Концепция создания и перспективы применения семейства ГТД регенеративного цикла в горно-транспортной технике

В.Е. Беляев, В.Н. Бесчастных, В.Д. Евдокимов, М.В. Синкевич, ФГУП ММПП «Салют»

Статья инициирована предложением ИГД УрО РАН и содержит мнение специалистов ФГУП ММПП «Салют» о возможности использования газотурбинных двигателей (ГТД) в составе силовой установки с КЭУ в карьерных автосамосвалах.

Предприятие «Салют» рассматривает применение авиационных технологий в наземных (индустриальных) энергетических установках, как одно из наиболее приоритетных направлений своей деятельности. Наземные энергетические установки это дополнительный, устойчивый рынок сбыта. Как практический шаг в этом направлении, на ФГУП ММПП «Салют» было создано новое подразделение ОМКБ «Горизонт» - конструкторский отдел разработчик новых индустриальных газотурбинных установок (ГТУ).

Работы по созданию наземных энергетических установок в этом подразделении ведутся по многим направлениям. Особый интерес представляет диапазон мощностей до 4 МВт, в котором располагаются карьерные автосамосвалы грузоподъемностью 120-500 т.

Потенциальная годовая потребность в энергетических установках в этом диапазоне мощностей измеряется тысячами единиц. Для газотурбинных двигателей (ГТД) простого цикла такая мощность довольно мала. В силу масштабного фактора у существующих ГТД простого цикла в этом диапазоне мощностей КПД не достаточно высоки. Поэтому в этой нише энергетических установок превалируют поршневые двигатели.

В связи с этим был определен ряд требований, которые могут обеспечить успешную конкуренцию с поршневыми двигателями:

- цена комплексной поставки должна быть меньше 30 тыс. руб/кВт;

- эффективный КПД выработки энергии должен быть не менее 40%;

- возможность комбинированной выработки различных видов энергии -механической, электрической и тепловой;

- минимальные эксплуатационные расходы, минимальное потребление расходных материалов, минимум систем, требующих обслуживания;

- выбросы вредных веществ не вы-ше10 ppm;

- сохранение всех преимуществ существующих ГТД - быстрый запуск, высокая маневренность, малый вес и габариты, модульность конструкции и т.д.

Эти требования были приняты за основу при разработке концепции семейства новых газотурбинных двигателей в классе мощности до 4 МВт, в том числе для карьерной техники.

Первый основополагающий момент предлагаемой концепции - использование рекуперации тепла отработавших в турбине газов (рекуперативный цикл). Рекуперативный цикл имеет ряд преимуществ, которые становятся решающими, когда рассматривается ГТД относительно небольших мощностей. В основном для рекуперативного цикла оптимальная степень сжатия значительно ниже, чем для простого цикла ГТД. Для современных температур и совершенства лопаточных машин оптимальная степень сжатия для рекуперативного цикла находится в пределах 6-8, тогда как, для простого цикла требуется более 25. Поэтому число ступеней в компрессоре и турбине уменьшается в 1.5-2 раза, высоты лопаток последних ступеней компрессора и первых турбины увеличиваются в 2-3 раза, давление в камере сгорания уменьшается в 3-4 раза. От числа ступеней зависит себестоимость производства: чем меньше число ступеней, тем меньше себестоимость производства.

Большая высота лопаток последних ступеней компрессора и первых ступеней турбины дают возможность повысить КПД компрессора и турбины. При меньшем давлении в камере сгорания требуется меньшее давление топлива для подачи его в камеру сгорания. Это особенно важно, когда энергетическая установка будет работать на природном газе, там где, уже выполнена разводка газа по трубам низкого давления, например, в городской черте или на отдельных карьерах (как в Якутии).

Следующий основополагающий момент концепции создаваемого семейства ГТД является управление параметрами термодинамического цикла на частичных нагрузках. Поддержание высокого уровня температуры газа перед турбиной и оптимальной степени повышения давления обеспечивает высокий КПД ГТД в очень широком диапазоне частичных нагрузок (КПД более 40% от 20 до 100% нагрузки). Следует отметить, что в случае использования ГТД в составе КЭУ на карьерном автосамосвале газотурбинный двигатель будет работать на частичных режимах.

