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 ηэл= 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 ηэл= 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.

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.

Промышленные и морские ГТД представлены следующим рядом моделей:

- ГТД, конвертированные из авиадвигателей - LM500, LM1600, LM2000, LM2500, LM2500+, LM5000, LM6000;

- стационарные ГТД - PGT5, PGT10, PGT25, MS5000, MS6000, MS7000, MS9000.

Пратт энд Уитни

Pratt & Whitney (PW), США. Входит в состав компании United Technologies Corporations (UTC). В настоящее время PW занимается разработкой и производством авиационных ТРДД средней и большой тяги: гражданских ТРДД тягой от 70 до 440 кН и военных ТРДДФ в классе тяги 100... 170 кН. PW участвует в международной программе ТРДД V2500, совместно с GE - в программе ТРДД GP7000.

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРД (Ф) - J57, J75, J58;

- ТРДД - J52, JT3D, JT8D, JT9D, PW2000,

- PW4000, PW6000 (опытный), PW8000 (проект ТРДД с редуктором и сверхвысокой степенью двухконтурности), ADP (опытный ТВВД с закапотированным ВВ);

- ТРДДФ - TF3 0, F100, F119, РW7000 (перспективный проект на базе программы IHРТЕТ), подъемно-маршевый ТРДДФ F13 5.

Отделение фирмы Pratt & Whitney Power Systems производит конвертированные наземные и морские ГТД на базе авиадвигателей PW и PWC мощностью от 0,4 до 28 МВт.

Наземные и морские ГТД представлены следующим рядом моделей: ST5, ST6L, ST18A, ST30, ST40, FT8.

Пратт энд Уитни Канада

Pratt & Whitney Canada (PWC), (Канада). Также входит в состав компании UTC в группу PW. PWC занимается разработкой и производством малоразмерных ТРДД, ТВД и вертолетных ГТД. Большинство ТРДД находятся в классе тяги 10...33 кН. Проект новейшего ТРДД PW800 рассчитан на класс тяги 44...84 кН. Разработаны и разрабатываются ТВД и вертолетные ГТД мощностью от 400 до 3800 кВт.

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРДД - JT15D, PW300, PW500, PW800 (проект ТРДД с редукторным приводом вентилятора);

- ТВД и вертолетные ГТД - РТ6А, PW100, PW200.

Ряд конвертированных из базовых ТВД и вертолетных ГТД промышленных двигателей мощностью 400.. .4000 кВт.

Роллс-Ройс

Rolls-Royce (Великобритания). Компания Rolls-Royce (RR) в настоящее время разрабатывает и производит широкий спектр ГТД авиационного, наземного и морского применения - гражданские ТРДД в диапазоне тяг от 60 до 420 кН, ТВД и вертолетные ГТД мощностью от 600 до 4500 кВт, а также подъемно-маршевые двигатели семейства Pegasus в классе тяги 95... 106 кН.

RR принимает долевое участие во многих европейских и международных программах:

- в разработке и производстве военных ТРДДФ RB199, EJ200, подъемного вентилятора для СУ истребителя JSF;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5