Огляд та дослідження ринку вітчизняного турбінобудування

    Створюваний енергетичний агрегат ГТУ-25ПЭР додатково  оснащений редуктором.

    Схема на рис. 1.1,г . трикаскадний агрегат з вільною силовою турбіною (чотиривальний ГТА). Розробкою і створенням подібних ГТА займається ВАТ "СНТК им. Н.Д. Кузнецова". Прикладом можуть бути привідний двигун НК-36СТ і енергетичний НК-37, створені на основі серійного авіаційного двоконтурного турбореактивного двигуна НК-32 (НК-321).

    Ефективність  газотурбінних агрегатів, виконаних  за простою тепловою схемою, істотно  залежить від їхньої потужності, фірми-виготовлювача  та давності створення і може змінюватися в межах від 20...22 % (як у двигунів потужністю 0,8...1,5 МВт - ТВ2-117, ТВ3-117, ГТГ-1500-2(Г)) до 35...38 % (у двигунів потужністю 16 МВт і більше).

    За  конструктивним типом усі стаціонарні (привідні й енергетичні) газотурбінні агрегати, що випускаються підприємствами України і Росії, можна класифікувати на авіаційні, суднові та промислові.

    ГТА авіаційного типу одержані або безпосередньо  шляхом конвертування турбореактивних  чи турбогвинтових двигунів, що добре  зарекомендували себе в авіації, або шляхом подальшого розвитку раніше конвертованих агрегатів.

    Розробкою даних ГТА займаються:

    ЗМКБ "Прогрес" . агрегати Д-336-1/2, АИ-336-1/2-8 і АИ-336-1/2-4 (на основі турбовального вертолітного двигуна Д-136); АИ-336-1/2-10 (на основі тривального двоконтурного турбореактивного двигуна Д-436Т1); АИ-20ДКЭ (на основі турбогвинтового двигуна АИ-20);

    ВАТ "Авиадвигатель" . агрегати ГТУ-2,5П, ГТУ-4П і ГТУ-6П (на основі ТРДД Д-30КУ/КП); ГТУ-10П, ГТУ-12П, ГТУ-12ПЭР, ГТУ-16П, ГТУ-16ПЭР, ГТУ-25П і ГТУ-25ПЭР (на основі ТРДД ПС-90А);

    ВАТ "СНТК им. Н.Д. Кузнецова" і ВАТ "СКБМ" . агрегати НК-12СТ, НК-14СТ, НК-14СТ-10, НК-14Э (на основі турбогвинтового двигуна НК-12МВ); НК-16СТ (на основі ТРДД НК-8); НК-36СТ і НК-37 (на основі ТРДД НК-32 (НК-321)); НК-38СТ (на основі тривального гвинтовентиляторного ТРДД НК-93);

    ВАТ "НПО "Сатурн" . агрегати Сатурн ГТД-6 і ГТД-8 (на основі Д-30КУ/КП); Сатурн ГТД-4, ГТД-6,3 і ГТД-10 (на основі  перспективної конструкції газогенератора ТРДД); АЛ-31СТ, АЛ-31СТЭ, АЛ-31СТ-10 і АЛ-31СТ-12 (на основі ТРДД АЛ-31Ф); ГТД-25АЛ (на основі ТРДД АЛ-41Ф);

    ДУП "Завод им. В.Я. Климова" . агрегати на основі турбовальних двигунів ТВ2-117, ТВ3-117 і ТВ7-117;

    ММПП "Салют" . агрегат ГТЭ-20С (на основі одноконтурного ТРД АЛ-21Ф-3);

    НПП "Мотор" . агрегат ГТЭ-10/95 (на основі одноконтурного ТРД Р-95Ш).

    Відмітними  рисами подібних агрегатів є малі маса і розміри, високі початкові параметри газу, підвищені напірність компресорних ступенів та тепло напруженість елементів камери згоряння. Виконані вони, як правило, за прямотоковою схемою (з послідовним розташуванням елементів в осьовому напрямку за рухом робочого тіла). Двигуни добре пристосовані для роботи на часткових режимах, для чого мають розвинуте регулювання компресора і часто багатокаскадну його конструкцію.

