О разработке авиационных двигателей и их конвертировании в наземные ГТУ

При проектировании авиадвигателей для гражданского воздушного флота во главу угла ставят задачи обеспечения максимальной надежно­сти, высокой экономичности и минимальной массы. Надежность обеспе­чивают длительными доводочными и ресурсными испытаниями большого числа опытных ГТД на наземных стендах и в летающих лабораториях, строгой регламентацией технологии изготовления, сборки и эксплуата­ции. Необходимая экономичность достигается высокими параметрами двигателя (π_к и Т_г), совершенной аэродинамикой турбомашин, рацио­нальным использованием воздуха для охлаждения высокотемпературных деталей. В ДТРД удельный расход топлива снижается при повышении степени двухконтурности (отношения расхода воздуха через венти­ляторный контур к расходу воздуха через двигатель), при этом скорость истечения струи приближается к скорости полета и растет КПД движи­теля. Хорошие массовые показатели обеспечиваются за счет положенного в основу при проектировании принципа минимизации массы путем рационального использования материала, за счет новой технологии получения заготовок, широкого применения легких сплавов и материалов с высокой удельной прочностью (титановые, магниевые и другие сплавы)

Период создания авиадвигателя нового типоразмера занимает не менее десяти лет, новой модификации двигателя - три-четыре года. Наиболее общим критерием совершенства авиационных двигателей в гражданском воздушном флоте является стоимость жизненного цикла, т.е. суммарные затраты на изготовление, топливо, обслуживание и ремонт двигателя за время его использования. Другими, менее общими критериями совершенства авиадвигателей для заданных скорости и дальности полета может быть суммарная масса и стоимость силовой установки и топливной системы с топливом, эксплуатационные расходы в единицах стоимости на тоннокилометр при заданной скорости полета. (Силовая установка состоит из двигателей и систем, обеспечивающих их эксплуатацию.) Частными критериями, используемыми при оценке двигателей, служат общий и межремонтный ресурс двигателей, стоимость, удельный расход топлива, удельная масса, затраты на обслу­живание и ремонт и др.

К началу XXI века для новых двигателей характерно π_к ³ 30, t_г ³ 1250 °С, h^*_к.пол ≈ 0,88...0,9, h^*_т =0,9...0,92. Кроме роста термодина­мических параметров и повышения h_к и h_тдостигается значительный прогресс в усовершенствовании систем охлаждения деталей турбины, в развитии системы технической диагностики, в создании модульных конструкций, т.е. таких, которые предусматривают конструктивное разделение двигателя на взаимозаменяемые блоки (модули), что позволяет сократить затраты на ремонт путем замены вышедших из строя модулей.

Для авиадвигателестроения характерно постоянное совершенство­вание технологических процессов изготовления, например в последнее время дисков турбины из гранул жаропрочных никелевых сплавов, широкое применение композиционных материалов в холодных узлах двигателя, литых рабочих лопаток турбины с направленной кристаллизацией и монокристальных, теплозащитных покрытий охлаждаемых деталей и т.п. При разработке турбомашин ГТД наблюдается увеличение, аэродинамической нагрузки на ступень (особенно в компрессорах), использование при проектировании проточных частей методики расчета пространственного потока с учетом вязкости и турбулентности, улучшение профилей охлаждаемых лопаток, активное регулирование радиальных зазоров в проточной части с целью повышения экономичности на переменных режимах.

Целесообразность конвертирования авиадвигателей в приводные ГТУ определяется следующими обстоятельствами: нехваткой совершен­ных стационарных ГТУ, прогрессом в авиадвигателестроении в части повышения надежности и экономичности, высоким уровнем качества изготовления авиадвигателей, приспособленностью их к организации централизованного ремонта, возможностью использования некоторых узлов и деталей двигателей, отработавших летный ресурс.

При конвертировании авиадвигателя для работы на КС необходимо выполнить большой объем работы, обусловленной типом двигателей. Переработка ТВД или ДТРД обычно включает в себя: замену топливной системы. замену подвески (крепления) двигателя, снижение максимальной частоты вращения, температуры газа и степени сжатия, удаление вентиляторного контура (в. ДТРД) или редуктора в ТВД, перестановку навесных агрегатов с корпуса двигателя на раму, замену систем регулирования и автоматического управления и т.д. В отношении проточной части турбокомпрессорной группы отметим следующее Одновальные ТВД удобнее превратить в двухвальные за счет уменьшения числа ступеней на выделяемом валу турбокомпрессора и добавления свободной турбины, что и выполнено, например, в двигателе НК-12СТ агрегата ГПА-Ц-6,3. В ДТРД с передним расположением вентилятора предпочтительно удалить периферийную часть ступени вен­тилятора, относящуюся к наружному контуру. Так выполнен, например, двигатель НК-16СТ при преобразовании ДТРД НК-8-2у. Наиболее целесообразный путь конвертирования определяют разработчики ГТД.

