реферат турбоприводы

Таблица 1. Характеристики ГТА на основе двигателя LM2500.

	Приводные			Судовой
		)
Параметр	LM2500PE	LM2500PE подачейводы	LM2500PJ
				LM2500
		(с
Номинальная мощность, МВт	23,9	24,7	23,2	24,6
КПД, %	37,6	36,0	37,5	37,4
Расход рабочего тела, кг/с	69,4	71,4	68,4	70,3
Степень повышения давления	19,5	18,7	17,8	19,3
Температура газа перед силовой турбиной, К	1091			1139
Температура газа за ГТД, К	806	786	802	839
Частота вращения силовой турбины, об/мин		3600		3600
Масса ГТА, т		48,5		4,7
Габариты ГТА, м:
Длина		10,3		6,5
Ширина		2,4		2,0
Высота		2,4		2,0

Опорный венец выполнен из тех же материалов и охлаждается возду-

хом, выходящим из уплотнений компрессора и отбираемым из направляюще-

го аппарата 9-й ступени. В промышленных версиях двигателя с целью увели-

чения сопротивляемости эрозионному и коррозионному разрушениям на сопловые лопатки турбины компрессора нанесено никель-алюминидное по-

крытие типа "CODEP"; на рабочие лопатки обеих ступеней нанесено плати-

ново-алюминидное покрытие.

Силовая турбина двигателя выполнена шестиступенчатой, неохлажда-

емой (необходимо отметить, что шестиступенчатая силовая турбина LM2500

с номинальной частотой вращения 3600 об/мин создает некоторые неудоб-

ства промышленным потребителям при использовании двигателя в качестве приводного, поэтому компании, занимающиеся поставкой газотурбинных агрегатов на основе LM2500, часто комплектуют их силовыми турбинами собственной разработки, которые имеют большую частоту вращения и,

вследствие этого, меньшее число ступеней. К таким компаниям относится,

например, "Dresser-Rand Co.", поставляющая агрегаты DR61 с двухступенча-

той силовой турбиной, имеющей частоту вращения 5500 об/мин. Аналогич-

ным образом поступает и подразделение "GE Oil & Gas", базирующееся во Флоренции (Италия)). Она связана с газогенератором только аэродинамиче-

ски. Рабочая частота вращения данной турбины может изменяться в диапа-

зоне от 1000 до 6100 об/мин. Ротор силовой турбины состоит из шести дис-

ков, соединенных болтами, статор – из двух половин корпуса, в которых рас-

положены сопловые аппараты второй-шестой ступеней.

Сопловой аппарат 1-й ступени устанавливается отдельно от основного корпуса. Рабочие лопатки турбины обандажены и закреплены в осевых пазах елочного типа. Корпус турбины имеет горизонтальный разъем, изготовлен из никелевого сплава. Сопловые лопатки отливаются попарно и закрепляются в корпусе вместе с сотовыми уплотнениями, которые образуют опорные по внутренней поверхности кольца для лопаток каждой ступени. Опорный венец силовой турбины образует газовый тракт к выпускному диффузору и газовы-

пускному устройству.

Наружная стенка выпускного диффузора крепится к фланцу опорного венца силовой турбины и входит внутрь газовыпускного устройства. Уплот-

нение между ними осуществляется кольцом. Верхний фланец газовыпускно-

го устройства соединяется с газоходом, нижние фланцы служат для его креп-

ления к фундаментной раме двигателя.

На обоих концах вала отбора мощности установлены дисковые эла-

стичные соединения, применение которых позволяет допустить некоторое отклонение от соосности с валом силовой турбины. Отдельные эластичные диски не требуют смазки, не имеют трущихся поверхностей и не подвержены коррозии, так как изготавливаются из никелевого сплава.

