Меню Рубрики

Применение авиационный двигатель и наземных установках

Применение авиационных ГТУ в энергетике

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 04.09.2013 2013-09-04

Статья просмотрена: 1123 раза

Библиографическое описание:

Сенюшкин Н. С., Лоскутников А. А., Белобровина М. В., Салимова И. И., Жеребило В. Ю. Применение авиационных ГТУ в энергетике // Молодой ученый. — 2013. — №9. — С. 72-74. — URL https://moluch.ru/archive/56/7730/ (дата обращения: 27.03.2020).

В статье проведен обзор основных тенденций и сложностей применение авиационных ГТД в качестве силовых энергетических приводов. Начиная с семидесятых годов прошлого века в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности значительную роль начинают играть газотурбинные установки (ГТУ), создаваемые на базе авиационных ГТД путем их конвертирования (от английского слова «conversion»- превращение, изменение, перестройка, переоборудование). Первые опыты с применение газотурбинного привода в энергетике относятся к сороковым годам 20 века.

Энергетические установки, построенные на базе авиационных ГТД, находят применение в различных областях народного хозяйства в качестве: энергоприводов; источников сжатого воздуха с большим расходом; эксгаустеров; струйных и струйно-тепловых машин, используемых для перемещения грунта, очистки поверхности от пыли, грязи, льда и снега, диспергирования воды, вентиляции и т. п.; тепловых машин, применяемых для обогрева и сушки различных объектов, ВПП аэродромов; парогазогенераторов в пожаротушении и т. д.

Проектом обоснована возможность эксплуатации ГТГ при температуре наружного воздуха в диапазоне от –40 до + 50°С [2].

Таким образом, была доказана реальная техническая возможность создания ГТГ промышленного назначения на основе отечественных авиационных газотурбинных двигателей (АГТД).

Показатели тепловой экономичности рассматриваемых ГТУ можно считать удовлетворительными: при использовании двигателей ранних поколений КПД по выработке электроэнергии составляет около 30 % и с более поздними ГТД — 35…38 %. По сравнению с этим средний КПД по выработке электроэнергии в целом по РАО ЕЭС в последние годы составляет около 38 %. Если учесть, что ГТУ очень хорошо вписывается в ГТУ-ТЭЦ для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, то при установке этих ГТУ на ТЭЦ коэффициенты использования тепла топлива могут достигать 80–90 % [1].

В рамках обобщения отечественного и зарубежного опыта, можно заключить, что для разработки и выпуска оригинальных отечественных энергетических ГТУ большой мощности также целесообразно использование авиационной технологии. Опыт, знания и культура производства, сконцентрированные в авиадвигателестроении, дополненные пониманием условий работы, технических и экономических требований к энергетическому оборудованию и опытом изготовления крупных турбин, имеющимися у энергомашиностроителей, создают основу для успеха кооперации авиамоторостроительных и энергомашиностроительных фирм.

Однако если при производстве авиационных ГТД массовый критерий является основным, то при энергетической направленности продукции необходимо сосредоточится на ресурсе (не менее 100000 ч), удельном расходе топлива (экономия в 1 % в течении ресурса переходит в сотни тысяч евро), эмиссии вредных веществ (при превышении норм установку просто запретят или штрафы превысят экономический эффект).

Впрыск пара в камеру сгорания существенно увеличивает удельную (на единицу расхода воздуха на входе в компрессор) мощность турбины; использование пара для охлаждения лопаток позволяет повысить уровень температуры рабочего тела; ввод пара в зону горения способствует снижению эмиссии окислов азота.

Высокие надежность и экономичность ГТУ достигнуты в результате совершенного конструирования и расчетов на основе последних научных достижений в области аэродинамики, тепломассообмена, горения, механики и конструкционной прочности, металловедения, металлургии и формообразования.

