ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Лекция 1

1.1. Введение

В современной технике разработано и используется множество различных типов двигателей.

В данном пособии рассматривается лишь один тип - газотурбинные двигатели (ГТД), т.е. двигатели, имеющие в своем составе компрессор, камеру сгорания и газовую турбину.

ГТД широко применяются в авиационной, наземной и морской технике. На рис. 1.1 показаны основные объекты применения современных ГТД.

Рис. 1.1. Классификация ГТД по назначению и объектам применения

В настоящее время в общем объеме мирового производства ГТД в стоимостном выражении авиационные двигатели составляют около 70 %, наземные и морские - около 30 %. Объем производства наземных и морских ГТД распределяется следующим образом:

- энергетические ГТД ~ 91 %;

- ГТД для привода промышленного оборудования и наземных транспортных средств ~ 5 %;

- ГТД для привода судовых движителей ~ 4 %.

В современной гражданской и военной авиации ГТД практически полностью вытеснили поршневые двигатели и заняли доминирующее положение.

Их широкое применение в энергетике, промышленности и транспорте стало возможным благодаря более высокой энергоотдаче, компактности и малому весу по сравнению с другими типами силовых установок.

Высокие удельные параметры ГТД обеспечиваются особенностями конструкции и термодинамического цикла. Цикл ГТД, хотя и состоит из тех же основных процессов, что и цикл поршневых двигателей внутреннего сгорания, имеет существенное отличие. В поршневых двигателях процессы происходят последовательно, один за другим, в одном и том же элементе двигателя - цилиндре. В ГТД эти же процессы происходят одновременно и непрерывно в различных элементах двигателя. Благодаря этому в ГТД нет такой неравномерности условий работы элементов двигателя, как в поршневом, а средняя скорость и массовый расход рабочего тела в 50...100 раз выше, чем в поршневых двигателях. Это позволяет сосредоточить в малогабаритных ГТД большие мощности.

Авиационные ГТД по способу создания тягового усилия относятся к классу реактивных двигателей, классификация которых показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Классификация реактивных двигателей.

Ко второй группе относятся воздушно-реактивные двигатели (ВРД), для которых атмосферный воздух является основным компонентом рабочего тела, а кислород воздуха используется как окислитель. Задействование воздушной среды позволяет значительно сократить запас рабочего тела и повысить экономичность двигателя.

Газотурбинные ВРД, получившие свое название из-за наличия турбокомпрессорного агрегата, имеющего в своем составе газовую турбину как основной источник механической энергии.

Реактивные двигатели, в которых вся полезная работа цикла затрачивается на ускорение рабочего тела, называются двигателями прямой реакции. К ним относятся ракетные двигатели всех типов, комбинированные двигатели, прямоточные и пульсирующие ВРД, а из группы ГТД - турбореактивные двигатели (ТРД) и двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Если же основная часть полезной работы цикла в виде механической работы на валу двигателя передается специальному движителю, например воздушному винту, то такой двигатель называется двигателем непрямой реакции. Примерами двигателей непрямой реакции являются турбовинтовой двигатель (ТВД) и вертолетный ГТД.

Классическим примером двигателя непрямой реакции может служить также поршневая винтомоторная установка. Качественного отличия по способу создания тягового усилия между ней и турбовинтовым двигателем нет.

1.2. ГТД наземного и морского применения

Параллельно с развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и на транспорте. B1939r. швейцарская фирма A.G. Brown Bonery 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 разработки этой же фирмы. С конца 1940-хгг. ГТД начинают применяться для привода морских судовых движителей, а с конца 1950-х гг. - в составе газоперекачивающих агрегатов 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. 1.3;

- 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.

Рис. 1.3. Сравнение габаритных размеров ГТД и дизельного двигателя мощностью 3 МВт

Основным недостатком первых моделей на земных 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.

1.3. Области применения наземных ГТД

1.3.1. 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. 1.4).

