1.13. Стационарные приводные гту зарубежных фирм

Замедление темпов строительства газопроводов к началу 80-х годов за рубежом вызвало сокращение числа новых моделей приводных ГТУ. Ведущие газотурбостроительные фирмы в последние 15 лет сделали крен в сторону создания стационарных энергетических ГТУ средней и большой мощности для работы в составе комбинированного (парогазового) цикла. В этих машинах наблюдается применение наиболее перспективных конст­рукций. В силу сказанного рассматриваемые далее модели приводных ГТУ не являются последним словом технической мысли XX века, хотя пред­ставляют значительный интерес. Некоторые из них эксплуатируются на газопроводах СНГ, другие могут появиться в ближайшие годы.

1.13.1. Гту конструкции Дженерал Электрик (сша) мощностью 10 и 25 мВт типа ms-3002(a) и ms-5002(b).

Обозначение расшифровывается: S - серия, 2 - число валов у турби­ны, (А) или (В) - порядок усовершенствования модели. Присутствие буквы R в конце обозначения свидетельствует о наличии регенератора. Иногда буква S опускается, а после М следует полное обозначение ГТУ. Напри­мер, M3142R(I) - механический привод, серия 3, мощность 14 тыс .л.с, 2 - двухвальная, R - с регенератором, модель I.

Эти машины именуют и как Frame - 3, Frame - 5.

В СНГ они получили обозначения: ГТК-10И и ГТК-25И (газотурбо­компрессор мощностью 10 и 25 МВт, импортный). Ими оснащены газопро­воды Оренбург - западная граница (Украины) - "Союз", частично Уренгой - Помары - Ужгород и отдельные компрессорные станции.

ГТУ этого типа по лицензии Дженерал Электрик производятся фир­мами Англии, Германии, Италии и Японии. Готовится их производство на СП "Кировский завод" (г. С.-Петербург).

Газотурбостроение фирмы Дженерал Электрик (GE) получило разви­тие в конце 40-х годов. Прародителем первой ГТУ был турбореактивный двигатель простейшей конструктивной схемы (TG-180). Стационарная мо­дель MS-3002 нашла применение в первую очередь в качестве приводной ГТУ на газопроводах.

С самого начала основополагающий принцип фирмы состоял в соз­дании ГТУ на максимально достижимые (по прочности) параметры цикла (особенно температуры) при минимальном числе ступеней в турбине (2), часто в ущерб ее аэродинамическому совершенству.

Фирма опережала других производителей ГТУ в области разработки жаропрочных сплавов, в развитии технологии. Но до 70-х годов ее ГТУ ус­тупали своим конкурентам в КПД.

Установка регенераторов этот недостаток устраняла, но металлоем­кость и стоимость оборудования при этом увеличивались в 1,6 раза и бо­лее.

Для конструкций машин характерны простые формы, широкое при­менение литья, отсутствие подгоночных элементов в связи с использовани­ем технологических процессов высокой точности. Фирма одна из первых за рубежом освоила точное литье рабочих лопаток больших размеров для последних ступеней газовых турбин.

В 70-х годах GE скорректировала курс развития в направлении большего внимания газодинамике турбомашин. В энергетических ГТУ пе­решла от двух- к трехступенчатым турбинам. КПД ее ГТУ в простом без­рекуперативном цикле стал вровень с КПД машин Вестингауз и АББ. Но эти достижения уже не попали в ряд приводных ГТУ типа MS3002 и MS5002.

MS5002(B) - ГТК-25И

Приводная ГТУ этого типа получена из MS3002 путем масштабного увеличения размеров, добавления спереди одной ступени в осевом ком­прессоре и повышения температуры в цикле с 900 до ~930°С. Ее техниче­ские характеристики:

Полезная мощность, МВт	25
Верхняя температура в цикле,°С	927
Степень повышения давления	8,6
КПД (без регенератора),%	28,3
Частоты вращения роторов, мин-1 ТВД Силовой турбины	5100 4670
Масса ГТУ, т	120,9

В отличие от MS3002, MS5002 выполнена в виде двух стыкуемых при монтаже блоков (рис.1.13). Спереди расположен блок вспомогательных механизмов, смонтированный на раме-маслобаке. Он включает насосы уп­лотнений (1), охладители масла (2), вспомогательный (пусковой) маслона-сос уплотнений нагнетателя (3), регулирующий клапан топливного газа (4), генератор собственных нужд (5), валоповоротное устройство (6), пус­ковой двигатель с механическим датчиком числа оборотов (7).

