Глава 16 - Газотурбинные двигатели как силовой привод

В настоящее время сложился ряд мощностей ГТД наземного применения, определенный потребными мощностями уже имеющегося оборудования - электрогенераторов, компрессоров и др. это – 2,5; 4; 6; 10; 12; 16 и 25 МВт.

Рассмотрим создание выше перечисленного ряда мощностей ГТД на примере ОАО «Авиадвигатель», которым для этого были использованы два авиационных двигателя – Д-30 и ПС-90А с тягой на номинальном режиме соответственно 5,6 и 16 тонн.

Для создания двигателя Д-30ЭУ-1 мощностью 2,5 МВт был использован двигатель Д-30 (см. Рис 16.1_1). С него убрали КНД 1, а мощность ТНД 2 передавалась на электрогенератор 3 через редуктор 4 (см. Рис 16.1_2). Двигатели Д-30ЭУ-2 мощностью 4 МВт и Д-30ЭУ-6 мощностью 6 МВт являются дальнейшим развитием двигателя Д-30ЭУ-1. Их мощность увеличена за счет увеличения пода- чи топлива и повышения к.п.д. компрессора и турбины.

Двигатель ПС-90ГП-1 мощностью 12 МВт создан на базе газогенератора двигателя ПС-90А. Двухступенчатая свободная турбина была спроектирована специально для привода газового компрессора, перекачивающего природный газ (см. Рис 16.1_3).

Для исключения недопустимой раскрутки свободной турбины 1 при внезапном снятии нагрузки в переходном канале 2 между турбиной 3 высокого давления и свободной турбиной 1 были установлены клапаны 4, перепускающие при необходимости газ в выходное устройство (ВУ) 5.

Для получения мощности 16 МВт на двигателе ПС-90ГП-2 был модифицирован газогенератор двигателя ПС-90ГП-1, у которого для увели- чения расхода воздуха в компрессоре перед первой ступенью была добавлена еще одна ступень. Свободная трехступенчатая турбина была спроектирована вновь под уже существующий газовый компрессор.

Двигатель ПС-90ГП-25 мощностью 25 МВт создан на базе двигателя ПС-90А следующим образом: убран наружный контур 1; лопатки 2 вентилятора укорочены; подпорные ступени компрессора 3, КВД 4 и ТВД 5 сохранены. Турбина 6 для привода вентилятора и подпорных ступеней, а также свободная турбина 7 были спроектированы

вновь (см. Рис 16.1_4).

16.2 - ГТД в силовых (энергетических) установках кораблей и судов

В этом разделе представлены краткие сведения об особенностях ГТД, предназначенных для применения в главных энергетических установках (ГЭУ) кораблей (см. Рис. 16.2_1) и судов (см. Рис. 16.2_2), [16.8.1], [16.8.2]. Главной энергети- ческой установкой (ГЭУ) корабля или судна называется совокупность взаимосвязанных агрегатов, устройств и систем, предназначенных для создания энергии движения корабля или судна. В состав ГЭУ входят двигатели, редукторы, трансмиссии, системы управления и обеспечения и т. д.

Корабельные и судовые главные ГТД (ГГТД) по своей общей компоновке представляют собой турбовальные ГТД со свободной силовой турбиной, специально спроектированные или конвертированные для работы в составе корабельной или судовой ГЭУ. Мощность ГГТД может составлять от нескольких десятков до двадцати и более мегаватт.

По виду конструктивного исполнения ГГТД могут быть разделены на двигатели «промышленного» или «авиационного» типа. Примеры конструктивного исполнения ГГТД «промышленного» типа представлены в [16.8.3]. ГГТД «авиационного» типа, благодаря своим преимуществам в массогабаритных характеристиках, возможностям быстрого запуска и развития мощности используются прежде всего на кораблях, как находящихся

âэксплуатации, так и строящихся, а также вновь разрабатываемых [16.8.4].

Двигатели такого типа часто являются предпочтительными также на скоростных судах с динамическим принципом поддержания (на подводных крыльях и т.п.). ГГТД «авиационного» типа

âзависимости от степени изменения конструкции можно дополнительно подразделить на конвертированные и специализированные. К первым можно отнести ГГТД, созданные на базе хорошо зарекомендовавших себя авиадвигателей путем внесения минимальнонеобходимого объема изменений, например: ГТД LM2500 фирмы General Electric США, ГТД семейства «Spay» фирмы RollsRoyse Великобритания; ГТД FT-4, FT-8 фирмы Pratt&Whitney США и др.

Ко вторым можно отнести ГГТД разработки фирмы Зоря-Машпроект (Украина), которые лишь изначально создавались на базе конкретного авиационного прототипа, а затем в нескольких поколе-

1138

Глава 16 - Газотурбинные двигатели как силовой привод

Рисунок 16.2_1 - Корабли с главными газотурбинными энергетическими установками

(Из рекламных материалов фирм General Electric, Pratt&Whitney, Зоря-Машпроект)

а) патрульный катер на подводных крыльях; б) фрегат; в) ракетный крейсер; г) легкий авианесущий корабль; д) десантный корабль на воздушной подушке

1139

Глава 16 - Газотурбинные двигатели как силовой привод

Рисунок16.2_2 - Суда с главными газотурбинными энергетическими установками (Из рекламных материалов фирм General Electric, Pratt&Whitney, Зоря-Машпроект)

а) контейнеровоз; б) пассажирское судно (лайнер); в) скоростное пассажирское судно на подводных крыльях; г) ледокол

ниях развивались исключительно как специализированные корабельные двигатели, в наибольшей степени отвечающие специфическим требованиям флота.

