GE Frame-5 Core Engine газовая турбина

General Electric Frame-5 серия газотурбинных двигателей мощностью до 35 МВт, или газовая турбина в модификации «приводной двигатель в сборе», это комплектный турбосиловой приводной агрегат, готовый к эксплуатации в качестве запасной части, или как привод технического или энергетического оборудования. Турбодвигатель Core Engine Frame-5 поставляется на единой раме (основании), с габаритными размерами ДхШ, в мм: 7000х3000, масса блока 50 тонн. В зависимости от исполнения, турбоблок развивает от 25 МВт, до 35 МВт. Frame-5 двигатель газотурбинный используется в качестве привода генераторов для электростанций ТЭЦ, и для механического привода внешней нагрузки высокопроизводительных насосов и компрессоров, газовая турбина Frame-5 как механическая приводная энергетическая установка используются на нефтепромысловых насосных установках высокого давления, в составе газоперекачивающего агрегата ГПА как газоперекачивающая станция, газовая турбина агрегатируется с компрессорами высокого давления для компримирования природного газа. Газовая турбина GE Frame-5 массовая на рынке газовых турбин и универсальная, что наделяет турбоагрегат высокой надежностью, и модульной конструкцией, гибкостью в применении, это чрезвычайно высокий уровень надежности (Reliability) более 99% при более чем 50 миллионах часов. Коэффициент технической готовности (Availability) до 96%. В настоящее время с 1957 года отгружено около 3200 установок Frame-5 для энергетического сектора. Турбина имеет высокий КПД (тепло + электричество) до 85%. Капитальный ремонт турбины Frame-5 наступает через 48000 часов, полный ресурс до 300 000 часов наработки.

Газовая турбина General Electric Frame-5 поставляется в одновальной и двухвальной версии, с двухопорным ротором, степень сжатия – 17. Основной блок версии MS5002 представляет из себя двухвальную ГТУ, размещенную в едином корпусе, установленную на фундаментной раме. Газогенератор включает 17-ступенчатый компрессор с поворотным входным направляющим аппаратом – ВНА (VIGV), встроенную с 12 жаровыми трубами камер сгорания и приводящую компрессор двухступенчатую газовую турбину с охлаждаемыми направляющими и неохлаждаемыми рабочими лопатками. Топливо сжигается в выносных 12 кольцевых камерах сгорания (Can-Annular). Камеры соединены пламеперепускными трубками. Такая конструкция позволяет обслуживать каждую камеру (замену форсунок, лайнеров) без разбора всей турбины. Силовая турбина двухступенчатая, снабжена регулируемым сопловым аппаратом - РСА. MS002 - типичная конструкция стационарной ГТУ (Heavy Duty - для тяжелых условий работы) фирмы GE. Отлитый из чугуна жесткий корпус компрессора с входным конфузором и выходным диффузором, сварной из теплоустойчивой стали цилиндр в районе камер сгорания, размещенные вокруг оси ГТУ внутри цилиндрических патрубков жаровые трубы камеры сгорания, сварно-литая средняя часть корпуса турбины. Весь цилиндр ГТУ опирается на раму в 2 плоскостях: жесткой неподвижной опорой в районе заднего подшипника силовой турбины и гибкой - в районе переднего подшипника осевого компрессора. Входной патрубок, направленный вверх, и улитка выходного патрубка (возможны направления вверх или вбок) установлены на раму на самостоятельных опорах и не передают усилий основному корпусу ГТУ. Стык между ним и выходной улиткой уплотняется пакетом гибких пластин.