Рис.1.13. Газотурбинная установка GE типа MS5002:

1 - насосы уплотнений; 2 - маслоохладители; 3 - пусковой насос уплотнений нагнетателя; 4 - топливный регулирующий клапан; 5 - генератор собственных нужд; 6 - валоповоротное устройство; 7 - пусковой двигатель; 8-электрический датчик числа оборотов вала компрессора; 9 - всасывающий патрубок осевого компрессора; 10 -поворотный ВНА осевого компрессора; 11 - осевой компрессор (ротор); 12 - воспламенитель; 13 - жаровая труба камеры сгорания; 14 - охлаждаемые сопловые лопатки; 15 - рабочие лопатки; 16 - улитка выходного патрубка; 17 термопары; 18 - РСА силовой турбины (ТНД); 19 - эластичное уплотнение; 20 - вестовая труба

Основной блок представляет из себя двухвальную ГТУ, размещен­ную в едином корпусе, установленную на фундаментной раме. Газогене­ратор включает 16-ступенчатый компрессор (11) с поворотным входным направляющим аппаратом - ВНА (10), встроенную с 12 жаровыми трубами (13) камеру сгорания и приводящую компрессор одноступенчатую газовую турбину с охлаждаемыми направляющими (14) и неохлаждаемыми рабочими (15) лопатками. Силовая турбина также одноступенчатая, снабжена регулируемым сопловым аппаратом - РСА (18).

MS5OO2 - типичная конструкция стационарной ГТУ (Heavy Duty - для тяжелых условий работы) фирмы GE. Отлитый из чугуна жесткий корпус компрессора с входным конфузором и выходным диффузором, сварной из теплоустойчивой стали цилиндр в районе камер сгорания, размещенные вокруг оси ГТУ внутри цилиндрических патрубков жаровые трубы камеры сгорания, сварно-литая средняя часть корпуса турбины. Весь цилиндр ГТУ опирается на раму в 2 плоскостях: жесткой неподвижной опорой в районе заднего подшипника силовой турбины и гибкой - в районе переднего под­шипника осевого компрессора.

Входной патрубок (9), направленный вверх, и улитка выходного пат­рубка (16) (возможны направления вверх или вбок) установлены на раму на самостоятельных опорах и не передают усилий основному корпусу ГТУ. Стык между ним и выходной улиткой уплотняется пакетом гибких пластин (19).

Ротор компрессора - сборный, дисковый. Диски промежуточных сту­пеней сжаты при помощи длинных стяжек между двумя концевыми дис­ками с цапфами усилием в несколько десятков тонн. За счет трения в поясе контакта передается крутящий момент. Взаимная центровка дисков осуще­ствлена соединением "выступ - впадина" в центральной части на малом диаметре. Малые размеры обеспечивают малые отклонения и потому - вы­сокую точность ротора по радиальным боям и хорошую исходную уравно­вешенность. Рабочие лопатки всех ступеней имеют "ласточкины" хвосто­вики и набираются в осевом направлении (под углом) в пазы дисков. На­правляющие лопатки - необандажены, своими свободными концами уп­лотняют радиальные зазоры относительно гладкой поверхности ротора, у которой между ступенями нет кольцевых пазов. В связи с этим для замены отдельной рабочей лопатки необходима разборка всего ротора.

Размещение опорного подшипника между компрессором и турбиной высокого давления (ТВД) - в области максимальных давлений рабочего тела - связывает надежность его работы с качеством состояния лабиринт­ных уплотнений. При их износе в атмосферу через вестовую трубу (20) вы­брасывается смесь воздуха с масляными парами.

Топливный коллектор смонтирован снаружи корпуса ГТУ, каждая топливоподводящая трубка, как и горелка (форсунка), может быть демон­тирована для осмотра независимо от других. Наружные кожухи (колпаки) камер сгорания имеют съемные крышки, при снятии которых удаляется любая жаровая труба. Две из 12 жаровых труб оснащены воспламенителя­ми (12). Передача факела в остальные осуществляется через пламяпере-кидные патрубки, соединяющие огневое пространство всех жаровых труб. Продолжением каждой жаровой трубы служит конфузорный газовпускной патрубок, отлитый из жаропрочного сплава и подводящий продукты сго­рания к сектору из нескольких сопловых лопаток.

Охлаждаемые сопловые лопатки ТВД (14) дефлекторного типа с вы­пуском воздуха вблизи выходной кромки выполнены точным литьем из жаропрочного кобальтового сплава в виде сегмента из нескольких штук. Такая конструкция технологична, снижает протечки на стыках полок лопа­ток, но более чувствительна к термической усталости (в высокотемпера­турных ГТУ 80-х годов не применяется).

Рис.1.14. Рабочая лопатка ТВД ГТУ MS 5002 (GE)

Ротор ТВД состоит из консольного диска большого диаметра (1,5 м), изготовленного из жаропрочного никелевого сплава, и неохлаждаемых ра­бочих лопаток (15), выполненных из никелевого сплава точным литьем; диск крепится к ротору компрессора фланцевым соединением. В связи с большим отношением D_cp/l рабочие лопатки ТВД слабо закручены, про­фили в периферийном и корневом сечениях по форме и толщине близки. Поэтому разгрузка их от действия центробежных сил выполнена за счет создания внутренней, расширяющейся по радиусу, полости. По условиям прочности бандажная полка невыполнима. Рабочие лопатки имеют двух-зубчиковый елочный хвостовик и отличаются очень длинной ножкой, со­измеримой с длиной пера (рис 1.14).

