ГТУ Нуово Пиньоне (Италия)

С 60-х годов для привода своих центробежных компрессоров фирма изготавливает совместно с Дженерал Электрик (США) приводные газо­турбинные установки мощностью 3,5-5-10-25 МВт (MS 1002, MS-3002, MS-5002). С 90-х годов Нуово Пиньоне - филиал GE.

К 90-м годам на работу фирмы оказало влияние европейское техни­ческое направление. Появилась современная ГТУ типа PGT-10 мощно­стью 10 МВт.

На рисунке 1.20. изображен ее прототип MS 1002.

PGT-10 (Нуово Пиньоне, Италия)

PGT-10 сконструирована для работы в простом термодинамическом цикле как с регенерацией, так и без нее. ГТУ выполнена двухвальной, с однокаскадным компрессором. Имеет следующие характеристики:

Характерной чертой новой ГТУ (рис.1.21.) является сохранение в ней конструктивно-технологических решений прототипа MS1002 и внесение изменений в узлы, обеспечивающие реализацию высоких параметров цикла. Турбоблок в виде единого корпуса установлен на силовой раме-маслобаке. Корпус ГТУ имеет две опоры: неподвижную - в районе задне­го подшипника ТНД и гибкую (в виде листа) - в передней части компрес­сора. Блок пусковых и вспомогательных механизмов расположен перед всасом осевого компрессора. Выносная камера сгорания установлена сверху на корпусе ГТУ. Силовая турбина оснащена регулируемым сопло­вым аппаратом.

Рис.1.20. Газотурбинная установка типа MS 1002:

1 - пусковой турбодетандер; 2 - регулируемый сопловой аппарат (РСА) силовой турбины

Рис 1.21. Газотурбинная установка типа PGT-10:

1 — генератор собственных нужд ГТУ; 2 — пусковой турбодетандер; 3 -поворотные направляющие лопатки осевого компрессора; 4 - РСА сило­вой турбины

Элементы корпуса, несущие нагрузку, выполнены из чугунного и стального литья. Всасывающий и выходной патрубки (улитки), газовпуск к ТВД от камеры сгорания, промежуточный патрубок между ТВД и ТНД сварены из листового проката и различаются лишь марками материалов. Во всем прослеживается внимание к вопросам трудоемкости и стоимости изготовления. Ротор компрессора цельнокованый, сплошной с наборкой рабочих лопаток в окружные Т- образные пазы. Диски ТВД и ТНД отко­ваны из никелевых сплавов и крепятся к валам компрессора и силовому фланцевыми соединениями при помощи болтов. Статор компрессора -безобоймовой конструкции, направляющие лопатки - необандажены. Со­хранена компоновка узлов, типичная для GE. Пуск агрегата выполняется турбодетандером или электродвигателем (по желанию заказчика).

Однако в ГТУ имеются и серьезные изменения. Возросшие степень повышения давления и массовый расход достигнуты добавлением к 15 ступеням компрессора прототипа дополнительных двух, причем первой -трансзвуковой. Их рабочие лопатки выполнены из титанового сплава. В новом компрессоре 17 ступеней. Его работа на запуске и частичных ре­жимах обеспечивается пятью рядами поворотных направляющих лопаток. Большой ресурс лопаточного аппарата ТВД при высоких температурах достигается выполнением охлаждаемыми всех четырех венцов. Улучшена система охлаждения дисков и ротора ТВД в целом: охлаждающий воздух из-за компрессора подается внутрь ротора через сверления в бочке. Бла­годаря движению от втулки к центру отбирается очищенный от крупных фракций пыли воздух. В полость между роторами ТВД и ТНД также по­дается охлаждающий воздух. Однако этот способ не слишком эффекти­вен: при меняющихся осевых зазорах между дисками и элементами про­межуточного диффузора полностью запереть полость малым расходом воздуха невозможно. Отсюда наличие в ней газовоздушной смеси повы­шенной температуры.

Для достижения высоких КПД турбин их рабочие лопатки снабжены бандажными полками с лабиринтовыми уплотнениями. Направляющие лопатки по внутреннему диаметру ступеней несут на себе сегменты с ла­биринтами (конструкция типа разрезной диафрагмы).

В конструкции газовой турбины проявилось и прямое отступление от генерального принципа GE - отказ от малоступенчатых (одноступенча­тых) турбин в пользу многоступенчатых с высокореактивным облопачиванием. Это решение сказалось на общем КПД ГТУ. Наконец, в ГТУ PGT-10 обеспечено основное преимущество использования РСА в си­ловой турбине - возможность управления им по программе поддержа­ния постоянной температуры перед турбиной. В регенеративном цикле это позволяет при снижении нагрузки до 70% сохранить номинальный КПД.

