Реферат: Научно-технический прогресс газотурбинных установок магистральных газопроводов

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.

Пример конвертированного ГТД показан на рис. 18, а сравнение конвертированного ГТД и ГТД стационарного типа одного класса мощности показано на рис. 19.

Авиационные ТВД и вертолетные ГТД функционально и конструктивно более других авиадвигателей приспособлены для работы в качестве наземных ГТД. Они фактически не требуют модификации турбокомпрессорной части (кроме камеры сгорания).

Первым массовым конвертированным ГТД стал ТРД Avon фирмы Rolls-Royce, устанавливавшийся на самолетах "Каравелла". С 1964 г. "Avon" используется как газогенератор для стационарной СТ производства фирмы Cooper Bessemer. По аналогичной схеме впоследствии был конвертирован двухвальный газогенератор ТРДД RB211-24G. Мощность ГТУ, получивших обозначение Coberra 2000 и Coberra 6000, составила 14,5 и 27 МВт соответственно.

Рис. 18. ГТД, конвертированный из авиадвигателя (модель LM2500 фирмы General Electric мощностью 23 МВт на базе ТРДД CF6-6)

Рис. 19. Сравнение типичных конструкций ГТД, конвертированного из авиадвигателя и ГТД стационарного типа одного класса мощности (25 МВт, фирма GE): 1 - тонкие корпуса; 2 - подшипники качения; 3 - выносные КС; 4 - массивные корпуса; 5 - подшипники скольжения; 6 - горизонтальный разъем.

В СССР в 1970-е годы был разработан наземный ГТД НК-12СТ на базе одновального авиационного ТВД НК-12, который эксплуатировался на самолетах ТУ-95, ТУ-114 и АН-22. Конвертированный двигатель НК-12СТ мощностью 6,3 МВт был выполнен со свободной СТ и работает в составе многих ГПА и по сей день.

В настоящее время конвертированные авиационные ГТД различных производителей широко используются в энергетике, промышленности, в морских условиях и на транспорте. Мощностной ряд – от нескольких сотен киловатт до 50 МВт.

Данный тип ГТД характеризуется наиболее высоким эффективным КПД при работе в простом цикле, что обусловлено высокими параметрами и эффективностью узлов базовых авиадвигателей. ГТД LM6000PC фирмы General Electric и TRENT фирмы Rolls-Royce имеют эффективный КПД на валу СТ . ГТД TRENT к настоящему времени является наиболее мощным двигателем данного типа Ne = 52,6 МВт.

4. Основные мировые производители ГТД

В данном разделе дается краткий обзор крупнейших зарубежных и российских разработчиков, производителей авиационных, наземных и морских ГТД. Указываются марки наиболее массовых моделей ГТД и перспективные проекты.

Дженерал электрик

General Electric (GE), США. Крупнейший мировой производитель авиационных, наземных и морских ГТД. Отделение компании General Electric Aircraft Engines (GE AE) в настоящее время занимается разработкой и производством авиационных ГТД различных типов - ТРДД, ТРДДФ, ТВД и вертолетных ГТД. Диапазон тяг и мощностей этих двигателей очень широк: ТРДД - от 40 до 512 кН, ТРДДФ - от 80 до 190 кН, ТВД и вертолетные ГТД - от 900 до 3500 кВт. GE АЕ участвует в совместных программах. Так, с французской компанией Snecma разрабатывается и производится семейство ТРДД CFM56, с фирмой Pratt & Whitney действует программа ТРДД GP7000, с компанией Honeywell - программа ТРДД CFE738.

К наиболее массовым серийным авиационным двигателям и перспективным проектам можно отнести:

- ТРД - J85, J79;

- ТВД и вертолетные ГТД - СТ7, Т58, Т700;

- ТРДД - TF39, CF6-6, CF6-50, CF6-80C2, GE90, CF34, CFM56 (совместно с Snecma);

- ТРДДФ - F101, F110, F404, F414, F120 (двигатель 5-го поколения с элементами ДИЦ).

Отделение компании General Electric Energy разрабатывает и производит авиапроизводные стационарные ГТД для энергетического, механического и морского привода в диапазоне мощности от 2 до 300 МВт. Также это отделение осуществляет маркетинг и поставки всех типов наземных и морских ГТД фирмы GE.