При работе со стандартной кольцевой камерой сгорания ("Standard

Annual Combustor") концентрация оксидов азота в отходящих газах для дви-

гателя LM2500 составляет (при 15%-м содержании кислорода): для газооб-

разного топлива – 179 ppm, для жидкого – 316 ppm. Добавление воды или пара понижает эти значения, соответственно, до 15 и 42 ppm. С 1994 г. ком-

пания "General Electric Co." выпускает модификацию двигателя LM2500PJ,

оснащенную низкоэмиссионной камерой сгорания (технология "Dry Low Emissions"). Применение данной технологии позволяет при работе на газооб-

разном топливе снизить концентрацию оксидов азота в отходящих от ГТД газах до величины, не превышающей 25 ppm. Первый агрегат с LM2500PJ

был введен в действие на газоперекачивающей станции "Gescher" компании

"Ruhrgas AG" (Германия) в сентябре 1995 г.

Большой опыт эксплуатации двигателя LM2500 показал его высокую надежность и соответствие эффективности заявляемому значению (согласно статистике военно-морского флота США нарушения в работе корабельных ГТА с LM2500 были обусловлены неисправностями: топливной системы –

34%, системы запуска – 28%, системы контроля и управления – 24%, непо-

средственно самого двигателя – 12%.)(рис. 4). Для промышленных модифи-

каций документально подтвержденными являются уровень надежности

99,7% и уровень готовности ввода в действие 98,2%. Достоинством ГТД яв-

ляется и то, что удельный расход топлива (а значит, и КПД) с изменением его

Рис. 4. Зависимость мощности (а) и КПД (б) судовых ГТА с двигателями LM2500 и

LM2500+ от температуры наружного воздуха

мощности меняется незначительно: при снижении нагрузки на 50% удельный расход топлива увеличивается всего лишь на 15%. Это значит, что даже при

50%-й мощности LM2500 имеет более высокий КПД, чем многие газотур-

бинные двигатели данного класса на номинальном режиме.

Впервые газотурбинный двигатель LM2500 был установлен на транс-

портном судне

"Admiral William M. Callagan" в 1969 г. (вместо ненадежных FT4A-2

компании "Pratt & Whitney Corp."), затем его стали применять в военно-

морском флоте США и других стран. С 1970 г. LM2500 используется в про-

мышленности.

Наиболее известными корабельными проектами, реализовавшими дан-

ный двигатель, являются:

крейсера класса "Ticonderoga" (США) (полное водоизмещение

9800 т; 27 ед. введено в действие, начиная с 1983 г.);

авианесущий крейсер "Giuseppe Garibaldi" (Италия) (13300 т; 1985 г.);

патрульный авианосец прикрытия "Principe de Asturias" (Испа-

ния) (17190 т; 1989 г.);

патрульный авианосец "Chakri Naruebet" (Таиланд) (11485 т; 1997 г.);

ракетные эсминцы класса "Spruance" (США) (8040 т; 31 ед.,

начиная с 1975 г.);

ракетные эсминцы класса "Kidd" (США) (5800 т; 4 ед., 19811982гг.);

ракетные эсминцы класса "Arleigh Burke" (США) (8315 т; 50 ед.,

начиная с 1991 г.);

ракетные эсминцы класса "Kongou" (Япония) (9485 т; 4 ед., 1993-

1996 гг.);

ракетные эсминцы класса "Murasame" (Япония) (11 ед., 1994-

2002 гг.);

фрегаты класса "Oliver Hazard Perry" (США) (4600 т; 55 ед., 1977-

1989 гг.);

фрегаты класса "Bremen" (Германия) (3600 т; 8 ед., 1982-1990

гг.);

фрегаты класса "Brandenburg" (Германия) (4700 т; 4 ед., 1994-

1996 гг.);

фрегаты класса "Sachsen" (Германия) (5600 т; 3 ед., 2004-2006

гг.);

фрегаты класса "Adelaide" (Австралия) (4100 т; 6 ед., начиная с

1980 г.);

фрегаты класса "ANZAC" (Австралия) (3600 т; 10 ед., 1996-2007

гг.);

фрегаты класса "Santa Maria" (Испания) (4100 т; 6 ед., начиная с

1981 г.);

фрегаты класса "Vasco da Gama" (Португалия) (3200 т; 3 ед.,

1991-1992 гг.);

ракетные корабли на подводных крыльях класса "Pegasus" (США) (240 т; 6 ед., начиная с 1977 г.);

быстроходные транспортные суда снабжения классов АОЕ-6

(4ед.) и "Sealift" (7ед.) (США).