Можно привести яркие примеры отечественного энергомашиностроения. Энергоустановка (2НК-37+2КУ+1ПТ) (СНТК им. Кузнецова, г. Самара) обеспечивает мощность 66 МВт при КПД 48,6 %. Энергетическая установка AЛ-31CT разработана НПО «Сатурн» для газоперекачивающего агрегата мощностью 16 МВт. Разработанный ГП НПКГ «Заря-Машпроект» газотурбинный двигатель ГТД-110 мощностью 110 МВт предназначен для использования в составе парогазовых энергетических установок (ПТУ). По своим параметрам установка не уступает современным зарубежным энергоустановкам. Разработка ведется совместно с ОАО «НПО Сатурн». На базе газогенератора авиационного двигателя ПС-90А ОАО «Авиадвигатель» совместно с ОАО ЛM3 приступили к созданию современной энергетической газотурбинной установки ГТЭ-180.

Наиболее предпочтительной выглядит простая схема утилизационной ГТУ, позволяющей теплом выхлопных газов нагревать воду (либо превращать ее в пар), например для отопления жилых массивов или использования для промышленных нужд. Данная схема имеет достаточно высокий коэффициент использования топлива — до 80 %. Также рассматривается схема ГТУ с регенерацией тепла выхлопных газов путем подогрева ими воздуха, поступающего из компрессора в камеру сгорания.

Развитие ГТУ привело к существенному повышению экономичности парогазовых установок. При работе на природном газе их КПД достигли уже 55 %, а эксплуатационные показатели не уступают, и даже превосходят показатели привычных для энергетики паровых энергоблоков. Преимуществами ПГУ, кроме высокой экономичности, являются умеренная удельная стоимость, слабое воздействие на окружающую среду, возможность сооружения за короткое время.

Читайте также:  Комплект для установки двигателя ямз 236

Наибольшая эффективность характерна для крупных бинарных ПГУ-ТЭЦ и мелких (15–20 МВт) ГТУ-ТЭЦ с водогрейными или паровыми котлами, а также для крупных бинарных ПГУ с конденсационной паровой частью.

Характерной особенностью газа как топлива, является то, что он уже находится в газообразном состоянии и, следовательно, не требует предварительного распыла и испарения.

При работе на природном газе снижается температура стенок жаровой трубы и неравномерность температурного поля. Кроме прочего резко снижаются вредные выбросы.

Нормирование вредных веществ в атмосферном воздухе и в воде водоемов производится на основе предельных допустимых концентраций наиболее распространенных в авиационной промышленности и транспорте вредных веществ в атмосферном воздухе и в воде водоемов санитарно-бытового использования.

Характер влияния запыленного воздуха на работу двигателя зависит от физико-химической природы пыли, ее дисперсного состава и концентрации пыли в общем объеме воздуха, засасываемого компрессором двигателя. Пыль в размягченном виде может также откладываться на лопатках компрессора, изменяя геометрию лопатки и ее шероховатость, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия (КПД) и соответственно снижению степени повышения давления и производительности компрессора. Максимальное количество отложений образуется на входном направляющем аппарате и первых ступенях компрессора.

Отложения пыли на деталях двигателя и их абразивный износ при воздействии твердых частиц пыли могут привести как к параметрическим отказам, так и к преждевременным разрушениям деталей двигателя.

Для повышения эффективности борьбы с загрязнением атмосферного воздуха регламентируется общее количество выбросов в атмосферу на основе ограничений предельно допустимых выбросов вредных веществ. Предельно допустимый выброс устанавливается из условия, чтобы содержание загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от источника не превышало нормативов качества воздуха.

В настоящее время к загрязнениям среды принято относить все те факторы, которые оказывают вредное воздействие, как на самого человека, так и на ценные для него организмы живой и объекты (ресурсы) неживой природы.

Со стороны газовых турбин наиболее значительными факторами воздействия на окружающую среду являются: тепловые выбросы, выбросы в атмосферу экологически вредных веществ и шум.

Выбросы в атмосферу экологически вредных веществ сопровождаются как возрастанием потребления топлива и атмосферного кислорода, так и увеличением масштабов загрязнения атмосферы выхлопными (дымовыми) газами. Газы эти представляют собой смесь продуктов сгорания с избыточным воздухом. До настоящего времени углекислый газ и водные пары не считались загрязнителями, но такое отношение к ним меняется, поскольку повышение их содержания в атмосфере способно повлиять на ее температуру и, следовательно, изменить климатические условия. Что же касается других компонентов продуктов сгорания, то они либо обусловливают дымление, либо являются токсичными. Наряду с ухудшением видимости взвешенные дымовые частицы продуктов сгорания представляют серьезную угрозу для здоровья человека.