Промышленные и морские ГТД представлены следующим рядом моделей:

- ГТД, конвертированные из авиадвигателей - LM500, LM1600, LM2000, LM2500, LM2500+, LM5000, LM6000;

- стационарные ГТД - PGT5, PGT10, PGT25, MS5000, MS6000, MS7000, MS9000.

Пратт энд Уитни

Pratt & Whitney (PW), США. Входит в состав компании United Technologies Corporations (UTC). В настоящее время PW занимается разработкой и производством авиационных ТРДД средней и большой тяги: гражданских ТРДД тягой от 70 до 440 кН и военных ТРДДФ в классе тяги 100... 170 кН. PW участвует в международной программе ТРДД V2500, совместно с GE - в программе ТРДД GP7000.

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРД (Ф) - J57, J75, J58;

- ТРДД - J52, JT3D, JT8D, JT9D, PW2000,

- PW4000, PW6000 (опытный), PW8000 (проект ТРДД с редуктором и сверхвысокой степенью двухконтурности), ADP (опытный ТВВД с закапотированным ВВ);

- ТРДДФ - TF3 0, F100, F119, РW7000 (перспективный проект на базе программы IHРТЕТ), подъемно-маршевый ТРДДФ F13 5.

Отделение фирмы Pratt & Whitney Power Systems производит конвертированные наземные и морские ГТД на базе авиадвигателей PW и PWC мощностью от 0,4 до 28 МВт.

Наземные и морские ГТД представлены следующим рядом моделей: ST5, ST6L, ST18A, ST30, ST40, FT8.

Пратт энд Уитни Канада

Pratt & Whitney Canada (PWC), (Канада). Также входит в состав компании UTC в группу PW. PWC занимается разработкой и производством малоразмерных ТРДД, ТВД и вертолетных ГТД. Большинство ТРДД находятся в классе тяги 10...33 кН. Проект новейшего ТРДД PW800 рассчитан на класс тяги 44...84 кН. Разработаны и разрабатываются ТВД и вертолетные ГТД мощностью от 400 до 3800 кВт.

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРДД - JT15D, PW300, PW500, PW800 (проект ТРДД с редукторным приводом вентилятора);

- ТВД и вертолетные ГТД - РТ6А, PW100, PW200.

Ряд конвертированных из базовых ТВД и вертолетных ГТД промышленных двигателей мощностью 400.. .4000 кВт.

Роллс-Ройс

Rolls-Royce (Великобритания). Компания Rolls-Royce (RR) в настоящее время разрабатывает и производит широкий спектр ГТД авиационного, наземного и морского применения - гражданские ТРДД в диапазоне тяг от 60 до 420 кН, ТВД и вертолетные ГТД мощностью от 600 до 4500 кВт, а также подъемно-маршевые двигатели семейства Pegasus в классе тяги 95... 106 кН.

RR принимает долевое участие во многих европейских и международных программах:

- в разработке и производстве военных ТРДДФ RB199, EJ200, подъемного вентилятора для СУ истребителя JSF;

- ТВД и вертолетных ГТД семейства RTM 322 в классе мощности 1500.. .2200 кВт совместно с фирмой Turbomeca.

Ранее RR совместно с компанией Snecma разрабатывала и производила ТРДФ "Олимп" тягой 140...170кН для сверхзвукового пассажирского самолета "Конкорд".

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРД - Derwent, Nene, Avon, Viper;

- ТВД и вертолетные ГТД - Dart, Gazelle, Gem, Gnome, Tyne;

- ТРДД- Conway, Spey, RB211-24/524/535, Tay, Trent 500/700/800/900;

- ТРДДФ - Adour, RBI99, EJ200 (совместно с европейскими фирмами);

- подъемно-маршевый ТРДД - Pegasus.

Широким спектром моделей для механического, энергетического и морского привода представлены ГТД наземного применения. Эти двигатели мощностью от 4 до 58 МВт - 501, 601, Avon, Coberra, Trent 50 - созданы конвертацией авиационных прототипов.

Honeywell (США). Компания Honeywell занимается разработкой и производством авиационных ГТД - ТРДД и ТРДДФ в малом классе тяги 15.. .40 кН, ТВД и вертолетных ГТД в классе мощности 450...2100 кВт.

Наиболее массовые авиационные двигатели:

- ТВД и вертолетные ГТД - Т53, Т55, LTS101, LTP101, ТРЕ331, Т800;

- ТРДД - ALF502, AS900, ATF3, LF507, TFE731;

- ТРДДФ -ТРЕ1042.