В вопросе конструктивного облика свободной турбины нет единого мнения. В зарубежной практике преобладают силовые турбины стацио­нарного типа на подшипниках скольжения с горизонтальным разъемом статора. Их ремонтируют на месте эксплуатации, как и НПГ. Соединение силовой турбины с газогенератором осуществляют с помощью эластичного переходного патрубка. Тогда при замене газогенератора во время ремонта нет необходимости в точной его прицентровке к силовой турбине, так как связь между ними только газодинамическая. Подшипники скольжения (опорный и упорный) имеют неограниченный ресурс, а упорный подшипник может воспринять значительную осевую нагрузку, что дозволяет поднять КПД силовой турбины за счет повышения реактивности ступеней до оптимальной. Силовые турбины обычно выполняют двухступенчатыми, что позволяет через ряд лет осуществить модернизацию и применить новый газогенератор с более высокими параметрами и увеличенным теплоперепадом на силовую турбину. Иногда стационарные силовые турбины устанавливают на общей раме с НПГ и оснащают их общей масляной системой.

В отечественной практике при конвертировании авиадвигателей получили распространение силовые турбины транспортного типа на подшипниках качения, имеющие единый конструктивный облик с газогенератором. Достоинство такого решения - вынесение ремонтных работ по силовой турбине с площадки КС, так как СТ не имеет горизонтального разъема и ремонт ее следует проводить на специальных ремонтных базах. Недостатки этого решения - меньший ресурс работы подшипников и необходимость тщательной прицентровки к нагнетателю после ремонта, для чего не всегда можно создать комфортные условия, а также повышенные затраты на ремонт по сравнению с СТ стационарного типа.

На отечественных газопроводах большое распространение получили конвертированные двигатели: двухвальный НК-12СТ и трехвальный НК-16СТ мощностью соответственно 6,3 и 16 МВт. Общими их характерными чертами является: возможность установки ГПА на открытой площадке в блок-контейнерах без строительства здания, частичное использование двигателей после отработки ими летного ресурса. достаточно высокая быстроходность, отсутствие горизонтальных разъемов статора двигателя, возможность сравнительно быстрой замены при необходимости.

В то же время двигатель НК-16СТ, созданный с учетом опыта использования НК-12СТ, в большей мере отвечает специфическим требованиям эксплуатации на КС газопроводов. В частности, в нем модуль силовой турбины можно заменить' независимо от блока газогенератора, значительное число трубопроводных соединений выполнено с помощью легко разъединяемых гибких шлангов, более рационально размещены маслоохладители, выделен удобный для обслуживания блок маслоагрегатов и т.д.

При использовании не отработавших летный ресурс старых двигателей, а новых и современных технический и экономический "эффект от применения авиапривода для ГПА более высок, так как это дает заметное ускорение ввода в строй компрессорных цехов и снижение расхода топливного газа. Значительную выгоду должна дать и высокая модульность конструкции новых двигателей, обеспечивающая снижение затрат на ремонт. В целом широкое применение авиапривода в отечественном транспорте газа в 70-е и 80-е годы позволило существенно сократить капитальные затраты и упростить сооружение компрессорных цехов, так как перенос с площадки КС в специальные центры ремонта ГТД позволил сооружать для них не здания, а блок-боксы, что сократило сроки и позволило полнее индустриализировать строительство компрессорных станций.

Однако в длительной эксплуатации затраты на обслуживание и ремонт конвертированных авиационных двигателей, размещаемых в блок-боксах, особенно в условиях средних и северных широт России, оказались в 2,5...3,0 раза выше, чем для газотурбинного привода стационарного типа, размещаемого в зданиях и укрытиях и ремонтируемого на месте.

Положение дел может быть улучшено, если конвертированный для условий земли авиапривод размещать не в блок-боксах, а в легких промышленных зданиях, позволяющих создать более комфортныеусловия для обслуживающего и ремонтного персонала, что влияет на качество и уровень проводимых работ.