В связи с изложенным, действующими санитарно-гигиеническими нормами установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) взвешенных (пылевых) частиц в атмосферном воздухе, как максимально разовые (ПДКмр), так и среднесуточные (ПДКес).

Конвертирование авиационных ГТД в наземные, установки сопряжено с решением ряда экологических проблем:

— Уменьшается потребление топлива до 40 % при комбинированном производстве электрической и тепловой энергии, соответственно снижаются уровень теплового загрязнения и выбросы вредных веществ в окружающую среду. Использование в качестве топлива природного газа и новых принципов организации горения также снижают выбросы вредных веществ;

— Исключаются выбросы в атмосферу природного газа за счет использования вместо него сжатого воздуха при выполнении работ по очистке и продувке магистральных газопроводов с помощью генератора сжатого воздуха (ГСВ). В этой установке двигатель одновременно является объектом воздействия окружающей среды, в связи, с чем установлены закономерности изменения параметров и геометрических размеров элементов газовоздушного тракта при работе двигателя в условиях повышенной запыленности воздуха;

— Исключается использование химикатов при очистке аэродромных покрытий и путей и авиационной техники от атмосферных осадков за счет термокинетического воздействия струйно-тепловой машины на базе авиационного ГТД;

— Уменьшается водопотребление и исключается применение химических моющих средств при очистке нефтепромысловых труб от отложений с использованием газопаровой смеси, уменьшаются выбросы вредных веществ до уровня, ниже предельно допустимого, с помощью авиационного ГТД, за счет термокинетического воздействия в сочетании с впрыском водяного пара в камере сгорания установки с коаксиально организованным процессом горения.

Внедрение конвертированных авиационных ГТД в энергоустановки определяется:

Читайте также:  Установка турбины на двигатель змз 402

— Необходимостью повышения технического уровня и эффективности энергопроизводства, строительства, транспорта и других отраслей хозяйства;

— Необходимостью сохранения и поддержания высоких технологий авиадвигателестроении за счет расширения сфер применения этих технологий;

— Необходимостью решения экологических проблем на фоне растущего техногенного воздействия на окружающую среду.

Непрерывно возрастающие требования по охране окружающей среды стимулируют интерес к вопросам как по защите окружающей среды от загрязняющего воздействия газотурбинных двигателей, так и от вредного воздействия факторов окружающей среды на сам двигатель.

1. Изотов С. П., Шашкин В. В., Капралов В. М. и др.: Под общей ред. В.В Шашкина «Авиационные ГТД в наземных установках», J1.: Машиностроение, 1984. 228 с.

2. Инженерная экология и экологический менеджмент: Под ред. Иванова Н. И., Фадина И. М. М.: Логос, 2003. — 528 с.

3. Уваров С. Н. Авиационные и газотурбинные двигатели в энергетике. «Энергия», Л.1971.

источник

ОАО «Кузнецов». Производство ракетных, авиационных и наземных двигательных установок.

ОАО «Кузнецов» является ведущим двигателестроительным предприятием России. Здесь осуществляется проектирование, изготовление и ремонт ракетных, авиационных и газотурбинных установок для газовой отрасли и энергетики.

С этими двигателями были запущены пилотируемые космические корабли «Восток», «Восход», «Союз» и автоматические транспортные грузовые космические аппараты «Прогресс». 100% пилотируемых космических пусков и до 80% коммерческих производится с использованием двигателей РД107/108 и их модификаций, произведённых в Самаре. Продукция завода имеет особое значение для поддержания боеготовности дальней авиации России. На «Кузнецове» были сконструированы, произведены и технически обслуживаются двигатели НК-12 для дальних бомбардировщиков Ту-95МС, НК-25 для бомбардировщиков Ту-22М3 и НК-32 для уникальных стратегических бомбардировщиков Ту-160.

Сегодня перед самарским предприятием стоят задачи по возобновлению производства двигателей НК-32 серии 02, росту объёмов производства ракетных двигателей, повышению надёжности индустриальных двигателей для ОАО «Газпром», развитию перспективных авиационных разработок.

