Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 8-9-Osobennosti_konstrukcii_turbin_dvigatelej_nazemnogo_primenenija

8.9 - Особенности конструкции турбин двигателей наземного применения

Для эксплуатации в промышленных двигателях могут использоваться авиационные турбины без принципиальных изменений проточной части (и это можно считать идеальным вариантом применения) или новые CТ, присоединяемые к газогенератору. Для привода потребителей частота вращения выходного вала СТ должна совпадать с частотой вращения вала потребителя. В энергетике это 3000…3600 об/мин, а для механического привода различных компрессоров – от 4000 до 7500 (и даже до 9000) об/мин. Универсальным вариантом решения этой проблемы является применение

редуктора. Однако этого всегда стремятся избежать из-за дополнительных потерь мощности, проблем со стоимостью, надежностью, необходимостью дополнительных систем обеспечения маслом и так далее.

Ниже рассмотрены примеры успешной разработки турбин промышленных двигателей на базе авиационных конструкций.

Турбина LM6000PA/PB (GE Aircraft Engines) [8.1]. В конструкции 41-мегаваттной энергоустановки LM6000PA/РВ ТВД и ТНД полностью сохранены с авиационного двигателя CF6-80C2 (см. Рис. 8.130, 8.131). Проточная часть турбин сохранена без изменений. ТНД продолжает обеспечивать привод КНД и стала одновременно СТ. Вал 1 ТНД получил дополнительный вывод назад с фланцем 2

для отбора полезной мощности. Для компенсации осевой силы ТНД (ранее компенсируемой вентилятором) создана дополнительная разгрузочная полость 3, для чего на вал установлен дополнительный лабиринт 4.

На последних лопатках ТНД (преимущественно на последней рабочей лопатке) реализуется дополнительный перепад давления (ранее создававший тягу в сопле) и создает полезную мощность, передаваемую потребителю. На профиле последней рабочей лопатки реализуется сверхзвуковой уровень скоростей, уменьшающий к.п.д. ТНД

и создающий высокие изгибающие нагрузки на эту лопатку. Тем не менее, конструкция лопатки обеспечила необходимую прочность.

Частота вращения базовой авиационной ТНД CF6-80C2 составляет 3600 об/мин. В наземном варианте для генератора на 3600 об/мин используется прямой привод, а для 3000 об/мин – привод че- рез редуктор.

Через пять лет после начала эксплуатации (в 1995 году) была разработана новая установка LM6000PC/PD [8.2] – отличающаяся, в основном, конструкцией ТНД. Были перепроектированы пос-

ледние пять лопаточных венцов с увеличением их длины и увеличением осевой площади на выходе из ТНД. Уменьшение уровня скоростей на последних лопатках и на выходе из ТНД позволило увеличить к.п.д. ТНД и уменьшить потери в затурбинном выходном устройстве. В результате этой модернизации турбины полезная мощность установки возросла до 45 МВт, а термический к.п.д. – до 42,6%.

Турбина Industrial Trent (Rolls-Royce) [8.3]. Другим примером успешного превращения авиационного двигателя в промышленный является 50мегаваттный Industrial Trent (в эксплуатации с 1996) фирмы Rolls-Royce – с авиационного двигателя Trent800 сохранены ТВД, ТСД и три из пяти ступеней ТНД. Как и LM6000, Industrial Trent имеет

рекордный термический к.п.д. простого цикла – 42%. Как и в LM6000, ТНД является одновременно СТ и механически связана с КНД, то есть не является свободной турбиной.

ÂIndustrial Trent (см. Рис. 8.132) сохранена связь ТНД с КНД и введен выходной вал 1 для отбора полезной мощности. Две последние ступени 2 ТНД перепроектированы в связи с увеличением перепада давления и мощности.

Âэтой турбине применено интересное техни- ческое решение – изменение частоты вращения ТНД для привода генераторов на 3000 или на 3600 об/мин, осуществляемое за счет выбора одного из двух вариантов лопаток для КНД. Таким образом, исключаются редуктор и связанные с ним проблемы.

Применение металлических многокомпонентных покрытий, обеспечивающих защиту от окисления и коррозии наружных и внутренних поверхностей. Это особенно актуально для турбин двигателей морского применения, а также для турбин двигателей, работающих на природном или попутном нефтяном газе – так как их продукты сгорания и возможные примеси гораздо более агрессивны по отношению к металлу, чем продукты сгорания керосина.

Отверстия пленочного или струйного охлаждения в лопатках ТВД должны быть спроектированы или скорректированы для учета условий постоянной работы в гораздо более запыленной среде, чем системы охлаждения турбин авиационных двигателей. Они должны иметь увеличенный диаметр (ведущие разработчики турбин наземного применения имеют основанные на опыте эксплуатации ограничения на минимальный диаметр отверстия).

Перечень использованной литературы

8.1GEAircraft Engines: LM6000 Gas Turbine: Simply the World’s Most Efficient. AE-3248. USA, 1995.

8.2LM6000 rated 45 MW shaft output and 42.6% simple cycle efficiency. Gas Turbine World, NovemberDecember 1995.

8.3Closing the loop. International Power Generation, March 1996.

8.4LM6000 PC. Generator Drive/Mechanical Drive. Gas Turbine World, March-April 1996.

8.10 - Характерные дефекты в турбинах и пути их предотвращения

Современные двигатели эксплуатируются по техническому состоянию вплоть до исчерпания запаса по параметрам или до возникновения какойлибо неисправности.

При стендовых испытаниях и в эксплуатации неисправности в турбине могут быть выявлены средствами диагностики двигателя (например, повышение температуры за турбиной) или при техни- ческом обслуживании, с использованием специальных средств и методов контроля. Такими средствами служат оптические эндоскопы (для осмотра деталей проточной части), приборы для ультразвукового и токовихревого контроля дефлекторов и дисков. Для облегчения проведения диагностики в корпусах турбины выполняют лючки, обеспечи- вающие доступ для средств контроля.

Турбина, как самый теплонапряженный узел двигателя, является и наиболее частым источником неисправностей, приводящим к отправке в ремонт и ограничивающим ресурс. Например, при средней межремонтной наработке 11000 часов в двух из каждых трех случаев отправки в ремонт двигателей семейства PW4000 (всех моделей) причиной являются проблемы (прогары и трещины) с лопатками ТВД [8.1].

Двигатель CFM56-3 при средней межремонтной наработке (на второй и последующие ремонты) около 10000 часов отправляется в ремонт из-