Метрология / Том 1. Общие сведения. Основные параметры и требования. Конструктивные и силовые схемы / 2-4-Osobennosti_trebovanij_k_GTD

-воздушный винт (ВВ);

-вспомогательный двигатель (ВД).

Êкомпонентам II класса относятся части конструкции планера воздушного судна, работоспособность которых влияет на летную годность (фюзеляж, крыло, секции механизации крыла, шасси, механическая система управления и др.).

Êкомпонентам III класса относятся комплектующие изделия (КИ), которыми являются любые готовые изделия (механизмы, агрегаты, приборы, блоки и др.), устанавливаемые на воздушное судно, АМД, ВВ, ВД.

Для обеспечения безопасности полетов к воздушному судну и его компонентам предъявляется комплекс требований по обеспечению летной годности. НЛГ авиационных двигателей приведены

âÀÏ–33 [2.4]. Они содержат требования к проектированию и конструированию узлов и систем двигателя по обеспечению прочности, надежности и безопасности, а также комплекс стендовых и летных испытаний по проверке выполнения требований НЛГ.

Кроме требований летной годности воздушные суда и их компоненты должны выполнять требования по охране окружающей среды согласно действующим ограничениям выбросов вредных веществ

âатмосферу (окиси углерода СО, несгоревших уг-

леводородов НС, окислов азота NOX, а также дыма CN) и уровня шума, создаваемого самолетом на местности во время взлета и посадки.

Работы по установлению соответствия воздушного судна и его компонентов требованиям по обеспечению летной годности и охране окружающей среды называются сертификацией. Компоненты воздушного судна сертифицируются либо в его составе (компоненты III класса), либо на начальном этапе самостоятельно, а затем — в составе воздушного судна (компоненты I и II класса).

Сертификации также подвергаются предприятия и организации, разрабатывающие и производящие авиационную технику.

Государственным компетентным органом, осуществляющим нормирование летной годности, процедуры сертификации и выдающим соответствующие сертификаты на образцы авиационной техники является Авиационный Регистр МАК, который действует на территории государств–учре- дителей МАК: в Азербайджане, Армении, Беларуси, Грузии, Казахстане, Кыргызстане, Молдове, Таджикистане, Узбекистане, Российской Федерации, Туркменистане и Украине.

Процедуры сертификации авиационной техники приведены в АП–21. После проведения сертификации двигателя Разработчик получает от

Авиационного Регистра МАК Сертификат типа на двигатель.

2.4 - Особенности требований к ГТД наземного применения

В данном разделе рассматриваются особенности требований к наземным ГТД, используемым

âкачестве привода нагнетателей природного газа

âсоставе ГПА и для привода электрогенераторов

âсоставе ГТЭС различного типа.

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.

2.4.1 - Особенности требований к приводным ГТД для ГПА

2.4.1.1 - Требования к характеристикам ГТД

Основными характеристиками ГТД, определяющими его размерность и техническое совершенство являются номинальная мощность на выходном валу (Nå ÍÎÌ) и эффективный к.п.д. (η å) на режиме номинальной мощности.

Nå ÍÎÌ – это максимальная длительная мощность в определенных стандартных условиях (см. ниже), при которой обеспечиваются заявленные показатели ресурса, надежности и экономичности. Nå ÍÎÌ è η å определяются для двух условий: условий по ISO 2314 и станционных условий.

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 двигате-

ля и сравнения его с ближайшими аналогами. Станционные условия отличаются от условий

ISO учетом потерь полного давления во входном

èвыхлопном устройствах ГПА, которые обычно не превышают 1000 Па (100 мм вод.ст.).

Номинальная мощность должна обеспечи- ваться 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 к.п.д. проектируемых ГТД должен соответствовать современному техническому уровню или быть выше. Значения к.п.д. современных серийных ГТД для различных классов мощности приведены в таблице 2.8 [2.5].

Примечание: показатели относятся к серийной товарной продукции мирового рынка простого

èрегенеративного цикла и не относятся к установкам сложных и комбинированных циклов. Перспективные разработки и прототипы могут иметь к.п.д. 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 к.п.д.

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 слу- чае значительного снижения мощности ГТД при сильной загрязненности воздуха.

2.4.1.2 - Требования к ресурсам и надежности

Класс использования ГТД для ГПА, как правило, базовый:

-время работы свыше 6000 час/год,

-число пусков не менее 20 в год,

-время непрерывной работы — более 300 час/

ïóñê.

Срок службы ГТД – не менее 20 лет. Ресурсы:

-назначенный — не менее 100000 час;

-межремонтный — 20000…25000 час. Назначенный ресурс газогенератора ГТД, кон-

вертированного 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:

Таблица 2.8

×ОТКАЗ – количество отказов. Нормируемое значение ÒОТКАЗ ≥ 3500 ÷àñ.