1.13.4. Конвертированные авиаГТД АО "Самарский научно-технический комплекс" им. Н. Д. Кузнецова (бывший НПО "Труд")

Двигатель НК-12СТ конвертирован из своего авиационного прототипа 50-х годов, эксплуатировавшегося на самолетах ТУ-114. Обозначение рас­шифровывается: НК - Николай Кузнецов (генеральный конструктор), СТ-силовая турбина. На территории СНГ установлено более 1300 ГПА-Ц-6,3 с этим типом ГТД. Конвертированный ГТД имеет однокаскадный компрес­сор и свободную силовую турбину. Его характеристики приведены ниже:

Полезная мощность, МВт 6,3

КПД,% 21,0

Верхняя температура цикла, °С 810

Степень повышения давления 7,8

Частоты вращения роторов, мин^-1

газогенератора 8200

силовой турбины 8200

14-ступенчатый осевой компрессор оснащен регулируемым ВНА. Роторы компрессора и ТВД - дисковые, сборные, имеют каждый свою пару опор (подшипники качения) и соединены друг с другом валом со шлицевой муфтой. Камера сгорания - кольцевая с 12 горелочными устройствами. Трехступенчатая турбина газогенератора снабжена охлаждаемыми сопло­выми лопатками первой ступени, остальные лопаточные венцы - неохлаж-даемые. Силовая турбина - одноступенчатая с консольным диском. Над рабочими лопатками и в лабиринтных уплотнениях направляющих аппара­тов осевого компрессора наносится легкостираемое покрытие. Над рабо­чими лопатками турбины установлены металлокерамические вставки. Та­кие меры призваны обеспечить допустимость в эксплуатации малых ради­альных зазоров без опасности повреждения лопаток. Однако эффектив­ность их в длительной работе, судя по КПД ГТД, оказалась невелика. У двигателя повышенный безвозвратный расход смазочного (синтетического) масла - до 2,5 кг/ч.

Общий заявленный ресурс составил 18 тыс. часов, увеличенный в дальнейшем до 30 тыс. часов. Время до капитального ремонта (отправки на завод-изготовитель) 5,3 тыс. часов. НК-12СТ с нагнетателями Сумского МНПО им. Фрунзе (Украина) поставлялись в контейнерах, укомплектован­ных всем вспомогательном оборудованием. В конце 60-х годов последнее было серьезным хозяйственным достижением отечественного строительст­ва компрессорных станций. Однако малый ресурс ГТД и некритическое использование зарубежного опыта применения контейнерной установки в климатических условиях СССР создали эксплуатации большое число про­блем.

НК-16СТ. Авиационный прототип (НК-8-2у) разработан в конце 60-х годов и эксплуатировался как двухконтурный турбореактивный на пассажирских самолетах типа ИЛ-62, ТУ-154.

При конвертировании в НК-16СТ вентиляторный контур заглушен, рабочие лопатки третьей ступени турбины газогенератора демонтированы. Спроектирована силовая турбина авиационного типа - на подшипниках качения.

ГТД имеет двухкаскадный компрессор. Двигатель с 1983 года экс­плуатируется на компрессорных станциях в составе ГПА-Ц-16 с нагнета­телями Сумского МНПО им. Фрунзе.

Основные характеристики ГТД:

Полезная мощность, МВт 16,0

КПД,% 27,5

Верхняя температура цикла, °С (ориентировочно) 810

Степень повышения давления 9,7

Частоты вращения роторов, мин^-1

КНД 5250

КВД 6900

СТ 5300

ГТД (рис. 1.22) выполнен в виде двух модулей, смонтированных на своих подмоторных рамах: модуля газогенератора (1) и модуля силовой турбины (2). Подмоторные рамы имеют катки, позволяющие при демон­таже выкатывать двигатель целиком или его модули по направляющим, установленным на фундаментной раме ГПА.

При установке катки домкратами поднимаются, а подмоторные рамы модулей опускаются на фундаментную раму. Модули ГТД соединены фланцем вертикального разъема. Их подмоторные рамы фиксируются от­носительно друг друга.

Демонтаж двигателя занимает около суток, газогенератора - еще меньше времени. Основная сложность (и точность) работ связана с цен­тровкой силовой турбины с валом нагнетателя. Подшипники качения СТ исключают возможность подгоночных работ, что требует перемещения са­мого двигателя или нагнетателя.