При наборке на диск эти ножки образуют обод и снижают передачу тепла к диску. Полости между ножками соседних лопаток с передней и задней сторон диска закрываются пластинами. Удлиненные ножки позво­ляют выровнять нагрузку на хвостовик, действующую от центробежных сил пера, при резко различающихся формах их поперечных сечений. Со­вместно с закрывающими пластинами система функционирует и как демп­ферное устройство против вибрации.

Турбина низкого давления (ТНД) по конструкции аналогична. Ее от­личия: неохлаждаемый, но регулируемый сопловой аппарат (18) (рис.1.13), рабочие лопатки снабжены антивибрационными бандажными полками. Под действием центробежных сил в пере последние поворачиваются (рас­кручиваются) на определенный угол, что вызывает натяг между полками лопаток и работу их в качестве целого пакета.

Система охлаждения роторов ТВД и ТНД совершенством не отлича­ется. В большую полость перед диском ТВД подается воздух из-за ком­прессора, в полость между дисками ТВД и ТНД - через статор- из проме­жуточной ступени компрессора. Осевые зазоры в уплотнениях между дис­ками и статором в работе изменяются, так что полного запирания назван­ных полостей от проникновения продуктов сгорания из проточной части не происходит. В них возникает циркуляция газовоздушной смеси. Поэтому, несмотря на применение для дисков никелевых сплавов, предусматривает­ся контроль температуры среды в полости между ТВД и ТНД. При ее по­вышении сверх допустимой срабатывает предупредительная сигнализация, а далее - защита.

В конце развитого диффузора ТНД установлены кольцевые лопатки, сокращающие зону отрыва потока на крутом повороте.

Контроль температур за камерой сгорания, в том числе их разности в окружном направлении, осуществляется в выходном патрубке - сразу за диффузором (17).

Контроль частоты вращения ротора газогенератора выполнен элек­тронным датчиком (8).

Как отмечено ранее, в блоке вспомогательных механизмов находится электрогенератор собственных нужд, соединенный с ротором циклового компрессора. Его назначение - резервирование электроснабжения элек­тронной части систем регулирования и управления, электроприводных на­сосов промежуточного контура охлаждения масла ГПА и электропривод­ных вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения (АВО) промтеплоносителя. Воздушные охладители, расположенные за пределами укрытия, ох­лаждают промежуточный теплоноситель (зимой - антифриз, летом - воду), который прокачивается через масляные теплообменники в маслобаке. Так обеспечивается автономность ГТУ в момент прекращения внешнего элек­троснабжения. Однако ее не следует переоценивать: автономность ГТУ еще не равносильна автономности цеха, который для работы аппаратов воздушного охлаждения перекачиваемого газа (АВО)Г требует существенно большей мощности. А потому перерывы во внешнем электроснабжении допустимы лишь кратковременно. Как отмечалось в разделе 4, последнее может обеспечиваться более простыми средствами.

Наличие на валу газогенератора электрогенератора переменного тока вынуждает поддерживать его частоту вращения постоянной. В описывае­мой ГТУ это осуществляется на рабочих режимах при помощи поворота лопаток РСА силовой турбины. При снижении нагрузки РСА приоткрыва­ется, уменьшая изоэнтропический перепад в силовой турбине, и передает его компрессорной турбине (ТВД). Рабочая линия совместных режимов ТВД и компрессора совпадает с изодромой n=const=n_pacч, рабочая точка удаляется от границы помпажа. Для приводной ГТУ такой способ регули­рования не является оптимальным по КПД, но облегчает режимы очень малых нагрузок, останова и запуска. К нему может вынуждать характери­стика циклового компрессора с близким расположением границы срыва, наличие высоких вибронапряжений в лопаточном аппарате компрессора или ТВД на пониженных частотах вращения.

Использование РСА связано с появлением в ТНД углов атаки на ра­бочих лопатках, снижением изоэнтропического КПД и требует дополни­тельных мер по снижению в них вибронапряжений. В этом смысле выпол­нение рабочих лопаток ТНД с бандажными полками - решение не случай­ное.

Существенный результат в части повышения КПД мог бы достигать­ся поворотом РСА на режимах частичной нагрузки в регенеративных мо­делях ГТУ, но лишь при использовании программы регулирования T₂=const.

В модификациях MS-5002 (В) фирма ввела регулируемый входной направляющий аппарат (ВНА) в осевом компрессоре. Последний может как повысить КПД ГТУ при частичных нагрузках при программе регулиро­вания n_K=const, так и облегчить эксплуатацию при n_K=var.