1. 55 лет назад в Самаре начали серийно производить ракетные двигатели, которые не только подняли на орбиту первого космонавта Юрия Гагарина, но и вот уже более полувека используются российской космонавтикой и тяжелой авиацией. Предприятие «Кузнецов», которое входит в Госкорпорацию Ростех, объединило несколько крупных самарских заводов. Сначала они занимались производством и обслуживанием двигателей для ракетоносителей ракет «Восток» и «Восход», сейчас — для «Союза». Второе направление работы «Кузнецова» сегодня — силовые установки для самолетов.

ОАО «Кузнецов» входит в состав Объединённой двигателестроительной корпорации (ОДК).

2. Механообрабатывающее производство.

Это один из начальных этапов процесса производства двигателя. Здесь сконцентрировано высокоточное обрабатывающее и контрольно-испытательное оборудование. Например, фрезерный обрабатывающий центр DMU-160 FD, способен обрабатывать крупногабаритные детали сложной формы диаметром до 1,6 метра и весом до 2 тонн.

3. Оборудование эксплуатируется в 3 смены.

4. Обработка статорных колец компрессора двигателя НК-32 на токарно-карусельном станке.

5. НК-32 устанавливается на стратегическом бомбардировщике Ту-160, а НК-32-1 в 1996 г. — на летающей лаборатории Ту-144ЛЛ.

6. Скорость установки позволяет обрабатывать швы до 100 метров в минуту.

7. Металлургическое производство.

Этот участок способен отливать заготовки диаметром до 1600 мм и весом до 1500 кг, необходимые для корпусных деталей газотурбинных двигателей индустриального и авиационного применения. На фото показан процесс заливки детали в вакуумно-плавильной печи.

8. Фрагмент литниково-питающей системы после заливки.

9. Контроль литья методом ЛЮМ-А.

10. Типовые испытания клапана ракетного двигателя в условиях -55°C.

11. Испытания представляют собой процесс охлаждения ванны со спиртом с помощью жидкого азота до указанной температуры.

12. Участок сборки моделей лопаток в модельный блок.

14. Контроль профиля компрессорной лопатки.

15. Прокалка керамических форм лопаток в электрической печи.

16. Нанесение керамики на модель лопаток.

17. Процесс индукционной пайки сопла камеры сгорания ракетного двигателя. Температура процесса составляет 975°C.

18. Установка полуколец на критическое сечение камеры сгорания ракетного двигателя на участке сварки.

19. Фрезеровка каналов горючего камеры сгорания ракетного двигателя.

20. «Наружная рубашка» сопла камеры сгорания РД с разметкой под рентген-контроль.

21. Сборка рулевого агрегата РД. Устанавливается совместно с маршевыми двигателями РД-107А/РД-108А для управления и корректировки вектором тяги.

23. Сейчас на «Кузнецове» трудится около 12 тысяч человек.

24. Сборка очередного опытного образца двигателя НК-361 для российской железной дороги.

Новым направлением развития ОАО «Кузнецов» является выпуск механических приводов силового блока ГТЭ-8,3/НК для тяговой секции магистрального газотурбовоза на базе ГТД НК-361.

25. Первый опытный экземпляр газотурбовоза с двигателем НК-361 в 2009 году во время испытаний на экспериментальном кольце в Щербинке провел состав весом более 15 тысяч тонн, состоящий из 158 вагонов, установив тем самым мировой рекорд.

Читайте также:  Газотурбинные паротурбинные установки и двигатели факультет

26. Цех окончательной сборки авиационных газотурбинных двигателей.

27. Сборка узла форсажной камеры двигателя НК-32.

28. Двигатель НК-25 — турбореактивный двигатель для самолета Ту-22М3, основного российского бомбардировщика средней дальности. Наряду с НК-32 долгое время является одним из самых мощных авиационных двигателей в мире.

29. Обвязка двигателя НК-25.

30. Контроль оболочки двигателя НК-32 перед сборкой.

31. Топливный коллектор форсажной камеры.

33. Слесари-сборщики за работой по сборке НК-14СТ.

Газотурбинный двигатель НК-14СТ используется в составе агрегата для транспортировки газа. Интересно то, что двигатель использует природный газ, перекачиваемый по трубопроводам, в качестве топлива. Является модификацией двигателя НК-12, который устанавливался на стратегический бомбардировщик Ту-95.