Иной порядок сложности и трудоемкости имеет ремонт ГТД при не­обходимости его разборки. Последняя возможна лишь в условиях завода-изготовителя или специализированного ремонтного центра. Одна из труд­ностей обусловлена отсутствием у корпусов ГТД горизонтальных разъе­мов. При разборке некоторых секций статора необходима разборка ротора.

В таких конструкциях ротор или статор как самостоятельные сбороч­ные единицы не существуют. Отдельно собранный и отбалансирован­ный ротор турбомашины (напр., КНД) после переборки и сборки в составе модуля обеспечит проектные характеристики по вибрации и КПД лишь при точном повторении предбалансировочной сборки. Наряду с трудоем­костью такие работы требуют специальной оснастки, высокой квалифика­ции и внимания персонала, жесткого соблюдения технологической дисци­плины.

Отсутствие горизонтальных разъемов у корпусов авиационного ГТД - необходимая плата за тонкостенность конструкций статорных элементов, так как сохранить цилиндричность разрезанной на две части оболочки -технологически труднорешаемая задача.

Двухвальный газогенератор двигателя состоит из КНД (рис. 1.23), ро­тор которого соединен полым промежуточным валом со своей одноступен­чатой турбиной - ТНД (рис. 1.26), КВД (рис. 1.24), полый вал которого

Рис 1.22. Газотурбинный двигатель типа НК-16СТ: 1 -модуль газогенератора; 2-модуль силовой турбины

Рис.1.23. Компрессор низкого давления газотурбинного двигателя НК-16СТ

Рис.1.24. Компрессор высокого давления газотурбинного двигателя НК-6СТ 86

соединяет его ротор с одноступенчатой ТВД (рис. 1.26). Ротор КНД - сбор­ный. Диски кольцевыми цапфами, а между собой - промежуточными вставками соединены при помощи болтов. Гайки в соединениях стопорят­ся отгибными пластинами.

(Следует обращать внимание на то, что стопорящее действие этих пластин сохраняется лишь при отгибании их на грань гайки, ни в коем слу­чае не на ребро. В противном случае неизбежно самоотвинчивание гаек, обычно через несколько тысяч часов с потерей вибростабильности ротора, а при попадании в проточную часть - с тяжелой аварией.)

Роторы КНД и КВД несут на себе 4+6=10 рядов рабочих лопаток. Диски и лопатки выполнены из титановых сплавов. Ротор КНД через пе­редний подшипник качения передает нагрузку на корпус через входной направляющий аппарат (ВНА). Вторая опора ротора каскада низкого дав­ления расположена за диском ТНД. Между КНД и КВД расположена литая опора - крестовина, изготовленная из магниево-алюминиевого сплава. На­правляющие аппараты компрессоров набраны в кольцевые секции, соеди­няющиеся при помощи крепежа в вертикальных разъемах в единый корпус. Рабочие лопатки имеют "ласточкины" хвостовики с осевой заводкой в па­зы дисков. Направляющие лопатки по внутреннему диаметру проточной части объединены в диафрагмы без горизонтальных разъемов с лабиринт­ными уплотнениями. ВНА КВД выполнен поворотным. За 9-й ступенью компрессора (за пятой КВД) осуществляется сброс воздуха при запуске ГТД.

Для снижения вибрации подшипники установлены в элементы стато­ра с демпферными кольцами (опорами).

Кольцевая камера сгорания (рис. 1.25) размещена в кожухе между КВД и ТВД. Ее пламенная труба с 32 горелочными устройствами скомпо­нована вслед диффузору КВД - в высокоскоростном потоке воздуха. Обес­печение качественного температурного состояния стенок и заданного поля перед ТВД требует точно соосной ее установки в двигателе.

Расположенные за ТНД стойки являются задней опорой ротора КНД-ТНД и ротора КВД-ТВД, при этом подшипник ротора ТВД опирается на внутреннюю часть вала ТНД, т.е. его ролики вращаются со скоростью, рав­ной разности скоростей этих двух валов (рис. 6.5).

Одноступенчатая ТВД (рис. 6.5) имеет охлаждаемые сопловые и не-охлаждаемые рабочие лопатки, изготавливаемые из высокопрочного нике­левого авиационного сплава типа ЖС-6У с добавкой 6 - 8%-ного кобальта. Сплав имеет невысокие антикоррозийные свойства в условиях приземной атмосферы. Для повышения КПД рабочие лопатки снабжены бандажными полками с лабиринтным уплотнением.