Snecma (Франция). Компания Snecma занимается разработкой и производством авиационных ГТД - военных ТРДДФ в классе тяги 75...90 кН и гражданских ТРДД совместно с компанией GE (семейства ТРДД CFM56 и GE90). Совместно с фирмой Turbomeca участвует в программе ТРДД Larzac в классе тяги 14 кН. Совместно с фирмой Rolls-Royce разрабатывала и производила ТРДФ "Олимп".

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРДФ - Atar;

- ТРДД - CFM56-2/3/5/7 и GE90 (совместно с GE АЕ), Larzac (совместно с фирмой Turbomeca), перспективный ТРДД в рамках программы Tech56;

- ТРДДФ - М53, М88.

Турбомека

Turbomeca (Франция). В основном разрабатывает и выпускает ТВД и вертолетные ГТД малой и средней мощности от 400 до 1600 кВт. Совместно с компанией RR участвует в программе ГТД RTM322 в классе мощности 1500...2200 кВт.

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

ТВД и вертолетные ГТД - Arriel, Arrius, Artouste, Astazou, Bastan, Makila, TM 333.

Сименс

Siemens (ФРГ). Профилем этой крупной фирмы являются стационарные наземные ГТД для энергетического и механического привода и морского применения в широком диапазоне мощности от 4 до 300 МВт.

Основные марки разрабатываемых и выпускаемых ГТД:

- Typhoon, Tornado, Tempest, Cyclone, GT35, GT10B/C, GTX100, V64.3A, V94.2, V94.2A, V94.3A, W501D5A, W501F, W501G.

Alstom (Франция, Великобритания). Разрабатывает и производит стационарные одновальные энергетические ГТД в диапазоне мощности 50...270 МВт.

Основные марки ГТД - GT8C2, GT11N2, GT13E2, GT24, GT26.

Солар

Solar (США). Входит в состав компании Caterpillar и занимается разработкой и производством стационарных ГТД малой мощности от 1 до 15 МВт для энергетического и механического привода и морского применения.

Основные марки ГТД - Saturn 20, Centaur 40/50, Taurus 60/70, Mars 90/100, Titan 130.

ГП "ЗМКБ "Прогресс" им. А.Г. Ивченко" (Украина, г. Запорожье). Государственное предприятие "Запорожское машиностроительное конструкторское бюро "Прогресс" имени академика А.Г. Ивченко" специализируется на разработке, изготовлении опытных образцов и сертификации авиационных ГТД -ТРДД в диапазоне тяги 17...230кН, самолетных ТВД и вертолетных ГТД мощностью 1000... 10000 кВт, а также промышленных наземных ГТД мощностью от 2,5 до 10000 кВт. Двигатели разработки "ЗМКБ "Прогресс" серийно выпускаются в ОАО "Мотор Сич" (Украина, г. Запорожье).

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТВД и вертолетные ГТД - АИ-20, АИ-24, Д-27 (ТВВД с открытым ВВ);

- ТРДД - АИ-25, ДВ-2, Д-36, Д-18Т, Д-436Т1/Т2/ТП.

Наземные ГТД:

- Д-336-1/2, Д-336-2-8, Д-336-1/2-10.

НПП "Машпроект" (Украина, г. Николаев).

Научно-производственное предприятие "Зоря-Машпроект" (Украина, г. Николаев) разрабатывает и производит ГТД для морских СУ, а также наземные ГТД для энергетического и механического привода. Наземные двигатели являются модификациями моделей морского применения. Класс мощности ГТД: 2...30МВт. С 1990гг. НПП "Зоря-Машпроект" разрабатывает также стационарный одновальный энергетический двигатель UGT-110 мощностью 110 МВт.

Основные модели ГТД:

- UGT-2500, UGT-3000, UGT-6000, UGT-10000, UGT-15000, UGT-160000, UGT-250000,

UGT-110 (совместно с НПО "Сатурн", Россия).

4.1 Основные российские производители ГТД

Ниже приведены основные российские предприятия-разработчики ГТД, расположенные в алфавитном порядке.