По данным на 2006 г., более 1000 двигателей LM2500 находилось в эксплуатации на 350 судах, входящих в состав военных и коммерческих фло-

тов 26 стран мира. Суммарная судовая наработка LM2500 к тому времени превысила 9 млн ч. Наработка промышленных модификаций составляла бо-

лее 24 млн часов, полученных в результате эксплуатации 700 агрегатов.

Поставка судовых агрегатов с LM2500 осуществляется в виде полно-

стью укомплектованных модулей, что существенно упрощает монтаж в ма-

шинном отделении, изолирует двигатель от ударных воздействий, способ-

ствует уменьшению распространения воздушного шума и вибрации (рис. 5).

Рис. 5. Судовой агрегат с LM2500 в модульном исполнении:

1 – компенсатор воздухоприемного патрубка; 2 – перегородка контейнера; 3 – поступление воздуха на охлаждение контейнера; 4 – люк; 5 – газоотвод; 6 – компенсатор газоотвода; 7 – контейнер; 8 и 12 – опоры ГТД; 9 – двигатель; 10 – съемная панель; 11 – дверь; 13 – амортизаторы; 14 – входная сетка

Данные модули оснащаются системами подвода воздуха к компрессо-

ру, охлаждения ГТД, отвода отработавших газов, противопожарной защиты,

антиобледенительной и подогрева топлива. В контейнере модуля использу-

ются двухслойные панели со звукоизолирующей набивкой. Внутренние стенки панели изготавливаются из перфорированных листов малоуглероди-

стой стали с высокой коррозионной стойкостью и поэтому не окрашиваются.

Звукопоглощающий материал покрывается специальной полиамидной плен-

кой, которая допускает промывку пресной водой и предотвращает насыще-

ние материала маслом. Вход в контейнер выполнен через боковую дверь и потолочный люк. Такое исполнение модуля обеспечивает уровень шума на расстоянии 1 м от ГТД не более 90 дБ. Все электронные и контрольные си-

стемы модуля легко адаптируются с судовыми системами. По данным на

2000 г., стоимость одного судового ГТА с LM2500 оценивалась где-то в

9,5…10,0 млн долл.

Научно-производственный центр непрерывно проводит работы по со-

вершенствованию двигателя LM2500, снижая удельный расход топлива при увеличении его надежности. Наибольший эффект достигается за счет приме-

нения новых систем охлаждения лопаток турбины компрессора.

Одной из особенностей приводных модификаций двигателя LM2500

является небольшое время для планово-предупредительного обслуживания.

В среднем оно составляет 11 часов в год. Эксплуатация показала высокую надежность агрегата. Об этом свидетельствует среднее время между отказа-

ми (требующими демонтажа ГТД), которое составляет 39,4 тыс. часов, что эквивалентно четырем годам непрерывной работы. Среднее время между внеплановыми остановками 14,3 тыс. часов, т.е. полтора года непрерывной работы.

Цель обслуживания – повышение эксплуатационной готовности.

Предусмотрены профилактическое обслуживание и текущий ремонт. Двига-

тель LM2500 не имеет перерывов на капитальный ремонт. Все работы, свя-

занные с заменой агрегатов и узлов, выполняют во время текущих ремонтов и при профилактическом обслуживании.

Операции по промывке агрегата водой, замене фильтров, его визуаль-

ному осмотру и контролю за основными рабочими параметрами являются составными элементами профилактического обслуживания. Двигатель снаб-

жен приборами контроля и автоматики и имеет более 40 отверстий для внут-

реннего осмотра с помощью бороскопа и температурных пробников.

Наибольшее время, на которое необходима остановка двигателя для прове-

дения профилактического обслуживания, составляет около 5,5 ч.

