Авиационные газовые турбины для наземного использования, или авиапроизводные ГТД для промышленного использования.

Что такое авиапроизводная газотурбинная установка? Преимущества и недоставки авиационных газовых турбин в наземном исполнении, особенности турбокомпрессоров и турбодвигателей, сделанных изготовленных от авиационных моторов, описание и характеристики.

Авиапроизводная газовая турбина (аэродеривативная, Aeroderivative Gas Turbine) иногда называемая аэротеривативная ГТД, это газовая турбина, созданная на базе авиационного двигателя (как правило, турбовентиляторного или турбореактивного) и адаптированная для стационарного или морского применения. Изначально, авиационный вариант газовой турбины значительно более сложный, с более высокими требованиями по надежности. Например, в отличии наземных газовых турбин авиадвигатель изначально идет двухвальный, это когда компрессор высокого давления механически связан с турбиной высокого давления, а компрессор низкого давления связан с турбиной низкого давления. А в стационарном варианте такой двигатель уже становиться трехвальным, за счет силовой турбины.

Популярные в мире авиапроизводные ГТУ производит General Electric серии LM2500 (мощность до 38 МВт), LM6000 (мощность до 57 МВт) и LM9000 (мощность до 73 МВт): их "предки" — авиационные двигатели. Главный приоритет авиадвигателя — удельная мощность (мощность на единицу массы/объема). Каждый лишний килограмм — это потеря топлива, полезной нагрузки и маневренности самолета. Поэтому вся их конструкция, материалы и технология направлены на достижение максимальной мощности при минимальном весе. Промышленные ГТУ типа GE Frame-5 (масса core engine 50 тонн) мощностью до 35 МВт, что соответствует авиапроизводные ГТУ LM2500 (масса core engine 5 тонн): создаются с нуля для работы на земле. Их главные приоритеты — надежность, ремонтопригодность, долговечность, топливная гибкость и высокий КПД в широком диапазоне нагрузок. Вес и габариты — вторичны. Станцию можно построить больше, фундамент сделать мощнее.

Авиадвигатели используют самые дорогие и высокотехнологичные материалы: никелевые суперсплавы (монокристаллические лопатки), титановые сплавы, керамические покрытия (TBC). Это позволяет лопаткам работать при температурах до 1600°C и выдерживать чудовищные нагрузки при минимальной массе. Промышленные ГТУ также используют сплавы высокого класса, но часто более "консервативные" и толстостенные, рассчитанные на долгий срок службы в условиях возможного неидеального топлива. Охлаждение: в авиационных и аэроизводных ГТУ применяется сложнейшая система внутреннего воздушного охлаждения лопаток и дисков турбины (сотни микроскопических отверстий и внутренних каналов). Это позволяет "отодвинуть" температурный предел материала. В промышленных ГТУ охлаждение также есть, но сама масса металла является дополнительным "теплоаккумулятором", повышающим стабильность. ·Конструкция и допуски: чтобы выжать максимальную удельную мощность, авиадвигатели собираются с минимальными допусками, компоненты работают на пределе. Промышленная ГТУ проектируется с большими запасами прочности, более тяжелыми роторами и корпусами. Масса в 50 тонн для GE Frame-5 — это не недостаток, а запас прочности и стабильности. Корпус тяжелее — меньше деформаций, лучше соосность. Опоры и фундамент: легкий LM2500 часто поставляется в виде "пакета" на общей раме. Тяжелая Frame-5 требует мощного фундамента, но ее масса гасит вибрации, что также повышает надежность. Промышленные газовые турбины тяжелее, проще, и значительно дешевле в ремонте, как можно заметить, наличие одного вала в промышленной турбине уже дает экономию на количестве запасных частей, требуемых для капитального ремонта.

Одновальная конструкция (Industrial): компрессор, турбина высокого давления и отбор мощности, который может быть как с холодной части, так и с горячей, такая схема применяется для привода генераторов, у которых обороты всегда одинаковые, причем газовая турбина может быть как высокооборотная, так и низкооборотная, спроектированная для прямой передачи мощности на генератор, чаще всего это 3000 об/мин без использования редуктора, в двухвальной версии есть еще и газодинамическая силовая турбина, которая позволяет регулировать обороты вала, чаще всего такая схема используется для привода насос и компрессоров. Одновальная схема проще конструктивно, но накладывает ограничения: вся машина работает на одной скорости вращения (обычно 3000/3600 об/мин для сетевой частоты). Это делает ее менее гибкой к изменению нагрузки, сложнее запускается.