Внешний вид некоторых ГГТД «авиационного» типа представлен на Рис. 16.2_3.

По своей архитектуре и составу оборудования (рама, воздухоприемное и выхлопное устройства, звукотеплоизолирующий кожух и т.д.). ГГТД практически полностью аналогичны наземным ГТУ, созданным на базе авиационных двигателей и предназначенным для привода нагнетателей ГПА или электрогененераторов ГТЭС.

Однако, несмотря на внешнее сходство с упомянутыми наземными ГТУ, конструкция корабельных и судовых ГГТД (как собственно двигателей, так и элементов оборудования) имеет ряд особенностей, обусловленных спецификой работы газотурбинного двигателя в условиях морской среды в составе ГЭУ корабля или судна. Не останавливаясь на всех особенностях, рассмотрим лишь те из них, которые носят принципиальный характер.

1. Конструкционные материалы и покрытия деталей двигателей выбраны с учетом обеспечения работоспособности в течение заданного ресурса при наличии в морском воздухе солевых аэрозолей, которые в зависимости от метеоусловий, типа корабля или судна, скорости и направления движения, а также эффективности воздухоочистительных устройств в тех или иных количествах могут поступать в газовоздушный тракт и систему продувки кожуха ГГТД и приводить к развитию процессов коррозионного повреждения элементов конструкции, а именно:

-коррозионного повреждения холодных и умеренно нагретых деталей при непосредственном воздействии солевых аэрозолей,

-высокотемпературной солевой коррозии лопаток турбины, вызванной воздействием агрессивных агентов, образующихся при взаимодействии солевых паров и аэрозолей с продуктами, образующимися при горении углеводородного (дизельного и т.п.) топлива в камере сгорания. Интенсивность развития высокотемпературной солевой коррозии зависит как от температуры газа на входе в турбину, так и от температуры материала лопаток [16.8.2].

Необходимость снижения интенсивности образования уже упомянутых агрессивных агентов, проблемы обеспечения устойчивости легирующей системы коррозионно-стойких «морских» лопаточ- ных сплавов, а также трудности с организацией эффективного охлаждения лопаток турбины из-за

1140

Глава 16 - Газотурбинные двигатели как силовой привод

Рисунок 16.2_3 - Корабельные и судовые ГГТД «авиационного» типа (звукотеплоизолирующие кожухи не установлены). (Из рекламных материалов фирм)

а) ГГТД LM2500 фирмы General Electric; б) ГГТД FT-8 фирмы Pratt&Whitney; в) ГГТД фирмы Зоря-Машпроект (внешний вид и схематический продольный разрез)

отложений солей на их поверхности, потребовали некоторого снижения рабочих температур газа на входе в турбину конвертированных ГГТД по сравнению с авиационными двигателями-прототипами. Например, ГГТД LM2500 имеет максимальную температуру на входе в турбину на 90°С ниже, чем прототип - ТРДД ТF39 [16.8.2]. С этим связана важная особенность конвертированных корабельных и судовых ГГТД - они по существу представляют собой дефорсированные по температуре версии гипотетических турбовальных ГТД, которые могут быть созданы на базе авиационных двигателей-про- тотипов при сохранении основных параметров цикла.

Примечания: 1. Дефорсированием по температуре объясняется и определенная «переразмеренность» корабельных и судовых ГГТД по сравнению с наземными ГТД общеклиматического исполнения равной мощности. 2. Возможность получения заданной мощности при условии известного снижения температуры газа перед турбиной часто является фактором, определяющим принципиальную пригодность авиационного или наземного ГТД об-

щеклиматического исполнения для конвертирования в корабельный или судовой ГГТД (разумеется, если речь не идет о создании качественно новых «морских» турбинных материалов и покрытий).

2. Предназначенные для кораблей ГГТД имеют усиленную конструкцию, которая обеспечивает работоспособность как собственно двигателя, так и элементов оборудования при воздействии ударных нагрузок, уровень которых может существенно превышать обычно допускаемый для авиационного прототипа. Подобные нагрузки могут возникать из-за воздействия на корпус корабля волн неконтактного подводного взрыва [16.8.1]. Требованиями военно-морского флота часто предусматривается экспериментальное подтверждение ударостойкости конструкции ГГТД. Ударостойкость ГГТД LM2500, например, была проверена на специальном стенде в условиях воздействия на отдельные элементы конструкции перегрузок от реального подводного взрыва, достигавших уровня 20g [16.8.2]. Для снижения уровня ударных нагрузок ГГТД военных кораблей имеют специальную систему ударновибрационной амортизации.

1141