя.