О конструкции свободной силовой турбины при авиационном газогенераторе

В зарубежной практике использование авиационных двигателей для работы в наземных приводных установках с применением свободных силовых турбин (ССТ) стационарного типа является преобладающим решением. Из крупных производителей газотурбинных приводов не стала на этот путь лишь фирма "Дженерал Электрик", которая для соединения с компрессорами и подобными машинами на земле применяет как конвертированные судовые двигатели серий LM, так и ГТУ стационарного типа, предусматривающие возможность использования регенерации теплоты с существенным ростом экономичности.

Недостатки работающих силовых турбин, поставляемых совместно с авиационными газогенераторами, в газотранспортных объединениях известны:

• повышенные затраты на обслуживание и ремонт, связанные с недостаточным фактическим межремонтным ресурсом СТ и с необходимостью отправки модуля СТ для ремонта в специализированный центр,

• неудовлетворительная газовыпускная система, при которой теряется значительная часть энергии потока и растет расход топливного газа.

Преимущества ССТ стационарного типа в соединении с авиационными газогенераторами также известны. В частности, это:

• возможность достижения более высокой экономичности за счет применения менее нагруженного облопачивания и развитого классического диффузора;

• снижение затрат на обслуживание и ремонт при большем общем и межремонтном ресурсе.

Отметим характерные черты распространенных силовых турбин зарубежных фирм.

В 70-е годы были широко известны двухступенчатые СТ стационарного типа фирмы "Зульцер-Эшер Висс" (АББ), соединяемые с авиационными газогенераторами фирмы "Роллс Ройс". Достоинствами этих СТ, в частности были:

• жесткий конический корпус турбины с горизонтальным разъемом и хорошим доступом к сопловым и рабочим лопаткам;

• наличие цилиндрических хвостовиков в силовых лопатках обеих ступеней, что позволяет согласовывать СТ с различными газогенераторами;

• выходной диффузор с конической внутренней стенкой, что обеспечивает его эффективную работу при некоторой закрутке потока за последней ступенью.

Более современными являются решения фирмы "Нуово Пиньоне", поставлявшей с 1978 г. хорошо зарекомендовавшие себя приводные ГТУ "гибридной" конструкции с авиационными газогенераторами. На КС "Алмазная" Пермтрансгаза работают такие агрегаты с отечественным авиационным газогенератором (типа АЛ АО "Люлька-Сатурн"). Распространены ГПА с известным газогенератором фирмы "Дженерал Электрик" типа LM-2500, называемые PGT-25 (более 100 агрегатов в 1997г.).

Отметим некоторые особенности СТ стационарного типа фирмы "Нуово Пиньоне". В качестве основы статора использован газовыпускной патрубок, содержащий эффективный выходной диффузор, не требующий дополнительной осевой длины. Патрубок установлен на легкой жесткой раме на четырех опорах. К вертикальному фланцу патрубка прикреплен корпус двухступенчатой турбины.

На той же раме расположен литой чугунный корпус подшипников со стальной гильзой, включающей опоры и консольную часть полого ротора с центральным стержнем. Диски турбины прикреплены с помощью стяжных болтов к фланцу ротора. Упорный подшипник - с самоустанавливающимися колодками, опорные подшипники сегментного типа Корпус упорного подшипника связан со статором проточной части турбины, вся система хорошо демпфирует колебания ротора и позволяет работать даже с некоторым его небалансом. Расчетная частота вращения ротора 6500 об/мин, температура газа на входе в СТ около 800 °С.

Главная направленность спроектированной турбины - пригодность для соединения с различными газогенераторами при высоком внутреннем КПД. Для удовлетворения этому приняты постоянный средний диаметр лопаточных венцов, малый угол раскрытия проточной части в меридиональной плоскости. Степень реактивности ~50% на среднем диаметре и около 20% в корне, использованы современные способы проектирования ступеней высокой эффективности. Малые удлинения (широкие хорды) лопаток позволяют сократить их число, повысить КПД турбины за счет уменьшения кромочных потерь, снижения относительной шероховатости и т.д. Современный диффузор со степенью расширения 2,9 и промежуточной кольцевой поворотной перегородкой обеспечивает полезное использование более половины динамического напора за последней ступенью. Опирание ротора через корпус подшипников на раму позволяет избежать во входной части диффузора реберной системы, которая могла бы существенно ухудшить эффективность патрубка. Обеспечивается легкая разборка турбины в сторону газогенератора, а капитальный ремонт СТ по информации фирмы занимает всего несколько дней.