Диск ТВД спереди защищен от нагрева дефлекторным диском, под-который подается охлаждающий воздух из последней ступени

Рис.1.25. Камера сгорания газотурбинного двигателя НК-16СТ

Рис.1.26. Турбина высокого давления и турбина низкого давления газотур­бинного двигателя НК - 16СТ

компрессора. Однако камера за диском ТВД и перед диском ТНД заполня­ется смесью продуктов сгорания из осевых зазоров в ступенях. Между дис­ком ТВД и валом ТНД на лабиринтные уплотнения подшипника подается воздух из отбора за первой ступенью КВД. Тем не менее ступицы дисков турбин довольно нагреты. Система охлаждения дисков турбин совершен­ством не отличается.

Рабочие лопатки ТНД также имеют бандажные полки, направляю­щие снабжены диафрагмой с лабиринтными уплотнениями сотовой кон­струкции. При сохранении их целостности в эксплуатации это обеспечива­ет малые потери в радиальных зазорах и повышенный КПД турбин.

Диски турбин изготовлены из жаропрочного никелевого сплава. Жа­ропрочные стали использованы для внутренних кожухов турбин, а также для диффузора между ТНД и силовой турбиной (СТ).

Рис.1.27. Силовая турбина газотурбинного двигателя НК-16СТ

Одноступенчатая силовая турбина (СТ) (рис. 1.27) конструктивно ана­логична ТВД и ТНД. Ее диск имеет болтовое соединение с валом. Вал снабжен опорным (роликовым) и опорно-упорным (шариковым) подшип­никами. За СТ расположен короткий затурбинный диффузор (объем по­ставки ГТД), внутри него проходят силовые полые опорные стойки. В их полостях смонтирована многоступенчатая коническо - цилиндрическая зубчатая передача к маслонасосам и к датчику частоты вращения вала СТ -нагнетатель.

Соединение СТ с нагнетателем осуществляется узлом стыковки (рис. 1.27), представляющим из себя гибкую мембранную муфту. Мембрана до­пускает увеличенную расцентровку в эксплуатации. Ее осевые деформации ограничены центральной шпилькой. Крутящий момент передается шлице-вым (зубчатым) соединением. Для большей гибкости мембрана изготавли­вается из титанового сплава.

Запуск ГТД производится турбодетандером, соединяющимся с рото­ром КВД - ТВД валиком, проходящим внутри средней опоры.

Общий ресурс НК-16СТ составляет 30-40 тыс. часов; период до ка­питального ремонта (отправки на завод-изготовитель) - 10-15 тыс. часов.

Несмотря на малый объем масла, циркулирующего в системе смазки и регулирования (подшипники качения), его безвозвратная потеря состав­ляет около 1,5 кг/ч, что в 10 раз выше, чем у стационарных ГТУ аналогич­ной мощности.

Масса собственно двигателя (без рам, маслобаков, выхлопной улит­ки и других внешних механизмов) не превосходит 7,0 т, что почти в 5 раз меньше массы стационарных ГТУ такой мощности. Однако масса дорогих материалов (жаропрочных сплавов и сталей, титановых и других цветных металлов), примененных для его изготовления, - в 3,5 раза выше. Общие массы металлоконструкций ГПА с конвертированным ГТД и стационар­ной ГТУ близки.

На КС газопроводов в России в 80-х годах установлено более 800 та­ких ГПА. После периода двух-трехлетнего освоения и доработки в экс­плуатации они по своим качествам удовлетворяют требованиям эксплуа­тации.

Хозяйственные недостатки проявлялись в отсутствии близко распо­ложенных технических ремонтных центров и больших транспортных рас­ходах по перевозке двигателей для капитального ремонта на большие рас­стояния. Суммарные затраты на ремонт авиаГТД в 3,3 - 2,5 раза превыша­ют таковые у ГПА со стационарным ГТУ.

К середине 90-х годов "Самарский научно-технический комплекс" им. Н. Д. Кузнецова (бывш. НПО "Труд") подготовил новый ряд конверти­рованных авиаГТД мощностью 8,16 и 25 МВт для использования в газовой промышленности.

ГТД проходят опытно-промышленные испытания и в соответствии с результатами будут поступать на модернизацию компрессорных станций.

Основные заявленные характеристики новых конвертированных ГТД представлены ниже:

Тип ГТД НК-14СТ НК-38СТ НК-36СТ

Мощность, МВт 9 16 25

КПД, % 30 36,5 34,5

Верхняя температура

цикла, К 1243 1506 1420

°С 970 1223 1147

Степень повышения давления 10,5 25,9 23,1
Частота вращения СТ,

мин^-1 8300 5300 5000

Заявленный общетехни­ческий

ресурс, тыс. ч 60 60 60

Компрессор однокаскадный двухкаскадный трехкаскадный

Рис.1.28. Эскиз продольного разреза ГТУ-16П

Рис.1.29. Эскиз продольного разреза ГТУ-25П