ОАО "Авиадвигатель" (г. Пермь). Разрабатывает, изготавливает и сертифицирует авиационные ГТД - гражданские ТРДД в классе тяги 52.. .200 кН для магистральных самолетов, военные ТРДДФ в классе тяги 152...194кН, вертолетные ГТД, а также авиапроизводные наземные промышленные ГТД для механического и энергетического привода в классе мощности 2,5...30 МВт.

Серийное производство ТРДД разработки ОАО "Авиадвигатель" осуществляет ОАО "Пермский моторный завод" (ОАО "ПМЗ", г. Пермь) и ОАО "НПО "Сатурн"" (г. Рыбинск). Промышленные ГТД серийно выпускаются на ОАО "ПМЗ".

ОАО "Авиадвигатель" и ОАО "ПМЗ" составляют ядро созданного в конце 2003 г. "Пермского центра авиадвигателестроения" во главе с управляющей компанией "Пермский моторостроительный комплекс".

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРДД - Д-20П, Д-30, Д-30КУ/КП, Д-30КУ-154, Д-30-ВЮ, ПС-90А, ПС-90А2, ПС-90А12 (проект), ПС-12 (проект ТРДД 5-го поколения);

- ТРДДФ - Д-30Ф6;

- вертолетные ГТД - Д-25В.

ГТД наземного применения представлены широким спектром моделей для механического и энергетического привода. Наземные двигатели, созданные конвертацией авиационных двигателей Д-30 и ПС-90А - ГТУ-2,5П, ГТУ-4П, ГТУ-6П, ГТУ-10П, ГТУ-12П, ГТУ-16П, ГТУ-25П, ГТЭ-180 (проект совместно с ОАО ЛMЗ).

ГУНПП "Завод имени В.Я. Климова" (г. Санкт-Петербург). Государственное унитарное научно-производственное предприятие "Завод им. В.Я. Климова" в последние годы специализируется на разработке и производстве авиационных ГТД. Номенклатура разработок широка - военные ТРДДФ в классе тяги 81...98кН, самолетные ТВД и вертолетные ГТД в классе мощности 1200...2600 кВт; танковые ГТД в классе мощности 700...900 кВт, а также конвертированные промышленные ГТД на базе ТВД и вертолетные ГТД в классе мощности 0,8...2,5 МВт.

Наиболее массовые серийные авиационные и наземные двигатели и перспективные проекты:

- ТРД (Ф) - ВК-1, ВК-1Ф;

- ТРДДФ - РД-33,РД-133;

- ТВД и вертолетные ГТД - ГТД-350, ТВ2-117, ТВЗ-117, ТВ7-117, ВК-3500;

- танковые ГТД - ГТД-1000Т/ТФ, ГТД-1250;

- наземные энергетические ГТД: ГТП-0,8; ГТП-1,25; ГТП-1,6; ГТП-2,5.

ОАО "ЛМЗ" (г. Санкт-Петербург). ОАО "Ленинградский Металлический завод" разрабатывает и производит стационарные энергетические ГТД в классе мощности 100... 180 МВт.

Основные марки ГТД- ГТЭ-100 (двигатель сложного цикла с промежуточным охлаждением и промежуточным подогревом), ГТЭ-150, ГТЭ-180 (проект совместно с ОАО "Авиадвигатель").

ФГУП "Мотор" (г. Уфа). Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Мотор"" занимается разработкой военных ТРД и ТРДФ для истребителей и штурмовиков.

Основные авиационные ГТД - Р13-300, Р25-300, Р95Ш, Р195.

В 1990-е гг. на базе двигателя Р195 разработана энергетическая установка ГТЭ-10/95 мощностью 10 МВт.

"Омское МКБ" (г. Омск). АО "Омское моторостроительное конструкторское бюро" занимается разработкой малоразмерных ГТД и вспомогательных СУ.

Основные двигатели разработки "Омского МКБ":

- вспомогательные ГТД - ВСУ-10, ВГТД-43;

- ТВД - ТВД-10, ТВД-20;

- вертолетные ГТД - ГТД-3, ТВ-0-100;

- ТРДД - ТРДД-50 (проект).

ОАО "НПО "Сатурн''" (г. Рыбинск).

ОАО "Научно-производственное объединение "Сатурн"" в последние годы разрабатывает и производит военные ТРДДФ в классе тяги 122... 175 кН, ТВД, вертолетные ГТД мощностью 1000... 1100 кВт, а также конвертированные наземные ГТД мощностью от 4 до 20 МВт. Совместно с НПО "Машпроект" (Украина) участвует в программе энергетического одновального ГТД мощностью 110 МВт. Совместно с компанией Snecma разрабатывает ТРДД для региональных самолетов в классе тяги 50...70 кН. Серийное производство военных ТРДДФ осуществляется на серийных заводах - в уфимском ОАО "УМПО" и московском ФНПЦ "Салют".