б) коэффициент надежности пусков:

ÊÍÏ=Ï/ÏÎÁÙ,

ãäå Ï – количество удавшихся пусков; ÏÎÁÙ – общее количество пусков с учетом

неудавшихся. Нормируемое значение ÊÍÏ ≥ 0,95.

в) коэффициент готовности:

ланированный на время простоев,ч. Нормируемое значение ÊÒÈ ≥ 0,9.

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

ными 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.

2.4.1.4 - Используемые ГСМ

Âкачестве 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 каче- стве 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.

Âсистемах 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.

2.4.1.3 - Требования к габаритам

èвесовым характеристикам

Âотличие 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 обыч-

2.4.1.5 - 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 °С, давлении 0,1013 МПА и условной концентрации кислорода

15%):

–для вновь проектируемых ГТД – не более

50ìã/ì3;

–для модернизируемых ГТД – не более

150ìã/ì3; Содержание оксидов углерода — не более

100ìã/ì3.

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.

2.4.1.6 - Требования производственной и эксплуатационной технологичности

Требования производственной и эксплуатационной технологичности для промышленных ГТД в целом аналогичны требованиям к авиационным ГТД.

2.4.2 - Особенности требований к ГТД энергетических установок

2.4.2.1 - Требования к характеристикам ГТД

Основными характеристиками энергетических ГТД, также как и ГТД механического привода, Nå ÍÎÌ è η å на режиме номинальной мощности, которые обычно указываются в стандартных условиях ISO (см. раздел 2.4.1). При проектировании конкретных энергетических объектов используются параметры ГТД в станционных условиях с учетом

потерь полного давления на входе и выхлопе, отборов воздуха и мощности на нужды станции согласно требований заказчика.

Энергетические ГТД могут работать в различ- ных условиях в соответствии с классами использования, которые отличаются суммарным временем работы и числом запусков в течение года. Выделяемые по ГОСТ 29328 классы использования энергетических ГТД представлены в таблице 2.9 [2.6].

Класс использования ГТД, определяющий количество циклов «запуск – нагружение – работа под нагрузкой – разгружение – останов», должен учи- тываться при проектировании ГТД и определении его ресурса.

ГТД должен надежно работать с мощностью до 20 % выше номинальной при больших отрицательных температурах атмосферного воздуха, но без превышения номинальной температуры газа перед турбиной.

Âпериоды резкого возрастания потребности

âэлектроэнергии ГТД может работать в так называемом «пиковом» режиме (не путать с пиковым классом использования). Пиковый режим допускает превышение номинальной мощности до 10% за счет некоторого увеличения температуры газа перед турбиной выше номинального значения. Допустимая величина превышения номинальной мощности в пиковом режиме, время работы и соответствующее снижение ресурса ГТД согласовывается с заказчиком и оговаривается в техническом задании (ТЗ) на двигатель.

Âпроцессе эксплуатации ГТД в течение межремонтного периода допускается снижение мощности до 4 %, а к.п.д. до 2 % (относительных).

2.4.2.2 - Используемые ГСМ

Энергетические ГТД должны работать на газообразном или жидком виде топлива или на обоих видах топлива. Вид и состав топлива, условия перехода двигателя с одного топлива на другое оговариваются в ТЗ на ГТД.

В качестве газообразного топлива обычно используется природный газ. Могут использоваться также попутный газ нефтяных месторождений, синтетический газ, низкокалорийные газы (биогаз, доменный газ и др.). В качестве жидкого топлива используется дизельное топливо (ГОСТ 305) или газотурбинное топливо (ГОСТ 10433). Газообразное и жидкое топливо перед подачей в камеру сгорания ГТД должно быть подготовлено.

Требования к используемым маслам не отли- чаются от аналогичных требований для ГТД механического привода (см. раздел 2.4.1).

2.4.2.3 - Требования к ресурсам и надежности

Ресурсы ГТД согласно ГОСТ 29328 должны быть не менее указанных в таблице 2.10.

Ресурсы энергетических ГТД учитываются, как правило, в эквивалентных часах. При расчете наработки ГТД в эквивалентных часах за эталонный режим обычно берется номинальный режим при работе на природном газе (т.е., один час работы на данном режиме равен одному эквивалентному часу). При нерасчетных условиях работы каждый час наработки рассчитывается с определенным повышающим коэффициентом, который учитывает повышенную повреждаемость деталей ГТД при работе в нерасчетных условиях (см. таблицу 2.11) [2.7].

Конкретные значения указанных в таблице коэффициентов определяет разработчик ГТД в процессе проектирования и доводки.