    Створенням  ГТА суднового типу на базі двигунів власної розробки займається миколаївське підприємство НВКГ "Зоря"-"Машпроект". Для даних агрегатів багато в чому характерні зазначені раніше риси авіаційних ГТА.

    Необхідно відзначити, що в даний час ГТА  авіаційного і суднового типів  складають переважну більшість  на ринку газотурбінної продукції, представленої підприємствами України  та Росії.

    На  випуску агрегатів промислового типу спеціалізуються ВАТ "Турбоатом", ВАТ "ТМЗ", ВАТ "ЛМЗ" і ВАТ "Невский завод". Багатьма підприємствами, що традиційно розробляють ГТА авіаційного і суднового типів, також в останні роки створені агрегати даного типу.

    Успіхи  розвитку авіаційного турбобудування привели до того, що риси, раніше типові для промислових ГТА (виконання кожного структурного елемента в окремому корпусі з зовнішніми газоповітряними комунікаціями; установлення корпусів турбоагрегатів на окремих опорах; застосування підвального компонування ГТА та ін.), у даний час у практиці зустрічаються рідко.

    Значного  поширення в складі ГТА всіх типів  набули багатоступінчасті осьові компресори. У діапазоні потужностей від 500 кВт і більше мають місце одиничні випадки застосування іншого типу компресора. Так, відцентровим двокаскадним компресором оснащуються танкові двигуни ГТД-1000Т і ГТД-1250 розробки ДУП "Завод им. В.Я. Климова"; осевідцентровий компресор входить до складу двигунів UGT 2500 (ДО49) НВКГ "Зоря"-"Машпроект" і ТВ7-117С/В ДУП "Завод им. В.Я. Климова".

    Осьові  компресори ГТА забезпечують загальну міру підвищення тиску повітря від 6...8 (ГТГ-1500-2(Г), ГТУ-2,5П, ГТУ-4П, АИ-20ДКЭ, ТВ2-117, ТВ3-117 і ГТЭ-10/95) до 21...28 (UGT 25000, АИ-336-1/2-10, ГТУ-25П, НК-36СТ, НК-37, НК-38СТ). При цьому  загальне число ступенів, розташованих в одному, двох чи трьох каскадах, може коливатися від 8 до 18. Міра підвищення тиску в одному ступені в середньому по компресору складає від 1,14...1,18 (у  ГТА розробки ВАТ "Турбоатом", ВАТ "СКБМ", ВАТ "ТМЗ", ВАТ "Пролетарский завод" і НВКГ "Зоря"- "Машпроект") до 1,22...1,25 (в агрегатах ЗМКБ "Прогрес", ВАТ "Авиадвигатель", ВАТ "СНТК им. Н.Д. Кузнецова", ВАТ "НПО "Сатурн" і ЗАТ "Энергоавиа").

    Двигуни Сатурн ГТД-4, ГТД-6,3, ГТД-10, М75РУ і М70ФРУ, що створюються ВАТ "НПО "Сатурн" на базі авіаційного газогенератора "77", мають значення цього параметра в діапазоні 1,30...1,34.

    Особливістю компресорів сучасних газотурбінних  агрегатів є розвинута система  регулювання, яка дозволяє забезпечити  надійну роботу на всіх експлуатаційних режимах.

    Конструкції камер згоряння, застосовуваних у  складі ГТА, різноманітні. Найбільшого  поширення набули вбудовані в  корпус агрегатів камери згоряння кільцевого і трубчасто-кільцевого типів, виконані за прямотоковою чи протитоковою схемою. Дане явище може бути пояснено домінуючим положенням агрегатів авіаційного і суднового типів на ринку газотурбінної продукції. Для агрегатів промислового типу характерні головним чином виносні та вбудовані індивідуальні камери згоряння.