Наиболее массовые серийные авиационные двигатели и перспективные проекты:

- ТРД (Ф) - АЛ-7Ф, AЛ-21Ф, ВД-7, РД-36-41, РД-36-51;

- ТРДДФ - AЛ-31Ф, АЛ-41Ф (опытный двигатель 5-го поколения);

- ТРДД - SM146 (совместный проект с компанией Snecma);

- ТВД и вертолетные ГТД - РД-600, ТВД-1500.

Наземные ГТД - АЛ-31СТ, АЛ-31СТЭ, ГТД-4, ГТД-6, ГТД-8, ГТД-6,3 (проект), ГТД-10 (проект), ГТД-110 (совместно с НПО "Машпроект").

ОАО "СНТК им. Н.Д. Кузнецова".

ОАО "Самарский научно-технический комплекс им. Н.Д. Кузнецова" разрабатывает и выпускает авиационные ГТД (ТВД, ТРДД, ТРДДФ) и наземные ГТД, конвертированные из авиадвигателей. Предприятие имеет самый большой опыт среди российских предприятий в разработке наземных ГТД для газовой промышленности. Продукция этого предприятия серийно эксплуатируется с 1974 г. В последние годы ведется доводка ТВВД НК-93 с двухрядным закапотированным ВВ, а также разработка новых моделей наземных ГТД.

Основные авиационные ГТД, разработанные ОАО "СНТК им. Н.Д. Кузнецова":

- ТВД - НК-12MB, НК-4;

- ТРДД - НК-8-4, НК-8-2/2У, НК-86, НК-88 (на криогенном топливе);

- ТРДДФ - НК-22, НК-25, НК-144, НК-32;

- ТВВД - НК-93 (опытные двигатели). Наземные ГТД - НК-12СТ, НК-16СТ, НК-3 6СТ,

НК-38СТ, НК-14СТ (Э).

АМНТК "Союз" (г. Москва). ОАО "Авиамоторный научно-технический комплекс "Союз"" разрабатывает и изготавливает авиационные ГТД - ТРД, ТРДФ, подъемно-маршевые ТРДДФ.

Основные авиационные ГТД:

- ТРД - АМ-3 (РД-3), АМ-5;

- ТРДФ - РД-9, Р11-300, Р15-300, Р27-300;

- ТРДДФ - Р79 (подъемно-маршевый двигатель для СВВП Як-141).

Тушинское МКБ "Союз" (г. Москва).

Государственное предприятие "Тушинское машиностроительное конструкторское бюро "Союз"" занимается доводкой и модернизацией военных ТРДФ - Р27-300, Р35-300, Р29-300. В 1992 г. на базе Р29-300 разработана ГТУ 55СТ-20 мощностью 20 МВт для привода электрогенераторов.

5. Основы рабочего процесса ГТД

Эффективность ГТД наземного и морского применения, предназначенных для производства мощности на выходном валу, может оцениваться только как эффективность тепловой машины.

При рассмотрении ГТД как тепловой машины можно отвлечься от конкретного типа и назначения двигателя, так как в большинстве рассмотренных выше схем ГТД реализуется одинаковый термодинамический цикл, обычно называемый простым газотурбинным циклом или циклом Брайтона.

Реальный простой газотурбинный цикл показан на рис. 20 в T-S диаграмме. В диаграмме наглядно отображаются работа цикла, подведенное и отведенное тепло и внутрицикловые потери (в процессах сжатия, расширения и течения рабочего тела по тракту ГТД).

Простой цикл состоит из следующих термодинамических процессов (см. рис. 20):

- адиабатическое сжатие рабочего тела (воздуха) в воздухозаборнике (отрезок Н-В на диаграмме) и в компрессоре (отрезок В-К) от атмосферного давления Рн до давления Р*к. В авиационных ГТД при скорости полета равной нулю (V= 0) и в наземных ГТД динамическое сжатие в воздухозаборнике отсутствует и весь процесс сжатия осуществляется в компрессоре;

Страницы: 1, 2, 3, 4