Frame-5 оснащена системой DLN, это передовая технология сухого подавления выбросов для обеспечения низкого уровня вредных веществ (NOx, CO) даже при частичной нагрузке. Конструкция турбины обеспечивает возможность работы на различных видах топлива, включая природный газ, жидкое топливо (дизельное, сырая нефть, вязкое топливо), а также газы с низким содержанием калорий и примесями (CO₂, H₂S), что делает ее универсальным решением для различных отраслей. Для увеличения ресурса и возможности работы при высоких температурах часть лопаток (особенно на первых ступенях) охлаждается воздухом, отбираемым из компрессора. Конструкция корпуса имеет горизонтальный разъем, что значительно упрощает проведение технического обслуживания и инспекций горячего тракта без необходимости полного демонтажа всей установки. «Горячая часть» (Hot Section) газовой турбины GE Frame 5 (модели MS5001/MS5002) — это наиболее нагруженная область, где энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую работу. Поскольку Frame 5 относится к классу турбин «Heavy Duty» (тяжелого типа), её горячая часть отличается массивностью, ремонтопригодностью и способностью работать на «грязных» видах топлива. Сопловой аппарат первой ступени (First-Stage Nozzle) состоит из полых неподвижных лопаток (диффузоров), разделенных на сегменты. Лопатки первой ступени турбины изготавливаются из жаропрочных никелевых суперсплавов (IN-738LC или GTD-111), с защитными антикоррозионными и теплозащитными покрытиями (TBC - Thermal Barrier Coating). Лопатки первой ступени турбины имеют сложную внутреннюю систему воздушного охлаждения. Сжатый воздух отбирается из компрессора и циркулирует внутри лопатки, а затем выходит через специальные отверстия, создавая защитную пленку на поверхности. Это позволяет металлу выдерживать температуры выше его собственной точки плавления. Жаровые трубы (Liners) внутри которых происходит горение. Они имеют отверстия для подачи первичного и вторичного воздуха для стабилизации пламени и охлаждения стенок. Переходные патрубки направляют поток раскаленных газов из круглых камер сгорания в кольцевой сопловой аппарат турбины. Это детали сложной формы, испытывающие сильный термический износ. Температура газов на входе в турбину (TIT) у Frame 5 относительно невысока по современным меркам (около 900–980°C), что и обеспечивает ей феноменальный ресурс.

Частота вращения турбины низкого давления (силовой), номинальная 5100 об/мин. Отбор мощности версии MS5001: мощность отбирается с помощью вала, который выходит из передней части турбины (со стороны компрессора). Мощность версии MS5002 отбирается с вала силовой турбины (вторая ступень турбины), который находится в задней части двигателя и вращается независимо от газогенератора. Скорость вращения вала силовой турбины может меняться в широком диапазоне (переменная скорость), в зависимости от нагрузки. Применение: эта модификация предназначена для механического привода компрессоров, насосов или другого оборудования, которому требуется регулируемая скорость вращения. Газовая турбина GE Frame 5 (серии MS5000) использует прочную систему подшипников скольжения, характерную для тяжелых промышленных турбин. Они отличаются от подшипников качения, применяемых в аэропроизводных двигателях (таких как LM2500), и рассчитаны на длительную непрерывную работу с высоким ресурсом. В стандартной одновальной конструкции (MS5001) используется два основных подшипника скольжения: опорный подшипник №1 (Journal Bearing #1), который расположен в передней части турбины, возле входного корпуса компрессора. И опорно-упорный подшипник №2 (Journal Bearing #2 & Thrust Bearing), расположены в задней части турбины, между турбинной и выхлопной секциями. Упорный подшипник предназначен для восприятия осевых нагрузок (толкающих усилий), возникающих в роторе. Тип подшипника: используются подшипники скольжения (или втулочные подшипники), которые состоят из стального корпуса с баббитовой (антифрикционный сплав на основе олова или свинца) заливкой. Подшипники работают в режиме принудительной смазки под давлением. Масло (обычно турбинное масло) подается непрерывно, создавая тонкую пленку между валом и вкладышем, предотвращая прямой контакт металла. Разъемный корпус: конструкция подшипников и горизонтально разъемный корпус турбины позволяют проводить инспекцию и замену вкладышей на месте эксплуатации (on-site maintenance), что является важным преимуществом для снижения времени простоя.