Глава 3 - Конструктивные схемы ГТД

3.2 - Конструктивные схемы наземных и морских ГТД

Рассмотренные в главе 1 типы наземных и морских ГТД могут быть выполнены с помощью различных конструктивных схем.

3.2.1 - Одновальные ГТД

Одновальная схема является классической для наземных ГТД и применяется во всем диапазоне мощности от 30 кВт до 350 МВт. По одновальной схеме могут быть выполнены ГТД простого и сложного циклов, в том числе и парогазовые установки (ПГУ).

Конструктивно одновальный наземный или морской ГТД аналогичен одновальным авиационным ТВД и вертолетным ГТД и включает компрессор, КС и турбину (см. Рис. 3.2.1_1).

Расширение газа в турбине одновального наземного ГТД происходит практически до атмосферного давления, поэтому мощность турбины значительно больше мощности компрессора, а избыточная мощность с вала ГТД передается потребителю. Вал отбора мощности может быть выполнен как со стороны компрессора, так и со стороны турбины (см. Рис. 3.2.1_1). Это обеспечивает большую гибкость при компоновке ГТД в составе различных объектов применения.

Одновальная схема проста по конструкции – она имеет минимальное количество опор, подшипников, уплотнений. В одновальных промышленных ГТД нет дорогостоящих узлов СТ и задней опоры, газовода между турбиной газогенератора

èСТ (см. Рис. 3.2.2_4), что существенно снижает стоимость ГТД.

Недостатки схемы обусловлены соединением вала турбокомпрессора ГТД и приводимого оборудования. При загрузке с переменной частотой вращения линии рабочих режимов компрессора одновального ГТД зависят от характера функции «мощность загрузки - частота вращения» (N = f(n)), а также от температуры на входе в ГТД. Это вызывает трудности регулирования ГТД, поддержания необходимых запасов устойчивости компрессора

èприемлемого температурного состояния двигателя. Недостатком одновальной схемы является также большая потребная мощность стартера.

По причине указанных особенностей одновальные ГТД в настоящее время практически не применяются для механического привода. В конце 1950-х…начале 1960-х г.г. они использовались на газопроводах, но затем были полностью заменены на ГТД со свободной турбиной. Основное приме-

нение ГТД одновальной схемы – это привод электрогенераторов с постоянной частотой вращения. Важнейшим преимуществом энергетических ГТД одновальной схемы является высокая точность поддержания частоты вращения, определяющая высокое качество электроэнергии. Запуск ГТД может осуществляться от приводимого генератора, работающего во время запуска в режиме электродвигателя.

При работе одновального ГТД в составе ПГУ или ГТУ-ТЭЦ выполняется регулирование (прикрытие) ВНА компрессора на дроссельных режимах для поддержания постоянной температуры газов на выхлопе ГТД, что благоприятно сказывается на к.п.д. парового контура и энергетической установки в целом.

3.2.2 - ГТД со свободной силовой турбиной

Схема ГТД со свободной СТ показана на Рис. 3.2.2_1. В этой схеме турбина разделена на два каскада. Первый каскад – ТВД – используется для привода компрессора, а второй каскад – свободная СТ – приводит нагрузку (нагнетатель, электрогенератор, насос и т.д.) ТВД и СТ механически не связаны и имеют возможность вращаться с различ- ной частотой. Компрессор, КС и ТВД образуют единый конструктивный модуль – газогенератор (турбокомпрессор ВД), который служит для пода- чи рабочего газа с заданными параметрами на свободную СТ. Частота вращения газогенератора определяется потребным расходом воздуха для обеспечения заданной мощности ГТД. Частота вращения СТ определяется нагрузкой.

Независимость частот вращения газогенератора и СТ обуславливают основные преимущества данной схемы:

-универсальность применения ГТД для привода различных нагрузок как с постоянной, так и с переменной частотой вращения;

-стабильность протекания линии рабочих режимов на характеристике компрессора при изменении условий загрузки СТ и атмосферных условий;

-меньшая потребная мощность пускового устройства.

Основными недостатками схемы со свободной СТ является усложнение и удорожание конструкции по сравнению с одновальной схемой (см. Рис. 3.2.2_4). А в случае привода электрогенератора – также и меньшая точность поддержания частоты вращения СТ при резких колебаниях загрузки и на переходных режимах.