Двух/трехвальная (Aero-derivative): здесь генератор крутит независимая "силовая" турбина низкого давления. Она механически не связана с турбокомпрессором (валом высокого давления). Это дает огромные преимущества:

1. Гибкость: Турбокомпрессор (газогенератор) может работать на оптимальных для него оборотах, создавая нужный поток газа, независимо от скорости вращения генератора.
2. Легкий пуск: Раскручивается только малый по массе газогенератор, а не весь тяжелый ротор.
3. Высокая эффективность на частичных нагрузках.
4. Ремонтопригодность: Газогенератор (самая нагруженная и дорогая часть) можно быстро заменить на новый, как кассету, отправив старый на заводской ремонт. Это минимизирует простой.

Главное преимущество авиационной газовой турбины - максимальная мощность при минимальном весе и размере, еще это быстрый пуск и гибкость. Максимальная надежность, долговечность, стабильность. Высокий КПД в базовом режиме. Идеальное применение пиковые мощности, когенерационные установки (ТЭЦ), СПГ-заводы, морские платформы, суда. Там, где важен малый вес, быстрый ввод в работу и частая смена режима. Промышленная газовая турбина имеет преимущество там, где нужна базовая нагрузка в крупных энергопарках, больших и мощных ТЭЦ, нефтегазовой промышленности (привод нагнетателей). Там, где установка работает годами в стабильном режиме. У таких турбин более высокая стоимость кВт установленной мощности, но ниже стоимость и время обслуживания. Надежность через запас прочности.

Как это работает (принцип преобразования): берется готовый, серийный и технологически отработанный авиационный двигатель (например, от Boeing 777 это RR Trent-800), главное, что нужно – это самая сложная часть, называется «горячая часть или турбина» иногда используют термин «газогенератор». За счет огромного налета, большого опыта эксплуатации, турбина обладает высочайшей степенью надежности, компактностью и эффективностью. С двигателя снимаю вентилятор, меняют его на новый, и элементы, специфичные для полета. Далее для съёма мощности устанавливают на выходе силовую турбину (свободную турбину), которая не имеет механической связи с валом газогенератора. Эта турбина вращается за счет энергии горячих газов, выходящих из газогенератора. К валу этой силовой турбины присоединяют полезную нагрузку — электрогенератор на электростанции, компрессора на газопроводе, или гребной винт (либо электрогенератор в модификации пропульсивная установка) на корабле.

Ключевые преимущества авиапроизводных газовых турбин:

• Высокий КПД (особенно в когенерационных установках): они очень эффективно преобразуют топливо в электроэнергию и тепло.
• Быстрый пуск и высокая маневренность: Могут выходить на полную мощность за 2-5 минут. Идеальны для покрытия пиковых нагрузок в энергосистеме и в качестве резервных источников.
• Компактность и малая удельная масса: мощность на единицу объема и веса у них одна из самых высоких среди тепловых двигателей, это более чем в 10 раз выше чем у промышленных турбин. Это критически важно для судов (особенно военных) и мобильных электростанций.
• Высокая надежность: в основе лежит двигатель, изначально рассчитанный на экстремальные условия полета.
• Модульность: газогенератор можно достаточно быстро заменить на новый для обслуживания, минимизируя простой всей установки.

Есть и недостатки авиапроизводных газовых турбин: это стоимость, как готового изделия, так и последующего ремонта. Сферы применения авиапроизводных газовых турбин: энергетика, пиковые и резервные электростанции (Peaker plants). Когенерационные установки (ТЭЦ) для одновременной выработки электричества и тепла. Промышленные энергоустановки на крупных предприятиях. Электроснабжение удаленных объектов (например, буровых платформ). Морской флот: скоростные суда на подводных крыльях и воздушной подушке, где важны скорость, маневренность и компактность силовой установки. Часто используются в комбинации "CODOG" или "CODAG" с дизелями. Гражданские суда: скоростные паромы, ледоколы, яхты класса "люкс". Судовые электростанции (вспомогательные) в составе пропульсивных энергоустановок. Нефтегазовая промышленность: привод для газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на магистральных газопроводах.

Ведущие производители в мире авиапроизводных газовых турбин:

• Rolls-Royce (модели на базе двигателей Trent, RB211)
• General Electric (GE) (модели LM серии на базе двигателей CF6, TF39 и других)
• Siemens Energy (ранее совместно с Pratt & Whitney, модели на базе авиадвигателей PW)
• Solar Turbines (дочерняя компания Caterpillar) • ОДК-Сатурн / ОДК-Авиадвигатель (Россия) — производят АПГТ на базе двигателей НК, Д-30 и других для электростанций и ГПА.