    Значна  увага в останні десятиліття  приділяється розробниками зниженню концентрації шкідливих речовин у газах, які  відходять з ГТА, що багато в чому досягається вдосконалюванням процесів спалювання палива в камерах згоряння і є одним з напрямків їхнього  розвитку.

    Початкова температура газів за камерою  згоряння в сучасних газотурбінних агрегатах лімітується міцнісними властивостями застосовуваних матеріалів і рівнем розвитку системи охолодження ступенів газових турбін. Для різних ГТА вона може складати від 950...1100 К (як в агрегатах НК-12СТ, НК-16СТ, АИ-20ДКЭ, Сатурн ГТД-6, ГТУ-2,5П і ГТУ-4П) до 1450...1550 К (агрегати UGT 10000, UGT 25000, ГТД 110, ГТУ-16ПЭР, ГТУ-25П, ГТУ-25ПЭР, ГТУ-180П, НК-37-1, НК-38СТ) .

    У розглянутому діапазоні потужностей  у складі газотурбінних агрегатів  застосовуються турбіни винятково  осьового типу з дисковою чи дисково-барабанною конструкцією ротора.

    Турбіни, що здійснюють привод компресорів агрегатів  з вільною силовою турбіною, виконуються, як правило, високонавантаженими, одно- чи двоступінчастими. Значне їхнє число має консольне розташування дисків, що характерно для ГТА авіаційного і суднового типів. Триступінчасту турбіну компресора мають лише двигуни ГТЭ-20С ММПП "Салют", НК-14СТ-10 і НК-14СТ-12 ВАТ "СКБМ". Неохолоджувані турбіни компресорів використовуються в даний час рідко.

    Вільні  силові турбіни більшості агрегатів  спроектовані з частотою обертання, яка відповідає частоті обертання ротора споживача. У деяких випадках ГТА потужністю менше 3 МВт додатково оснащуються редуктором. ВАТ "Авиадвигатель", не бажаючи модифікувати силову турбіну, використовує розроблені привідні двигуни в ролі енергетичних, також додатково оснащуючи їх редуктором. Число ступенів вільної силової турбіни складає від одного (в агрегатах ГТН-25 ВАТ "Невский завод" і НК-16СТ ВАТ "СНТК им. Н.Д. Кузнецова") до п’яти-шести (в агрегатах UGT 6000 (ДВ71) НВКГ "Зоря"-"Машпроект" і АЛ-31СТЭ ВАТ "НПО "Сатурн").

    Турбіни одновальних газотурбінних агрегатів  мають у своєму складі три або чотири ступені.

 

    3.2. Газотурбінні агрегати складних теплових схем 

    Незважаючи  на більш високий ККД, ГТА складних теплових схем у даний час підприємствами України і Росії практично не виробляються, що може бути пояснене як специфічними галузями застосування газотурбінних двигунів, у яких більш прийнятною є проста теплова схема, так і недостатнім розвитком даного напрямку на території цих країн.

    Окремі  агрегати з регенерацією тепла відхідних  газів пропонуються ВАТ "Невский завод" і ВАТ "Энергомашкорпорация". Розробки подібних ГТА ведуться НВКГ "Зоря"-"Машпроект", ММПП "Салют" і ВАТ "Авиадвигатель".

    Агрегат із проміжним охолодженням повітря  і регенерацією створюється ВАТ "Невский завод". Випадки застосування парогазових установок є одиничними.

    Проміжний підігрів газу для підвищення ефективності не знаходить застосування. Проте в останні роки спостерігається підвищення інтересу до розвитку даного напрямку, що може вже в найближчому майбутньому істотно змінити стан справ у цій галузі.