147

Глава 3 - Конструктивные схемы ГТД

Рисунок 3.2.1_1 - Одновальные ГТД

а) принципиальная схема одновального ГТД; б) Одновальный ГТД V84.3A фирмы Siemens мощностью 180 МВт; в) одновальный ГТД PG9171(E) фирмы General Electric мощностью 123 МВт 1 – входное устройство; 2 – компрессор; 3 – КС; 4 – турбина; 5 – выхлопной диффузор;

6 – вал отбора мощности

148

Глава 3 - Конструктивные схемы ГТД

1 – входной корпус; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – ТВД; 5 – СТ; 6 – задняя опора; 7 – вал отбора мощности

1 – входное устройство; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – ТВД; 5 – СТ; 6 – задняя опора; 7 – выхлопной диффузор; 8 – вал отбора мощности

Рисунок 3.2.2_1 - ГТД с СТ и однокаскадным турбокомпрессором а) принципиальная схема ГТД с СТ с выходом силового вала назад; б) двигатель ÃÒÓ-16Ï

ОАО «Авиадвигатель» мощностью 16 МВт; в) принципиальная схема ГТД с СТ и выходом силового вала вперед; г) Двигатель ÃÒÓ-4Ï ОАО «Авиадвигатель» мощностью 4 МВт

149

Глава 3 - Конструктивные схемы ГТД

Рисунок 3.2.2_2 - ГТД с СТ и двухкаскадным турбокомпрессором

а)принципиальная схема ГТД с СТ с двухкаскадным турбокомпрессором; б) двигатель ГТУ25П ОАО «Авиадвигатель» мощностью 25 МВт; в) ГТД Coberra 6000 фирмы Rolls-Royce мощностью 24…32 МВт; г) ГТД LM1600 фирмы General Electric мощностью 14 МВт 1 – входное устройство; 2 – КНД; 3 – КВД; 4 – КС; 5 – ТВД; 6 – ТНД; 7 – СТ; 8 – задняя опора; 9 – выхлопной диффузор; 10 – вал отбора мощности

150

Глава 3 - Конструктивные схемы ГТД

На Рис. 3.2.2_1 показан двигатель ГТУ-16П разработки ОАО «Авиадвигатель» мощностью 16 МВт, выполненный по схеме с СТ с выходом силового вала назад. Двигатель имеет высоконапорный однокаскадный компрессор со степенью сжатия π*Êmax = 23 в четырнадцати ступенях и трехступенчатую консольную свободную СТ. На этом же рисунке показан аналогичный по схеме двигатель ГТУ-4П мощностью 4 МВт с выходом силового вала вперед в сторону компрессора.

Âсвязи с общей тенденцией развития ГТД

âнаправлении повышения степени сжатия, а также сложностью разработки однокаскадных высоконапорных компрессоров, в настоящее время газогенератор (турбокомпрессор) часто выполняют двухвальным, аналогично двухвальному газогенератору ТРДД. Для промышленных ГТД со свободной СТ более точным будет использование термина «двухвальный турбокомпрессор», т.к. значительное количество наземных ГТД, конвертированных из авиационных ТРДД, созданы на базе одновального газогенератора и модифицированного каскада низкого

давления (КНД и ТНД) базового двигателя с добавлением вновь спроектированной СТ.

На Рис. 3.2.2_2 показаны примеры ГТД с двухкаскадным турбокомпрессором и СТ:

-двигатель ГТУ-25П мощностью 25 МВт разработки ОАО «Авиадвигатель», созданный на базе высоконапорного газогенератора и КНД гражданского ТРДД ПС-90А.

-ГТД Coberra 6000 в классе мощности 24…32 МВт, созданный на базе двухвального газогенератора трехвального гражданского ТРДД RB211-24G фирмы Rolls-Royce;

-ГТД LM1600 мощностью 14 МВт, созданный на базе газогенератора и модифицированного каскада низкого давления военного ТРДДФ F404 фирмы General Electric;

На базе трехвальных авиационных ТРДД возможно создание наземных ГТД со свободной СТ, имеющих трехвальный турбокомпрессор. На Рис. 3.2.2_3 показана принципиальная схема

èпродольный разрез единственного в мировой практике серийного промышленного ГТД, выпол-

Рисунок 3.2.2_3 - ГТД с СТ и трехкаскадным турбокомпрессором а) принципиальная схема ГТД с СТ с трехкаскадным турбокомпрессором; б) ÃÒÄ ÍÊ-36ÑÒ

«СНТК им. Кузнецова» мощностью 25…30 МВт

1 – входное устройство; 2 – КНД; 3 – КСД; 4 – КВД; 5 – КС; 6 – ТВД; 7 – ТСД; 8 – ТНД; 9 – СТ; 10 – задняя опора; 11 – вал отбора мощности

151