В течение межремонтного периода показатели надежности ГТД должны составлять:

1) средняя наработка на отказ:

-в пиковом классе использования – не менее 800 час;

-в базовом классе использования – не менее 3500 час;

2) коэффициент надежности пусков – не менее 0,95;

3 ) коэффициент готовности – не менее 0,98;

4 ) коэффициент технического использования:

-для стационарных ГТД – не менее 0,92;

-для авиапроизводных ГТД – не менее 0,95.

2.4.2.4 - Требования к экологии и безопасности

Как правило, энергетические объекты располагаются внутри населенных пунктов или в их непосредственной близости. Это определяет жесткие требования к экологическим характеристикам энергетических ГТД и их контроль. Содержание оксидов азота в отработавших газах ГТД при работе с нагрузкой от 0,5 до 1,0 номинальной не должна превышать 50 мг/м3 на газообразном топливе и 100 мг/м3 на жидком топливе.

Требования к безопасности, в основном, аналогичны рассмотренным выше требованиям к ГТД механического привода.

2.4.2.5 - Требования к контролепригодности, ремонтопригодности и др.

Конструкция ГТД должна обеспечивать максимально возможный визуальный и инструментальный контроль критических и наиболее ответ-

Таблица 2.10 Ресурсы энергетических ГТД

Таблица 2.11 Определение эквивалентной наработки

энергетических ГТД.

ственных элементов и узлов без разборки или при незначительной разборке.

Конструкция ГТД должна обеспечивать мак- симально–возможный объем ремонтно–восстано- вительных работ без демонтажа двигателя в условиях электростанции. Мощные энергетические ГТД обязательно выполняются с полным горизонтальным разъемом для возможности выемки и ремонта ротора ГТД в условиях эксплуатации.

К габаритным и массовым характеристикам энергетических ГТД, как правило, не предъявляется жестких требований. В основном эти ограни- чения связаны с необходимостью транспортировки ГТД и его элементов обычными транспортными средствами, а также с использованием для монтажа двигателя на месте эксплуатации обычных грузоподъемных механизмов.

2.5 - Методология проектирования

2.5.1 - Основные этапы проектирования ГТД

Разработка новых изделий в современном авиационном двигателестроении, как правило, выполняется в несколько этапов:

-разработка технического задания (ТЗ);

-разработка технического предложения;

-выполнение эскизного проекта;

-выполнение технического проекта;

-разработка конструкторской документации.

2.5.1.1 - Техническое задание

Техническое задание (ТЗ) – это конструкторский документ, в котором представлена совокупность технических, экономических, экологических требований к вновь создаваемому изделию.

ТЗ состоит из следующих основных разделов:

-наименование и назначение двигателя;

-основные технические характеристики двигателя;

-требования по экологическим показателям (эмиссия, шум);

-технико-экономические требования;

-показатели надежности;

-требования по ресурсам основных деталей;

-состав двигателя, требования к отдельным модулям и узлам;

-требования к системам и комплектующим изделиям;

-требования к сертификации двигателя и его систем;

-требования к материалам (климатическому исполнению двигателя);

-требования по эксплуатационной технологичности, удобству технического обслуживания, ремонта и хранения;

-требования по консервации, сроку хранения

èслужбы;

-требования по транспортировке готовых двигателей.

На базе ТЗ разрабатывается техническое предложение и осуществляются этапы эскизного и технического проекта. Государственная или ведомственная приемка готового изделия проводится с целью проверки соответствия изделия заявленным в ТЗ требованиям.

2.5.1.2 – Техническое предложение

Техническое предложение – это совокупность конструкторских документов, которые должны содержать технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки документации двигателя на основании:

-анализа ТЗ заказчика;

-анализа различных вариантов возможных решений;

-сравнительной оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей разрабатываемого и существующих двигателей;

-патентных исследований.

Техническое предложение после согласования

èутверждения в установленном порядке является основанием для разработки эскизного проекта. В общем случае при разработке технического предложения выполняют следующие работы:

-разработку вариантов возможных конструктивных решений, установление особенностей вариантов (принципов действия, размещения функциональных составных частей и т.п.), их конструкторскую проработку. Глубина такой проработки должна быть достаточной для сравнительной оценки вариантов;

-проверку вариантов на патентную чистоту

èконкурентоспособность, оформление заявок на изобретения;

-проверку соответствия вариантов экологи- ческим требованиям;

-сравнительную оценку вариантов. Сравнение проводится по показателям качества изделия, например: надежности, техническим, экономическим, эргономическим параметрам. Сопоставление вариантов может проводиться также по показателям технологичности (ориентировочной удельной трудоемкости изготовления, ориентировочной