Теущий ремонт связан с операциями по замене неисправных узлов и деталей или после выработки ими ресурса. Значительная доля этих работ может проводиться непосредственно на ремонтной площадке благодаря мо-

дульной конструкции агрегата, которая обеспечивает легкий доступ к основ-

ным секциям ГТД для замены комплексной секции либо ее деталей. Харак-

терным является то, что работы по текущему ремонту могут выполняться внутри блока двигателя.

Затраты времени на ремонтное обслуживание горячей секции состав-

ляют 17…21 ч, на замену подшипника – 15 ч, на замену стартера – 1 ч, на за-

мену всего ГТД – 9 ч.[3]

4.2. Описание LM2500+

Дальнейшим развитием LM2500 стал газотурбинный двигатель

LM2500+ (рис. 6, табл. 2). Принципиальным его отличием от базовой модели является наличие дополнительной предвключенной ступени компрессора,

что позволило увеличить расход воздуха примерно на 20%. Эта добавочная

"нулевая" ступень (со степенью повышения давления 1,15) набрана из широ-

кохордовых лопаток. Другие компрессорные ступени также имеют аналогич-

ные профили, что стало причиной некоторого увеличения КПД компрессора в целом. Степень повышения давления возросла до 22.

Длина компрессора в результате добавления ступени увеличилась на

330 мм. Однако изменение передней части рамы ГТД и использование до-

полнительных опорных боковых связей позволяет использовать для монтажа

LM2500+ те же фундаментные основания, что и для LM2500.

Рис. 6. Двигатель LM2500+.

Длина лопаток турбины компрессора по сравнению с базовым LM2500

возросла на 11%.

LM2500+ поставляется с двумя вариантами силовой турбины: шести-

ступенчатой, низкооборотной, имеющей номинальную частоту вращения

3600 об/мин, и высокооборотной двухступенчатой. Соответственно различа-

ют две модификации двигателя. Первая – LM2500+6Stg (по другой марки-

ровке – LM2500PK) и вторая модификация – LM2500+2Stg (другое наимено-

вание – LM2500PV).

Шестиступенчатая силовая турбина (выпускается с1997 г.) имеет не-

сколько усовершенствований по сравнению с аналогичной турбиной двига-

теля LM2500, из которой она была получена: 1) для достижения соответствия с компрессором увеличена ее пропускная способность; 2) рабочие лопатки первой, пятой и шестой ступеней, также как и сопловые лопатки первой сту-

пени перепрофилированы; 3) для всех ступеней увеличены размеры дисков; 4) в связи с большим передаваемым крутящим моментом усилен ротор тур-

бины; 5) увеличена тепловая защита корпуса от воздействия потока горячих газов.

Двухступенчатый вариант силовой турбины (выпускается с 2002 г.)

имеет номинальную частоту вращения 6100 об/мин и рабочий диапазон ча-

стот вращения от 3050 до 6400 об/мин. Такой турбиной комплектуются при-

водные агрегаты в тех случаях, когда возможен прямой привод потребителя.

В некоторых случаях двухступенчатой силовой турбиной оснащаются энер-

гетические агрегаты. Использование дополнительного редуктора (КПД пре-

образования 0,985) в таких модификациях позволяет создавать на их основе эффективные ГТА для генерации тока частотой 50 Гц.

Электро-гидравлическая пусковая система двигателя обеспечивает набор полной мощности из холодного состояния за 10 мин.

При работе со стандартной кольцевой камерой сгорания концентрация оксидов азота в отходящих газах для двигателя LM2500+ составляет (при

15%-м содержании кислорода): для газообразного топлива – 229 ppm, для жидкого – 346 ppm. Добавление воды или пара понижает эти значения, соот-

ветственно, до 25 и 42 ppm. Разработанная компанией низкоэмиссионная ка-

мера сгорания ("DLE") обеспечивает при работе на газообразном топливе со-

держание NOx не более 25 ppm.

LM2500+ изначально создавался как судовой двигатель, призванный заменить в дальнейшем широко применяющиеся во флоте LM2500. Впервые судовая версия двигателя была представлена к коммерческому использова-