    ГТА з регенерацією тепла газів. Традиційним  постачальником даних агрегатів на території колишнього Радянського Союзу, починаючи з 50-х років ХХ століття, є ВАТ "Невский завод" (м. С.-Петербург). В історію розвитку радянського газотурбобудування ввійшов агрегат ГТК-10 потужністю 10 МВт, різні модифікації якого використовуються з 1969 р. для приводу нагнітачів природного газу компресорних станцій. Усього ВАТ "Невский завод" і ВАТ "Ленинградский металлический завод" виробили більше ніж 1200 екземплярів цього ГТА. У даний час ВАТ "Невский завод" виробляє привідні агрегати з регенерацією ГТК-10М (ГТНР-10), ГТНР-12 і ГТНР-16 потужністю відповідно 10, 12 і 16 МВт.

    На  їхній основі створені енергетичні  ГТА ГТЭР-10, ГТЭР-12 і ГТЭР-16, ККД  яких складає 32...33 %, початкова температура газів . 1053...1213 К, міра підвищення тиску . 4,24...7,05.

    Ведуться  роботи зі створення принципово нового газотурбінного агрегату "Надежда" потужністю 16 МВт. З метою забезпечення високої економічної ефективності, ресурсозбереження, надійності й екологічної безпеки в агрегаті використані регенератор в основному циклі, охолодження повітря між компресорами і підігрів мережної води в утилізаторі. Застосування даної теплової схеми дозволить збільшити ККД агрегату до 44 %. Міра регенерації складе 0,93.

    Починаючи з 2000 р. ВАТ "Энергомашкорпорация" приступило до реалізації в регіонах Росії програми будівництва газотурбінних теплоелектроцентралей (ТЕЦ) на базі блокових агрегатів ГТ-009(М) потужністю 9 МВт. Ці ГТА, що використовують регенерацію тепла газів, розроблені інженерним центром департаменту турбін даного підприємства в м. С.-Петербург. Їх ККД складає 35 %, початкова температура газів . 1223 К. До 2008 р. планується ввести в дію більше ніж 300 станцій по два-чотири блоки в кожній.

    Миколаївським підприємством НВКГ "Зоря"-"Машпроект" розроблений газотурбінний агрегат з регенерацією тепла газів UGT 3200RG (ДО42). При потужності 3,4 МВт, мірі регенерації 0,85 і мірі підвищення тиску 7 його ККД складає 40 %.

    Створення регенеративних ГТА в останні  роки є одним з основних напрямків діяльності ММПП "Салют". У даний час у стадії розробки знаходяться газотурбінні агрегати потужністю від 100 кВт до 10 МВт. Передбачається досягнення значень ефективного ККД в інтервалі 40...45 %.

    На  рис. 1.2 наведені конструктивні схеми  виготовлюваних і розроблюваних агрегатів з регенерацією тепла:

    а - схема, за якою виконані енергетичні агрегати ГТ-009(М) ВАТ "Энергомашкорпорация" і UGT 3200RG (ДО42) НВКГ "Зоря"-"Машпроект", у яких для зниження частоти обертання між двигуном та електрогенератором додатково встановлюється редуктор;

    б - двовальна, яку мають агрегати ВАТ "Невский завод" ГТК-10М (ГТНР-10), ГТНР-12 і ГТНР-16;

    в - з регенерацією і проміжним охолодженням повітря, за якою виконаний агрегат "Надежда".

    ГТА з утилізацією тепла газів. В  останні десять років зріс інтерес  підприємств України і Росії до створення енергетичних газотурбінних агрегатів з утилізацією тепла відхідних газів та одержанням додаткової потужності в паровій (бінарний термодинамічний цикл) чи газовій (монарний цикл) турбіні. Подібні установки, що одержали назву парогазових (ПГУ), створюються, як правило, на базі агрегатів простої теплової схеми, що випускаються серійно.

    Розвиток  ПГУ на території колишнього Радянського  Союзу пройшов ряд етапів, їхні теоретичні основи були закладені ще в 50.70-х роках ХХ століття. Причому за найважливішими для тих років напрямками (ртутно-паровий цикл і цикл із високонапірним парогенератором) існував безсумнівний радянський пріоритет (розроблювачі О.М. Ложкін, О.О. Канаєв, М.І. Корнєєв, В.А. Зисін, Є.М. Прутковський та ін.).