Рис. 1.4. Применение ГТД для прямого привода нагнетателя природного газа:

1 — ГТД; 2 — трансмиссия; 3 — нагнетатель

ГТД используются также для привода насосов, технологических компрессоров, воздуходувок на предприятиях нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и металлургической промышленности. Мощностной диапазон ГТД от 0,5 до 50 МВт.

Основная особенность перечисленного при водимого оборудования - зависимость потребляемой мощности N от частоты вращения n (обычно близкая к кубической: N~n3), температуры и давления нагнетаемых сред. Поэтому ГТД механического привода должны быть приспособлены к работе с переменными частотой вращения и мощностью. Этому требованию в наибольшей степени отвечает схема ГТД со свободной силовой турбиной. Различные схемы наземных ГТД будут рассмотрены ниже.

1.3.2. Привод электрогенераторов

ГТД для привода электрогенераторов рис. 1.5 используются в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС) простого цикла и конденсационных электростанций комбинированного парогазового цикла (ПГУ), вырабатывающих «чистую» электроэнергию, а также в составе когенерационных установок производящих совместно электрическую и тепловую энергию.

Рис. 1.5. Применение ГТД для привода генератора (через редуктор):

1 - ГТД; 2 - трансмиссия; 3 - редуктор; 4 – генератор.

Современные ГТЭС простого цикла, имеющие относительно умеренный электрический КПД 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 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 которой зависит качество вырабатываемого тока. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют одновальные ГТД, поэтому они широко используются в энергетике. ГТД большой мощности (N>60 МВт), работающие, как правило, в базовом режиме в составе мощных электростанции, выполняются исключительно по одновальной схеме.

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

1.3.3. Основные типы наземных ГТД

Наземные ГТД различного назначения и класса мощности можно разделить на три основных технологических типа:

- стационарные ГТД;

- ГТД, конвертированные из авиадвигателей (авиапроизводные);

- микротурбины.

1.3.3.1. Стационарные ГТД

Двигатели этого типа разрабатываются и производятся на предприятиях энергомашиностроительного комплекса согласно требованиям, предъявляемым к энергетическому оборудованию:

- высокий ресурс (не менее 100 000 час) и срок службы (не менее 25 лет);

- высокая надежность;

- ремонтопригодность в условиях эксплуатации;

- умеренная стоимость применяемых конструкционных материалов и ГСМ для снижения стоимости производства и эксплуатации;

- отсутствие жестких 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 разъемом 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.

Типичный стационарный ГТД показан на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Стационарный ГТД (модель M501F фирмы Mitsubishi)

мощностью 150 МВт.

В настоящее время ГТД стационарного типа используются во всех областях применения наземных 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 г.г. 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.

1.3.3.2. Наземные ГТД, конвертированные из авиадвигателей

ГТД данного типа разрабатываются на базе авиационных прототипов на предприятиях авиа-двигателестроительного комплекса с использованием авиационных технологий. Промышленные ГТД, конвертированные из авиадвигателей, начали разрабатываться вначале 1960-x г.г., когда ресурс гражданских авиационных ГТД достиг приемлемой величины (2500...4000ч.).

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 вавиадвигателестроении 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 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 условиях. При необходимости усиливаются некоторые статорные и роторные детали.

Объем конструктивных доработок базового авиадвигателя в наземную модификацию в значительной степени определяется типом авиационного ГТД.

Сравнение конвертированного ГТД и ГТД стационарного типа одного класса мощности показано на рис. 1.7.

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).

В 1970-е годы был разработан наземный ГТД HK-12CT на базе одновального авиационного ТВД HK-12, который эксплуатировался на самолетах ТУ-95, ТУ-114 и АН-22. Конвертированный двигатель HK-12CT мощностью 6,3 МВт был выполнен со свободной CT 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.