В предлагаемой концепции подход к выбору температуры газа перед турбиной отличается от подхода к выбору температуры в простом цикле. Оптимальная температура для рекуперативного цикла существенно меньше.

Управление термодинамическими параметрами на частичных нагрузках позволяет не только поддерживать высокий КПД, но и создает благоприятные условия для камеры сгорания и обеспечивает возможность обеспечить эмиссии NOx и СО меньше 10 ррт во всем диапазоне частичных нагрузок.

С целью уменьшения систем, требующих технического обслуживания и расходных материалов, рассматриваются варианты, позволяющие исключить смазку подшипников маслом. Подшипники выбираются или с газовой смазкой или на магнитном подвесе.

Первая модель из этого семейства -газотурбинный двигатель номинальной мощностью 1 МВт ГТД-1С (рис. 1). Двухкаскадный компрессор, рекуператор, камера сгорания, турбина высокого давления, турбина низкого давления, электрогенератор блокирован с каскадом высокого давления.

На фото 1 показана ГТД- 1С в сборочном цехе (газосборник еще не установлен и видны секции рекуператора). Рекуператор пластинчатый секционный (14 секций оформлены в виде тора), электрогенератор высокооборотный. Частота вращения электрогенератора соответствует частоте вращения каскада высокого давления и на номинальном режиме равна 26000 об/мин. Подшипники комбинированные: опорные - газодинамические, упорные - магнитные.

Расчетная зависимость коэффициента полезного действия от мощности ГТД-1С приведена на рис. 2.

На ГТД-1С уже есть конкретный заказчик - ОАО «ВНИИЖТ», которое предусматривает первое использование ГТД-1С на маневровом локомотиве. В настоящее время изготовлен первый опытный образец и проводится комплекс опытно-доводочных работ. Испытания ГТД-1С были проведены на испытательном стенде в качестве которого был использован маневровый локомотив (фото 2).

Большой объем опытно-доводочных работ пришелся на подшипниковые узлы. Выбор комбинированных подшипников обусловлен компромиссом. В ходе испытаний установлено, что масса роторов и силовые факторы, воздействующие на них, чрезмерно велики для подшипников с газовой смазкой, а магнитные подшипники - чрезмерно дороги для такого использования.

С учетом того, что наибольшие силовые факторы имеют осевое направление, а для магнитных подшипников более 80% цены приходится на радиальные подшипники, было найдено решение, которое может обеспечить работоспособность и приемлемую себестоимость, состоящее в комбинации подшипников с газовой смазкой и магнитного подвеса.

Испытаниям в составе ГТД предшествовали испытания отдельно подшипников на специально созданном для этих целей стенде.

Проведенные горячие испытания ГТД-1С показали:

- запуск ГТД- 1С легкий и не вызывает проблем;

- камера сгорания на всех испытанных режимах работает устойчиво и с высокой полнотой сгорания; выбросы вредных веществ соответствуют проектным уровням;

- радиальные подшипники (с газовой смазкой) отработали без замечаний;

- осевые подшипники (магнитный подвес) показали свою работоспособность; замечания к работе магнитных подшипников были обусловлены более общими проблемами, связанными с тепловыми перемещениями конструкции и изменением этими перемещениями взаимного расположения магнитов и датчика контролирующего положение ротора;

- уровень шума - невысокий (не превышает 85 дБ без каких либо средств подавления шума).

Ожидается, что ГТД-1С и последующие модели двигателей из создаваемого семейства найдут практическое применение в приводах электрогенератора для малых электростанций и теплоэлектроцентралей; в двигателях для локомо-

тивов; двигателях для грузового автотранспорта, в том числе карьерного; а также главных судовых энергетических установках и в приводах нагнетателя для газоперекачивающей станции.

Выпускающийся в настоящее время ГТД соответствует требованиям, предъявляемым к ним разработчиками КЭУ для карьерных автосамосвалов. Применение в карьерах автосамосвалов, оснащенных КЭУ, позволит увеличить серийность выпуска этих двигателей, что в конечном счете приведет к снижению себестоимости их производства.

Считаем, что эти вопросы следует поставить на обсуждение широкого круга специалистов разных профессий: горняков, энергетиков, автомобилистов, железнодорожников и других.

Журнал "Горная Промышленность" №3 2008, стр.76