Основным недостатком первых моделей наземных 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.
2.1 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. 15).
Рис. 15. Применение ГТД для прямого привода нагнетателя природного газа: 1 - ГТД; 2 - трансмиссия; 3 - нагнетатель.
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