Рис. 1.7. Сравнение типичных конструкций ГТД, конвертированного из авиадвигателя и ГТД стационарного типа одного класса мощности 25 МВт:

1 — тонкие корпуса; 2 — подшипники качения; 3 — выносные КС;

4 — массивные корпуса; 5 — подшипники скольжения; 6 — горизонтальный разъем

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.

1.3.3.3. Микротурбины

В 1990-е годы за рубежом начали интенсивно разрабатываться энергетические ГТД сверхмалой мощности (от 30 до 200 кВт), названные микротурбинами.

Примечание: необходимо иметь ввиду, что в зарубежной практике терминами «турбина», «газовая турбина» обозначается как отделъный узел турбины, так и ГТД в целом).

Особенности микротурбин обусловлены их исключительно малой размерностью и областью применения. Микротурбины используются в малой энергетике в составе компактных когенерационных установок (ГТУ-ТЭЦ) как автономные источники электрической и тепловой энергии. Микротурбины имеют максимально простую конструкцию - одновальная схема и минимальное количество деталей рис.1.8.

Рис. 1.7. Микротурбина (модель ТА-60 фирмы Elliot Energy Systems мощностью 60 кВт)

Используются одноступенчатый центробежный компрессор и одноступенчатая центростремительная турбина, выполненные в виде моноколес. Частота вращения ротора из-за малой размерности достигает 40000...120 000 об/мин, поэтому применяются керамические и газостатические подшипники. Камера сгорания выполняется многотопливной и может работать на газообразном и жидком топливе.

Конструктивно ГТД максимально интегрируется в энергетическую установку: ротор ГТД объединяется на одном валу с ротором высокочастотного электрического генератора.

КПД микротурбин в простом цикле составляет 14...18 %. Для повышения эффективности часто используются регенераторы тепла выхлопных газов. КПД микротурбины в регенеративном цикле достигает 28...32 %.

Относительно низкая экономичность микротурбин объясняется малой размерностью и невысокими параметрами цикла, которые применяются в данном типе ГТД для упрощения и удешевления установок. Поскольку микротурбины работают в составе когенерационных установок (ГТУ-ТЭЦ), низкая экономичность ГТД компенсируется повышенной тепловой мощностью, вырабатываемой мини «ГТУ-ТЭЦ» за счет тепла выхлопных газов.

Коэффициент использования тепла топлива в этих установках достигает 80 %.

1.4. Основные мировые производители ГТД

General Electric, США. Компания General Electric (GE) - 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.

Pratt & Whitney, США. ФирмаРгай & Whitney (PW) входит в состав компании United Technologies Corporations (UTC). В настоящее время PW занимается разработкой и производством авиационных ТРДД средней и большой тяги.

Pratt & Whitney Canada, (Канада). Фирма Pratt & Whitney Canada (PWC) также входит в состав компании UTC в группу PW. PWC занимается разработкой и производством малоразмерных ТРДД, ТВД и вертолетных ГТД.

Rolls-Royce (Великобритания). Компания Rolls-Royce в настоящее время разрабатывает и производит широкий спектр ГТД авиационного, наземного и морского применения.

Honeywell (США). Компания Honeywell занимается разработкой и производством авиационных ГТД - ТРДД и ТРДДФ в малом классе тяги, ТВД и вертолетных ГТД.

Snecma (Франция). Компания занимается разработкой и производством авиационных ГТД - военных ТРДДФ и гражданских ТРДД совместно с компанией GE. Совместно с фирмой Rolls-Royce разрабатывала и производила ТРДФ «Олимп».

Turbomeca (Франция). Фирма Turbomeca в основном разрабатывает и выпускает ТВД и вертолетные ГТД малой и средней мощности.

Siemens (Германия). Профилем этой крупной фирмы являются стационарные наземные ГТД для энергетического и механического привода и морского применения в широком диапазоне мощности.

Alstom (Франция, Великобритания). Компания Alstom разрабатывает и производит стационарные одновальные энергетические ГТД малой мощности.