34. Цех окончательной сборки серийных ракетных двигателей.

Здесь производится сборка двигателей РД-107А/РД-108А разработки ОАО «НПО «Энергомаш». Этими двигательными установками оснащаются первые и вторые ступени всех ракет-носителей типа «Союз».
Принципы работы РД-107 и РД-108 схожи, но назначение разное. Сто седьмой стоит на первой ступени ракеты, а сто восьмой — на второй.

35. Доля предприятия в сегменте ракетных двигателей на российском рынке составляет 80%, по пилотируемым пускам – 100%. Надежность двигателей – 99,8%. Запуски ракет-носителей с двигателями ОАО «Кузнецов» осуществляются с трех космодромов – Байконур (Казахстан), Плесецк (Россия) и Куру (Французская Гвиана). Стартовый комплекс под «Союзы» также будет построен на российском космодроме «Восточный» (Амурская область).

36. Полный цикл создания ракетного двигателя составляет около 10 месяцев.

37. Проверка комплектации ракетного двигателя при сборке.

38. Подготовка изделия к окончательной сдаче контрольным службам и представителю заказчика.

39. Здесь же, в цехе, ведутся работы по адаптации и сборке ракетного двигателя НК-33, предназначенного для первой ступени ракеты-носителя легкого класса «Союз-2-1в».

40. Двигатель НК-33 — один из тех, что планировалось уничтожить после закрытия лунной программы. Двигатель прост в эксплуатации и техническом обслуживании, и вместе с тем имеет высокую надежность. При этом его стоимость в два раза ниже стоимости существующих двигателей того же класса по тяге.

41. Выполнение операции по термоусаживанию защитной трубки провода авиационного жгута.

42. Подготовка к распайке контактов жгута в электроразъеме авиационного кабеля.

44. В цехе окончательной сборки ракетных двигателей расположена целая галерея с фотографиями советских и российских космонавтов, которые отправлялись в космос на ракетах с самарскими двигателями.

45. Монтаж двигателя НК-14СТ на испытательный стенд.

46. Подстыковка маслоситемы к двигателю для проведения испытаний.

47. Пультовая испытательного стенда.

48. Пьезометры. Применяются для измерения перепада и низких давлений при испытании газотурбинных двигателей.

49. Система шумоглушения испытательных стендов газотурбинных двигателей.

50. Ракетный двигатель РД-107А/108А на стенде. За несколько минут до начала огневых испытаний.

Подтвердить почти стопроцентную надежность изделия можно только одним способом: отправить готовый двигатель на испытания. Его крепят на специальном стенде и запускают. Силовая установка должна работать так, как будто уже выводит на орбиту космический корабль.

51. За более чем полвека работы на «Кузнецов» было выпущено около 10 тысяч жидкостных ракетных двигателей восьми модификаций, которые вывели в космос более 1800 ракет-носителей типа «Восток», «Восход», «Молния» и «Союз».

52. По минутной готовности в систему охлаждения факела подается вода, создается водяной ковер, который уменьшает температуру факела и шум от работающего двигателя.

53. При испытании двигателя производится регистрация около 250 параметров, по которым оценивается качество изготовления двигателя.

54. Наклонные огневые испытания серийного ракетного двигателя на испытательном комплексе ОАО «Кузнецов» в поселке Винтай.

55. Коллектив расчетной группы производит обработку полученной информации и выдает протокол испытаний. По полученным данным инженерным составом производится оценка результатов испытаний и дается заключение о его пригодности для установки на ракету-носитель.

56. Подготовка двигателя на стенде длится несколько часов. Производится его обвязка датчиками, проверка их работоспособности, опрессовка магистралей, комплексные проверки работы автоматики стенда и двигателя.

57. Контрольно-технологические испытания длятся около минуты. За это время сжигается 12 тонн керосина и около 30 тонн жидкого кислорода.

58. Испытания окончены. После этого двигатель отправляется в сборочный цех, где его разбирают, проводят дефектацию узлов, собирают, проводят окончательный контроль, а затем отправляют заказчику – на АО «РКЦ «Прогресс». Там его устанавливают на ступени ракеты.

источник