В агрегатах конца 90-х годов измеренный адиабатный КПД СТ при мощности около 30 МВт составляет h^*_т = 0,94, КПД газотурбинного привода с совершенным газогенератором в условиях ИСО около 40%. Представляет интерес наличие регулируемого соплового аппарата первой ступени СТ (около 60 сопловых лопаток). Это дает возможность более точной подстройки к различным газогенераторам, а также возможность поддерживать постоянные обороты турбокомпрессора, препятствовать снижению мощности при загрязнении его лопаточного аппарата и при повышенной температуре воздуха.

Весь турбоагрегат PGT-25 имеет прочный кожух-укрытие с расположенными внутри грузоподъемными средствами. Соединение силовой турбины с газогенератором осуществляется жесткой связью, но модуль СТ четко выделен.

Не менее интересны решения фирмы МАН ГХХ, которая для соединения с неустаревшим пока газогенератором фирмы P&W FT8, обеспечивающим КПД ГТД около 40%, совместно с фирмой "Турбо пауэр" (ТРМ) в конце 80-х - начале 90-х годов разработала несколько модификаций ССТ полустационарного типа на 3000, 3600, 5500 об/мин мощностью около 25 МВт. Для механического привода предназначена модификация FT8-55.

Фирму МАН ГХХ привлекало в этой конструкции:

• выигрышное соотношение стоимости и характеристик ГТД;

• простота обслуживания с минимальными затратами времени и труда;

• высокая надежность;

• хорошая топливная экономичность;

• удовлетворение экологическим требованиям.

В модификации FT8-55 с частотой вращения 5000-5500 об/мин была принята трехступенчатая конструкция силовой турбины, оптимальная, по мнению разработчиков, для механического привода. В качестве исходной позиции был принят межопорный (бесконсольный) ротор жесткого типа на подшипниках качения. Такое решение было обосновано желанием иметь общую масляную систему с газогенератором и нецелесообразностью применения второй масляной системы, так как ротор приводимого газового компрессора имеет сухие магнитные опоры. Подшипники выбраны с ресурсом не менее 50 тыс. часов. Передний подшипник снабжен демпферной гидравлической опорой.

Лопаточный аппарат турбины с постоянным корневым диаметром имеет периферийный меридиональный угол раскрытия проточной части 15°. Развитый выходной диффузор со степенью расширения около 3,5 имеет малый угол раскрытия и три промежуточные торообразные перегородки, что снижает потери при повороте потока. Недостатком конструкции является наличие ребер во входной части диффузора, которые могут вносить возмущения при нерасчетных режимах работы. Сопловой аппарат первой ступени без горизонтального разъема размещен в переходном корпусе. Сопловые аппараты второй и третьей ступеней в коническом корпусе с горизонтальным разъемом. Вертикальными фланцами разъемная часть корпуса присоединена к двум неразъемным, что должно обеспечивать отсутствие коробления разъемной части, закрытой специальной обечайкой. Сравнительно широкие хорды лопаток способствуют снижению их числа и повышению КПД турбины.

Ротор турбины состоит из трех рабочих колес и двух концевых частей, соединенных с помощью периферийных стяжных болтов. Корпус рассчитан на непробиваемость сломавшейся рабочей лопаткой. Диски по несущей способности могут выдерживать почти двухкратное превышение расчетных оборотов. Задняя опора ротора объединена с жесткой оребренной частью выходного диффузора.

Наличие горизонтального разъема статора дает возможность замены сопловых и рабочих лопаток с небольшим объемом сборочно-разборочных работ.

Корпус силовой турбины опирается на две шарнирные опоры и имеет общую раму с газогенератором, но вся СТ представляет собой законченный модуль, значительная часть работ по обслуживанию которого может производиться на месте установки.

В целом конструкция ССТ газотурбинного привода FT8-55 носит черты как авиационного ГТД (подшипники качения, синтетическое масло), так и стационарной ГТУ (разъемный корпус турбины, увеличенная масса лопаток и ротора). Расчетный ресурс ССТ фирмы МАН ГХХ 100 тысяч часов.

Представляет интерес также динамика развития ССТ фирмы "Купер Роллс". Фирма "Купер Роллс" в 90-е годы выпускала три основных группы "гибридных" ГТУ типа "Коббера" базовых серий 2000, 3000 и 6000 мощностью от 12 до 30 МВт с тремя типами газогенераторов ("Эйвон", "Спэй", RB211). В соответствии с этим имеется три базовых типа стационарных свободных силовых турбин, разработанных в разное время с общим подходом, но существенно отличающихся в деталях конструкции.

Из наиболее ранних конструкций в России хорошо известна "Коберра-182". Сорок два агрегата этого типа отработали в основном успешно свой ресурс,

В процессе создания модификаций повышенной мощности на более высокие параметры были использованы новые решения. Была увеличена аэродинамическая нагрузка ступеней. При разработке проточной части использовано пространственное проектирование. Новые рабочие лопатки выполнены с наружными полками, с трехзубыми хвостовиками с удлиненной ножкой.