Solar (США). Фирма Solar входит в состав компании Caterpillar и занимается разработкой и производством стационарных ГТД малой мощности для энергетического и механического привода и морского применения.

ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь). Разрабатывает, изготавливает и сертифицирует авиационные ГТД - гражданские ТРДД для магистральных самолетов, военные ТРДДФ, вертолетные ГТД, а также авиапроизводные наземные промышленные ГТД для механического и энергетического привода.

ГУНПП «Завод имени В.Я. Климова» (г. Санкт-Петербург). Государственное унитарное научно-производственное предприятие «Завод им. В.Я. Климова» в последние годы специализируется на разработке и производстве авиационных ГТД. Номенклатура разработок широка - военные ТРДДФ, самолетные ТВД и вертолетные ГТД; танковые ГТД, а также конвертированные промышленные ГТД.

ОАО «ЛМЗ» (г. Санкт-Петербург). ОАО «Ленинградский Металлический завод» разрабатывает и производит стационарные энергетические ГТД.

ФГУП «Мотор» (г. Уфа). Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие "Мотор"» занимается разработкой военных ТРД и ТРДФ для истребителей и штурмовиков.

«Омское МКБ» (г. Омск). АО «Омское моторостроительное конструкторское бюро» занимается разработкой малоразмерных ГТД и вспомогательных СУ.

ОАО «НПО "Сатурн"» (г.Рыбинск). ОАО «Научно-производственное объединение "Сатурн"» в последние годы разрабатывает и производит военные ТРДДФ, ТВД, вертолетные ГТД, конвертированные наземные ГТД. Совместно с НПО «Машпроект» (Украина) участвует в программе энергетического одновального ГТД мощностью 110 МВт.

ОАО «СНТК им. Н.Д.Кузнецова». ОАО «Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова» разрабатывает и выпускает авиационные ГТД (ТВД, ТРДД, ТРДДФ) и наземные ГТД, конвертированные из авиадвигателей.

AMHTK «Союз» (г. Москва). ОАО «Авиамоторный научно-технический комплекс "Союз"» разрабатывает и изготавливает авиационные ГТД - ТРД, ТРДФ, подъемно-маршевые ТРДДФ.

Тушинское МКБ «Союз» (г. Москва). Государственное предприятие «Тушинское машиностроительное конструкторское бюро "Союз"» занимается доводкой и модернизацией военных ТРДФ.

НПП «Машпроект» (Украина, г. Николаев). Научно-производственное предприятие «Зоря-Машпроект» (Украина, г. Николаев) разрабатывает и производит ГТД для морских СУ, а также наземные ГТД для энергетического и механического привода. Наземные двигатели являются модификациями моделей морского применения. Класс мощности ГТД: 2...30 МВт. C 1990 г.г. НПП «Зоря-Машпроект» разрабатывает также стационарный одновальный энергетический двигатель UGT-110 мощностью 110 МВт.

ГП «ЗМКБ "Прогресс" им. А.Г. Ивченко» (Украина, г. Запорожье). Государственное предприятие «Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» имени академика А.Г. Ивченко» специализируется на разработке, изготовлении опытных образцов и сертификации авиационных ГТД - ТРДД в диапазоне тяги 17...230 кН, самолетных ТВД и вертолетных ГТД мощностью 1000...10000 кВт, а также промышленных наземных ГТД мощностью от 2,5 до 10000 кВт.

Двигатели разработки «ЗМКБ "Прогресс" серийно выпускаются в ОАО «Мотор Сич» (Украина, г. Запорожье). Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТВД и вертолетные ГТД - АИ-20, АИ-24, Д-27;

- ТРДД - АИ-25, ДВ-2, Д-36, Д-18Т, Д-436Т1/Т2/ЛП.

Наземные ГТД:

- Д-336-1/2, Д-336-2-8, Д-336-1/2-10.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