Корпус подшипников турбины установлен на жесткой раме Динамические усилия от ротора на выходной патрубок не передаются, что позволяет не иметь реберной системы в выходном диффузоре.

В поздних модификациях уделено повышенное внимание новым, более совершенным затурбинным диффузорам - с непрерывным поворотом потока в развитой выходной части диффузора. Степень расширения диффузора составляет 2,4. Корпус СТ, основу которого составляет газовыпускной патрубок, получил развитые опоры в двух плоскостях и расположен на жесткой раме. Упрощен доступ к лопаткам турбины по сравнению с ранее принятыми решениями: проточная часть извлечена из выхлопного короба.

В связи с более высокой температурой рабочего тела усилено охлаждение ротора и статора. Диски ротора выполнены без центрального отверстия. Введены сотовые уплотнения на внутренней расточке диафрагмы второй ступени. Сохранены малые удлинения лопаток, обеспечивающие меньшее их число, более высокую эффективность проточной части, меньшие изгибные напряжения. Сохранена возможность доступа к подшипникам и к лопаточному аппарату.

Выхлопной патрубок может быть установлен под углом, что улучшает компоновку при размещении ГПА в укрытии с удалением газов в сторону и облегчает обслуживание утилизаторов тепла

В целом описанный ряд достоинств силовых турбин типа "Коберра" проистекает из учета почти 40-летнего опыта их эксплуатации и внесенных усовершенствований

Общие соображения и выводы, касающиеся конструкции свободной силовой турбины, сводятся к следующему.

Исходя из термо- и газодинамической нагрузки СТ, определяемой поставляемыми авиационными газогенераторами, предпочтительное число ступеней СТ для привода быстроходных механизмов не менее двух. В перспективе число ступеней СТ для соединения с быстроходными нагнетателями линейных КС может быть на одну больше. При трех ступенях более простые решения - за межопорным (бесконсольным) ротором предпочтительно такой сборной конструкции, которая создает возможность выполнения диафрагм без горизонтального разъема (если применены диафрагмы, а не сборный сопловой аппарат).

Максимальное значение КПД проточной части СТ, ориентированное на хорошее приближение к кривым Смита, предопределяет необходимость тщательно спроектированного и экспериментально отработанного осерадиального диффузора со степенью расширения 2,5..3,5. Во входной части диффузора желательно не иметь протяженных внутренних ребер, которые могут снизить его эффективность на непроектных режимах работы. Предпочтительно выполнение радиальной части диффузора с кольцевыми поворотными лопастями (горообразные поверхности). Судя по опубликованным данным, в современных диффузорах скорость потока при выходе из диффузора может быть снижена до 50...70 м/с, что предопределяет эффективное использование более половины динамического напора за последней ступенью.

Корпус газовыпускного патрубка вполне может служить базой для крепления статорной части ССТ. Для облегчения доступа к проточной части турбины необходимо соответствующее осевое размещение ее по отношению к стенке патрубка.

Во всех рассмотренных выше типах конструкции обеспечен хороший доступ к лопаткам турбины. В конструкциях с подшипниками скольжения также обеспечен простой доступ к той их части, которая может потребовать обслуживания. При этом, благодаря размещению опоры картера подшипников на жесткой раме, благоприятно решается вопрос воспринятия динамических усилий от ротора СТ, в том числе и при наличии тяжелой консоли.

В рассмотренных вариантах конструкции статора турбины решен вопрос несложного доступа к ее облопачиванию. Все рабочие лопатки могут быть всесторонне обследованы, отдельные лопатки заменены при соблюдении требований, обеспечивающих уравновешенность ротора. Сопловые лопатки или сопловые сегменты также могут быть заменены, равно как и диафрагмы с уплотнениями на внутренней расточке (при их наличии).

Для подстройки к другому газогенератору или при изменившихся условиях работы сопла первой ступени СТ могут быть установлены под другимуглом ("АББ") или вообще выполнены поворотными ("Нуово Пиньоне") В то же время предусмотрены меры против коробления деталей статора, что подтверждается большим числом заказанных установок

Более распространено применение подшипников скольжения. Подшипники качения удобны в тех случаях, когда не требуется отдельная маслосистема для СТ и ЦН. Это дает преимущества при использовании нагнетателя с электромагнитным подвесом ротора. Воспринятие осевых усилий ротора также находит удовлетворительное решение.

Возможно использование кожуха газотурбинного привода для установки грузоподъемных средств. Это позволяет сократить затраты на обслуживание и ремонт и в конечном счете с учетом более высокого внутреннего КПД снизить стоимость жизненного цикла ССТ.